氫能聚焦·高壓儲氫有望推動複合材料快速增長——加氫站、成本及儲存效率
「來源： ｜碳纖維研習社 ID：cfrp888」
在本專題文章第1部分《高壓儲氫有望推動複合材料快速增長——重卡、汽車及鐵路用儲罐需求》中，探討了使用IV型碳纖維增強聚合物（CFRP）儲氫罐將氫氣（H）儲存為壓縮氣體的氫燃料汽車預計顯著增長。H可以直接燃燒或用於燃料電池發電，水和熱是唯一的排放物。隨著世界加速向零排放運輸和工業轉型，H成為一個關鍵的推動因素。然而，生產數百萬儲氫罐所需的大量碳纖維可能無法及時滿足燃料電池汽車（FCV）和基礎設施目標。
IV 型儲氫罐增長的其他可能障礙包括碳纖維和 CFRP 儲氫罐成本，以及較低的儲存密度
，而低溫儲罐大多為金屬。新的儲罐製造商和法國汽車一級供應商 Plastic Omnium （Lavallois） 和 Faurecia （Nanterre） 已制定目標，到 2030 年將 IV 型儲罐成本降低 30-75%，同時將儲存效率提高到 7% 以上。目前正在開發新技術來實現該目標，從 Cevotec（德國翁特哈興）的纖維鋪放 （FPP） 技術用於減少罐頂中的CFRP 時間和成本，到Cygnet Texkimp ‘s （Northwich， UK） 3D 纏繞減少纖維損傷，複合材料感測器整合專家Com&Sens（比利時埃克）更是提出了儲罐現場監測。
在本期第2部分內容中，將會主要討論H加油站（H refueling stations，HRS）和用於配送的管式拖車的其他市場比如用於IV型儲罐的玻璃纖維。此外，還探討了成本和儲存效率、儲罐重新認證、感測器用於再認證以及最佳化生產和健康監測等問題。
01 加氫站HRS
氫動力汽車和卡車的宏偉路線圖將需要建造大量的HRS。由Hstations。org於2021年2月釋出的一份報告指出，2020年投入運營的HRS加氫站達到107個，是迄今為止最高的一年。2021年1月又增加了7個，
目前全球運營HRS已經達到560個，並計劃再增加225個
。氫能委員會2021年2月相關報告估計，到2030年，需要10，300個HRS才能滿足燃料電池車的需求。
HRS中正在使用CFRP儲罐
。例如，Hexagon Composites公司（挪威阿勒松）在海牙向Resato公司（荷蘭阿森公司）大型儲氫站提供了儲罐，而NPROXX公司則向區域公共汽車運營商RVK公司（德國科隆公司）的兩個 HRS提供了儲罐。
氫氣透過管式拖車、液罐車或管道供應至HRS，也可以使用蒸汽甲烷重整器（SMR）或電解裝置（圖1）在現場生成。IV型碳纖維增強塑膠罐可用於管道拖車輸送氫氣，也可用於現場緩衝儲存。
圖1 加氫站 （HRS） 組成示意圖，IV 型CFRP壓力容器可用於管式拖車以將 H2輸送到站點/或用於現場緩衝儲存的級聯儲罐。
在2021年5月的CW Tech Days活動中，PowerTap Hydrogen（美國加利福尼亞州歐文市）營運長Kelley Owen解釋說，每個PowerTap HRS將使用SMR裝置從天然氣中每天產生1250千克H，以重新加註配有350bar和700bar儲罐的FCV。PowerTap與Andretti Group合作，將在加利福尼亞州選定的Andretti Group加油站和柴油站安裝HRS。
這些HRS裝置必須符合當前電站的佔地面積，已被汽油泵和柴油泵、便利店等佔用。Owen說，PowerTap的緩衝儲存器將包括兩套儲罐：24箇中壓（500巴，20英寸直徑，34英尺長）和30個高壓（900巴，16英寸直徑，35英尺長），需要大約25 × 35英尺儲存空間的軋製鋼管筒（圖2）。Owen解釋說，之所以選擇I型鋼管，是因為
IV型複合材料儲罐的成本高出30-35%，將儲罐成本從120萬美元增加到160萬美元，這將消耗每個 HRS 的300 萬美元預算的一半以上
。
圖 2。 現場儲存空間
內布拉斯加州林肯市 Hexagon Composites 研發高階副總裁 Rick Rashilla 表示：“毫無疑問，鋼罐的價格比複合材料罐低得多。但在某些應用中，複合材料罐是很好的解決方案。例如，我們在歐洲的一些客戶
已將此類儲罐安裝在氫氣站屋頂、壓縮機或其他裝置的頂部
，以減少整體佔地面積。這是可能的，因為 IV 型儲罐非常輕。
金屬罐雖然成本較低，但通常需要地面安裝
，而且由於它們的重量，只能將它們堆得很高，而複合材料罐可以堆得更高，從而減少了儲存空間。
但是，與鋼罐相比，複合材料氣瓶的直徑或壓力是否受到限制？“任何壓力容器的壁厚都必須隨著壓力和尺寸的增加而增加，”Hexagon Composites 研發部首席工程師 Brian Yeggy 解釋說。“複合材料技術沒有限制，但是我們無法在700bar壓力下製造更大直徑的儲罐。”目前，Hexagon 最大的儲罐直徑為 580 毫米/22。8 英寸，長 3。3 米/10。8 英尺，可在 500 bar下進行固定儲存。它還具有一個 1，000 bar、20 英寸直徑的固定儲存氣缸。“這不是我們技術的限制，而是我們客戶的要求，”Yeggy 說。“我們已將複合材料罐擴大到直徑 42 英寸、長 51 英尺，以便在 250 bar下儲存。”
壓力越高，複合材料看起來越吸引人，但由於所需的壁厚越高，無論採用何種材料，整個系統的成本都越高。複合材料儲罐在每天10次加壓迴圈的情況下滿足15年使用壽命的HRS需求的能力如何？Yeggy說，“這將相當於最多55000次迴圈，我們的大多數產品已經按照45000次迴圈的標準認證了15至30年，並且保證填充到 150% 的溢位而不會失敗。我們還測試了幾個直徑27英寸、379bar的儲罐，進行了110000次迴圈而無故障［圖3］，我們有一個直徑為14英寸、壓力為380bar的氣缸，經過100萬次迴圈測試，每個迴圈的工作壓力為其工作壓力的150%。因此，不擔心IV型儲罐是否能夠滿足加氫站所需的迴圈範圍。”
圖 3。 IV 型儲罐工作條件
02
H
分佈與玻璃纖維
管式拖車代表了複合材料氣瓶的另一個市場，即用於將氫氣從生產點分配或運輸到HRS或工業現場。這是Hanwha Cimarron複合材料（韓國首爾）、Hexagon和NPROXX（荷蘭海倫）的主要市場。在Hexagon，該市場預計將佔公司2021年總收入的40%以上。Hexagon的Rashilla說：“對於氫氣，我們的大多數分配氣瓶都是350bar，並且趨向於500bar及以上。由於需要在船上獲得更多的氫氣，很可能也會有700bar的氣瓶；但在獲得氫氣的成本上，這始終是一個平衡。”
“一切都從基礎設施的氫氣開始，”NPROXX 董事總經理兼銷售主管 Michael Himmen 解釋說，H動力汽車的增長需要加氣站，而這些加氣站反過來又依賴於燃料運輸，“在未來兩年內，我們可能在船舶和集裝箱設計方面會提出新的解決方案。” 這裡的術語“容器”是指運輸模組的包裝方式。例如，Hexagon 用於500 barH運輸的 X-STORE 模組包括一個 10、20、30 或 40 英尺長的金屬框架拖車，帶有 22、52、82 或 103 個 IV 型氣瓶，總共可攜帶240、565、890 或 1，115 千克 H。NPROXX 有類似的產品。Cimarron Composites 在CW 2020 年關於 H壓力容器的專題文章中進行了解釋，其直徑為30英寸、長度為19英尺的Neptune 517 bar IV型儲罐能夠將九個容器裝入一個標準的20英尺容器中，容量為600千克H2，在一個40英尺容器中容量是原來的兩倍。
Umoe Advanced Composites（UAC，克里斯蒂安桑，挪威）也瞄準了 H氣體傳輸，但沒有碳纖維。相反，
該公司生產的IV型氣瓶採用行業標準T4塑膠內襯，外覆纖維纏繞玻璃纖維/環氧樹脂組合
。UAC目前提供200至350bar的模組，並將在2022年擴大到450至500bar的儲罐。
玻璃纖維增強聚合物（GFRP）儲罐提供與鋼罐相同的資本支出（CAPEX），但重量減少70%
（圖4）。同時，
與碳纖維增強塑膠圓筒相比，玻璃纖維增強塑膠減少了50%的資本支出
，
但是其重量較高
。2021年5月，UAC宣佈成立一家合資企業，在中國建立一家新工廠，到2022年，該工廠的年產能將從10000瓶擴大到20000瓶（1700-2000升）。同時，該公司將把挪威的產能提高到4000瓶/年。
圖 4。 IV 型玻璃纖維罐
03 成本和儲存效率
正如在本系列第1部分的介紹中那樣，除了成本之外，IV型儲罐的另一個關鍵問題是儲存密度——即在給定體積內可以儲存多少H。這裡的關鍵指標稱為重量、重量比或質量比，其定義為儲存的H質量除以儲罐或儲存系統的質量。
2019年對儲氫系統的審查將I、II和III型儲罐的重量密度分別列為1.7%、2.1%和4.2%
。該指標也可稱為儲存密度或效率。
對於IV型儲罐，豐田（日本豐田城）於2014年為其700bar儲罐確定了5。7%的基準值，這是因為透過優化纖維纏繞模式，CFRP減少了20%。這些通常包括沿氣缸的環形纏繞、穿過氣缸和半球形端部的低角度繞組以及環向繞組和低角度繞組之間邊界處的高角度繞組。豐田公司設計了一種消除高角度螺旋繞組的方法，這種方法以前包括≈25%的層壓板。相反，襯墊的形狀被壓平，以便在邊界區域透過環形纏繞實現層壓。豐田還將環形纏繞集中在應力最高的內層。Faurecia在其CFRP IV型儲罐中聲稱的優點之一是重量比>7%。
2019年，與康明斯（美國印第安納州哥倫布市）50/50的合資公司NPROXX推出了一款700bar的IV型儲罐，其儲存密度為6。4%，而Iljin Hysolus（韓國邦東eup）為現代Nexo燃料電池乘用車生產的儲罐平均為6。3%。“對我們來說，
關鍵在於如何處理碳纖維，纏繞過程中對纖維造成多大的損壞
，”NPROXX的Himmen指出。“這實際上決定了在儲罐中使用多少碳纖維。”
Yeggy說，由Hexagon複合材料製成的H儲罐，現在分拆成Hexagon Purus，儲存效率在5%到7%之間。“我們一直在進行研究，以提高儲存效率，但儲罐越輕，它的精度就越高，損失的損傷容限也就越大，而且成本是一個很大的因素。如果不考慮成本，那麼可以在紙上構建設計，從而提高10%的儲存效率。但要實現這一點，它的成本將高於它所在的車輛。”
儘管20多年來，美國能源部（DOE）的許多專案一直在追求降低儲罐成本，Faurecia聲稱，到2030年，它將使氫氣儲存系統成本降低75%，從每千克儲存1300歐元降至315歐元。Plastic Omnium的目標是將成本降低30%。NPROXX同意後者。Himmen說：“根據2030年生產的大量儲罐，我們的分析表明，我們可以將成本降低25-30%。”。然而，他承認
碳纖維佔儲罐成本的60%，更高的容量不會顯著降低纖維價格
。Hexagon Composites公司的Rashilla說，Hexagon已經與能源部合作開展了各種儲罐和降低碳纖維成本專案，並指出在不久的將來可能會有其他專案。
04 重新認證和監測儲罐
Rashilla指出另一種降低成本的方法是透過Hexagon的 Digital Wave 業務部門，該部門使用模態聲發射（AE）在儲罐的監管壽命結束時對儲罐進行檢查，分析儲罐的完整性以提供額外服務。Modal AE使用先進的電子裝置和感測器，旨在提高靈敏度和資料傳輸能力。Rashilla說：“延長鋼瓶的使用壽命是降低成本和排放的好方法。這已經在消防員用碳纖維複合材料氣瓶上得到了驗證。我們也在2010-2015年達到使用壽命的第一批壓縮天然氣儲罐上進行了驗證。 Digital Wave 數字波測試可以驗證儲罐沒有損壞，其剩餘壽命為“X”很有可能。”
“我認為這個行業仍然缺乏資料，”Himmen說。“IV型容器在使用10年後才會進行檢查。但在這段時間內，壓力容器的完整性究竟發生了什麼變化，是否真的有資料可以理解？我們參與了一個歐盟專案來建立這些資料。我們提供了大量儲罐，併為其配備了各種感測器來檢測從溫度、壓力迴圈、積極加油以及在役使用和濫用等方面對儲罐完整性的壽命影響。我們的目標是在將感測器放入複合材料之前獲得更多的知識，因為我首先想知道測量什麼以及與什麼進行比較，以確定壓力容器是好是壞。”儘管有未來的努力，NPROXX目前整合感測器技術的一個領域是在其生產過程中。
Com&Sens介紹瞭如何使用嵌入式光纖布拉格光柵（FBG）光纖感測器最佳化複合材料儲罐生產和現場健康監測。當H罐層壓板進行纖維纏繞時，FBG光纖線可以從線軸上共纏繞。每個光纖的長度範圍為1-100米，最多有20個感測點，最小間距為1釐米（圖5）。
圖 5。 用於最佳化儲罐生產、監控和設計的光纖感測器
Com&Sens聯合創始人Eli Voet說：“每個感測點都位於光纖內，以便在複合材料層壓板的環形或螺旋層內的任何離散位置進行測量。這些點在使用旋轉接頭纏繞期間，或在使用專利點連線技術的操作期間進行詢問，該技術可實現“智慧”儲罐的大規模使用。”他解釋說，嵌入層壓板中的FBG感知材料內部應變的重新分佈。Voet補充道：“這些感測器可用於生產過程最佳化，允許理解和數字化以前無法測量的過程引數。在固化、疲勞迴圈和爆破試驗期間獲取系統範圍內的應力、應變和溫度測量值，將有助於設計師驗證有限元模型，並最佳化未來設計中的材料使用。但最有希望的應用可能是在儲罐執行期間對生命週期和結構完整性進行監控，例如，Voet展示了生產帶有“數字指紋”的儲罐的能力，然後根據指紋重新認證儲罐，以延長使用壽命。
05 真正的變化來得很快
根據氫能委員會2021年的《Hydrogen Insights》報告，
75個國家制定了零排放戰略，20多個國家在2035年之前宣佈了內燃機（ICE）車輛的銷售禁令
。除氫氣外，電池、電力、太陽能和其他替代燃料將成為實現這些目標所需解決方案的一部分。然而，對H的關注和政府支援日益增加。到2050年實現淨零排放一直是避免氣候災難的口號，但許多國家正在努力爭取到2040年或更早實現目標。這可能嗎？
Hexagon Purus海事公司的Dahl 表示：“你不僅要重新考慮車輛架構，還要重新考慮運營的整個商業模式。當然，有一種猶豫不決——誰將成為先行者並承擔風險？還需要大量投資。但那些有目標、有勇氣去做的人將是前進的領導者。”
除了多種零排放解決方案外，氫氣儲存還將繼續採用多種解決方案，並非所有解決方案都將依賴複合材料或碳纖維。複合材料行業將如何應對正在開發的氫動力汽車、火車、船舶和加油站的快速新興市場？新型碳纖維能使儲罐具有更高的儲存效率和更低的成本嗎？NPROXX的Himmen說：““我們對想要使用的理想碳纖維進行了很多思考。預計產量會如此之大，顯然碳纖維的消耗量也會大大增加，而我認為理想的碳纖維還沒有上市。”
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