壓力容器市場現(xiàn)狀和5種類型介紹

到2050年實現(xiàn)零排放的全球目標(biāo)，正在推動著復(fù)合材料壓力容器的快速增長。

復(fù)合材料的壓力容器

高壓氣體儲存容器是先進復(fù)合材料尤其是纖維纏繞碳纖維復(fù)合材料的最大且增長最快的市場之一。雖然它們可被用于自給式呼吸裝置以及為航空航天器提供氧氣和氣體儲存，但主要的終端市場卻是對液化丙烷氣（LPG）、壓縮天然氣（CNG）、可再生天然氣（RNG）以及氫氣（H2）的儲存。雖然LPG氣罐可用于汽車，但發(fā)展中國家的烹飪和取暖市場對它的需求也在不斷增長。

壓縮天然氣（CNG）、可再生天然氣（RNG）和氫氣（H2）等燃料系統(tǒng)已越來越多地被用于轎車、公共汽車、貨車和其他車輛中，或者也用于被稱作“移動管道”的補給加氣站或工業(yè)場所的大宗運輸中。在車輛應(yīng)用中，這些燃料儲罐是實現(xiàn)減排或取代汽油、柴油和噴射燃料的清潔零排放動力系統(tǒng)的重要組成部分。這些動力系統(tǒng)還為電池驅(qū)動的汽車提供一種免充電選項，所需的加氣基礎(chǔ)設(shè)施和加氣時間與添加石化燃料類似。

壓力容器有5種類型：

類型I：全金屬結(jié)構(gòu)，通常為鋼結(jié)構(gòu)。

類型II：大部分是金屬，環(huán)向纏繞一些纖維，通常采用的是鋼或鋁金屬以及玻璃纖維復(fù)合材料，金屬容器與復(fù)合材料分擔(dān)的結(jié)構(gòu)載荷大致相同。

類型III：完全由復(fù)合材料包纏金屬內(nèi)膽，通常是在鋁內(nèi)膽外包纏碳纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料承受結(jié)構(gòu)荷載。

類型IV：全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，通常是采用聚酰胺（PA）或高密度聚乙烯（HDPE）制成的內(nèi)膽，內(nèi)膽外部纏繞碳纖維或碳纖維/玻璃纖維混合的復(fù)合材料，復(fù)合材料承受全部的結(jié)構(gòu)載荷。

類型V：無內(nèi)膽，全復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)上，類型I 占據(jù)了90%以上的市場份額，但隨著類型III 和類型IV 的壓力容器因采用復(fù)合材料而減輕了重量以及提高了壓縮氣體的儲存效率從而增加了銷量，使得這一現(xiàn)狀開始發(fā)生變化。類型V尚處于萌芽狀態(tài)，主要滿足空間應(yīng)用需求，隨著新的太空工業(yè)的發(fā)展，這是一個值得關(guān)注的產(chǎn)品類型，比如，2020年4月，美國Infinite Composites Technologies公司（簡稱ICT）開發(fā)了一種球形的V型低溫儲罐，用于在火箭驅(qū)動的太空運載火箭上儲存低溫液體推進劑。這種無內(nèi)膽的碳纖環(huán)氧Cryosphere儲罐，是采用纖維纏繞和工業(yè)化的烘箱固化工藝被制造而成。

市場驅(qū)動力與增長率

該市場的主要推動力是日益高漲的全球承諾：從采用化石燃料轉(zhuǎn)向采用可再生的、能減少排放的燃料如CNG、RNG和H2，以減少對氣候的影響，從而到2050年實現(xiàn)零排放目標(biāo)。根據(jù)國際能源署的新報告“到2050年實現(xiàn)凈零排放：全球能源部門的路線圖”：各國政府到目前為止已經(jīng)作出的氣候承諾即使是完全實現(xiàn)了，仍遠遠達不到到2050年將與能源相關(guān)的全球CO2排放量凈值降至零的目標(biāo)，而是為全球提供了一個“將全球氣溫上升限制在1.5℃”的機會。

值得一提的是，除上述承諾外，美國的康涅狄格州、馬里蘭州、馬薩諸塞州、新澤西州、紐約州、俄勒岡州、羅德島州、佛蒙特州和華盛頓州已經(jīng)承諾到2050年不再生產(chǎn)新的化石燃料乘用車，同時，這些州與加利福尼亞州、科羅拉多州、夏威夷、緬因州、北卡羅來納州、俄勒岡、賓夕法尼亞州和哥倫比亞特區(qū)一起，將于2050年禁止銷售新的采用化石燃料的中、重型車輛。

另一個增長跡象是，每年生產(chǎn)1.3億臺內(nèi)燃機（ICEs）（很多都用于公共汽車和中、重型貨車）的美國康明斯公司已投資開發(fā)了一款8級燃料電池貨車和氫燃料發(fā)動機。2021年6月，康明斯表示，到本世紀(jì)末，這些產(chǎn)品將接近一臺柴油發(fā)動機的總體擁有成本（TCO），未來的重型運輸將由氫、燃料電池或電池驅(qū)動，而非柴油。

根據(jù)2021 Grandview研究報告，2020年的全球天然氣汽車（NGV）銷量高于此前的預(yù)測：實際銷售了2980萬輛，而預(yù)測的是2440萬輛。該報告還預(yù)測2021年的銷量大約是3100萬輛，到2028年將增加到3890萬輛，可以實現(xiàn)3.3%的復(fù)合年增長率（CAGR）。DataIntelo聲稱，在CNG 容器市場中，I 型容器約占55%的份額，II型、III 型和IV型容器分別約占25%、15%和5%的市場份額。

AJR咨詢公司的Tony Roberts 和CarbConsult 公司的Dan Pichler預(yù)測了復(fù)合材料壓力容器對碳纖維的需求將從2021年的13100 t增加到2026年的20230t，預(yù)計2021年對碳纖維的總需求量是106700t，相比之下，預(yù)計2026年對碳纖維的總需求量將達到169000t。Roberts和Pichler估計，用于壓力容器的大部分碳纖維將進入移動管道（2026年將達到6900t）和公共汽車與貨車領(lǐng)域（2026年將達到6400t）。

另外，根據(jù)全球新的氫燃料汽車的發(fā)布情況，預(yù)計每個含60%纖維的700bar、5.6kg重的儲氫罐使用的碳纖維是62～72kg，到2030年，僅儲氫罐對碳纖維的需求量就將達到166650t。然而，對這些車輛的預(yù)測是保守的，預(yù)計只有1% 的重型貨車、不到10% 的公共汽車和不到1% 的轎車將使用氫。

將復(fù)合材料用于壓力容器

用于儲存氫的IV 型復(fù)合材料壓力容器，是通過在塑料內(nèi)膽上纏繞碳纖維并應(yīng)用環(huán)氧樹脂而被制成的。設(shè)計并制造高度自動化的交鑰匙儲氫罐生產(chǎn)線的復(fù)合材料設(shè)備供應(yīng)商包括：荷蘭的Autonational Composites公司、美國的Engineering Technology公司、美國的McClean Anderson公司、馬其頓的MIKROSAM公司和德國的Roth Composite Machinery公司，后者聲稱，采用其新的Rothawin技術(shù)，可使儲氫罐的生產(chǎn)速度加快5～10倍。MIKROSAM 公司則聲稱，其客戶即俄羅斯的JSC DPO Plastik公司已將全球最大的生產(chǎn)線用于CNG容器和儲氫罐的生產(chǎn)，每年能夠纏繞6萬個容器。

德國Cevotec公司表示，通過在壓力容器的圓頂區(qū)域使用其纖維貼片鋪放（FPP）系統(tǒng)，可以節(jié)省20% 的材料和20%的循環(huán)時間。Cevotec的CEO 解釋說，為儲存1kg的氫氣，容器中的工作壓力高達700 bar，意味著需要大約10 kg的碳纖維，這是一個非常高的比率。而FPP系統(tǒng)能夠?qū)⒕脑O(shè)計的碳纖維貼片精確地應(yīng)用到在纏繞過程中有時會出現(xiàn)問題的區(qū)域，據(jù)說，一個FPP系統(tǒng)就能對來自多臺纏繞機的容器進行補強加固。

雖然用于壓縮氣體儲存的大多數(shù)IV型壓力容器采用碳纖維作為結(jié)構(gòu)增強，外層采用玻璃纖維來防止損壞，但挪威的Umoe Advanced Composites公司（簡稱UAC）卻在其IV型容器上只使用玻璃纖維。UAC面向天然氣運輸市場而非汽車市場提供200～350bar的容器，并將于2022年將產(chǎn)品組合擴展到含450～500bar的容器。正如UAC的CEO ?yvind Hamre所說，玻璃纖維增強聚合物（GFRP）的容器具有與鋼容器一樣的成本支出，但重量卻降低了70%。而與CFRP 容器相比，雖然GFRP容器要重一些，但卻降低了50%的成本支出。

由玻纖增強復(fù)合材料制成的IV型容器要比碳纖維復(fù)合材料制成的容器成本更低，比鋼容器更輕質(zhì)（圖片來自Umoe Advanced Composites）

在眾多市場大展拳腳的儲氫罐

對于挪威的Hexagon Purus公司以及荷蘭的NPROXX 公司（是康明斯公司與美國Cimmaron Composites公司50:50的合資企業(yè)，現(xiàn)已被韓國的韓華公司收購。該公司于2021年宣布投資1.3億美元在美國阿拉巴馬州Opelika建造一個新的生產(chǎn)工廠）而言，分銷也是一個重要的市場。

儲氫罐的應(yīng)用不僅在分銷市場獲得了增長，還在轎車、貨車、鐵路運輸和海運等領(lǐng)域獲得了增長?！霸跉W洲制造的一部分貨車將采用氫動力。”儲氫罐制造商NPROXX公司的總經(jīng)理兼銷售負責(zé)人Michael Himmen表示。按照歐洲的法規(guī)要求，到2030年，貨車OEMs必須確保其制造的貨車在CO2排放上要比2019年的水平平均降低30%。按照Himmen的建議，5%的歐洲貨車可以采用氫動力，意味著每年共計將需要15000～20000 輛氫動力貨車。他確信，從2026～2027年開始，每年可能會制造出2000輛采用氫動力的貨車，并在此基礎(chǔ)上穩(wěn)定增長。如果每輛車配5～7個IV 型儲氫罐，10年內(nèi)，重型貨車每年需要的儲氫罐可能是10萬個，每年需要的碳纖維可能是6000t。

在鐵路方面，法國阿爾斯通公司的Coradia iLint氫動力火車已在德國投入使用，14列開往下薩克森州的火車已于2021年開始運行，27列開往萊茵河主要地區(qū)的火車將于2022年投入使用。此外，iLint火車目前還在奧地利與荷蘭接受測試。該列車的兩節(jié)車廂采用24個IV型儲氫罐，這些儲氫罐被放置在每節(jié)車廂頂部的車頂艙里， 其中還有燃料電池。Hexagon Composites 公司在其直徑416mm、長3128mm的重型儲罐基礎(chǔ)上，為該原型火車提供了儲氫罐，該儲氫罐能以350 bar的壓力容納300L即9kg的氫?，F(xiàn)在，NPROXX公司為iLint火車提供直徑500mm、長2200mm及儲存壓力350bar的儲氫罐。

其他有關(guān)氫動力火車的開發(fā)還包括：德國西門子公司開發(fā)的擁有2節(jié)和3節(jié)車廂的Mireo Plus H火車，它將于2023～2024年期間在德國的幾個地區(qū)進行測試。同時，Hexagon Purus公司正在為西班牙Talgo公司將于2023年開始測試的Vittal-One火車提供IV型儲氫罐。Hexagon Purus公司還將為瑞士Stadler Rail公司提供儲氫罐，用于其在瑞士制造和測試的首列FLIRT火車，該火車將于2024年在美國加利福尼亞州的圣貝納迪諾投入使用。

在海運方面，Hexagon Purus公司于2021年6月宣布，其將成立一個新的子公司Hexagon Purus Maritime?！拔覀儸F(xiàn)在看到，海運市場對氫氣的需求和行動正在快速增長?！盚exagon Purus公司的銷售市場總監(jiān)J?rn Helge Dahl解釋道，“由于海上應(yīng)用環(huán)境惡劣，比如有腐蝕，所以我們認為，復(fù)合材料為海上儲存應(yīng)用提供了理想的解決方案。”Dahl相信，在國際海事組織（簡稱IMO，英國倫敦）設(shè)定的目標(biāo)驅(qū)動下，隨著2030年的臨近，海運業(yè)將見證越來越多的項目投入運營。這些項目包括：所有新建的和現(xiàn)有的船只，必須在2008年的基礎(chǔ)上，于2030年將CO2排放降低40%，于2050年將CO2排放降低70% 。

在航空領(lǐng)域，由于法國政府因新冠肺炎疫情的影響而對空中客車公司提供了救助，同時要求其在2035年為市場帶來氫動力的商用飛機，導(dǎo)致2020年該領(lǐng)域?qū)涞呐d趣突然大增。2020年夏季，空中客車公司推出了其含有3個飛機機型的ZEROe項目，這些機型的后1/3部分被用來儲存液態(tài)氫，要求低溫控制。

另一個針對區(qū)域渦輪螺旋槳飛機的選項是由美國Universal Hydrogen 公司開發(fā)的雙罐模塊，它采用了CFRP的框架?！拔覀儠鶕?jù)需要提供模塊，所以不需要氫氣儲存設(shè)施。”Universal Hydrogen的CTO J.P. Clarke解釋道，“就像電池或廚房用品一樣，這些模塊能以簡單的方式被裝載到飛機上?！痹摴居?021年宣布，其已與3家地方航空公司簽署了意向書，為現(xiàn)有的渦輪螺旋槳飛機改裝氫動力推進系統(tǒng)。

美國ZeroAvia公司于2021年4月宣布，其正在為50座的支線飛機開發(fā)一種2MW的氫電動動力系統(tǒng)。該公司于2021 年完成了2430萬美元的融資，這將幫助其在2024年實現(xiàn)商業(yè)化，并于2026開始服務(wù)于民用支線飛機。

氫儲存面臨的挑戰(zhàn)

IV型容器還面臨著嚴(yán)峻的問題。最值得一提的是，碳纖維的成本使得這些容器非常昂貴。另一個關(guān)鍵問題是儲存密度。雖然壓縮氫氣提供的單位質(zhì)量能量是汽油的3倍，但其單位體積能量卻相當(dāng)?shù)停枰笮腿萜鱽沓惺軆Υ孀銐蛉剂纤璧母邏?。?253℃儲存時，氫作為低溫液體實際上提供了更高的密度，而當(dāng)儲存在-230℃、300bar的低溫壓縮（CCH2）罐中時，據(jù)說氫的最高密度要比儲存在700 bar的IV型容器中高出50%。低溫罐一般都是金屬的，而由更多復(fù)合材料制成的低溫罐，目前尚未證明具有與在IV型壓縮氣體容器中得到證明的完全一樣的性能和疲勞壽命，這些IV型壓縮氣體容器已積累了超過25年的性能數(shù)據(jù)。

另一個問題是，要滿足燃料電池汽車（FCV）和基礎(chǔ)設(shè)施的需求目標(biāo)，需要生產(chǎn)數(shù)以百萬計的儲氫罐，由此所需的大量碳纖維可能無法及時提供。“獲得足夠的碳纖維是我們關(guān)注的主要問題之一?！盢PROXX公司的Himmen表示，該公司2020～2021財年的業(yè)績實現(xiàn)了翻番，下一財年將繼續(xù)實現(xiàn)翻番?！拔覀儾皇俏ㄒ?，我認為Hexagon也在以同樣的速度增長。我們需要具有一定質(zhì)量和性能且價位在一定范圍之內(nèi)的碳纖維。”目前，大多數(shù)的IV型容器都采用東麗的T700纖維（拉伸強度4900MPa，模量230 MPa）或類似的纖維?！袄w維不夠強，意味著需要多纏繞幾圈，從而導(dǎo)致容器變厚，這是不可接受的。如果你現(xiàn)在還不知道明年你的纖維來自哪里， 你可能真的要停產(chǎn)了。”

針對IV型容器的另一大挑戰(zhàn)是碳纖維和CFRP容器的成本。新的容器制造商及法國一級汽車供應(yīng)商彼歐公司和佛吉亞公司均已設(shè)定了目標(biāo)，即到2030年將IV型儲氫罐的成本降低30%～75%，同時將儲存效率提高7%以上。為此，新的技術(shù)正在不斷被推出，從德國Cevotec公司用于容器圓頂以縮短CFRP鋪纏時間和成本的FPP 技術(shù)，到英國Cygnet Texkimp公司為減少纖維破損而推出的3D纏繞技術(shù)，再到復(fù)合材料傳感器集成專家比利時Com&Sens公司推出的原位容器檢測技術(shù)。

編輯：黃飛