氢能聚焦·高压储氢有望推动复合材料快速增长---加氢站、成本及储存效率

本文摘要：（由ai生成）

高压储氢罐需求预计将随着氢燃料汽车的增长而显著增加，特别是IV型碳纤维增强聚合物（CFRP）储氢罐。然而，碳纤维供应可能无法及时满足需求，且成本和储存密度是挑战。新技术如纤维铺放（FPP）和3D缠绕技术正在开发以提高效率。全球加氢站（HRS）数量在增长，预计2030年需10,300个HRS。

氢能聚焦·高压储氢有望推动复合材料快速增长-重卡、汽车及铁路用储罐需求，探讨了使用IV型碳纤维增强聚合物（CFRP）储氢罐将氢气（H₂）储存为压缩气体的氢燃料汽车预计显著增长。H₂可以直接燃烧或用于燃料电池发电，水和热是唯一的排放物。随着世界加速向零排放运输和工业转型，H₂成为一个关键的推动因素。然而，生产数百万储氢罐所需的大量碳纤维可能无法及时满足燃料电池汽车（FCV）和基础设施目标。

IV 型储氢罐增长的其他可能障碍包括碳纤维和 CFRP 储氢罐成本，以及较低的储存密度，而低温储罐大多为金属。新的储罐制造商和法国汽车一级供应商 Plastic Omnium (Lavallois) 和 Faurecia (Nanterre) 已制定目标，到 2030 年将 IV 型储罐成本降低 30-75%，同时将存储效率提高到 7% 以上。目前正在开发新技术来实现该目标，从 Cevotec（德国翁特哈兴）的纤维铺放 (FPP) 技术用于减少罐顶中的CFRP 时间和成本，到Cygnet Texkimp 's (Northwich, UK) 3D 缠绕减少纤维损伤，复合材料传感器集成专家Com&Sens（比利时埃克）更是提出了储罐现场监测。

在本期第2部分内容中，将会主要讨论H₂加油站（H₂ refueling stations，HRS）和用于配送的管式拖车的其他市场比如用于IV型储罐的玻璃纤维。此外，还探讨了成本和储存效率、储罐重新认证、传感器用于再认证以及优化生产和健康监测等问题。

01 加氢站HRS

氢动力汽车和卡车的宏伟路线图将需要建造大量的HRS。由H₂stations.org于2021年2月发布的一份报告指出，2020年投入运营的HRS加氢站达到107个，是迄今为止最高的一年。2021年1月又增加了7个，目前全球运营HRS已经达到560个，并计划再增加225个。氢能委员会2021年2月相关报告估计，到2030年，需要10,300个HRS才能满足燃料电池车的需求。

HRS中正在使用CFRP储罐。例如，Hexagon Composites公司（挪威阿勒松）在海牙向Resato公司（荷兰阿森公司）大型储氢站提供了储罐，而NPROXX公司则向区域公共汽车运营商RVK公司（德国科隆公司）的两个 HRS提供了储罐。

氢气通过管式拖车、液罐车或管道供应至HRS，也可以使用蒸汽甲烷重整器（SMR）或电解装置（图1）在现场生成。IV型碳纤维增强塑料罐可用于管道拖车输送氢气，也可用于现场缓冲储存。

图1 加氢站 (HRS) 组成示意图，IV 型CFRP压力容器可用于管式拖车以将 H2输送到站点/或用于现场缓冲储存的级联储罐。

在2021年5月的CW Tech Days活动中，PowerTap Hydrogen（美国加利福尼亚州欧文市）首席运营官Kelley Owen解释说，每个PowerTap HRS将使用SMR装置从天然气中每天产生1250千克H₂，以重新加注配有350bar和700bar储罐的FCV。PowerTap与Andretti Group合作，将在加利福尼亚州选定的Andretti Group加油站和柴油站安装HRS。

这些HRS装置必须符合当前电站的占地面积，已被汽油泵和柴油泵、便利店等占用。Owen说，PowerTap的缓冲存储器将包括两套储罐：24个中压（500巴，20英寸直径，34英尺长）和30个高压（900巴，16英寸直径，35英尺长），需要大约25 × 35英尺存储空间的轧制钢管筒（图2）。Owen解释说，之所以选择I型钢管，是因为IV型复合材料储罐的成本高出30-35%，将储罐成本从120万美元增加到160万美元，这将消耗每个 HRS 的300 万美元预算的一半以上。

图 2. 现场存储空间

内布拉斯加州林肯市 Hexagon Composites 研发高级副总裁 Rick Rashilla 表示：“毫无疑问，钢罐的价格比复合材料罐低得多。但在某些应用中，复合材料罐是很好的解决方案。例如，我们在欧洲的一些客户已将此类储罐安装在氢气站屋顶、压缩机或其他设备的顶部，以减少整体占地面积。这是可能的，因为 IV 型储罐非常轻。金属罐虽然成本较低，但通常需要地面安装，而且由于它们的重量，只能将它们堆得很高，而复合材料罐可以堆得更高，从而减少了存储空间。

但是，与钢罐相比，复合材料气瓶的直径或压力是否受到限制？“任何压力容器的壁厚都必须随着压力和尺寸的增加而增加，”Hexagon Composites 研发部首席工程师 Brian Yeggy 解释说。“复合材料技术没有限制，但是我们无法在700bar压力下制造更大直径的储罐。”目前，Hexagon 最大的储罐直径为 580 毫米/22.8 英寸，长 3.3 米/10.8 英尺，可在 500 bar下进行固定存储。它还具有一个 1,000 bar、20 英寸直径的固定存储气缸。“这不是我们技术的限制，而是我们客户的要求，”Yeggy 说。“我们已将复合材料罐扩大到直径 42 英寸、长 51 英尺，以便在 250 bar下储存。”

压力越高，复合材料看起来越吸引人，但由于所需的壁厚越高，无论采用何种材料，整个系统的成本都越高。复合材料储罐在每天10次加压循环的情况下满足15年使用寿命的HRS需求的能力如何？Yeggy说，“这将相当于最多55000次循环，我们的大多数产品已经按照45000次循环的标准认证了15至30年，并且保证填充到 150% 的溢出而不会失败。我们还测试了几个直径27英寸、379bar的储罐，进行了110000次循环而无故障[图3]，我们有一个直径为14英寸、压力为380bar的气缸，经过100万次循环测试，每个循环的工作压力为其工作压力的150%。因此，不担心IV型储罐是否能够满足加氢站所需的循环范围。”

图 3. IV 型储罐工作条件

02 H₂分布与玻璃纤维

管式拖车代表了复合材料气瓶的另一个市场，即用于将氢气从生产点分配或运输到HRS或工业现场。这是Hanwha Cimarron复合材料（韩国首尔）、Hexagon和NPROXX（荷兰海伦）的主要市场。在Hexagon，该市场预计将占公司2021年总收入的40%以上。Hexagon的Rashilla说：“对于氢气，我们的大多数分配气瓶都是350bar，并且趋向于500bar及以上。由于需要在船上获得更多的氢气，很可能也会有700bar的气瓶；但在获得氢气的成本上，这始终是一个平衡。”

“一切都从基础设施的氢气开始，”NPROXX 董事总经理兼销售主管 Michael Himmen 解释说，H₂动力汽车的增长需要加气站，而这些加气站反过来又依赖于燃料运输，“在未来两年内，我们可能在船舶和集装箱设计方面会提出新的解决方案。” 这里的术语“容器”是指运输模块的包装方式。例如，Hexagon 用于500 barH₂运输的 X-STORE 模块包括一个 10、20、30 或 40 英尺长的金属框架拖车，带有 22、52、82 或 103 个 IV 型气瓶，总共可携带240、565、890 或 1,115 千克 H₂。NPROXX 有类似的产品。Cimarron Composites 在CW 2020 年关于 H₂压力容器的专题文章中进行了解释，其直径为30英寸、长度为19英尺的Neptune 517 bar IV型储罐能够将九个容器装入一个标准的20英尺容器中，容量为600千克H2，在一个40英尺容器中容量是原来的两倍。

Umoe Advanced Composites（UAC，克里斯蒂安桑，挪威）也瞄准了 H₂气体传输，但没有碳纤维。相反，该公司生产的IV型气瓶采用行业标准T4塑料内衬，外覆纤维缠绕玻璃纤维/环氧树脂组合。UAC目前提供200至350bar的模块，并将在2022年扩大到450至500bar的储罐。玻璃纤维增强聚合物（GFRP）储罐提供与钢罐相同的资本支出（CAPEX），但重量减少70%（图4）。同时，与碳纤维增强塑料圆筒相比，玻璃纤维增强塑料减少了50%的资本支出，但是其重量较高。2021年5月，UAC宣布成立一家合资企业，在中国建立一家新工厂，到2022年，该工厂的年产能将从10000瓶扩大到20000瓶（1700-2000升）。同时，该公司将把挪威的产能提高到4000瓶/年。

图 4. IV 型玻璃纤维罐

03 成本和存储效率

正如在本系列第1部分的介绍中那样，除了成本之外，IV型储罐的另一个关键问题是储存密度——即在给定体积内可以储存多少H₂。这里的关键指标称为重量、重量比或质量比，其定义为储存的H₂质量除以储罐或储存系统的质量。2019年对储氢系统的审查将I、II和III型储罐的重量密度分别列为1.7%、2.1%和4.2%。该指标也可称为存储密度或效率。

对于IV型储罐，丰田（日本丰田城）于2014年为其700bar储罐确定了5.7%的基准值，这是因为通过优化纤维缠绕模式，CFRP减少了20%。这些通常包括沿气缸的环形缠绕、穿过气缸和半球形端部的低角度绕组以及环向绕组和低角度绕组之间边界处的高角度绕组。丰田公司设计了一种消除高角度螺旋绕组的方法，这种方法以前包括≈25%的层压板。相反，衬垫的形状被压平，以便在边界区域通过环形缠绕实现层压。丰田还将环形缠绕集中在应力最高的内层。Faurecia在其CFRP IV型储罐中声称的优点之一是重量比>7%。

2019年，与康明斯（美国印第安纳州哥伦布市）50/50的合资公司NPROXX推出了一款700bar的IV型储罐，其存储密度为6.4%，而Iljin Hysolus（韩国邦东eup）为现代Nexo燃料电池乘用车生产的储罐平均为6.3%。“对我们来说，关键在于如何处理碳纤维，缠绕过程中对纤维造成多大的损坏，”NPROXX的Himmen指出。“这实际上决定了在储罐中使用多少碳纤维。”

Yeggy说，由Hexagon复合材料制成的H₂储罐，现在分拆成Hexagon Purus，储存效率在5%到7%之间。“我们一直在进行研究，以提高储存效率，但储罐越轻，它的精度就越高，损失的损伤容限也就越大，而且成本是一个很大的因素。如果不考虑成本，那么可以在纸上构建设计，从而提高10%的存储效率。但要实现这一点，它的成本将高于它所在的车辆。”

尽管20多年来，美国能源部（DOE）的许多项目一直在追求降低储罐成本，Faurecia声称，到2030年，它将使氢气储存系统成本降低75%，从每千克储存1300欧元降至315欧元。Plastic Omnium的目标是将成本降低30%。NPROXX同意后者。Himmen说：“根据2030年生产的大量储罐，我们的分析表明，我们可以将成本降低25-30%。”。然而，他承认碳纤维占储罐成本的60%，更高的容量不会显著降低纤维价格。Hexagon Composites公司的Rashilla说，Hexagon已经与能源部合作开展了各种储罐和降低碳纤维成本项目，并指出在不久的将来可能会有其他项目。

04 重新认证和监测储罐

Rashilla指出另一种降低成本的方法是通过Hexagon的 Digital Wave 业务部门，该部门使用模态声发射（AE）在储罐的监管寿命结束时对储罐进行检查，分析储罐的完整性以提供额外服务。Modal AE使用先进的电子设备和传感器，旨在提高灵敏度和数据传输能力。Rashilla说：“延长钢瓶的使用寿命是降低成本和排放的好方法。这已经在消防员用碳纤维复合材料气瓶上得到了验证。我们也在2010-2015年达到使用寿命的第一批压缩天然气储罐上进行了验证。 Digital Wave 数字波测试可以验证储罐没有损坏，其剩余寿命为“X”很有可能。”

“我认为这个行业仍然缺乏数据，”Himmen说。“IV型容器在使用10年后才会进行检查。但在这段时间内，压力容器的完整性究竟发生了什么变化，是否真的有数据可以理解？我们参与了一个欧盟项目来创建这些数据。我们提供了大量储罐，并为其配备了各种传感器来检测从温度、压力循环、积极加油以及在役使用和滥用等方面对储罐完整性的寿命影响。我们的目标是在将传感器放入复合材料之前获得更多的知识，因为我首先想知道测量什么以及与什么进行比较，以确定压力容器是好是坏。”尽管有未来的努力，NPROXX目前集成传感器技术的一个领域是在其生产过程中。

Com&Sens介绍了如何使用嵌入式光纤布拉格光栅（FBG）光纤传感器优化复合材料储罐生产和现场健康监测。当H₂罐层压板进行纤维缠绕时，FBG光纤线可以从线轴上共缠绕。每个光纤的长度范围为1-100米，最多有20个传感点，最小间距为1厘米（图5）。

图 5. 用于优化储罐生产、监控和设计的光纤传感器

Com&Sens联合创始人Eli Voet说：“每个传感点都位于光纤内，以便在复合材料层压板的环形或螺旋层内的任何离散位置进行测量。这些点在使用旋转接头缠绕期间，或在使用专利点连接技术的操作期间进行询问，该技术可实现“智能”储罐的大规模使用。”他解释说，嵌入层压板中的FBG感知材料内部应变的重新分布。Voet补充道：“这些传感器可用于生产过程优化，允许理解和数字化以前无法测量的过程参数。在固化、疲劳循环和爆破试验期间获取系统范围内的应力、应变和温度测量值，将有助于设计师验证有限元模型，并优化未来设计中的材料使用。但最有希望的应用可能是在储罐运行期间对生命周期和结构完整性进行监控，例如，Voet展示了生产带有“数字指纹”的储罐的能力，然后根据指纹重新认证储罐，以延长使用寿命。

05 真正的变化来得很快

根据氢能委员会2021年的《Hydrogen Insights》报告，75个国家制定了零排放战略，20多个国家在2035年之前宣布了内燃机（ICE）车辆的销售禁令。除氢气外，电池、电力、太阳能和其他替代燃料将成为实现这些目标所需解决方案的一部分。然而，对H₂的关注和政府支持日益增加。到2050年实现净零排放一直是避免气候灾难的口号，但许多国家正在努力争取到2040年或更早实现目标。这可能吗？

Hexagon Purus海事公司的Dahl 表示：“你不仅要重新考虑车辆架构，还要重新考虑运营的整个商业模式。当然，有一种犹豫不决——谁将成为先行者并承担风险？还需要大量投资。但那些有目标、有勇气去做的人将是前进的领导者。”

除了多种零排放解决方案外，氢气储存还将继续采用多种解决方案，并非所有解决方案都将依赖复合材料或碳纤维。复合材料行业将如何应对正在开发的氢动力汽车、火车、船舶和加油站的快速新兴市场？新型碳纤维能使储罐具有更高的储存效率和更低的成本吗？NPROXX的Himmen说：““我们对想要使用的理想碳纤维进行了很多思考。预计产量会如此之大，显然碳纤维的消耗量也会大大增加，而我认为理想的碳纤维还没有上市。”

来源：碳纤维及其复合材料技术

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