深度解读: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

发布于 2021-09-28 07:28

多年来，碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料通过使用碳纤维和环氧树脂包裹的塑料内衬组成的IV型储罐，为零排放燃料电池汽车提供了压缩氢气（H2）的轻质存储。虽然长期以来。H2被视为一种可持续的清洁能源，但直到最近，其相关进展仍然缓慢。在composites world（CW）2020年10月的专题《氢气压力容器中的碳纤维》中，人们仍然严重怀疑期待已久的氢气经济是否会真正实现。

一年后，这种怀疑正在迅速消退。例如，2020 年文章中重点介绍的 Universal Hydrogen（美国加利福尼亚州洛杉矶）已与三家地区航空公司签署了意向书，以使用H2动力推进系统改造现有的涡轮螺旋桨飞机。同样值得一提的是，Cimmaron Composites（美国阿拉巴马州亨茨维尔）现已被韩华解决方案（韩国首尔）收购，并宣布在阿拉巴马州欧佩利卡新建一个 1.3 亿美元的生产设施。另一家复合材料罐制造商 NPROXX（荷兰海尔伦），现在是与康明斯（美国印第安纳州哥伦布）的一家50/50 合资企业，康明斯公司年产 1.3 亿台内燃机，现已投资生产氢气的电解槽、氢气发动机、燃料电池和储罐。

根据预测IV型储罐的市场增长极其巨大。例如，IV型储罐生产的领导者Hexagon Composites（挪威阿勒松）在一月份剥离了Hexagon Purus，专注于零排放H2和电池电力系统以及存储。据估计，从2025年到2030年，储罐收入将增长630%。

然而，IV型储罐也面临着严重的问题。最值得注意的是，碳纤维的成本使这些储罐非常昂贵。另一个关键问题是存储密度。尽管压缩H2提供的能量是每质量汽油的三倍，但其每体积能量非常低，需要大型气缸来容纳储存足够燃料所需的高压。对于移动应用，与金属替代品相比，CFRP IV 型储罐提供的轻质推动了它们的使用。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，氢气作为低温液体在-253°C下储存时具有更高的密度，当储存在-230°C和300 bar的低温压缩（CCH2）罐中时，其密度最高。据报道，与700 bar的IV型罐相比，H2增加了50%。低温罐通常是金属的，使用大量复合材料的替代品尚未得到验证，而具有IV型压缩气体罐的性能和疲劳寿命已经得到验证。Cryomotive（德国格拉斯布伦）由Tobias Brunner博士于2020年创立，目前正在根据他之前在宝马的工作开发金属CCH2储罐。

本系列文章由两部分组成，第 1 部分将探讨重型卡车和汽车用 IV 型储罐的开发与发展，包括亚洲作为领先的区域市场，以及分析了碳纤维储罐的增长可能因碳纤维生产不足而受到阻碍. 还讨论了铁路和海上应用中快速发展的储罐市场。

01 重型运输用氢气

康明斯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Class 8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。在2021年6月的一次采访中，康明斯负责新动力工程的副总裁乔纳森·伍德表示，到本十年末，这些产品将接近柴油发动机的总拥有成本（TCO）。随着各国寻求实现零排放目标，未来的重型运输将由氢、燃料电池或电池供电，而不是柴油。

“在欧洲，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%，”储罐制造商NPROXX的常务董事兼销售主管Michael Himmen说。因此，欧洲卡车生产的一部分将是氢动力驱动，并可能高达5%，未来需求可高达15000-20000辆/年。它将在2026-27年以2000辆/年的速度开始，并稳步增长。每辆车有五到七辆IV型储罐，重型卡车可以在十年内，每年需要100000个储罐，大概需要6000吨碳纤维。这将是东丽公司目前在日本、韩国、法国和美国工厂碳纤维总产量的25%，以及韩国Hyosung2028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 表示：“重型运输行业的速度正在加快发展。他解释说，对于大型车辆而言，H2比电池更实用，因为电池的尺寸、重量和充电时间的增加可满足有效载荷和航程要求，但是不经济。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，预计重型汽车将占最大部分（≈30%）。

02 轻型交通、汽车和亚洲市场

法国汽车一级供应商Faurecia（Nanterre）和Plastic Omnium（Lavallois）是IV型储罐市场的新进入者，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（LDV和PV）。Plastic Omnium表示，H2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LDV/PV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。Faurecia、Hexagon Purus、NPROXX和塑料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声称，燃料电池系统价值的40%在H2储罐，70%在储罐与阀门和其他部件之间（称为设备平衡，BOP）。

Plastic Omnium 指出，预计亚洲将在氢燃料电池汽车 (FCV) 销售方面处于领先地位，占据 75% 的市场份额，其次是欧洲的 20% 和北美的 5%。事实上，中国和日本已经宣布了到 2030 年分别实现 100 万辆和 80 万辆 FCV 的运行目标，而韩国则表示到 2025 年将所有商用车都转换为氢燃料，目标是到 2040 年生产 620 万辆 FCV。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CFRP纤维缠绕试验线和燃料系统测试实验室。武汉已被定为中国第一个“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，以及一个拥有100多家燃料电池汽车制造商及相关企业的氢能产业园。

与此同时，Hexagon Purus于2021年3月宣布与中集Enric（中国深圳）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型储罐生产。新的IV型设施生产和建设将于2021年开始，到 2025 年产能将达到 100,000 罐/年。

Iljin Composites因其2021年9月3日在韩国证券交易所KOSPI指数上的公开发行而更名为Iljin Hysolus（韩国Bongdong eup），被称为韩国唯一的复合材料储罐生产商和现代Nexo汽车的唯一供应商。据报道，Iljin还为韩国警察、地区和公交系统提供储罐，并拥有两个生产基地，一个在全北省，一个在万州。

在其他值得注意的活动中，Toyoda Gosei（日本 Inabi）为 2021 年的 Toyota Mirai生产第三个储罐，产能为每年 30,000 个储罐（丰田为Mirai内部生产前两辆储罐）。2021 年在法国，Faurecia完成了对中国领先的储罐制造商 CLD的收购，该公司在辽宁的两家工厂每年可生产 30,000 个储罐。

根据分析公司 Integral Co. 2020 年 12 月的“中国储氢技术概述”，中国更喜欢 I 型和 III 型储罐，制造 III 型的公司很少。然而，需求正在增加。报告作者斯蒂芬妮·奥 (Stephanie Ao) 指出，直到最近，中国才实际上禁止了 IV 型坦克。可以理解的是，III 型储罐仍然在中国 H 2车辆市场占据主导地位，尤其是对于需要 35 MPa/350 bar 的应用。但是，她指出 70 MPa/700 bar III 型储罐正处于测试验证的最终过程中。III型储罐的顶级供应商包括CLD（现为佛吉亚所有）以及Beijin Chinatank Industry、Furuise和天海工业。

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，作者Stephanie Ao指出，III型储罐仍然在中国H2车辆市场占据主导地位，特别是对于要求35 MPa的应用。然而，70 MPaIII型储罐处于测试验证的最终过程中。III型储罐的顶级供应商包括CLD（现为Faurecia所有）以及Beijin Chinatank Industry、Furuise和天海工业

03 铁路和公共汽车系统

康明斯在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。康明斯随后于2020年宣布在德国Herten建立一家新工厂，为阿尔斯通（法国巴黎）的H2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 的续航里程为 1,000 公里，最高时速为 140 公里/小时，与当前的区域列车性能相匹配。它的两辆车单元使用 24 个 IV 型储罐，这些储罐安装在每辆车顶部的屋顶隔间中，该隔间内还装有燃料电池。Hexagon Composites为其原型列车提供了 H2储罐，该储罐基于其 416 毫米直径、3128 毫米长的重型储罐，在 350 bar下可容纳 300 升/9 公斤氢气。现在iLint配备了来自 NPROXX 的 350 bar、500 毫米直径、2,200 毫米长的储罐。

康明斯还与西门子（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H2储罐，该列车计划于2023年开始测试。Hexagon Purus还将向Stadler Rail（瑞士Bussnang）提供储罐，用于其在瑞士建造和测试的第一列FLIRT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，丰田与日立（东京）和东日本铁路公司（东京）合作开发了一种两节车厢列车，续航里程为 140 公里，最高时速为 100 公里/小时，H2存储容量为 5 个700-bar，四个储物格中的每个储物格中都有 51 升/2 公斤的储罐，总共有 40 公斤的 H2. 它将于 2022 年在东京郊区服务中进行测试。中国也在测试用于城市短途服务的燃料电池有轨电车。这条位于广东省佛山的示范线由中国南铁子公司四方（山东青岛）与燃料电池供应商巴拉德电力系统（加拿大本那比）合作开发，使用五辆电车，每辆电车由三辆长125公里的长途汽车组成范围和最高时速 70 公里/小时。每辆电车使用六个 350 bar的储罐来储存 104 升/4 公斤的压缩 H 2气体。

在货运列车市场，Sierra Northern Railway（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hydrail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）将耗资13亿美元，而22列采用架空接触网（OCS）的传统列车耗资31亿美元-节省18亿美元。

（编译来源：CW）