展望·2020年压力容器用碳纤维复合材料市场
来源:碳纤维研习社      发布时间:2020/04/20

2020年4月11日   来源:碳纤维研习社

高压储气罐是先进复合材料,尤其是碳纤维缠绕复合材料用量最大、增长最快的市场之一。 尽管它们可以自给式呼吸器方式为航空航天器提供氧气和气体存储,但是复合材料压力容器的主要以及最终市场仍然是大量用于运输压缩天然气(CNG)以及乘用车中的燃料存储,应用于动力总成依赖于CNG和氢气以替代汽油和柴油的公共汽车和卡车。

压力容器主要分为以下五种类型:

I型:全金属结构,通常为钢;

II型:主要是金属结构,并在环向包覆一定玻璃纤维复合材料,其中金属主要是钢或铝,而金属容器和复合材料分担的结构载荷大致相等。

III型:金属衬里带有完整的复合材料外包装,通常是铝,带有碳纤维复合材料;其中碳纤维复合材料承受结构载荷。

IV型:全复合结构聚合物(通常为高密度聚乙烯或HDPE)衬里,碳纤维或碳/玻璃纤维混合复合材料;复合材料承担所有结构载荷。

V型:无底衬,全复合材料结构。

目前已经实现商业化的是I型-IV型高压储气瓶结构,而在这四种储氢瓶中I型瓶市场份额最大,超过90%, II型瓶拥有大约4%的市场份额,其次是III型和IV型,而V型(新名称)则排在第五位。然而,根据材料的使用,复合材料是增长最快的材料类型,根据Grand View Research的数据,复合年增长率为5.9%。

目前国际社会对替代燃料的需求正在增长,这在很大程度上是因为从页岩储量中提取天然气已导致北美和欧洲部分地区的价格下降。例如,在北美市场,每加仑柴油当量的天然气燃料成本目前比柴油低约36%。此外,日益严格的排放法规(包括于2016年初生效的欧盟6排放标准)使柴油动力公交车和商用车对运营商而言更加昂贵。即将颁布的法规不仅改善了CNG的可销售性,而且经过一段时间的相对休眠后,氢也提高了燃料电池动力车辆的可销售性。

到2023年,包括卡车,公共汽车和叉车在内的NGV数量将超过6500万辆。基于阿根廷,巴西,中国,印度,伊朗,意大利和巴基斯坦的强劲需求,到2023年NGV的交付量可能达到每年近1100万辆。预计这些NGV中的绝大多数(94%)将配备高压(200+ bar)的燃料存储系统。

在CW的2017碳纤维会议上,美国Composites Forecasts and Consulting LLC(美国亚利桑那州梅萨)的Chris Red预测,复合压力容器中碳纤维的需求将从2016年的5.4公吨(MT)增长2021年的26 公吨 /年,2025年将达到45公吨/年。

在2025年高需求,用于燃料电池车辆(FCV)的复合压缩天然气和氢气瓶所消耗的碳纤维几乎与风力涡轮机叶片的预计消耗量相同,比汽车,铁路和其他地面运输的底盘和车身部件预测的消耗量多50%,是航空航天领域的两倍。Red预测从2016年到2025年将生产210万辆氢燃料电池汽车,相当于300万个压力容器。

用于储氢的IV型复合压力容器是通过将碳纤维和环氧树脂缠绕在塑料衬里上制成的。高度自动化生产线是由复合材料设备供应商设计和生产的,这些设备供应商包括MIKROSAM(马其顿的Prilep)和Roth Composite Machinery(德国的Steffenberg),后者声称通过其新的Rothawin技术将制氢罐的生产速度提高了5-10倍。Cevotec(德国慕尼黑)声称,通过在穹顶区域使用其光纤跳线放置(FPP)系统,可以节省20%的材料和周期时间。Cevotec的首席执行官解释说,储罐中高达700 bar的工作压力可转化为每1公斤氢气存储约需10公斤碳纤维。但是,FPP将碳纤维应用于精确的补丁中,旨在精确覆盖导致细丝缠绕问题的区域。据说一种FPP系统可以加固多台绕线机的容器。

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光纤跳线放置(FPP)系统

Hexagon Composites是全球领先的压力容器制造商,在挪威的Raufoss和德国的Kassel生产用于汽车和轻型汽车的复合储氢罐,及其移动管道系统以及中型和重型卡车和公共汽车的储罐。通过与Agility Fuel Solutions(美国加利福尼亚州科斯塔梅萨)的合并,它已垂直整合,将储气罐从林肯运送到美国北卡罗来纳州索尔兹伯里,然后将它们集成到完整的替代燃料系统中并安装在卡车和公共汽车。六角形复合储氢罐还用于船舶,轮船和铁路车辆以及固定动力系统,目前正在飞机上进行研究。

2019年,Agility Fuel Solutions宣布将为Solaris Urbino 12公交车提供12种IV型氢燃料系统,这些系统将在意大利的博尔扎诺使用。这种新型公共汽车模型的开发商Solaris(波兰奥维斯卡)表示,与以前的模型相比,其公共汽车燃料系统的质量减少了约20%。

Hexagon声称是世界上第二大碳纤维用户,但随着塑料外饰和汽车前端模块的世界领导者Plastic Omnium(法国巴黎)开始开发储氢技术,Hexagon将面临日益激烈的竞争。2017年,它收购了制造复合储氢容器的比利时平台Optimum CPV和从事流体和热处理的Swiss Hydrogen平台。法国汽车复合材料制造商Faurecia(Nanterre)与轮胎生产商Michelin(Clermont-Ferrand)之间的50/50合资企业Symbio将于2019年3月宣布进一步加入竞争,其目的是打造氢燃料电池系统的全球领导者。佛吉亚在其位于法国巴万斯的研发园区的氢存储系统全球专业知识中心投资2800万美元。它还宣布将与空客复合机身供应商Stelia Aerospace(法国图卢兹)合作开发用于燃料电池的高压碳纤维复合氢罐。福伊特复合材料平台(德国海登海姆)和复合材料解决方案提供商HRC(中国上海)于2019年9月宣布,将合作开发用于燃料电池汽车的下一代高压氢存储容器。

目前,有13个汽车OEM派出了FCV示范车和测试车队。此外,在2019年北美国际汽车展(美国密歇根州底特律)上,丰田汽车展示了其新型Mirai燃料电池电动汽车(FCEV),该产品目前已在市场上出售。它提供67 mpge的燃油效率,续航312英里,制造商建议零售价(MSRP)为58,500美元。

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丰田新型Mirai燃料电池电动汽车

无内衬、全复合材料压力容器是许多压力容器制造商的目标,这些容器适合最新的V型分类,并且最能减轻重量敏感型应用的质量。美国俄克拉荷马州塔尔萨市的Infinite Composites Technologies(ICT)提供了越来越多的V型容器之一。该平台获得专利的全复合设计无限复合压力容器或无限CPV(iCPV),使用户能够通过减轻容器重量来利用最大的燃料存储容量。与传统容器相比,iCPV的可用体积增加了10%,容器重量减少了90%。该平台专注于开发用于天然气车辆和存储应用的下一代燃料存储和输送系统,同时也希望将其V型储罐技术引入商业航天业。

压力容器的一个增长且可能巨大的可持续市场是海水反渗透(SWRO)海水淡化厂的建设。SWRO依靠连续清洗从海洋陆上输送的水的膜系统。这些膜必须装在膜外壳中。如今,缠绕纤维玻璃纤维压力容器几乎专门用于此目的,每个脱盐工厂的数量多达6,000个。Freedonia Group(俄亥俄州克利夫兰)预测,对SWRO住房和相关设备的需求将每年增长6.9%。仅在美国,2017年的市场价值约为4.95亿美元。