2050 yılına kadar sıfır emisyona ulaşma küresel hedefi, kompozit basınçlı kaplarda hızlı bir büyüme sağlıyor.
resim
Kompozit Basınçlı Kaplar
Yüksek basınçlı gaz depolama kapları, gelişmiş kompozitler, özellikle filaman sargılı karbon fiber kompozitler için en büyük ve en hızlı büyüyen pazarlardan biridir. Bağımsız solunum cihazlarında kullanılabilmelerine ve havacılık araçları için oksijen ve gaz depolaması sağlamalarına rağmen, ana nihai pazar sıvılaştırılmış propan gazı (LPG), sıkıştırılmış doğal gaz (CNG), yenilenebilir doğal gaz (RNG) ve hidrojendir. (H2) depolama. LPG tüpleri otomobillerde kullanılırken, gelişmekte olan ülkelerde pişirme ve ısıtma pazarlarında artan bir talep var.
Sıkıştırılmış doğal gaz (CNG), yenilenebilir doğal gaz (RNG) ve hidrojen (H2) gibi yakıt sistemleri, otomobillerde, otobüslerde, minibüslerde ve diğer "İkmal benzin istasyonlarında veya endüstriyel tesislerdeki toplu taşıma araçlarında giderek daha fazla kullanılmaktadır. Araç uygulamalarında, bunlar yakıt depolama tankları, benzin, dizel ve jet yakıtını azaltan veya değiştiren temiz, sıfır emisyonlu aktarma organlarının önemli bir parçasıdır. yakıtlar.
5 tip basınçlı kap vardır:
Tip I: Tamamen metal konstrüksiyon, genellikle çelik konstrüksiyon.
Tip II: Çoğunlukla çelik veya alüminyum metal ve fiberglas kompozitler olmak üzere, bir miktar çemberle sarılmış elyaf içeren metal, metal kap, kompozit ile kabaca aynı yapısal yükleri paylaşır.
Tip III: Metal astar tamamen kompozit malzemelerle sarılır, genellikle karbon fiber kompozit malzemeler alüminyum astarın etrafına sarılır ve kompozit malzeme yapısal yükü taşır.
Tip IV: Tamamen kompozit yapı, genellikle poliamid (PA) veya yüksek yoğunluklu polietilenden (HDPE) yapılmış bir iç tank, iç tank karbon fiber veya karbon fiber/cam fiber ile karıştırılmış bir kompozit malzeme ve kompozit ile sarılmıştır. malzeme tüm yapısal yükleri taşır.
Tip V: Astarsız, tamamı kompozit yapı.
Geleneksel olarak Tip I, pazarın yüzde 90'ından fazlasını elinde tutuyordu, ancak bu, kompozit malzemelerden sağlanan ağırlık tasarrufu ve sıkıştırılmış gazın iyileştirilmiş depolama verimliliği nedeniyle Tip III ve Tip IV basınçlı kapların satışlarının artmasıyla mümkün oldu. Tip V henüz emekleme aşamasındadır ve esas olarak uzay uygulamalarının ihtiyaçlarını karşılar. Yeni uzay endüstrisinin gelişmesiyle birlikte bu, dikkate değer bir ürün türüdür. Örneğin, Nisan 2020'de ABD şirketi Infinite Composites Technologies (ICT), roketle çalışan uzay fırlatma araçlarında kriyojenik sıvı itici gazları depolamak için kullanılan A küresel V şeklinde bir kriyojenik tank geliştirdi. Bu astarsız karbon fiber epoksi kriyosfer tankı, filaman sarımı ve endüstriyel fırın kürleme işlemi kullanılarak üretilmiştir.
Pazar Yönlendiricileri ve Büyüme Oranları
Bu pazarın ana itici gücü, 2050 yılına kadar sıfır emisyona ulaşmak için fosil yakıtlardan CNG, RNG ve H2 gibi yenilenebilir, emisyon azaltıcı yakıtlara geçerek iklim üzerindeki etkiyi azaltmaya yönelik artan küresel taahhüttür. Uluslararası Enerji Ajansı'nın "2050'ye Kadar Net Sıfır Emisyon: Küresel Enerji Sektörü için Bir Yol Haritası" adlı yeni bir raporuna göre: Hükümetlerin bugüne kadar verdiği iklim taahhütleri, eğer tamamen hayata geçirilirse, 2050'nin çok gerisinde kalıyor. net enerji ile ilgili küresel CO2 emisyonlarının sıfıra indirilmesi, bunun yerine dünyaya küresel sıcaklıklardaki artışı 1,5 derece ile sınırlama fırsatı sunuyor.
Yukarıdaki taahhütlere ek olarak, ABD'nin Connecticut, Maryland, Massachusetts, New Jersey, New York, Oregon, Rhode Island, Vermont ve Washington eyaletlerinin halihazırda yeni Fosil yakıtlı binek otomobil üretmeme taahhüdünde bulunduklarını belirtmekte fayda var. , yeni fosil yakıtlı orta ve ağır taşıtların satışını yasaklamak için California, Colorado, Hawaii, Maine, Kuzey Carolina, Oregon, Pensilvanya ve Columbia Bölgesi'ne katıldı.
Yılda 130 milyon içten yanmalı motor (ICE) üreten ve çoğu otobüsler ile orta ve ağır hizmet kamyonlarında kullanılan ABD merkezli Cummins Inc. 8 yakıt hücreli minibüs ve hidrojen yakıtlı bir motor. Haziran 2021'de Cummins, bu yüzyılın sonunda bu ürünlerin bir dizel motorun toplam sahip olma maliyetine (TCO) yaklaşacağını ve gelecekteki ağır taşımacılığın dizel yerine hidrojen, yakıt hücreleri veya pillerle çalıştırılacağını söyledi.
2020'de küresel doğal gazlı araç (NGV) satışları, önceden tahmin edilenden daha yüksekti: 2021 Grandview Araştırma Raporuna göre, tahmin edilen 24,4 milyona karşılık 29,8 milyon adet satıldı. Rapor ayrıca 2021'deki satışların yaklaşık 31 milyon adet olacağını ve 2028'de 38,9 milyon adede yükselerek yüzde 3,3'lük bileşik yıllık büyüme oranına (CAGR) ulaşacağını öngörüyor. DataIntelo, CNG gemi pazarında Tip I gemilerin pazarın yaklaşık yüzde 55'ini, Tip II, Tip III ve Tip IV gemilerin sırasıyla yaklaşık yüzde 25, yüzde 15 ve yüzde 5'ini oluşturduğunu iddia ediyor.
AJR Consulting'den Tony Roberts ve CarbConsult'tan Dan Pichler, kompozit basınçlı kaplardaki karbon elyaf talebinin 2021'de 13.100 tondan 2026'da 20.230 tona çıkacağını ve 2021'de toplam karbon elyaf talebinin 106.700 ton olması bekleniyor. Aşağıda, toplam karbon fiber talebinin 2026'da 169,{10}}t'a ulaşması bekleniyor. Roberts ve Pichler, basınçlı kaplarda kullanılan karbon fiberin çoğunun mobil borulara (2026'da 6900 ton) ve otobüslere gideceğini tahmin ediyor ve minibüsler (2026'da 6400 ton).
Ayrıca, dünya çapında yeni hidrojen yakıtlı araçların piyasaya sürülmesine göre, yüzde 60 elyaf içeren ve 5,6 kg ağırlığındaki her 700 bar hidrojen depolama tankının 62-72kg karbon elyaf kullanacağı tahmin edilmektedir. 2030 yılına kadar sadece hidrojen depolama tankları karbon fibere ihtiyaç duyacaktır. Hacim 166650t'ye ulaşacak. Bununla birlikte, bu araçlar için tahminler, ağır yük taşıtlarının yalnızca yüzde 1'inin, otobüslerin yüzde 10'undan azının ve arabaların yüzde 1'inden azının hidrojen kullanması beklendiğinden ihtiyatlı.
Basınçlı Kaplar İçin Kompozit Malzeme Kullanımı
Hidrojen depolama için Tip IV kompozit basınçlı kaplar, karbon fiberin plastik bir astarın etrafına sarılması ve epoksi reçine uygulanmasıyla yapılır. Son derece otomatikleştirilmiş anahtar teslimi hidrojen depolama tankı üretim hatları tasarlayan ve üreten kompozit malzeme ekipmanı tedarikçileri şunları içerir: Hollanda'da Autonational Composites, Amerika Birleşik Devletleri'nde Engineering Technology, Amerika Birleşik Devletleri'nde McClean Anderson, Makedonya'da MIKROSAM ve Almanya'da Roth Composite Machinery, ikincisi yeni Rothawin teknolojisi ile hidrojen depolama tanklarının üretiminin beş ila on kat daha hızlı yapılabileceğini iddia ediyor. MİKROSAM, müşterisi Rusya'nın JSC DPO Plastik'in yılda 60000 konteyner sarma kapasitesine sahip CNG konteynerleri ve hidrojen depolama tanklarının üretimi için dünyanın en büyük üretim hattını kullandığını iddia ediyor.
Alman Cevotec, bir basınçlı kabın kubbe alanında Fiber Yama Yerleştirme (FPP) sistemini kullanarak malzemede yüzde 20 ve döngü süresinde yüzde 20 tasarruf sağlayabileceğini söylüyor. Cevotec'in CEO'su, 1 kg hidrojeni depolamak için kaptaki çalışma basıncının 700 bar'a kadar çıktığını, bunun da yaklaşık 10 kg karbon fibere ihtiyaç duyulduğu anlamına geldiğini ve bunun çok yüksek bir oran olduğunu açıkladı. FPP sistemi, sarım işlemi sırasında bazen sorun olan alanlara dikkatle tasarlanmış karbon fiber yamaları hassas bir şekilde uygulayabilmektedir. Tek bir FPP sisteminin, birden fazla sarma makinesinden gelen kapları güçlendirebileceği söylenmektedir.
Sıkıştırılmış gaz depolama için kullanılan çoğu Tip IV basınçlı kap, hasarı önlemek için yapısal güçlendirme için karbon elyafı ve dış katman için cam elyaf kullanırken, Norveç'in Umoe Advanced Composites (UAC) Tip IV gemileri için yalnızca cam elyafı kullanır. UAC, otomotiv pazarı yerine doğal gaz taşımacılığı pazarı için 200-350 çubuk gemi sunuyor ve 2022'de ürün portföyünü 450-500 çubuk gemiyi içerecek şekilde genişletecek. UAC CEO'su Øyvind Hamre'nin belirttiği gibi, cam elyafı takviyeli polimer (GFRP) kaplar, çelik kaplarla aynı maliyete sahiptir ancak yüzde 70 daha hafiftir. CFRP konteynerlere göre daha ağır olmasına rağmen maliyeti yüzde 50 oranında düşürür.
resim
Cam elyaf takviyeli kompozitlerden yapılan Tip IV kaplar, karbon fiber kompozitlerden daha ucuzdur ve çelik kaplardan daha hafiftir (Umoe Advanced Composites üzerinden resim)
Birçok pazarda hidrojen depolama tankları
Norveç'te Hexagon Purus ve Hollanda'da NPROXX (ABD'de Cummins ve Cimmaron Composites arasında 50:50 ortak girişim, Güney Kore'de Hanwha tarafından satın alındı. Şirket, 2021'de 130 milyon ABD doları yatırım yapacağını duyurdu) Alaba, ABD'de Dağıtım, Opelika, MA'da yeni bir üretim tesisinin inşası için de önemli bir pazardır.
Hidrojen depolama tanklarının uygulaması sadece dağıtım pazarında değil, aynı zamanda araba, kamyon, demiryolu taşımacılığı ve deniz taşımacılığı alanlarında da büyüme kazanmıştır. Hidrojen depolama tankları üreticisi NPROXX'un genel müdürü ve satış başkanı Michael Himmen, "Avrupa'da üretilen kamyonetlerden bazıları hidrojenle çalışacak" dedi. Avrupa düzenlemelerine göre, 2030 yılına kadar kamyon OEM'leri, kamyonlarının CO2 emisyonlarının 2019 seviyelerine kıyasla ortalama yüzde 30 oranında azaltılmasını sağlamalıdır. Himmen'in önerisine göre, Avrupa kamyonlarının yüzde 5'i hidrojen gücü kullanabilir, bu da her yıl toplam 15,000 ila 20,000 hidrojenle çalışan kamyona ihtiyaç duyulacağı anlamına gelir. 2026-27'den başlayarak yılda 2,000 hidrojenle çalışan minibüsün inşa edilebileceğinden ve oradan giderek büyüyeceğinden emin. Her araçta 5 ila 7 Tip IV hidrojen depolama tankı varsa, 10 yıl içinde ağır hizmet kamyonlarının yılda 100,000 hidrojen depolama tankına ve 6,000 ton karbon fibere ihtiyacı olabilir.
Demiryolları açısından Alstom'un hidrojenle çalışan Coradia iLint trenleri Almanya'da kullanıma açıldı. Aşağı Saksonya'ya giden 14 tren 2021'de çalışmaya başladı ve ana Ren bölgesine giden 27 tren 2022'de başlayacak. Ayrıca iLint trenleri şu anda Avusturya ve Hollanda'da test ediliyor. Trenin iki vagonu, her bir vagonun üzerindeki yakıt hücrelerini de içeren tavan bölmelerine yerleştirilmiş 24 Tip IV hidrojen depolama tankı kullanıyor. Hexagon Composites, prototip tren için hidrojen depolama tankını, 350 bar basınçta 300 L veya 9 kg hidrojen tutabilen, 416 mm çapında ve 3128 mm uzunluğundaki ağır hizmet depolama tankına dayanarak tedarik etti. Şimdi NPROXX, iLint trenleri için 500 mm çapında, 2200 mm uzunluğunda ve 350 bar depolama basıncına sahip hidrojen depolama tankları sağlıyor.
resim
Alstom, 41 Coradia iLint hidrojenle çalışan tren sattı ve diğerlerini test ediyor (Alstom aracılığıyla resim)
resim
Fransız demiryolu şirketi SNCF, 12 adet Alstom'un Coradia Polyvalent elektrikli ve hidrojenle çalışan çift modlu bölgesel trenlerini sipariş etti (Alstom aracılığıyla resim)
resim
Alstom, elektrikli trenleri hidrojenle çalışan Breeze trenlerine dönüştürmek için Birleşik Krallık'ta Eversholt Rail ile birlikte çalışıyor (Alstom aracılığıyla resim)
Hidrojenle çalışan trenlerle ilgili diğer gelişmeler şunları içerir: Alman Siemens tarafından geliştirilen ve 2023-2024 sırasında Almanya'nın çeşitli bölgelerinde test edilecek olan 2 ve 3 vagonlu Mireo Plus H treni. Bu arada Hexagon Purus, İspanyol Talgo'nun 2023'te test etmeye başlayacağı Vittal-One trenleri için Tip IV hidrojen depolama tankları tedarik ediyor. Hexagon Purus ayrıca İsviçre'de inşa edilen ve test edilen ilk FLIRT treni için Swiss Stadler Rail'e hidrojen depolama tankları tedarik edecek. 2024 yılında San Bernardino, California, ABD'de hizmete girecek.
resim
Siemens, 2023-2024'de test için Mireo Plus H trenini geliştiriyor (Siemens'ten resim)
Nakliye açısından Hexagon Purus, Haziran 2021'de Hexagon Purus Maritime adında yeni bir yan kuruluş kuracağını duyurdu. Hexagon Purus'un Satış ve Pazarlama Direktörü Jørn Helge Dahl, "Artık denizcilik pazarında hidrojene yönelik talep ve eylemlerde hızlı bir artış görüyoruz" diye açıklıyor. Offshore depolama uygulamaları ideal bir çözüm sağlıyor." Dahl, Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO, Londra, İngiltere) tarafından belirlenen hedeflere dayalı olarak, 2030 yaklaşırken denizcilik endüstrisinin sektöre giderek daha fazla yatırım yapıldığını göreceğine inanıyor. Bu projeler şunları içerir: : Tüm yeni ve mevcut gemiler, CO2 emisyonlarını 2008'e kıyasla 2030'a kadar yüzde 40 ve 2050'ye kadar yüzde 70 oranında azaltmalıdır.
Fransız hükümeti, 2035 yılına kadar hidrojenle çalışan ticari uçakları piyasaya sürmesini şart koşarken, COVID{1}} salgınının etkileri nedeniyle Airbus'ı kurtardığı için havacılıkta 2020'de hidrojene yönelik ani bir artış görüldü . 2020 yazında Airbus, ZEROe projesini arka 1/3'ü sıvı hidrojen depolamak için kullanılan ve kriyojenik kontrol gerektiren üç uçak modeliyle başlattı.
Bölgesel turboproplar için başka bir seçenek, bir CFRP çerçeve kullanan ABD şirketi Universal Hydrogen tarafından geliştirilen ikiz tank modülüdür. Universal Hydrogen CTO'su JP Clarke, "Modülleri talep üzerine sağlıyoruz, bu nedenle bir hidrojen depolama tesisine ihtiyaç kalmıyor" dedi. "Bu modüller, tıpkı piller veya mutfak malzemeleri gibi basit bir şekilde uçağa yüklenebiliyor." 2021'de duyurulan şirket, mevcut turboprop uçaklar için hidrojenle çalışan tahrik sistemlerini güçlendirmek için üç bölgesel havayolu şirketiyle niyet mektupları imzaladı.
ABD şirketi ZeroAvia, Nisan 2021'de 2-koltuklu bölgesel bir jet için 50-koltuklu geliştirdiğini duyurdu.
MW hidrojen-elektrik aktarma organları. Şirket, 2021'de 24,3 milyon dolarlık finansmanı tamamladı ve bu, 2024'te ticarileşmesine ve 2026'da sivil bölgesel uçaklara hizmet vermeye başlamasına yardımcı olacak.
Hidrojen depolamanın zorlukları
Tip IV konteynerler de ciddi sorunlarla karşı karşıyadır. En önemlisi, karbon fiberin maliyeti bu kapları çok pahalı hale getiriyor. Diğer bir önemli konu da depolama yoğunluğudur. Sıkıştırılmış hidrojen, benzin kütlesi başına üç kat daha fazla enerji sağlarken, hacim başına enerjisi oldukça düşüktür ve yeterli yakıtı depolamak için gereken yüksek basınçlara dayanacak büyük kaplar gerektirir. Hidrojen aslında -253 derecede saklandığında kriyojenik bir sıvı olarak daha yüksek bir yoğunluk sunarken, bir kriyojenik sıkıştırma (CCH2) tankında -230 derece, 300 bar'da saklandığında, hidrojenin daha yüksek bir yoğunluğa sahip olduğu söylenir 700 bar'da depolanan Tip IV konteynerlere göre yüzde 50 daha yüksek. Kriyojenik tanklar genellikle metaliktir ve daha fazla kompozit malzemeden yapılmış kriyojenik tankların, 25 yıl boyunca birikmiş Performans verileri olan Tip IV sıkıştırılmış gaz kaplarında gösterildiği gibi tam olarak aynı performansa ve yorulma ömrüne sahip olduğu henüz kanıtlanmamıştır.
Diğer bir konu ise, yakıt hücreli araç (FCV) ve altyapı talep hedeflerini karşılamak için gereken milyonlarca hidrojen depolama tankının üretimi, gereken büyük miktarlarda karbon fiber için zamanında sağlanamayabilir. "Yeterince karbon fiber elde etmek, ana endişelerimizden biri." NPROXX'tan Himmen, şirketin 2020-2021 mali yılındaki performansının ikiye katlandığını ve önümüzdeki mali yılda da ikiye katlanmaya devam edeceğini söyledi. "Yalnız değiliz, bence Hexagon da aynı oranda büyüyor. Belli bir fiyat noktasında belli bir kalite ve performansa sahip karbon elyafa ihtiyacımız var." Şu anda çoğu Tip IV gemi, Toray'ın T700 elyafını (Çekme mukavemeti 4900MPa, modül 230MPa) veya benzer elyafları kullanmaktadır. "Lif yeterince güçlü değil, bu da birkaç kez daha sarılması gerektiği anlamına geliyor, bu da kabı kalınlaştırıyor ki bu kabul edilemez. Elyafınızın gelecek yıl nereden geleceğini şimdi bilmiyorsanız, gerçekten sahip olabilirsiniz. üretimi durdurmak."
Tip IV gemiler için bir başka büyük zorluk da karbon fiber ve CFRP gemilerin maliyetidir. Yeni gemi üreticileri ve Fransız Tier 1 otomotiv tedarikçileri Plastic Omnium ve Faurecia, depolama verimliliğini artırırken, Tip IV hidrojen depolama tanklarının maliyetini 2030 yılına kadar yüzde 30 ila yüzde 75 oranında azaltma hedefleri belirlediler. yüzde 7'den fazla arttı. Bu amaçla, Almanya'da Cevotec tarafından konteyner kubbeleri için CFRP kaplamanın süresini ve maliyetini kısaltmak için kullanılan FPP teknolojisinden, fiber hasarını azaltmak için İngiltere'de Cygnet Texkimp tarafından başlatılan 3D sarım teknolojisine kadar sürekli olarak yeni teknolojiler tanıtılıyor. ve Belçika'da kompozit malzeme sensör entegrasyonu uzmanı Com&Sens tarafından başlatılan yerinde konteyner algılama teknolojisine.
