氢动力用于飞机、船舰、车辆等移动工具,其中承受高压储氢罐是必不可缺的产品。本文预测到 2030 年燃料电池汽车辆产量, 以及相应对碳纤维的需求数量。

  • 需求量最大的是 700bar、IV 型罐;700bar、IV 型罐每储存 1 千克氢气需要 10 千克碳纤维;
  • 每辆 FCV(燃料电池汽车)至少携带 5-6 千克氢气,预计到 2030 年投入使用的 500 万辆 FCV 将需要 250,000 吨碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料,用于制造储氢罐;
  • 到 2030 年,仅 FCV(燃料电池汽车)IV 型储氢罐中的碳纤维需求量为 166,650 吨(700bar 、IV 型罐、储氢 5.6 千克,在碳纤维在复合材料中含量 60%的前提下,每个储氢罐碳纤维用量约 62-72 千克)。
  • 储氢罐占燃料电池系统价值的 40%。40%的价值中有 70%是储氢罐罐体,其余是阀门和其他部件。
  • 2020.5 国际市场统计碳纤维产能:中国 21,800吨;全球总产能 161,200 吨。

多年来,碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料通过由碳纤维和环氧树脂基材包裹的塑料内衬组成的 IV 型储氢罐,为零排放燃料电池驱动的车辆提供了压缩氢气的存储。尽管氢长期以来一直承诺提供可持续的清洁能源,但直到最近,进展缓慢。人们仍然严重怀疑期待已久的氢气经济是否会真正实现。
目前,这种怀疑正在迅速消退。环球氢能公司- Universal Hydrogen(美国加利福尼亚州洛杉矶市)已经与三家地区航空公司签署了意向书,用氢动力推进系统改造现有涡轮螺旋桨飞机。同样值得一提的是,Cimmaron Composites 公司(美国阿拉巴马州亨茨维尔)现已被韩华解决方案公司-Hanwha Solutions(韩国首尔)收购,并宣布在阿拉巴马州奥佩利卡投资 1.3 亿美元新建生产设施。另一家复合材料罐制造商 NPROXX(荷兰海伦)目前与康明斯公司- Cummins(美国印第安纳州哥伦布市)是一家 50/50 的合资企业,这家公司每年生产 1.3 亿台内燃机,目前已投资生产氢气的电解槽、氢气发动机、燃料电池和储氢罐。
IV 型储氢罐的增长预测是巨大的。例如,IV 型罐生产的领导者 Hexagon Composites(挪威阿勒松)在一月份剥离了 Hexagon Purus,专注于零排放氢和电池电力系统以及氢存储。据估计,从2025 年到 2030 年,储氢罐收入将增长 630 %。
然而,IV 型储氢罐也面临严重问题。最值得注意的是,碳纤维的成本使得这些罐非常昂贵。另一个关键问题是存储密度。尽管压缩氢气提供的能量是汽油质量的三倍,但其体积的能量相当低,需要大型高压气罐容纳储存足够所需的燃料。对于移动应用,IV 型碳纤维增强塑料(CFRP)储氢罐提供的重量轻,推动了其相对于金属替代品的使用。但在固定应用中,包括加氢站,重量不是主要驱动因素。
实际上,氢作为低温液体在  -253℃下储存时具有更高的密度,当储存在  -230℃ 和 300 bar 的低温压缩储氢罐中时,其密度最高—据报道,与 700 bar 的 IV 型罐相比,氢增加了 50%。冷冻储氢罐通常是金属的,目前尚未证明 IV 型罐与金属罐相同性能和疲劳寿命,寿命超过 25 年。

重型运输用氢气


康明斯(Cummins)正在与长期客户和卡车制造商 Navistar(美国伊利诺伊州里斯尔)合作开发一款燃料电池驱动的 8 级卡车。该卡车将集成到 Werner Enterprises(美国内布拉斯加州奥马哈市)7700辆的车队中,在加利福尼亚州丰塔纳的当地和地区服务中进行为期一年的试验。康明斯(Cummins)还开始测试氢动力内燃机(即直接燃烧氢气),并将在各种公路上和非公路应用中进行评估。康明斯(Cummins)负责新动力工程的副总裁乔纳森·伍德在2021年6月的一次采访中表示,到本世纪末,这些产品将接近柴油发动机的总体拥有成本(TCO-totalcostofownership)。随着各国寻求实现零排放目标,他指出,未来的重型运输将由氢、燃料电池或电池供电,而不是柴油。
储氢罐制造商 NPROXX 的常务董事兼销售主管迈克尔·希曼(Michael Himmen)说,“在欧洲,我们有立法规定,到 2030 年,卡车原始设备制造商的生产车队的二氧化碳排放量必须比2019 年平均减少 30%,因此,欧洲卡车生产的一部分将是氢动力,可能高达 5%,可能高达 15000-20000 辆/年。它将在 2026-27年以 2000 辆/年的速度开始,并稳步增长” 。每辆卡车有 5 到 7 个 IV 型储氢罐,重型卡车可以在十年内,每年需要 100000 个储罐,需要 6000 吨碳纤维。这将是东丽(日本东京)、韩国、法国和美国工厂碳纤维总产量的 25%,以及 Hyosung(韩国首尔)2028年 10 条生产线计划产能的 25%
Hexagon Purus 的销售和营销总监 Jørn Helge Dahl 说:“重型运输业尤其在加速发展。”。他解释说,对于大型车辆,氢比电池更实用,因为电池尺寸、重量和充电时间的增加足以满足有效载荷和射程要求,这是不经济的。Hexagon Purus 估计,2025 年和2030 年,IV 型储氢罐的收入分别为 11 亿美元和 70 亿美元,其中重型车辆预计将占最大份额~30%。

FCV(燃料电池汽车)对碳纤维需求


在 2019 年的一次会议中,Omnium Plastic(法国拉瓦洛伊斯) 复合材料压力容器主管阿克塞尔·塞弗特声称,700 bar IV 型储罐每储存一千克氢气需要 10 千克碳纤维。他指出,FCV(燃料电池汽车)至少携带 5-6 千克氢气,预计到 2030 年投入使用的 500 万辆 FCV 将需要 250,000 吨碳纤维,用于制造储氢罐。同时,他指出,2019 年碳纤维的总需求量仅为 80,000 吨,其中 60%以上用于风力涡轮机叶片和航空航天应用。
250,000 吨的估计值是否被夸大了?氢能源委员会(Hydrogen Council)2021 年《氢能源洞察》报告中报告的车辆总数估计到2030 年将达到 450 万辆 FCV。然而,每辆乘用车(PV- passenger vehicles)需要 5-6 千克氢气。韩国现代(Hyundai)的重型卡车Xcient 需要携带 35 公斤氢气。重型卡车预计占 FCV 年产量的25%。
复合材料行业资深人士预计到 2030 年,IV 型储氢罐中的碳纤维需求量为 166,650 吨(700bar 、IV 型罐、储氢 5.6 千克,在碳纤维在复合材料中含量 60%的前提下,储氢罐碳纤维用量约 62-72 千克)。应该注意的是,这一预测非常保守。
IV 型储氢罐生产商 NPROXX 的常务董事兼销售主管迈克尔·希曼(MichaelHimmen)说,“从 2020 年到 2021 年,他的公司业务翻了一番,明年也将如此。我们不是唯一一家;我认为Hexagon 也在以同样的速度增长。过去两年的增长有所放缓,因为商用飞机对碳纤维的需求因新冠病毒疫情而下降。获得足够的碳纤维是我们主要关注的问题之一。”
然而,不仅空客现在的目标是提高制造速率,而且使用大量碳纤维的风力涡轮机也将显著增长,以推动绿色氢气生产。碳纤维行业能跟上这种增长吗?“我们需要在一定的价格范围内,具有一定的质量和性能的碳纤维,”希曼指出。大多数 IV 型储氢罐的使用东丽 T700 碳纤维(抗拉强度 4900 MPa,模量 230 MPa)或同等材料。“强度较低的碳纤维需要更多的绕组,而罐体会变厚,这是不可接受的。如果你现在不知道明年碳纤维的来源,你可能实际上不得不停止生产。”
领先的碳纤维制造商之一东丽(日本东京)在 2020 年 6 月的一次演讲中特别提到了 FCV 和压缩氢气储罐的增长,称其将计划“及时对储氢罐进行大规模资本支出”,预计 2023 年后需求将增长。它还表示,该公司将“将储氢罐作为最优先的战略应用,优先分配发展资源”,并指出“增加高性能,降低碳纤维成本”。与此同时,Hyosung(韩国首尔)宣布,将在 2028 年之前将碳纤维产量从 2000 吨/年的单条生产线增加到 24000 吨/年的 10 条生产线,以支持韩国的氢路线图。

轻型交通、汽车和亚洲


法国汽车一级供应商   Faurecia(佛吉亚)(Nanterre)和Plastic Omnium(Lavallois)是 IV 型储氢罐市场的新进入者,两者的目标都是占据 25-30%的市场份额。他们预测到 2030 年,氢动力汽车的年产量将达到 200 万辆,其中 150 万辆为轻型和乘用车。Plastic Omnium 表示,氢能汽车销量将在 2027-2028 年开始回升, 但 Faurecia 称,其与欧洲和北美五家轻型和乘用车原始设备制造商的合作已经为 2022 年创造了销量,并初步生产了 80000 套氢汽车系统/年。Faurecia(佛吉亚)、Hexagon Purus、NPROXX Plastic Omnium都提供完整的氢/燃料电池系统,包括燃料电池堆、储罐和辅助设备。Faurecia(佛吉亚)声称,储氢罐占燃料电池系统价值的 40%。40%的价值中有 70%是储氢罐罐体,其余是阀门和其他部件。
Plastic Omnium指出,亚洲预计将在氢燃料电池汽车(FCV) 销售中处于领先地位,占 75%的市场份额,其次是欧洲 20%和北美 5%。事实上,中国和日本已宣布到 2030 年分别投入 100 万辆和 80 万辆燃料电池车的目标,而韩国则表示将在 2025 年前将所有商用车转化为氢气,并在 2040 年前实现 620 万辆燃料电池车的目标。值得注意的是,这些国家都有大量的碳纤维生产。
因此,当 Plastic Omnium于 2019 年成立其 Δ-Deltatech(比利时布鲁塞尔)燃料电池和氢气储存研发中心时,它同时成立了 ω- Omegatech(中国武汉)研发中心,并配备了碳纤维缠绕试验线和燃料系统测试实验室。武汉已被指定为中国第一个“氢城市”拥有 30-100 个氢燃料加气站,3-5 家世界领先的氢企业,以及一个氢产业园,拥有 100 多家燃料电池汽车制造商和相关公司。
与此同时,Hexagon Purus 于 2021 年 3 月宣布与中集安瑞科(深圳)成立合资企业,该合资企业将首先扩大现有的 III 型压力容器生产,同时安装 IV 型罐生产。增加的 III 型罐生产和新 IV 型罐设施建设将于 2021 年开始,到 2025 年,容量为 100000 辆/年。
美国机械工程师协会(ASME)和国际标准化组织(ISO) 分类的压力容器类型和结构

Iljin Composites 因其 2021 年 9 月 3 日在韩国证券交易所公开发行而更名为 Iljin Hysolus(韩国 Bongdong eup),被称为韩国唯一的复合材料储氢罐生产商和现代 Nexo 牌汽车的唯一供应商。据报道,Iljin Hysolus 还为韩国警察、地区和公交系统提供储氢罐,并拥有两个生产基地,一个在全布省(Jeonbuk),一个在万州(Wanju)。
在其他值得注意的活动中,ToyodaGosei(丰田章男)(日本稻谷)为 2021 年丰田 Mirai 生产第三个储氢罐,容量为 30000 辆/ 年(丰田-Toyoda 为 Mirai 内部生产前两个储氢罐)。2021 年,在法国,佛吉亚(Faurecia)完成了对中国领先储氢罐制造商 CLD(沈阳)的收购,在辽宁拥有两家工厂,每年生产 30000 辆储氢罐。
根据分析公司 Integral Co.于 2020 年 12 月发布的《中国储氢技术概述》,中国首选 I 型和 III 型储氢罐, III 型储氢罐产量很少。然而,需求正在增加。报告作者 Stephanie Ao 指出,直到最近,中国才禁止使用 IV 型储氢罐。可以理解的是,III 型储氢罐仍然在中国氢能车辆市场占据主导地位,特别是对于要求 350 bar的应用。然而,她指出,700 bar III 型储罐处于测试验证的最终过程中。III 型储氢罐的顶级供应商包括 CLD(沈阳,目前归佛吉亚(Faurecia)所有),还有北京中银实业、福井实业和天海实业

铁路和公共汽车:便捷的基础设施

氢轨道车辆上升速度自上而下:
阿尔斯通已向德国出售了 41 列 CoradiaiLint 氢列车,并正在奥地利和荷兰测试其他列车;法国铁路 SNCF 订购了 12 辆阿尔斯通的 Coradia 多价双模高架电动列车和氢区域列车;阿尔斯通正与英国的埃弗肖特铁路公司合作,将电动列车转换成氢列车;西门子正在开发 MireoPlusH 系列,用于 2023-2024 年的测试。
康明斯(Cummins)在 2020 年与 NPROXX 成立 50/50 合资企业之前,于 2019 年收购了燃料电池开发商 Hydrogenics(加拿大安大略省密西沙加市),据报道,Hydrogenics 是机车规模燃料电池的先行者。康明斯(Cummins)随后于 2020 年宣布在德国赫滕建立一家新工厂,为阿尔斯通(Alstom)(法国巴黎)的氢动力Coradia iLinet 列车制造燃料电池系统,该列车已在德国投入使用(下萨克森州的 14 台机组今年开始运营,莱茵河主要地区的 27 台机组将于 2022 年投入使用)。iLint 也正在奥地利和荷兰进行测试。
iLint 的里程为 1000 公里,最高速度为 140 公里/小时,可与当前的区域列车性能相媲美。它的两个汽车单元使用 24 个 IV 型储氢罐,这些储氢罐位于每辆汽车顶部的屋顶隔间中,也包含燃料电池。Hexagon Composites 根据其 416 毫米直径、3128 毫米长的重型储罐为原型列车提供储氢罐,该储氢罐在 350bar 下可容纳300 升/9 千克氢气。iLinet 现在由 NPROXX 提供 350bar、500 毫米直径、2200 毫米长的储氢罐。
康明斯(Cummins)还与西门子(德国慕尼黑)合作,西门子在 2023-2024 年期间在德国多条区域线路上测试其两辆和三辆Mireo Plus H 列车。与此同时,Hexagon Purus 正在为 Talgo(西班牙马德里)的 Vittal One 列车提供 IV 型储氢罐,该列车计划于2023 年开始测试。Hexagon Purus 还将向 Stadler Rail(瑞士Bussnang)提供储氢罐,用于其在瑞士建造和测试的第一列FLIRT (调情号)列车,然后在 2024 年转移到加利福尼亚州的圣伯纳迪诺投入使用。
在日本,丰田日立(东京)和日本铁路公司(东京)合作开发了一种两辆编组的列车,其行程为 140 公里,最高速度为 100 公里/小时,氢气储存容量为 5 个 700bar、51 升/2 千克的储氢罐,每个储氢罐可储存总共 40 千克的氢气。它将于 2022 年在东京郊区进行测试。中国也在测试燃料电池供电的有轨电车,以满足短期城市服务需求。该示范线由中国南方铁路公司子公司四方(山东青岛)与燃料电池供应商巴拉德(Ballard)电力系统(加拿大本纳比)合作开发,位于广东省佛山市,使用五辆有轨电车, 每辆由三节车厢组成,行程 125 公里,最高时速 70 公里。每辆有轨电车使用六个 350bar 的储罐来储存 104 升/4 千克的压缩氢气。
在货运列车市场,塞拉(Sierra)北方铁路公司(美国加利福尼亚州萨克拉门托市)将在西萨克拉门托港用氢燃料电池机车取代柴油机车,该机车配备巴拉德动力系统的燃料电池和 225 公斤的储氢罐。该机车将于 2023 年开始使用,并在荷兰皇家壳牌公司(荷兰海牙)建造的新氢站加油。
巴拉德(Ballard)还为加拿大太平洋(卡尔加里,阿尔伯塔省)改装了一台现有的柴油电力长途货运机车,该机车将于 2022 年投入使用,这是其氢动力铁路项目的第一步。改装机车的使用寿命超过 50 年,被视为专用液压火车的可行且经济高效的替代方案。
氢动力铁路(客运或货运)的一个显著优点是不需要对现有轨道进行改造。相比之下,英国传统电气列车的轨道(例如,悬链线和第三轨)的充电成本从每公里 965000 美元到 130 万美元不等。Caltrain(美国加利福尼亚州 Can Carlos)2017 年的一份报告指出,旧金山至圣何塞通勤线路的电气化使用 22 列燃料电池列车, 包括建造氢气加油站(HRS- hydrogen filling stations)将耗资 13 亿美元,而 22 列采用架空接触网(OCS- overhead contact system)的传统列车耗资 31 亿美元-节省 18 亿美元。
NPROXX 的负责人说,“铁路市场已经在向前发展,这可能令人惊讶” ,  “但和公交车一样,我认为关键因素之一是基础设施。对于这两个方面,你可以很容易地解决基础设施问题,因为它们每天都会回到同一个停车场,在这些停车场都有加油站。例如,科隆的区域公交系统 RVK 拥有世界上最大的燃料电池公交车车队——每天运营和运营的 37 辆公交车到今年年底,还将增加 15个,其中只有两个氢加气站。它们在 2009 年开始实现零排放,目前仍在增加。因此,基础设施相对简单,有助于推动该市场的发展。”

海事:重新思考架构、商业模式


2021 年 6 月,Hexagon Purus 宣布将成立一家新的子公司Hexagon Purus MaritimeHexagon Purus 的销售和营销总监 Jørn Helge Dahl 解释说,尽管 Hexagon 参与海上氢气项目已有几年, “我们现在看到,海上对氢气的需求和活动正在迅速增加。”。
Hexagon Purus Maritime 将开发船上存储系统,从船边燃料管线输送到存储,从存储到燃料电池。由于恶劣的环境,包括腐蚀, 我们认为复合材料是海上应用的理想存储解决方案。”
但是,大型金属罐能提供更长的航程呢?Dahl 承认:“随着公司开始关注氢气,我们看到他们希望拥有尽可能大、尽可能少的单个储氢罐。但是,船舶的结构和类型有很大的范围。没有  ‘一刀切’的方法。如果你有一艘较小的快速渡轮,较大的储氢罐可能太大。这就是为什么我们将与公司合作,根据船舶结构调整我们经验证的储氢罐,以提供适当尺寸的解决方案。然后,我们将通过挪威船级社(挪威挪威船级社,奥斯陆)是领先的船舶船级社之一,在复合材料方面也有着悠久的历史。
液态氢?Dahl 说“过去,人们非常关注液态氢,认为它是服务于海运业的唯一途径,但在过去的三到四年中,我们看到了一种趋势,即公司深入研究使用液氢,并再次使用压缩气体。这不仅是关于如何管理船上的氢气,还涉及基础设施、燃料和燃料存储。现在,我们也看到公司对氢气的看法有所不同为了在船上储存更多的氢气,该船的结构已经改变。”
Dahl 认为,在十年中期,海运业将发生快速变化,随着 2030 个项目的实施,项目数量将增加,这是由国际海事组织(IMO, 伦敦,英国)设定的目标驱动的。Dahl 还认为,所有新建船舶和现有船舶必须在 2030 年和 2050 年分别比 2008 年基准减少 40%和70%的二氧化碳排放量。此外,我们看到地方司法机构采取的行动正在增加。例如,挪威的一些世界遗产峡湾要求到 2026 年实现零排放。这将排除大型游轮;因此,他们将不得不开发较小的船只将人们带入峡湾。我们将在欧洲密集的河流运输区看到更多此类限制。特别是随着联合国气候报告的发布(最近),我认为我们刚刚看到了开始,在监管方面还会有更多。

结束语:

氢动力用于飞机、船舰、车辆等移动工具,其中承受高压储氢罐是必不可缺的产品。本文预测到 2030 年燃料电池汽车辆产量, 以及相应对碳纤维的需求数量。
  • 需求量最大的是 700bar、IV 型罐;700bar、IV 型罐每储存 1 千克氢气需要 10 千克碳纤维;
  • 每辆 FCV(燃料电池汽车)至少携带 5-6 千克氢气,预计到 2030 年投入使用的 500 万辆 FCV 将需要 250,000 吨碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料,用于制造储氢罐;
  • 到 2030 年,仅 FCV(燃料电池汽车)IV 型储氢罐中的碳纤维需求量为 166,650 吨(700bar 、IV 型罐、储氢 5.6 千克,在碳纤维在复合材料中含量 60%的前提下,每个储氢罐碳纤维用量约 62-72 千克)。
  • 储氢罐占燃料电池系统价值的 40%。40%的价值中有 70%是储氢罐罐体,其余是阀门和其他部件。
  • 2020.5 国际市场统计碳纤维产能:中国 21,800吨;全球总产能 161,200 吨。



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