السوق الطرفية للمواد المركبة: حقل أوعية الضغط

الهدف العالمي المتمثل في تحقيق انبعاثات صفرية بحلول عام 2050 يقود النمو السريع في أوعية الضغط المركبة.

صورة
أوعية الضغط المركبة

تعتبر أوعية تخزين الغاز عالية الضغط واحدة من أكبر الأسواق وأسرعها نموًا للمركبات المتقدمة ، وخاصة مركبات ألياف الكربون ذات الفتيل. على الرغم من إمكانية استخدامها في أجهزة التنفس المستقلة ولتوفير تخزين الأكسجين والغاز للمركبات الفضائية ، فإن السوق النهائي الرئيسي هو لغاز البروبان المسال (LPG) والغاز الطبيعي المضغوط (CNG) والغاز الطبيعي المتجدد (RNG) والهيدروجين (H2) تخزين. بينما تستخدم اسطوانات غاز البترول المسال في السيارات ، هناك طلب متزايد عليها في أسواق الطهي والتدفئة في البلدان النامية.

يتم استخدام أنظمة الوقود مثل الغاز الطبيعي المضغوط (CNG) والغاز الطبيعي المتجدد (RNG) والهيدروجين (H2) بشكل متزايد في السيارات والحافلات والشاحنات وغيرها من "محطات الوقود لإعادة الإمداد أو النقل السائب في المواقع الصناعية. في تطبيقات المركبات ، هذه تعد خزانات تخزين الوقود جزءًا مهمًا من مجموعات نقل الحركة النظيفة الخالية من الانبعاثات التي تقلل أو تحل محل البنزين والديزل ووقود الطائرات.كما توفر مجموعات نقل الحركة هذه خيارًا مجانيًا للمركبات التي تعمل بالبطاريات ، والتي تتطلب بنية تحتية للتزود بالوقود وأوقات إعادة التزود بالوقود مماثلة للتزود بالوقود الأحفوري. الوقود.

هناك 5 أنواع من أوعية الضغط:

النوع الأول: جميع الإنشاءات المعدنية ، وعادة ما تكون من الصلب.

النوع الثاني: معظمها من المعدن مع بعض الألياف الملفوفة بشكل دائري ، عادةً من الفولاذ أو معدن الألمنيوم ومركبات الألياف الزجاجية ، الحاوية المعدنية تشترك تقريبًا في نفس الأحمال الهيكلية مثل المركب.

النوع الثالث: يتم تغليف البطانة المعدنية بالكامل بمواد مركبة ، وعادة ما يتم لف المواد المركبة من ألياف الكربون حول بطانة الألمنيوم ، وتتحمل المادة المركبة الحمل الهيكلي.

النوع الرابع: هيكل مركب بالكامل ، وعادة ما يكون خزانًا داخليًا مصنوعًا من مادة البولي أميد (PA) أو البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) ، يتم لف الخزان الداخلي بألياف الكربون أو مادة مركبة ممزوجة بألياف الكربون / الألياف الزجاجية ، والمركب المواد تتحمل جميع الأحمال الهيكلية.

النوع الخامس: بناء كامل المركب بدون بطانة.

تقليديا ، استحوذ النوع الأول على أكثر من 90 في المائة من السوق ، ولكن هذا أصبح ممكنًا من خلال زيادة مبيعات أوعية الضغط من النوع الثالث والرابع بسبب توفير الوزن من المواد المركبة وتحسين كفاءة تخزين الغاز المضغوط الذي بدأ في التغيير. لا يزال النوع الخامس في مهده ويلبي بشكل أساسي احتياجات التطبيقات الفضائية. مع تطور صناعة الفضاء الجديدة ، أصبح هذا نوعًا من المنتجات جديرًا بالاهتمام. على سبيل المثال ، في أبريل 2020 ، طورت شركة Infinite Composites Technologies (ICT) الأمريكية خزانًا كريوجينيًا كرويًا على شكل حرف V يستخدم لتخزين الوقود السائل المبرد على مركبات إطلاق فضائية تعمل بالطاقة الصاروخية. يتم تصنيع خزان الغلاف الجليدي الإيبوكسي المصنوع من ألياف الكربون بدون بطانة باستخدام لف الفتيل وعملية المعالجة بالفرن الصناعي.

محركات السوق ومعدلات النمو

الدافع الرئيسي لهذا السوق هو الالتزام العالمي المتزايد بتقليل التأثير على المناخ من خلال التحول من الوقود الأحفوري إلى الوقود المتجدد والمخفض للانبعاثات مثل CNG و RNG و H2 لتحقيق صفر انبعاثات بحلول عام 2050. وفقًا لتقرير جديد صادر عن وكالة الطاقة الدولية ، "صافي الانبعاثات الصفرية بحلول عام 2050: خارطة طريق لقطاع الطاقة العالمي": الالتزامات المناخية التي تعهدت بها الحكومات حتى الآن ، إذا تم تحقيقها بالكامل ، فإنها تقصر كثيرًا عن عام 2050. وبدلاً من ذلك ، فإن صافي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية المرتبطة بالطاقة إلى الصفر يوفر للعالم فرصة للحد من ارتفاع درجات الحرارة العالمية إلى 1.5 درجة.

جدير بالذكر أنه بالإضافة إلى الالتزامات المذكورة أعلاه ، التزمت ولايات كونيتيكت وماريلاند وماساتشوستس ونيوجيرسي ونيويورك وأوريغون ورود آيلاند وفيرمونت وواشنطن بالفعل بعدم إنتاج سيارات ركاب جديدة تعمل بالوقود الأحفوري. ، انضم إلى كاليفورنيا ، كولورادو ، هاواي ، مين ، نورث كارولينا ، أوريغون ، بنسلفانيا ومقاطعة كولومبيا لحظر بيع المركبات المتوسطة والثقيلة الجديدة التي تعمل بالوقود الأحفوري.

في علامة أخرى على النمو ، استثمرت شركة Cummins Inc. ومقرها الولايات المتحدة ، والتي تنتج 130 مليون محرك احتراق داخلي (ICEs) سنويًا ، يستخدم الكثير منها في الحافلات والشاحنات المتوسطة والثقيلة ، في تطوير فئة 8 شاحنة تعمل بخلايا الوقود ومحرك يعمل بالوقود الهيدروجين. في يونيو 2021 ، قال Cummins أنه بحلول نهاية هذا القرن ، ستقترب هذه المنتجات من التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) لمحرك الديزل ، وأن النقل الثقيل في المستقبل سيتم تشغيله بواسطة الهيدروجين أو خلايا الوقود أو البطاريات بدلاً من الديزل.

كانت المبيعات العالمية لمركبات الغاز الطبيعي (NGVs) في عام 2020 أعلى مما كان متوقعًا في السابق: تم بيع 29.8 مليون وحدة بالفعل مقابل 24.4 مليون وحدة متوقعة ، وفقًا لتقرير بحث جراندفيو لعام 2021. كما يتوقع التقرير أن تصل المبيعات في عام 2021 إلى ما يقرب من 31 مليون وحدة ، وسترتفع إلى 38.9 مليون وحدة في عام 2028 ، محققة معدل نمو سنوي مركب (CAGR) بنسبة 3.3 في المائة. تدعي DataIntelo أنه في سوق السفن CNG ، تمثل السفن من النوع الأول ما يقرب من 55 في المائة من السوق ، بينما تمثل السفن من النوع الثاني والثالث والنوع الرابع حوالي 25 في المائة و 15 في المائة و 5 في المائة من السوق ، على التوالي.

توقع توني روبرتس من AJR Consulting و Dan Pichler من CarbConsult أن الطلب على ألياف الكربون في أوعية الضغط المركبة سيرتفع من 13،100 طن في عام 2021 إلى 20،230 طنًا في عام 2026 ، ومن المتوقع أن يصل إجمالي الطلب على ألياف الكربون في عام 2021 إلى 106،700 طن. أدناه ، من المتوقع أن يصل إجمالي الطلب على ألياف الكربون إلى 169 طنًا ، 000 طنًا في عام 2026. ويقدر روبرتس وبيشلر أن معظم ألياف الكربون المستخدمة في أوعية الضغط ستذهب إلى الأنابيب المتنقلة (6900 طنًا في عام 2026) والحافلات و شاحنات صغيرة (6400 طن في عام 2026).

بالإضافة إلى ذلك ، وفقًا لإطلاق مركبات وقود الهيدروجين الجديدة حول العالم ، من المقدر أن كل خزان تخزين هيدروجين 700 بار يحتوي على 60 بالمائة من الألياف ويزن 5.6 كجم سيستخدم 62-72 كجم من ألياف الكربون. بحلول عام 2030 ، ستحتاج صهاريج تخزين الهيدروجين فقط إلى ألياف الكربون. سيصل الحجم إلى 166650 طن. ومع ذلك ، فإن التوقعات الخاصة بهذه المركبات متحفظة ، حيث من المتوقع أن تستخدم الهيدروجين بنسبة 1 في المائة فقط من مركبات البضائع الثقيلة وأقل من 10 في المائة من الحافلات وأقل من 1 في المائة من السيارات.

استخدام المواد المركبة لأوعية الضغط

يتم تصنيع أوعية الضغط المركبة من النوع الرابع لتخزين الهيدروجين عن طريق لف ألياف الكربون حول بطانة بلاستيكية وتطبيق راتنجات الايبوكسي. يشمل موردو معدات المواد المركبة الذين يصممون ويصنعون خطوط إنتاج صهاريج تخزين الهيدروجين المؤتمتة للغاية: المركبات الذاتية في هولندا ، والتكنولوجيا الهندسية في الولايات المتحدة ، و McClean Anderson في الولايات المتحدة ، و MIKROSAM في مقدونيا ، و Roth Composite Machinery في ألمانيا ، وهذا الأخير تدعي أن إنتاج صهاريج تخزين الهيدروجين يمكن أن يكون أسرع بخمس إلى عشر مرات باستخدام تقنية Rothawin الجديدة. تدعي MIKROSAM أن عميلها ، JSC DPO Plastik الروسي ، استخدم أكبر خط إنتاج في العالم لإنتاج حاويات الغاز الطبيعي المضغوط وصهاريج تخزين الهيدروجين ، القادرة على تعبئة 60 ، 000 حاوية سنويًا.

تقول شركة Cevotec الألمانية إنها تستطيع توفير 20 في المائة من المواد و 20 في المائة في وقت الدورة باستخدام نظام وضع رقعة الألياف (FPP) في منطقة قبة وعاء الضغط. أوضح الرئيس التنفيذي لشركة Cevotec أنه لتخزين 1 كجم من الهيدروجين ، فإن ضغط العمل في الحاوية يصل إلى 700 بار ، مما يعني أن هناك حاجة إلى حوالي 10 كجم من ألياف الكربون ، وهي نسبة عالية جدًا. نظام FPP قادر على تطبيق بقع ألياف الكربون المصممة بعناية بدقة على المناطق التي تواجه أحيانًا مشاكل أثناء عملية اللف. يقال أن نظام FPP الفردي يمكنه تعزيز الحاويات من آلات اللف المتعددة.

في حين أن معظم أوعية الضغط من النوع الرابع المستخدمة لتخزين الغاز المضغوط تستخدم ألياف الكربون للتعزيز الهيكلي والألياف الزجاجية للطبقة الخارجية لمنع الضرر ، فإن Umoe Advanced Composites (UAC) النرويجية تستخدم الألياف الزجاجية فقط لسفنها من النوع IV. تقدم UAC 200-350 سفن بار لسوق نقل الغاز الطبيعي بدلاً من سوق السيارات ، وستوسع مجموعة منتجاتها لتشمل 450-500 سفن البار في عام 2022. كما ذكر الرئيس التنفيذي لشركة UAC Øyvind Hamre ، الألياف الزجاجية - تكلف أوعية البوليمر المقوى (GFRP) نفس تكلفة الأوعية الفولاذية ، ولكنها أخف بنسبة 70 بالمائة. بالمقارنة مع حاويات CFRP ، على الرغم من أن حاويات GFRP أثقل ، إلا أنها تقلل التكلفة بنسبة 50 بالمائة.

صورة
تعتبر الأوعية من النوع الرابع المصنوعة من المركبات المقواة بالألياف الزجاجية أقل تكلفة من مركبات ألياف الكربون وأخف وزنا من الأوعية الفولاذية (الصورة عبر Umoe Advanced Composites)

صهاريج تخزين الهيدروجين في العديد من الأسواق

بالنسبة إلى Hexagon Purus في النرويج و NPROXX في هولندا (مشروع مشترك بنسبة 50:50 بين Cummins و Cimmaron Composites في الولايات المتحدة ، تم الاستحواذ عليها من قبل Hanwha في كوريا الجنوبية. أعلنت الشركة في عام 2021 أنها ستستثمر 130 مليون دولار أمريكي في ألابا ، الولايات المتحدة الأمريكية يعد التوزيع أيضًا سوقًا مهمًا لبناء مصنع إنتاج جديد في أوبيليكا ، ماساتشوستس.

لم يكتسب تطبيق صهاريج تخزين الهيدروجين نموًا في سوق التوزيع فحسب ، بل حقق أيضًا نموًا في مجالات السيارات والشاحنات والنقل بالسكك الحديدية والنقل البحري. قال مايكل هيمن ، العضو المنتدب ورئيس المبيعات في NPROXX ، الشركة المصنعة لخزانات الهيدروجين: "بعض الشاحنات التي تم بناؤها في أوروبا سيتم تشغيلها بواسطة الهيدروجين". وفقًا للوائح الأوروبية ، بحلول عام 2030 ، يجب على مصنعي المعدات الأصلية للشاحنات ضمان تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لشاحناتهم بمعدل 30 بالمائة مقارنة بمستويات عام 2019. وفقًا لاقتراح هيمن ، يمكن أن تستخدم 5 في المائة من الشاحنات الأوروبية طاقة الهيدروجين ، مما يعني أن إجمالي 15 ، 000 إلى 20 ، 000 شاحنة تعمل بالهيدروجين ستكون مطلوبة كل عام. إنه متأكد من أنه يمكن بناء شاحنتين 000 تعملان بالطاقة الهيدروجينية في العام بدءًا من 2026-27 وتنمو باطراد من هناك. إذا كانت كل مركبة مجهزة بـ 5 إلى 7 صهاريج تخزين هيدروجين من النوع الرابع ، في غضون 10 سنوات ، قد تحتاج الشاحنات الثقيلة إلى 100 و 000 صهريج تخزين هيدروجين و 6 ، 000 أطنان من ألياف الكربون سنويًا.

فيما يتعلق بالسكك الحديدية ، تم استخدام قطارات Alstom's Coradia iLint التي تعمل بالهيدروجين في ألمانيا. بدأ تشغيل 14 قطارًا إلى ساكسونيا السفلى في عام 2021 ، وسيبدأ تشغيل 27 قطارًا إلى منطقة الراين الرئيسية في عام 2022. سنوات من الاستخدام. بالإضافة إلى ذلك ، يتم حاليًا اختبار قطارات iLint في النمسا وهولندا. تستخدم سيارتا القطار 24 صهريج تخزين هيدروجين من النوع الرابع ، يتم وضعها في حجرات سقف فوق كل سيارة ، والتي تحتوي أيضًا على خلايا وقود. زودت Hexagon Composites خزان تخزين الهيدروجين لقطار النموذج الأولي بناءً على خزان تخزينه للخدمة الشاقة بقطر 416 مم وطول 3128 مم ، والذي يمكنه استيعاب 300 لتر أو 9 كجم من الهيدروجين عند ضغط 350 بار. الآن ، توفر NPROXX خزانات تخزين الهيدروجين بقطر 500 مم وطول 2200 مم وضغط تخزين 350 بار لقطارات iLint.

صورة
باعت ألستوم 41 قطارًا يعمل بالهيدروجين من طراز Coradia iLint وتقوم باختبار أخرى (الصورة عبر Alstom)

صورة
طلبت شركة السكك الحديدية الفرنسية SNCF 12 قطارًا إقليميًا من نوع Coradia Polyvalent من Alstom يعمل بالكهرباء والهيدروجين (الصورة عبر Alstom)

صورة
تعمل Alstom مع Eversholt Rail في المملكة المتحدة لتحويل القطارات الكهربائية إلى قطارات Breeze تعمل بالهيدروجين (الصورة عبر Alstom)

تشمل التطورات الأخرى المتعلقة بالقطارات التي تعمل بالهيدروجين ما يلي: قطار Mireo Plus H المزود بعربتين و 3 عربات طورته شركة Siemens الألمانية ، والذي سيتم اختباره في عدة مناطق من ألمانيا خلال 2023-2024. وفي الوقت نفسه ، تقوم Hexagon Purus بتزويد صهاريج تخزين الهيدروجين من النوع الرابع لقطارات Vittal-One التي ستبدأ Talgo الإسبانية باختبارها في عام 2023. كما ستقوم Hexagon Purus بتزويد صهاريج تخزين الهيدروجين إلى Swiss Stadler Rail لأول قطار FLIRT تم بناؤه واختباره في سويسرا ، والتي ستدخل الخدمة في سان برناردينو ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية في عام 2024.

صورة
تعمل شركة Siemens على تطوير قطار Mireo Plus H للاختبار في 2023-2024 (صورة من شركة Siemens)

فيما يتعلق بالشحن ، أعلنت Hexagon Purus في يونيو 2021 أنها ستنشئ شركة فرعية جديدة ، Hexagon Purus Maritime. يوضح Jørn Helge Dahl ، مدير المبيعات والتسويق في Hexagon Purus: "نشهد الآن زيادة سريعة في الطلب والإجراءات على الهيدروجين في السوق البحرية". توفر تطبيقات التخزين البحرية حلاً مثاليًا ". يعتقد دال أن الصناعة البحرية ستشهد المزيد والمزيد من المشاريع التي يتم استثمارها في هذا القطاع مع اقتراب عام 2030 ، مدفوعة بالأهداف التي حددتها المنظمة البحرية الدولية (IMO ، لندن ، المملكة المتحدة). وتشمل هذه المشاريع : يجب على جميع السفن الجديدة والقائمة تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 40 بالمائة بحلول عام 2030 وبنسبة 70 بالمائة بحلول عام 2050 ، مقارنة بعام 2008.

في مجال الطيران ، شهد عام 2020 زيادة مفاجئة في الاهتمام بالهيدروجين حيث أنقذت الحكومة الفرنسية شركة إيرباص بسبب تداعيات وباء COVID -19 أثناء مطالبتها بإحضار الطائرات التجارية التي تعمل بالهيدروجين إلى السوق بحلول عام 2035. في صيف عام 2020 ، أطلقت شركة إيرباص مشروعها ZEROe بثلاثة طرز من الطائرات ، يستخدم الجزء الخلفي 1/3 منها لتخزين الهيدروجين السائل وتتطلب التحكم في التبريد.

خيار آخر للمحطات التوربينية الإقليمية هو وحدة الخزان المزدوجة التي طورتها شركة Universal Hydrogen الأمريكية ، والتي تستخدم إطار CFRP. أوضح جيه بي كلارك ، كبير مسؤولي التكنولوجيا في شركة يونيفرسال هيدروجين: "نحن نقدم الوحدات عند الطلب ، لذلك ليست هناك حاجة لمنشأة تخزين الهيدروجين". "يمكن تحميل هذه الوحدات على الطائرة بطريقة بسيطة ، تمامًا مثل البطاريات أو مستلزمات المطبخ." أعلنت الشركة في عام 2021 ، أنها وقعت خطابات نوايا مع ثلاث شركات طيران إقليمية لتعديل أنظمة الدفع التي تعمل بالهيدروجين للطائرات التوربينية الحالية.

أعلنت شركة ZeroAvia الأمريكية في أبريل 2021 أنها تطور 2- مقعدًا لطائرة إقليمية 50- مقعد.

ميغاواط من المحركات الهيدروجينية والكهربائية. أكملت الشركة تمويلًا بقيمة 24.3 مليون دولار في عام 2021 ، مما سيساعدها في تحقيق التسويق التجاري في عام 2024 والبدء في خدمة الطائرات الإقليمية المدنية في عام 2026.

تحديات تخزين الهيدروجين

تواجه حاويات النوع الرابع أيضًا مشاكل خطيرة. والجدير بالذكر أن تكلفة ألياف الكربون تجعل هذه الحاويات باهظة الثمن. قضية رئيسية أخرى هي كثافة التخزين. بينما يوفر الهيدروجين المضغوط ثلاثة أضعاف الطاقة لكل كتلة من البنزين ، فإن طاقته لكل حجم أقل بكثير ، مما يتطلب حاويات كبيرة لتحمل الضغوط العالية اللازمة لتخزين ما يكفي من الوقود. يوفر الهيدروجين في الواقع كثافة أعلى كسائل مبرد عند تخزينه عند درجة -253 ، بينما عند تخزينه في خزان ضغط مبرد (CCH2) عند -230 درجة ، 300 بار ، يقال إن الهيدروجين يتمتع بكثافة أعلى من التخزين عند 700 بار أعلى بنسبة 50 في المائة في حاويات النوع الرابع. تكون الخزانات المبردة معدنية بشكل عام ، ولم يتم إثبات أن الخزانات المبردة المصنوعة من المزيد من المواد المركبة تتمتع بنفس الأداء وعمر الكلال تمامًا كما هو موضح في حاويات الغاز المضغوط من النوع الرابع ، والتي كانت بيانات الأداء المتراكمة على مدار 25 عامًا.

قضية أخرى هي أن إنتاج الملايين من صهاريج تخزين الهيدروجين اللازمة لتلبية أهداف مركبات خلايا الوقود (FCV) والبنية التحتية قد لا يكون متاحًا في الوقت المناسب للكميات الكبيرة من ألياف الكربون المطلوبة. "الحصول على ما يكفي من ألياف الكربون هو أحد اهتماماتنا الرئيسية." قال هيمن من NPROXX إن أداء الشركة في السنة المالية 2020-2021 قد تضاعف وسيستمر في الضعف في السنة المالية القادمة. "لسنا وحدنا ، أعتقد أن Hexagon تنمو بنفس المعدل. نحن بحاجة إلى ألياف الكربون بجودة وأداء معينين عند نقطة سعر معينة." حاليًا ، تستخدم معظم السفن من النوع الرابع ألياف Toray's T700 (قوة الشد 4900MPa ، المعامل 230MPa) أو ألياف مماثلة. "الألياف ليست قوية بما يكفي ، مما يعني أنها تحتاج إلى الجرح عدة مرات ، مما يجعل الحاوية أكثر سمكًا ، وهو أمر غير مقبول. إذا كنت لا تعرف الآن من أين ستأتي الألياف الخاصة بك في العام المقبل ، فقد يكون لديك حقًا لوقف الإنتاج ".

التحدي الكبير الآخر للسفن من النوع الرابع هو تكلفة سفن ألياف الكربون وألياف الكربون المقوى بألياف الكربون. وضع صانعو السفن الجدد وموردو السيارات الفرنسيون من المستوى الأول بلاستيك أومنيوم وفوريسيا أهدافًا لخفض تكلفة صهاريج تخزين الهيدروجين من النوع الرابع بنسبة 30 في المائة إلى 75 في المائة بحلول عام 2030 مع زيادة كفاءة التخزين. بنسبة تزيد عن 7 بالمائة. تحقيقا لهذه الغاية ، يتم إدخال تقنيات جديدة باستمرار ، من تقنية FPP التي تستخدمها Cevotec في ألمانيا لتقصير وقت وتكلفة التفاف CFRP لقباب الحاويات ، إلى تقنية اللف ثلاثية الأبعاد التي أطلقتها Cygnet Texkimp في المملكة المتحدة لتقليل تلف الألياف ، وإلى تقنية الكشف عن الحاويات في الموقع التي أطلقتها شركة Com & Sens ، المتخصصة في تكامل مستشعرات المواد المركبة ، بلجيكا.