多年來,由碳纖維復合材料制成的IV型高壓儲氫瓶為零排放的燃料電池汽車提供了壓縮氫氣的輕量級存儲方法。長期以來,盡管外界一直認為氫能是一種可持續的清潔能源,但直到近年,氫能發展仍顯緩慢。即使在2020年,人們仍對期待已久的氫能經濟能否真正實現存在嚴重懷疑。
用于重載交通的氫能
康明斯公司正與其長期客戶、美國卡車制造商納威司達公司合作開發一款氫燃料電池驅動的8級重型卡車。該型卡車將在加利福尼亞州進行為期一年的運營測試。康明斯公司業已開始測試氫動力內燃機(即直接燃燒氫氣),并將在各種路上交通應用以及非路上交通應用中進行評估測試。康明斯新動力工程副總裁喬納森·伍德此前表示,到本世紀末,氫動力產品將接近柴油發動機的總體擁有成本(TCO)。他指出,隨著各國尋求實現零排放目標,未來重載交通將由氫氣、氫燃料電池或電力電池驅動,而非柴油。
Hexagon Purus公司銷售和營銷總監約翰·黑爾格·達爾表示:“重載交通運輸行業發展速度尤其快。”他解釋說,對于更大型的車輛來說,氫氣比電池更實用,因為增加足夠的電池尺寸、重量和充電時間來滿足有效載荷和里程要求是不經濟的。據Hexagon Purus公司估計,在2025年和2030年,該公司IV型儲氫瓶的收入分別為11億美元和70億美元,重載卡車預計將占其中的大部分(≈30%)。
氫燃料電池汽車推升碳纖維需求
韓國曉星公司也表示,為了支持韓國的氫能路線圖,把目前年產2000噸的碳纖維生產線增加到10條,計劃到2028年達到年產量2.4萬噸。
輕載卡車/乘用車及亞洲市場
作為IV型高壓儲氫瓶市場的新進入者,法國一級汽車供應商佛吉亞集團和彼歐公司(原全耐塑料)的目標都是占據25%-30%的市場份額。兩家公司認為,到2030年,全球每年將制造200萬輛氫動力汽車,其中150萬輛是輕載卡車和乘用車。彼歐公司表示,氫動力汽車的銷量將在2027-2028年開始回升,但佛吉亞集團認為,其在歐洲和北美的5家輕載卡車/乘用車原始設備制造商已經實現了2022年的銷售額,并初步生產了8萬套/年的氫燃料汽車系統。佛吉亞、Hexagon Purus、NPROXX和彼歐公司都提供完整的氫/燃料電池系統,包括氫燃料電池電堆、儲氫瓶和輔助設備。佛吉亞表示,氫燃料電池系統價值的40%來自于儲氫瓶,而這些價值中的70%價值來自于儲氫瓶與閥門和其他部件的對比(被稱為工廠間平衡,BOP)。
彼歐公司指出,氫燃料電池汽車銷量中的75%集中于亞洲市場,歐洲為20%,北美為5%。事實上,中國和日本已經宣布,到2030年將分別實現100萬輛和80萬輛氫燃料電池汽車的保有量目標,而韓國則表示,到2025年將把所有商用車都換成氫燃料汽車,到2040年將實現620萬輛氫燃料電池汽車的生產目標。值得注意的是,這些國家都有大量的碳纖維生產。
相應地,2019年,彼歐公司在比利時布魯塞爾設立了Δ-Deltatec研發中心,對氫燃料電池和儲氫進行研發,同時該公司還在中國武漢建立了ω-Omegatech研發中心,配備了CFRP纖維纏繞線和氫燃料系統測試實驗室。作為中國第一個“氫城”,武漢擁有30-100個氫燃料站,3-5個世界領先的氫能企業,一個擁有100多家燃料電池汽車制造商和相關企業的氫工業園區。
與此同時,Hexagon Purus公司于2021年3月宣布與中集安瑞科成立一家合資企業,該合資企業將先擴大現有的III型儲氫瓶生產,并同時開展IV型儲氫瓶生產設施建設。III型儲氫瓶擴產及IV型瓶生產設施建設于2021年開始,到2025年,年產能將達10萬個儲氫瓶。
韓國Iljin Composites公司更名為Iljin Hysolus,于2021年9月3日在韓國證券交易所上市。該公司是韓國唯一生產復合材料儲氫瓶的企業,也是韓國現代Nexo汽車的唯一供應商。據悉,該公司還向韓國警方及公交系統供應儲氫瓶,在全北和完州各有一個生產基地。
此外,2021年,佛吉亞集團完成了對中國高壓儲氫瓶領軍制造企業沈陽斯林達安科新技術有限公司的收購,該公司在遼寧有兩家工廠,每年可生產3萬個儲氫瓶。
鐵路和公交
Coradia iLint氫能列車
康明斯于2020年與NPROXX組建了各占50%股權的合資企業,在此之前,康明斯于2019年收購了燃料電池開發商Hydrogenics公司。據報道,該公司是火車頭燃料電池領域的先行者。2020年,康明斯宣布,其在德國黑爾滕市的新工廠將為法國軌道交通基礎設備制造商阿爾斯通全球首列氫能列車Coradia iLint提供氫燃料電池系統。據悉,Coradia iLint氫能列車已在德國開始運營服務,同時還在奧地利和荷蘭進行測試。
該氫能列車續航里程為1000公里,最高時速達140公里/小時,與目前的區域性運營列車性能相當。該列車的兩個車廂裝備有24個IV型儲氫瓶,這些儲氫瓶安裝在每個車廂頂部隔間里,同時,隔間里還安裝有氫燃料電池。Hexagon復合材料公司為原型列車生產了儲氫瓶,該儲氫瓶以直徑416毫米、長3128毫米的重載卡車儲氫瓶為基礎,在350 bar條件下,每9千克可容納300升氫氣。目前,該氫能列車使用的是NPROXX生產的350bar、直徑500毫米、長2200毫米的儲氫瓶。
康明斯公司還與西門子公司合作,后者將在2023年至2024年期間在德國數條區域鐵路線路上測試其裝備有兩節和三節車廂的Mireo Plus H氫能列車。與此同時,Hexagon Purus公司正在為西班牙泰爾戈公司的Vittal-One氫能列車提供IV型儲氫瓶,該列車計劃于2023年開始測試。Hexagon Purus公司還將為瑞士施泰德鐵路公司的首列FLIRT列車提供儲氫瓶,該列車將在瑞士建造和測試,并移交至加利福尼亞州圣貝納迪諾,于2024年投入運營。
日本豐田公司已經與日立公司、東日本鐵路公司結成伙伴關系,共同研發氫能列車。該氫能列車裝備有兩節車廂,續航里程為140公里,最高時速達100公里/小時。該列車配備有4個存儲隔間,每個隔間可容納5個儲氫瓶(每個儲氫瓶在700 bar條件下, 每2千克可容納51升氫氣),共可存儲40千克的壓縮氫氣。該列車將于2022年在東京郊區進行測試。
中國也正在測試用于短程城市服務的氫燃料電池有軌電車。這條示范線路由中車青島四方機車車輛股份有限公司與燃料電池供應商巴拉德電力系統公司合作開發,位于廣東省佛山市,使用5列有軌電車,每列電車由3節車廂組成,續航里程為125公里,最高時速70公里。每輛電車使用6個350 bar的儲氫瓶來儲存104升/4千克的壓縮氫氣。
在貨運列車市場,加州Sierra Northern Railway公司將在西薩克拉門托港用氫燃料電池機車取代柴油機車,配備巴拉德電力系統公司的氫燃料電池以及可儲存225千克氫氣的儲氫瓶。該機車將于2023年投入使用,并將在由荷蘭皇家殼牌公司新建的一座氫氣站加氫。
巴拉德電力系統公司還在為加拿大太平洋鐵路公司改造現有的柴油-電力線路貨運機車。作為該公司鐵路氫能化項目的第一步,改造后的機車將于2022年投入使用。改造后的機車使用壽命在50年以上,對現有機車進行改造被認為是一種可行的、具有成本效益的替代方案,可以替代為鐵路交通氫能化項目建造專門的氫動力機車。
氫動力鐵路的一個顯著優勢——無論是客運還是貨運——是不需要對現有軌道進行改造。相比之下,在英國,對傳統電動列車電氣化軌道的成本為每公里96.5萬美元至130萬美元。2017年,一份針對加州通勤列車的報告指出,對舊金山至圣何塞通勤列車線路進行電氣化改造——包括使用22列氫燃料電池列車以及建設加氫站——會花費13億美元,而使用具有架空接觸網系統的22列常規列車會花費31億美元。兩相比較,可節省18億美元。
荷蘭NPROXX公司總經理兼銷售主管邁克爾·希曼表示,“令人驚訝的是,鐵路市場已經在向前發展。但正如公交汽車一樣,我認為基礎設施是關鍵因素之一。對于鐵路和公交來說,你可以很容易地解決基礎設施問題,因為這些交通工具每天都回到同一個加氫站。例如,科隆地區公共交通運營商RVK擁有世界上最大的氫燃料電池巴士車隊,每天運營的氫燃料電池巴士有37輛,今年年底還將增加15輛,但該車隊只有兩個加氫站。這些氫燃料電池巴士從2009年開始實現零排放,目前車隊規模還在擴大。所以,基礎設施相對容易,且有助于推動市場向前發展。”
船舶
2021年6月,Hexagon Purus公司宣布將成立新的子公司Hexagon Purus Maritime公司。Hexagon Purus公司銷售和營銷總監約恩·赫爾格·達爾解釋說,盡管公司參與氫能船舶項目已有數年,“我們現在看到船舶對氫能的需求正在迅速上升。”Hexagon Purus Maritime公司將開發船上儲氫系統——從將船側氫燃料管輸進存儲倉,再從存儲倉輸送到氫燃料電池。我們認為,由于包括腐蝕在內的惡劣環境,復合材料是船舶氫存儲解決方案的理想材料。
但是大型儲氫瓶能提供更長的航程嗎?達爾承認,“隨著船舶公司開始關注氫能,他們希望儲氫瓶盡可能的大,同時數量盡可能的少,但這種想法具體到船舶結構及類型會有很大的差距。沒有一個放之四海而皆準的模式。如果是一艘更小的、速度更快的渡輪,那么更大的儲氫瓶可能就不合適了。這也是為什么我們要與許多公司進行合作,根據船舶結構調整我們的儲氫瓶設計,以提供合適尺寸的解決方案。然后我們將與挪威船級社一起完成審批程序。”挪威船級社是一家全球領先的專業風險管理服務機構,在復合材料領域也有著悠久的歷史。
液態氫呢?達爾表示,“過去,液態氫是為船舶提供動力解決方案的唯一途徑,人們對此非常關注。但過去3-4年里,出現了這樣一種趨勢,一些公司在完成了對液態氫使用的深入研究后,將目光重新鎖定在壓縮氫氣。這不僅僅是關于如何對船舶上的氫能進行管理,還包括基礎設施,加氫和氫存儲。現在,我們也看到一些公司為了在船舶上儲存更多的氫,對船舶結構提出了不同的想法。”
達爾認為,隨著2030年的臨近,越來越多的項目將投入使用,船舶業將在未來10年發生快速變化。他解釋說,這是由國際海事組織設定的目標推動的,該目標要求以2008年為基準,所有新建和現有船舶到2030年和2050年必須減少40%和70%的二氧化碳排放。達爾說:“此外,我們看到地方司法管轄區的行動也在增加。例如,挪威的一些列入世界遺產的峽灣要求通航船舶到2026年實現零排放。這意味著只能使用小型船舶將人們帶進峽灣。我們將在歐洲河流運輸密集的地區看到更多這類限制。特別是隨著聯合國氣候報告的出爐,我認為只是一個開始,就監管而言,還會有更多的措施出臺。”
本文由中國復合材料工業協會編譯,文章不用于商業目的,僅供行業人士交流。轉載請注明來自中國復合材料工業協會。