氢有望促进复材发展(Ⅱ)
康明斯与NPROXX合资H2的投资正在增加。IV 型储罐制造商NPROXX现在是与康明斯的50/50合资企业，康明斯还收购了燃料电池和H2生产电解槽的关键供应商。NPROXX 生产的这些直径500毫米、长2200毫米的汽车/重型储罐在350巴下储存H2。
本系列的第1部分探讨了需要IV型复合材料罐以 压缩气体形式储存氢气（H2）的氢动力汽车的显著增长。H2可以直接燃烧或在燃料电池中用于发电，水和 热量是唯一的排放物。随着世界加速向零排放交通和 工业转型，H2是一个关键的推动者。然而，生产这些工作所需的数百万个储罐所需的大量碳纤维可能无法及时满足燃料电池汽车（FCV）和基础设施的目标。
IV型储罐增长的其他可能障碍包括碳纤维和复合材料储罐成本，以及与主要为金属的低温储罐相比更低的储存密度。新的储罐制造商和法国汽车一级供应商Plastic Omnium（Lavallois）和 Faurecia（Nanterre）制定了到2030年将IV型储罐成本降低 30-75%的目 标，同时将储存效率提高到7%以上。正如“CW-复合材料世界”在5月的Tech Days Hydrogen活动中所介绍的那样，正在开发新技术来帮助这些努力，从Cevotec（德国 Unterhaching）的用于在坦克圆顶中切割复合材料时间和成本的纤维补片放置（FPP-fiber patch placement ）技术，到 Cygnet Tekkip（英国 Northwich） 的用于减少纤维损伤的3D 缠绕，复合传感器集成专家Com&Sens（比利时埃克）提出现场储罐监测。
在第2部分中，讨论了氢加油站（HRS-H2 refueling stations）和管道拖车的额外市场，包括IV型储罐使用玻璃纤维。还探讨了成本和储存效率、储罐的重新认证、传感器的使用以及优化生产和健康监测等问题。
加氢站（Hydrogen refueling stations）
H2动力汽车和卡车的雄心勃勃的路线图将需要建造大量的加氢站。H2 stations.org 2021年2月的一份报告指出，2020年有 107个加氢站投入运营，这是迄今 为止一年内投入运营总数最高的一年。2021年1月又增加了7个，560个加氢站目前在全球运营，并已计划增加225个站点。氢能委员会2021年2月的“氢能洞察”报告估计，到2030年，实现FCV目标将需要10300加氢站。
复合材料储罐正在加氢站中使用。例如，Hexagon Composites（挪威Alesund）向Resato（荷兰Assen） 提供储罐，用于海牙的一个大型加氢站，而NPROXX则向地区巴士运营商RVK（德国科隆）出售了两个加氢站的储罐。
氢气通过管式拖车、液体罐车或管道供应给加氢站，也可以使用蒸汽甲烷重整器或电解装置在现场产生（图 1）。IV型复合材料罐可用于管道拖车中输送H2，也可用于现场缓冲存储器中。
在2021年5月的“CW-复合材料世界”技术日活 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加氢站每天将使用蒸汽甲烷重整器（SMR）装置从天然气中生产1250公斤H2，以填充配备350巴和700巴储罐的FCV。PowerTap将与安德雷蒂集团合作，在加州安德雷蒂公司选定的加油站和柴油站安装加氢站。
图2. 优质的现场存储空间
加氢站的粗略设计，使用蒸汽甲烷重整器和1型钢罐进行缓冲储存，需要25x35英尺的储存空间。
这些加氢站装置必须安装在当前车站的占地范围内，该占地范围已被燃气和柴油泵、便利店等占用。Owen表示，PowerTap的缓冲罐将包括两组储罐：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）轧制钢管钢瓶，需要大约25 x 35英尺的储存空间（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%，使储罐成本从120万美元增加到160万美元，这将消耗每个加氢站300万美元预算的一半以上。林肯 Hexagon Composites 负责研发的高级副总裁 Rick Rashila表示：“毫无疑问，钢制储罐的价格远低于复合材料储罐。” ，内布拉斯加州。“但在某些应用中，复合材料罐是一个很好的解决方案。例如，我们在欧洲的一些客户已经将这种罐安装在氢站屋顶、 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型罐非常轻。金属罐虽然成本较低，但通常需要地面安装，而且你只能由于它们的重量，将它们堆得很高，而复合材料罐可以堆得更高， 这减少了存储空间。” 但是，与钢制储罐相比，复合材料储罐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， ”内布拉斯加州林肯市Hexagon复合材料研发公司的首席工程师Brian Yeggy解释道。“但复合材料技术没有限制，无法在700巴的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巴的压力下固定储存。它还有一个1000巴、直径20英寸的固定式储物筒。Yeggy说：“这不是我们技术的限制，而是我们客户的需求。” “我 们已经将复合材料罐的直径扩大到42 英寸，长51英尺，可在250巴的压力下储存。”
“压力越高， ”他继续说道， “复合材料看起来就越有吸引力，但由于所需的壁厚越高，无论材料如何， 整个系统的成本都会越高。”复合材料罐在每天最多 10 次加压循环的情况下满足加氢站15年使用寿命需求的能力如何？Yeggy 说：“这相当于最多55000次循环。” “我们的大多数产品已经通过了15至30年的认证，标准为45000次循环，验证填充至150%，无故障。我们还测试了几个直径为27英寸、379巴的储罐，测试周期为110000次，无故障[图3]，我们有一 个直径14英寸、380巴的圆柱体，已经测试了100万次循环，每个循环的工作压力为其工作压力的 150%。因此，我不担心 IV 型储罐能够满足加氢站所需的循环范围。”
图3. IV型储罐处理换料循环Hexagon Composites IV型压缩气瓶的选定疲劳试验数据表明，无论储罐尺寸和工作压力如何，复合材料都能处理加压循环的疲劳。
H2 分布和玻璃纤维
管式拖车代表了复合气瓶的另一个市场，即用于 将氢气从生产点分配或运输到加请站或工业现场。这 是韩华Cimarron复合材料（韩国首尔）、Hexagon 和NPROXX（荷兰海伦）的主要市场。在 Hexagon，该 市场预计将占公司的 40%以上 2021 年收入。Hexagon的 Rashila说：“对于氢气，我们大多数的分配气罐都是350巴，并趋向于500巴以上。”“由于需要在加氢站上获得更多的氢气，很可能还会有700巴的气 罐；但到达那里的成本始终是平衡的。” NPROXX公司董事总经理兼销售主管 Michael Himmen 表示：“一切都从氢开始，从基础设施开始。”
他解释说，氢动力汽车的增长需要加氢站，而加氢站 反过来又依赖燃料运输。“未来两年，我们可能会在船 舶和集装箱设计方面提出新的解决方案。”，术语“集装箱”是指运输模块的包装方式。例如，Hexagon用于在500巴下运输H2的X-STORE模块包括一个10、20、30或40英尺长的金属框架拖车，拖车上有22、52、82或103个IV型气瓶，总共载有240、565、890或1115公斤H2。NPROXX也有类似的产品。Cimarron Composites 在CW 2020年关于H2压力容器的专题文章中解释说，其Neptune 517 bar IV型储罐直径为30英寸，长度为19 英尺，能够将9个容器包装到一个标准的20英尺容器中，容纳 600公斤H2，是40英尺容器中的两倍。
图 4. IV 型玻璃纤维储罐
与碳纤维复合材料相比，玻璃纤维复合材料IV型储罐的成本更低，但与钢相比重量更小（上图中的橙色正方形）。
Umoe Advanced Composites(UAC，Kristiansand， Norway)也致力于H2输送，但没有碳纤维。相反，该 公司生产的IV型气瓶使用行业标准T4塑料内衬制 成，内衬玻璃纤维/环氧树脂。UAC目前供应200至350巴的模块，并将在 2022 年扩大到包括450和500巴的储罐。正如UAC首席执行官 Öyvind Hamre 在CW氢能技术日活动中所解释的那样，玻璃纤维复合材料 （GFRP）储罐提供了与钢储罐相同的资本支出（CAPEX-capital expenditure），但重量减轻了70%（图 4）。同时，与碳纤维圆柱体相比，玻璃纤维可以减少50%的资本支出，尽管重量更高。2021年5月，UAC宣布成立一家合资企业，在中国建造一家新工厂，到2022年，该工厂的产能将从每年1万个（1700至2000升）扩大到2个。同时，它将把挪威的产能提高到4000个气罐/年。
成本和存储效率
正如本系列第 1 部分的介绍中所解释的，除了成 本之外，IV 型储罐的另一个关键问题是储存密度—— 也就是说，在给定体积中可以储存多少H2。这里的关 键度量称为重量、重量或质量比，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%。该度量也可以被称为存储密度或效率。对于 IV 型储罐，丰田（日本丰田市）于2014年为其700巴储罐制定了5.7%的基准值，这要归功于通过优 化纤维缠绕模式将使用的CFRP减少了20%。这些通常包括沿着圆柱体的环向绕组、跨过圆柱体和圆顶端 的低角度绕组以及在环向绕组和低角度绕组之间的边界处的高角度绕组。丰田设计了一种方法来消除高角度螺旋绕组，这种绕组以前占层压板的≈25%。相反， 衬垫的形状被压平，以便能够通过在边界区域处的环 向缠绕进行层压。丰田还将环形绕组集中在应力最高的内层。Faurecia在其复合材料IV型储罐中声称的优势之一是重量比>7%。
2019 年，NPROXX，现在是与Cummins（美国印 第安纳州哥伦布市）50/50 的合资企业，推出了一款储存密度为 6.4%的 700 巴 IV 型储罐，而 Iljin Hysolus （韩国丰东市）为现代 Nexo 燃料电池乘用车生产的储 罐平均占 6.3%。“对我们来说，这一切都取决于你如何处理碳纤维，以及在缠绕过程中对纤维造成多大损 伤， ”NPROXX 的Himmen指出。“这实际上决定了 你在储罐中使用了多少碳纤维。”
Yeggy 说，由Hexagon Composites制造的H2储罐，现在被分拆为 Hexagon Purus，储存效率在5%到7%之间。他指出：“我们一直在进行研究，以提高储存效率，但储罐越轻，就必须越精确，损失的损伤容 限也就越大。” “成本是一个很大的因素。如果不考虑成本，那么我可以在纸上进行设计，提高10%的存储效率。但要实现这一点，它的成本将超过它所在 的车辆。”
尽管20多年来，降低储罐成本一直是美国能源部 （DOE）众多项目追求的目标，但 Faurecia 声称，到2030年，它将使储氢系统成本降低 75%，从每公斤储 存的氢气1300欧元降至315欧元。Plastic Omnium 的目标是适度降低30%的成本。NPROXX同意后者的观 点。Himmen说：“根据到2030 年生产的更大数量的储罐，我们的分析是，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%，能 源部的成本模型表明，更高的产量并不能显著降低纤维价格。Hexagon Composites的Rashila 表示，Hexagon已与美国能源部合作开展了各种储罐和碳纤维成本降低项目，并指出了在不久的将来增加项目的潜力。
再认证和监测储罐
Rashila指出，另一种降低成本的方法是通过Hexagon的数字业务部门，该部门使用模态声发射（AE-acoustic emission）在储罐监管寿命结束时对储罐进行 检查，分析储罐的完整性以获得额外服务。模态声发射（Modal AE）采用先进的电子设备和传感器，旨在提高灵敏度和数据。拉希拉说：“延长储罐的使用寿 命是降低成本和排放的好方法。” 。“消防员用碳纤 维复合材料气瓶已经证明了这一点。我们还为2010- 2015年使用寿命结束的首批压缩天然气储罐进行了这 一测试。数字测试可以验证坦克没有损坏，而且很有可能还有“X”的剩余寿命。”
“我认为这个行业仍然缺乏数据， ”Himmen说。“IV 型容器在使用前10年后才进行检查。但是，当时 压力容器的完整性到底发生了什么，你真的有数据可 以了解吗？我们参与了一项欧盟计划，以创建这些数据。我们提供了大量储罐，并为其配备了各种传感器，以确定其在使用寿命内对储罐完整性的影响温 度、压力循环、激进加油以及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，以决定压力容器是好是坏。”
尽管有未来的努力，NPROXX 目前正在整合传感器技术的一个领域是其生产过程。
图 5. 用于优化储罐生产、监控和设计的光纤传感器 Com&Sens 使用嵌入复合材料罐内或表面的光纤布拉格光栅（FBG）光纤传感器来感应灯丝缠绕、测试和操作过程中的应变和温度。这些传感器可以验证有限元模型的应力，提供结构健康监测和储罐完整性测量，以进行重新认证。
Com&Sens 介绍了嵌入式光纤布拉格光栅（FBG- fiber Bragg grating ）光纤传感器如何在CW的H2技术日期间用于优化复合材料储罐生产和现场健康监测。FBG光纤线路可以在H2罐层压板被细丝缠绕时从线轴共同缠绕。每个光纤的长度可以在 1-100米之间， 并且具有最多20个最小间距为 1 厘米的传感点。
Com&Sens联合创始人Eli Voet表示：“每个传感点都位于光纤内，可以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。” “在使用旋转 接头缠绕的过程中，或者在使用专利点连接技术的操作过程中，这些点都会被询问，该技术可以大规模使用‘智能’储罐。”他解释说，嵌入层压板中的 FBG 可以感应材料内部的应力再分配。Voet补充道：“这些传感器可以用于生产过程优化，从而了解和数字化 以前无法测量的过程参数。” “在固化、疲劳循环和爆裂测试过程中，捕捉全系统的应力、应变和温度 测量结果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。但也许最有前景的应用是在储 罐运行过程中进行生命周期和结构完整性监测，提高对氢气技术的接受度和信心例如，Voet 提供了生产带有“数字指纹”的储罐的能力，然后根据指纹对储罐进行重新认证，以延长其使用寿命。
真正的改变来得很快
根据氢能委员会2021年的“氢能洞察”报告，75个国家制定了零排放战略，20多个国家宣布在2035年之前禁止内燃机汽车销售。除了H2，电池电力、太阳 能和其他替代燃料将是实现这些目标所需解决方案的 一部分。然而，人们越来越关注H2，并增加了政府对H2的支持。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在2040年或更早实现目标。这可能吗？
Hexagon Purus Maritime 的达尔表示：“你不仅要 重新思考汽车架构，还要重新思考运营的整个商业模式。” “当然，有一种犹豫——谁将是第一个推动者并承担风险？还需要大量投资。但那些有目标、有勇气做到这一点的人，将是未来的领导者。”
除了多种零排放解决方案外，H2储存还将继续有多种解决方案，并非所有解决方案都依赖于复合材料或碳纤维。复合材料行业将如何应对正在开发的H2动力汽车、火车、船舶和加油站的快速新兴市场？新型碳纤维能否使储罐具有更高的储存效率和更低的成本？“我们想了很多关于我们想要使用的理想碳纤维， ”Himmen在NPROXX说。“预计会有如此大的产量，显然碳纤维的消耗量也会高得多，而我认为理想的碳纤维还没有上市。”但也许会。达尔指出：“你需要打破僵局才能做出真正的改变，2050年即将到来。”
