【市场观察】2021年复合材料市场回顾及2022年市场展望：压力容器领域用复合材料

摘 要

每年12月初，Composites World杂志均会撰写系列文章介绍当年复合材料在不同应用领域如航空航天、体育休闲、压力容器、可再生能源等的应用最新进展情况，并对新一年的发展进行展望。本文先概述了2021年复合材料在压力容器领域的市场并对2022年进行了展望。

高压气体储存容器是先进复合材料，特别是碳纤维缠绕复合材料的最大和增长最快的市场之一。虽然它们用于自给式呼吸器，并在航空航天器上提供氧气和气体储存，但主要终端市场用于储存液态丙烷气（LPG）、压缩天然气（CNG）、可再生天然气（RNG）和氢气（H2）。尽管液化石油气罐可用于汽车，但在发展中国家，烹饪和取暖市场也在不断扩大。

CNG、RNG和H2燃料系统越来越多地用于乘用车、公共汽车、卡车和其他车辆，或用于大宗运输，以供应加气站或工业场地。在车辆中，这些燃料储罐是减少或零排放动力系统的关键部件，可替代汽油、柴油和喷气燃料的清洁替代品。这些动力系统还提供了电池驱动车辆的无充电替代方案，其加气基础设施和加注时间与化石燃料类似。

按照结构原料，压力容器主要分为以下五种类型：

I型：全金属结构，通常为钢；

II型：主要是金属结构，并在环向包覆一定玻璃纤维复合材料，其中金属主要是钢或铝，而金属容器和复合材料分担的结构载荷大致相等。

III型：金属衬里带有完整的复合材料外包装，通常是铝，带有碳纤维复合材料；其中碳纤维复合材料承受结构载荷。

IV型：全复合结构聚合物（通常为高密度聚乙烯或HDPE）衬里，碳纤维或碳/玻璃纤维混合复合材料；复合材料承担所有结构载荷。

V型：无底衬，全复合材料结构。

从历史上看，I型瓶占据了90%以上的市场份额。然而，随着使用复合材料减轻重量并提高压缩气体储存效率的III型和IV型容器的销售增加，这种情况开始发生变化。V型瓶仍然是新生事物，主要用于空间应用，但随着新的空间工业的发展，这是一个值得关注的领域。例如，2020年4月，美国Infinite Composites Technologies（ICT）公司开发了一个球形V型低温罐，用于在火箭驱动的空间运载火箭上储存低温液体推进剂。无衬里碳纤维/环氧树脂 Cryosphere 是通过纤维缠绕和工业烘箱固化制造的。

市场驱动因素和增长

压力容器市场的压倒性驱动力是全球越来越多地致力于减少气候变化的影响，从化石燃料转向可再生、减排燃料（如CNG、RNG和H2），目标是到2050年实现零排放。据国际能源机构称：根据新的报告，各国政府迄今为止做出的气候承诺即使完全实现，也将远远低于到2050年使全球与能源有关的二氧化碳（CO2）排放量降至零的要求，并使世界有机会将全球温升限制在1.5°C。

请注意，除上述承诺外，美国康涅狄格州、马里兰州、马萨诸塞州、新泽西州、纽约州、俄勒冈州、罗德岛州、佛蒙特州和华盛顿州已承诺到2050年不再有新的化石燃料乘用车，这些州加上加利福尼亚州、科罗拉多州、夏威夷州、缅因州、北卡罗来纳州、俄勒冈州、宾夕法尼亚州和Dist哥伦比亚rict将从2050年起禁止新的化石燃料中型和重型汽车销售。

在2021个专题报告了另一个增长的迹象，“氢气有助于推动复合材料的增长，第1部分”，即康明斯每年生产1亿3000万个内燃机（ICE），其中许多公共汽车、中型卡车和重型卡车都投入了燃料电池8型卡车和氢燃烧发动机的开发。2021年6月，康明斯表示，这些产品将接近总拥有成本（TCO）。未来的重型运输将由氢、燃料电池或电池供电，而不是柴油。

根据 GANDVIEW 2021的研究报告，2020的全球天然气汽车（NGV）销售额比之前预测的要高：2980万辆，略高于预计的2440万，它还预测2021的3100万量，并在2028年增长到3890万量，CAGR为3.3%。DataIntelo声称I型储罐约占CNG储罐市场的55%，II、III和IV型储罐市场份额分别约为25%、15%和5%。

在CW的碳纤维2020大会上，AJR咨询公司的 Tony Roberts和CarbConsult公司的Dan Pichler预测，复合材料压力容器中的碳纤维需求将从2021年的13100吨增长2026年的20230吨。这是与 2021 年预计的 106,700 吨碳纤维需求总量相比，预计到 2026 年将达到 169,000 吨。Roberts 和 Pichler 估计压力容器中的大部分碳纤维将用于移动管道应用（到 2026 年为 6,900 吨）以及公共汽车和卡车（到 2026 年为 6,400 吨）

根据作者和行业顾问迈克·法瓦罗罗（Mike Favaloro预测，全球新的氢能汽车公告以及每 700 bar/5.6 公斤储气瓶估计需要 62-72 kg碳纤维，在60%纤维含量下，到2030年，仅储氢罐中的碳纤维需求量就将达到166650吨。这些汽车预测是保守的，如上表所示，预计只有1%的重型卡车、不到10%的公共汽车和不到1%的汽车使用氢气。

压力容器用复合材料

用于储存氢气的IV型复合材料压力容器由碳纤维和环氧树脂缠绕在塑料衬里上制成。高度自动化的交钥匙储罐生产线由复合材料设备供应商设计和生产，包括荷兰Autonational composites B.V.，美国Engineering Technology Corp、麦克莱恩·安德森（美国威斯康星州斯科菲尔德）、美国McClean Anderson和德国Roth Composite Machinery，后者声称其新的Rothawin技术已将氢罐生产速度提高了5-10倍。MIKROSAM 声称其客户JSC DPO Plastik（俄罗斯捷尔任斯克），已投产世界上最大的CNG和H2储罐生产线，每年可缠绕60000个储罐。

Cevotec（德国慕尼黑）报告说，通过在压力容器的圆顶区域使用其纤维贴片放置（FPP）系统，可以节省20%的材料和周期。Cevotec首席执行官解释说，储罐中高达700bar的工作压力转化为≈10公斤的碳纤维可以储存1公斤的氢气，这是一个非常高的比率。然而，FPP将碳纤维应用在精确的补丁中，旨在覆盖在纤维缠绕过程中有时会出现问题的区域。据说一种 FPP 系统能够从多台绕线机加固容器。。

尽管大多数用于压缩气体储存的IV型压力容器使用碳纤维作为结构增强材料，外层为玻璃纤维以防损坏，但挪威Umoe Advanced Composites的IV型储罐仅使用玻璃纤维。UAC的目标不是车辆，而是天然气运输市场，UAC提供200-350巴的模块，并将在2022年扩大到450-500巴的储罐。正如UAC首席执行官Øyvind Hamre所解释的，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）储罐提供与钢制储罐相同的资本支出（CAPEX），但重量减少70%。同时，与碳纤维增强塑料圆筒相比，玻璃纤维增强塑料减少了50%的资本支出，但是重量也更高。

IV 型玻璃纤维罐

H2在多个市场出现增长

分销也是Hexagon PurUS（奥勒松，挪威），NPROXX（海尔伦，荷兰）的一个关键市场，后者现在是康明斯和CimMARON复合材料的50/50合资企业，现在已经被韩国韩华解决方案收购，2021在欧佩莱卡宣布了在阿拉巴马州欧佩莱卡投资 1.3 亿美元新建生产设施。

储氢罐的使用不仅在配送应用中不断增加，在汽车、卡车、铁路和海运中也在增加。“欧洲卡车生产的一部分将采用氢动力，”储罐制造商NPROXX的常务董事兼销售主管Michael Himmen说。欧洲立法规定，与2019年的水平相比，卡车原始设备制造商必须在2030年之前将其生产车的二氧化碳排放量减少30%。Himmen建议，高达5%的欧洲卡车可能用于H2，总计15000-20000辆/年。他相信这将从2026-2027年开始，每年大约2000辆卡车，并稳步增长。由于每辆车有5-7个IV型储罐，重型卡车在十年内每年可能需要100000个储罐，总计需要6000吨碳纤维。

在铁路方面，阿尔斯通（法国巴黎）的H2动力Coradia iLinet列车已经在德国投入使用；下萨克森州的14台机组今年开始运营，莱茵河主要地区的27台机组将于2022年投入使用。iLint也正在奥地利和荷兰进行测试，它的两个汽车单元使用24个IV型储罐，这些储罐位于每辆汽车顶部的屋顶隔间中，也包含燃料电池。Hexagon Composites根据其416毫米直径、3128毫米长的重型储罐为原型列车提供H2储罐，该储罐在350巴下可容纳300升/9千克氢气。iLint现在由NPROXX提供350巴、500毫米直径、2200毫米长的储罐。

其他hydrail开发项目包括西门子（德国慕尼黑）的两节车厢和三节车厢的Mireo Plus H列车，在2023-2024年间在德国的多条区域线路上进行测试。与此同时，Hexagon Purus正在为Talgo（西班牙马德里）的Vittal One列车提供IV型H2储罐，该列车计划于2023年开始测试。Hexagon Purus还将向Stadler Rail（瑞士Bussnang）提供储罐，用于其在瑞士建造和测试的第一列FLIRT列车，然后在2024年转移到加利福尼亚州的圣伯纳迪诺投入使用。

对于海洋，Hexagon2021年6月宣布，将建立一个新的子公司，Hexagon Puruas Maritime。Hexagon Purus的销售和营销总监Jørn Helge Dahl解释说：“我们现在看到，海上对氢气的需求和活动正在迅速增加。我们认为复合材料是海洋应用的理想存储解决方案，因为海洋环境恶劣如腐蚀。”Dahl认为，在国际海事组织（IMO，伦敦，英国）设定的目标的推动下，随着 2030 年的临近，海洋工业将有越来越多的项目投入使用。这包括所有的新版本和现有船舶在2008年的基础上必须削减CO2排放量，2030年降低40％和2050年降低70％。

在航空航天领域，2019冠状病毒疾病的驱使下，氢的兴趣陡然增加，这是由法国政府将空客公司的CVID-19救援计划与2035的氢燃料商用飞机推向市场的要求所引发的。2020年夏天，空中客车公司启动了由三种机型组成的ZEROe计划，其中后三种机型将用于液态氢储存，而液态氢需要低温温度控制。

另一种针对支线涡轮螺旋桨飞机的选择是由 美国Universal Hydrogen开发的使用 CFRP 框架的双油箱模块。Universal Hydrogen公司首席技术官J.P.克拉克解释说：“我们将根据需要向现场提供模块，因此不需要储氢基础设施。模块被简单地装入飞机中，就像电池或厨房用品一样。”该公司在2021宣布与三个地区航空公司签署意向书，用H2动力推进系统改造现有涡轮螺旋桨飞机。

ZooaVias（Hollister，Calif.，美国）于2021年4月宣布，正在开发50兆瓦（MW）氢动力传动系统，据报道，该公司 2021 年的 2430 万美元融资将帮助 ZeroAvia 最早在 2024 年实现商业化，并在 2026 年开始为商用支线飞机提供服务。

H2存储挑战

IV型储罐也面临着严重的问题。最值得注意的是，碳纤维的成本使得这些储罐非常昂贵。另一个关键问题是存储密度。虽然压缩氢气提供的能量是每质量汽油的三倍，但其每体积的能量相当低，需要大型气缸容纳足够的燃油所需的高压.氢气作为低温液体在-253°C下储存时，其密度实际上更高，而当储存在低温压缩（CCH2）条件下、温度为-230°C和300 bar时，其密度最高，比700 bar的IV型储罐高50%。低温储罐通常为金属，使用大量复合材料的产品尚未得到证明，其性能和疲劳寿命已在 IV 型压缩气体罐中得到证明，后者拥有超过 25 年的性能数据。。

另一个问题是，可能无法及时获得所需的大量碳纤维，以生产满足燃料电池汽车（FCV）和基础设施目标所需的数百万个储罐。“获得足够的碳纤维是我们主要关注的问题之一，”NPRXX公司的Himmen说，从 2020 年到 2021 年，他公司的业务翻了一番，明年还会再翻一番。“我们不是唯一的一家，我认为Hexagon的增长速度是一样的。我们需要具有一定质量和性能的特定价格范围内的碳纤维。”对于IV型储罐的大多数分析采用东丽T700纤维。强度较低的纤维需要更多的缠绕，并且罐会变厚，这是不可接受的。如果你现在不知道明年的纤维来自哪里，你实际上可能不得不停止生产。”

IV型储罐增长面临的另一个挑战是碳纤维和碳纤维增强塑料储罐成本。新的储罐制造商和法国汽车一级供应商奥姆尼姆（Lavallois）和佛吉亚（Nanterre）已经制定了到2030年将IV型储罐成本降低30-75%，同时将储存效率提高到7%以上的目标。正如5月CW技术日氢气事件中所述，正在开发新技术来帮助这些努力，从Cevotec（德国Unterhaching）的FPP技术来缩短储罐穹顶的CFRP时间和成本，到Cygnet Texkimp（诺思维奇，英国）3D缠绕减少纤维损伤，复合材料传感器集成专家COM和SENS（EKE，比利时）也提出了储罐原位监测。