圖 第六次評(píng)估報(bào)告 (AR6)

可再生天然氣和氫氣被視為實(shí)現(xiàn)交通脫碳和零排放目標(biāo)所需的能源組合的關(guān)鍵部分。這兩種燃料最成熟和最主要的儲(chǔ)存系統(tǒng)包括 III 型和 IV 型壓力容器，分別由碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料包裹在鋁內(nèi)膽，和塑料內(nèi)膽上，采用纖維纏繞工藝成型。

此前，協(xié)會(huì)專題《無(wú)內(nèi)襯（V 型）壓力容器研究進(jìn)展分析解析》中，揭示了其在航天應(yīng)用中，顯著降低運(yùn)載火箭的成本，增加有效載荷的運(yùn)載能力的潛力，本文講進(jìn)一步探討除V型容器之外，各式復(fù)合材料壓力容器的未來(lái)市場(chǎng)展望。

壓力容器及壓力容器用碳纖維的產(chǎn)量雙增長(zhǎng)

圖 壓力容器對(duì)碳纖維的需求不斷增長(zhǎng)

東麗公司的 T700 標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維已成為在 350 和 700 巴標(biāo)準(zhǔn)壓力下儲(chǔ)存氫氣以及在 250 巴壓力下儲(chǔ)存壓縮天然氣或可再生天然氣的 IV 型壓力容器的基準(zhǔn)。據(jù)東麗的一份戰(zhàn)略文件預(yù)計(jì)，壓力容器用碳纖維的年需求量將增長(zhǎng) 42%，到 2025 年將達(dá)到近4萬(wàn)噸/年。2023 年 7 月，東麗還宣布將把其位于南卡羅來(lái)納州斯帕坦堡和韓國(guó)龜尾的工廠的碳纖維產(chǎn)量提高 20% 以上，到 2025 年達(dá)到 35000 噸/年。該公司指出，這是為了應(yīng)對(duì)壓力容器需求的增長(zhǎng)。

此外，曉星公司（Hyosung）也是壓力容器用碳纖維的供應(yīng)商，2023 年的產(chǎn)能為 9000 噸/年。2022 年，Hyosung 宣布將擴(kuò)大產(chǎn)能，到 2028 年達(dá)到 2.4 萬(wàn)噸/年。據(jù)韓國(guó)媒體 2023 年報(bào)道，2024 年 Hyosung 的產(chǎn)能將達(dá)到 16500 噸，2025 年將達(dá)到 21500 噸。該公司還將在越南南部建立一個(gè)新的碳纖維生產(chǎn)實(shí)體，即 Hyosung Vina Core Materials Co. 建設(shè)將于 2025 年完成，年產(chǎn)能為 4,800 噸，到 2029 年將擴(kuò)大到 12,000 噸，到 2032 年將擴(kuò)大到 21,600 噸。

回到壓力容器市場(chǎng)。去年，包括 Hexagon Purus、Forvia、Plastic Omnium（現(xiàn)為 OPmobility）和 Luxfer Gas Cyliders在內(nèi)的制造商也宣布增加壓力容器產(chǎn)量。

普拉斯蒂克·奧姆尼姆和浙江瑞恩之間的合資公司- PO-Rein，計(jì)劃于2026年投入運(yùn)營(yíng)，每年為中國(guó)商用車市場(chǎng)生產(chǎn)多達(dá)60,000個(gè)氫氣容器和高壓氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)。（參考國(guó)際動(dòng)態(tài)《普拉斯蒂克·奧姆尼姆開(kāi)始在中國(guó)建設(shè)氫氣壓力容器巨型工廠》）

V型無(wú)內(nèi)膽壓力容器

隨著 IV 型儲(chǔ)罐市場(chǎng)的增長(zhǎng)，制造商繼續(xù)開(kāi)發(fā)無(wú)內(nèi)膽的全CFRP V 型儲(chǔ)罐。據(jù)估計(jì)，與 IV 型儲(chǔ)罐相比，去掉內(nèi)膽可減輕 10-30% 的重量，并可多出 10% 的內(nèi)部容積用于儲(chǔ)存 氫氣。但是，容器的纏繞仍然需要某種類型的芯軸，而且如果沒(méi)有內(nèi)膽，罐內(nèi)的氣體或液體會(huì)滲透復(fù)合材料纏繞壁。要長(zhǎng)期使用，特別是在承受壓力、溫度和外部負(fù)荷的反復(fù)循環(huán)時(shí)，必須克服這一問(wèn)題。但如果能克服這個(gè)問(wèn)題，V 型儲(chǔ)罐應(yīng)該更適合目前正在尋求的可適應(yīng)的非圓柱形幾何形狀，以便更好地安裝在汽車、飛機(jī)和其他車輛上（見(jiàn)下文 "可適形氫氣儲(chǔ)罐"）。V 型罐最初用于太空工業(yè)，儲(chǔ)存液氧 (LOX)、液氫 (LH2) 和其他低溫燃料，現(xiàn)在正開(kāi)發(fā)用于地球上的運(yùn)輸應(yīng)用。

儲(chǔ)氫市場(chǎng)需要多種解決方案，以滿足對(duì)儲(chǔ)存和加氣的各種要求。液氫具有更高的容積密度，在 700 巴的 IV 型儲(chǔ)氣罐中比壓縮氫氣多存儲(chǔ) 40% 的燃料。因此，輕質(zhì)液氫儲(chǔ)罐被認(rèn)為是至關(guān)重要的。在沒(méi)有足夠空間容納所需的大型 IV 型壓縮氫氣儲(chǔ)罐的情況下，輕質(zhì)液氫儲(chǔ)罐可為零排放航空的長(zhǎng)航程飛機(jī)脫碳。

圖 與壓縮氫氣和液氫相比，低溫壓縮氫氣的存儲(chǔ)密度更高

第三種方案提供了一種介于液氫和壓縮氫氣儲(chǔ)存之間的混合解決方案。低溫壓縮氫氣利用低溫（40-80K/-233°C至-193°C）和中壓（如350巴）來(lái)消除液氫的沸騰問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)比壓縮氫氣和液氫更高的存儲(chǔ)密度。該技術(shù)分別于 2003-2013 年在寶馬公司開(kāi)發(fā)，1997 年底至 2020 年在勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)。目前，兩家公司目前正在加速將低溫壓縮氫氣系統(tǒng)商業(yè)化。

據(jù)報(bào)道，低溫壓縮氫氣儲(chǔ)罐有如下優(yōu)點(diǎn)：

• 重型卡車的續(xù)航里程延長(zhǎng)至 1,000 至 1,300 公里，而容積相似、壓力為 700 巴的壓縮氫氣罐的續(xù)航里程僅為 724 公里。

• 氫氣以冷氣而非液體形式儲(chǔ)存，消除了沸騰問(wèn)題，降低了隔熱要求和成本。

• 與 IV 型儲(chǔ)氣罐相比，低溫壓縮氫氣儲(chǔ)罐使用的碳纖維減少了 60-80%，從而降低了大量成本并解決了供應(yīng)問(wèn)題。

• 帶低溫壓縮氫氣儲(chǔ)罐的車輛可在現(xiàn)有的 350 巴壓縮氫氣壓力下加油（如果低溫壓縮氫氣最大工作壓力大于 440 巴，以符合最大壓縮氫氣加油壓力）。如果低溫壓縮氫氣的最大工作壓力大于 440 巴，以符合壓縮氫氣的最大加油壓力）或低溫壓縮站中的液氫。

• 低溫壓縮氫氣系統(tǒng)可在 5-15 巴的壓力下為燃料電池供氣，在 10-50 巴的壓力下為內(nèi)燃機(jī)供氣。

IV 型壓縮氫氣儲(chǔ)罐是圓柱形的，因?yàn)樗莾H次于球形的最有效的抗高壓結(jié)構(gòu)形狀。但是，它們不容易裝入車輛。開(kāi)發(fā)與電動(dòng)汽車電池組相同扁平空間的適形氫氣儲(chǔ)罐，成為一個(gè)日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)。可適形氫氣儲(chǔ)罐也可以更好地安裝在小型飛機(jī)的機(jī)翼或機(jī)身內(nèi)。