专题报告

当前位置:首页 > 资料下载 > 专题报告

2030年碳纤维需求或达25万吨,氢能助推复合材料产业发展

多年来,由碳纤维复合材料制成的IV型高压储氢瓶为零排放的燃料电池汽车提供了压缩氢气的轻量级存储方法。长期以来,尽管外界一直认为氢能是一种可持续的清洁能源,但直到近年,氢能发展仍显缓慢。即使在2020年,人们仍对期待已久的氢能经济能否真正实现存在严重怀疑。

2021年,这种疑虑正在迅速消退。例如,位于洛杉矶的Universal Hydrogen公司已与3家地区性航空公司签署了意向书,将用氢动力推进系统改装现有的涡轮螺旋桨飞机。被韩国韩华化学收购的Cimmaron复合材料公司宣布在美国阿拉巴马州欧佩莱卡投资1.3亿美元新建生产设施。另外一家复合材料储氢瓶制造商荷兰NPROXX公司与美国康明斯公司成立合资公司(双方各持有50%股份)。康明斯公司每年生产1.3亿台内燃发动机,目前已投资生产氢气的电解槽、氢气发动机、氢燃料电池和储氢瓶。
据预测,IV型高压储氢瓶的增长将十分巨大。例如,全球IV型高压储氢瓶的领军企业挪威Hexagon复合材料公司,今年1月分拆出Hexagon Purus公司,专注于氢能、氢电池电力系统和存储。据估计,从2025年到2030年,该公司储氢瓶收入将增长630%。
然而,IV型高压储氢瓶也面临着严重的问题。最值得注意的是,碳纤维成本居高不下令储氢瓶非常昂贵。尽管氢气提供的能量是等质量汽油提供能量的3倍,但氢气单位体积能量很低,这就需要大气瓶来容纳储存足够燃料所需的高压。当应用于汽车等移动应用场景时,碳纤维IV型高压储氢瓶的重量较轻,推动了其对金属材料的替代。但在包括加氢站等固定应用场景中,重量并非主要驱动因素。
实际上,氢气在-253°C下储存时具有更高的密度,而在-230°C和300 bar下储存在低温高压(CCH2)储氢瓶中时,密度最高——据报道比700bar IV型储氢瓶高出50%。低温储氢瓶通常为金属材质,使用大量复合材料的版本还没有在IV型储氢瓶中证明具有相同的性能和疲劳寿命,IV型储氢瓶已经有超过25年的性能数据。由托拜厄斯·布鲁纳博士创立的德国Cryomotive公司是正在开发金属低温高压储氢瓶。



用于重载交通的氢能

康明斯公司正与其长期客户、美国卡车制造商纳威司达公司合作开发一款氢燃料电池驱动的8级重型卡车。该型卡车将在加利福尼亚州进行为期一年的运营测试。康明斯公司业已开始测试氢动力内燃机(即直接燃烧氢气),并将在各种路上交通应用以及非路上交通应用中进行评估测试。康明斯新动力工程副总裁乔纳森·伍德此前表示,到本世纪末,氢动力产品将接近柴油发动机的总体拥有成本(TCO)。他指出,随着各国寻求实现零排放目标,未来重载交通将由氢气、氢燃料电池或电力电池驱动,而非柴油。

复合材料储氢瓶制造商荷兰NPROXX公司总经理兼销售主管迈克尔·希曼表示,“欧洲已出台法律规定,到2030年,卡车原始设备制造商必须实现其生产卡车的二氧化碳排放量比2019年平均减少30%。因此,所生产卡车中的一部分将由氢能驱动,可能会高达5%,也就是每年1.5万至2万辆卡车。预计这一局面将在2026年至2027年出现,每年将有2000辆氢动力卡车下线,并稳步增长。”每辆重载卡车需要配备5-7个IV型高压储氢瓶,预计10年内,每年需要10个IV型高压储氢瓶,需要6000吨碳纤维进行生产。这一碳纤维需求数量将占日本东丽公司目前在日本、韩国、法国和美国工厂碳纤维总产量的25%,韩国晓星公司2028年10条生产线计划产能的25%。

Hexagon Purus公司销售和营销总监约翰·黑尔格·达尔表示:“重载交通运输行业发展速度尤其快。”他解释说,对于更大型的车辆来说,氢气比电池更实用,因为增加足够的电池尺寸、重量和充电时间来满足有效载荷和里程要求是不经济的。据Hexagon Purus公司估计,在2025年和2030年,该公司IV型储氢瓶的收入分别为11亿美元和70亿美元,重载卡车预计将占其中的大部分(≈30%)。



氢燃料电池汽车推升碳纤维需求

法国Plastic Omnium公司复合材料压力容器主管阿克塞尔·塞弗特在2019年曾表示,700bar的IV型储氢瓶每储存1千克氢气需要10千克碳纤维。他指出,氢燃料电池汽车至少需要携带5-6千克氢气,预计到2030年投入使用的500万辆氢燃料电池汽车将需要约25万吨碳纤维来生产氢气储存罐。与此同时,他指出,2019年全球对碳纤维的总需求只有8万吨,其中超过60%用于风力涡轮机叶片和航空航天应用。
25万吨的需求数字是否被夸大了?根据国际氢能委员会2021年“氢能洞察”报告估计,到2030年,氢燃料电池汽车的总数量将达到450万辆。然而,乘用车的氢气搭载需求为5-6千克。例如,现代Xcient重型卡车需要携带35千克的氢气。重型卡车预计将占氢燃料电池汽车年产量的25%。
根据美国能源部2019年的一个成本分析,有行业人士预计到2030年来自IV型储氢瓶的碳纤维需求将达到145,330吨。美国能源部估计,每700bar/5.6千克储氢瓶的纤维含量为60%,需要62-72千克碳纤维。根据新车型的公告,行业人士将2030年的碳纤维预计需求提高到166,650吨,并认为该预测还是非常保守的数字。
荷兰NPROXX公司总经理兼销售主管迈克尔·希曼表示,“获得足够的碳纤维是我们主要关注的问题之一。”从2020年到2021年,该公司的业务量翻了一番,2022年还将继续增长。希曼指出,由于疫情影响,商用飞机对碳纤维的需求下降,碳纤维过去两年的增长有所放缓。
未来,商用飞机以及风电的发展将推升对碳纤维的需求。碳纤维生产能应对这种需求增长吗?希曼指出:“我们需要价格稳定、质量和性能有保障的碳纤维。”大多数IV型储氢瓶使用东丽T700碳纤维[抗拉强度4,900 MPa,模量230 MPa]或等效材料。希曼说:“纤维强度较低的产品需要更多的缠绕,瓶壁会变厚,这是不可接受的。如果你现在不知道明年你的碳纤维来自哪里,你可能就不得不停产。”
作为领先的碳纤维制造商之一,日本东丽公司在2020年6月的一份报告中特别提到了氢燃料电池和高压储氢瓶的增长,并表示该公司将计划“针对高压储氢瓶进行及时的大规模投资”,预计2023年后该市场需求将出现增长。东丽公司还表示,“将储氢瓶作为战略应用的最高优先级,优先分配资源用于开发”,并将“提高碳纤维的性能,降低成本”。

韩国晓星公司也表示,为了支持韩国的氢能路线图,把目前年产2000吨的碳纤维生产线增加到10条,计划到2028年达到年产量2.4万吨。



轻载卡车/乘用车及亚洲市场

作为IV型高压储氢瓶市场的新进入者,法国一级汽车供应商佛吉亚集团和彼欧公司(原全耐塑料)的目标都是占据25%-30%的市场份额。两家公司认为,到2030年,全球每年将制造200万辆氢动力汽车,其中150万辆是轻载卡车和乘用车。彼欧公司表示,氢动力汽车的销量将在2027-2028年开始回升,但佛吉亚集团认为,其在欧洲和北美的5家轻载卡车/乘用车原始设备制造商已经实现了2022年的销售额,并初步生产了8万套/年的氢燃料汽车系统。佛吉亚、Hexagon Purus、NPROXX和彼欧公司都提供完整的氢/燃料电池系统,包括氢燃料电池电堆、储氢瓶和辅助设备。佛吉亚表示,氢燃料电池系统价值的40%来自于储氢瓶,而这些价值中的70%价值来自于储氢瓶与阀门和其他部件的对比(被称为工厂间平衡,BOP)。

彼欧公司指出,氢燃料电池汽车销量中的75%集中于亚洲市场,欧洲为20%,北美为5%。事实上,中国和日本已经宣布,到2030年将分别实现100万辆和80万辆氢燃料电池汽车的保有量目标,而韩国则表示,到2025年将把所有商用车都换成氢燃料汽车,到2040年将实现620万辆氢燃料电池汽车的生产目标。值得注意的是,这些国家都有大量的碳纤维生产。

相应地,2019年,彼欧公司在比利时布鲁塞尔设立了Δ-Deltatec研发中心,对氢燃料电池和储氢进行研发,同时该公司还在中国武汉建立了ω-Omegatech研发中心,配备了CFRP纤维缠绕线和氢燃料系统测试实验室。作为中国第一个“氢城”,武汉拥有30-100个氢燃料站,3-5个世界领先的氢能企业,一个拥有100多家燃料电池汽车制造商和相关企业的氢工业园区。

与此同时,Hexagon Purus公司于2021年3月宣布与中集安瑞科成立一家合资企业,该合资企业将先扩大现有的III型储氢瓶生产,并同时开展IV型储氢瓶生产设施建设。III型储氢瓶扩产及IV型瓶生产设施建设于2021年开始,到2025年,年产能将达10万个储氢瓶。

2030年碳纤维需求或达25万吨,氢能助推复合材料产业发展
由美国机械工程师协会(ASME)和国际标准化组织(ISO)分类的储氢瓶类型和结构。

韩国Iljin Composites公司更名为Iljin Hysolus,于2021年9月3日在韩国证券交易所上市。该公司是韩国唯一生产复合材料储氢瓶的企业,也是韩国现代Nexo汽车的唯一供应商。据悉,该公司还向韩国警方及公交系统供应储氢瓶,在全北和完州各有一个生产基地。

此外,2021年,佛吉亚集团完成了对中国高压储氢瓶领军制造企业沈阳斯林达安科新技术有限公司的收购,该公司在辽宁有两家工厂,每年可生产3万个储氢瓶。

Integral公司2020年12月发布的“中国储氢技术概述”报告认为,中国更倾向于使用I型和III型储氢瓶,鲜有公司生产III型瓶。然而,需求正在增加。该报告作者指出,实际上直到近期,中国还在禁止IV型储氢瓶的应用。因此,III型瓶仍是中国氢燃料电池汽车市场的主导者,特别是在35mpa / 350bar的应用场景中。不过,该报告作者称,70 MPa/700 bar III型储氢瓶正处于测试验证的最后阶段。III型瓶主要供应商包括沈阳斯林达安科新技术有限公司,以及北京科泰克科技有限责任公司、富瑞特装和北京天海工业有限公司。



铁路和公交

2030年碳纤维需求或达25万吨,氢能助推复合材料产业发展

Coradia iLint氢能列车

康明斯于2020年与NPROXX组建了各占50%股权的合资企业,在此之前,康明斯于2019年收购了燃料电池开发商Hydrogenics公司。据报道,该公司是火车头燃料电池领域的先行者。2020年,康明斯宣布,其在德国黑尔滕市的新工厂将为法国轨道交通基础设备制造商阿尔斯通全球首列氢能列车Coradia iLint提供氢燃料电池系统。据悉,Coradia iLint氢能列车已在德国开始运营服务,同时还在奥地利和荷兰进行测试。

该氢能列车续航里程为1000公里,最高时速达140公里/小时,与目前的区域性运营列车性能相当。该列车的两个车厢装备有24个IV型储氢瓶,这些储氢瓶安装在每个车厢顶部隔间里,同时,隔间里还安装有氢燃料电池。Hexagon复合材料公司为原型列车生产了储氢瓶,该储氢瓶以直径416毫米、长3128毫米的重载卡车储氢瓶为基础,在350 bar条件下,每9千克可容纳300升氢气。目前,该氢能列车使用的是NPROXX生产的350bar、直径500毫米、长2200毫米的储氢瓶。

康明斯公司还与西门子公司合作,后者将在2023年至2024年期间在德国数条区域铁路线路上测试其装备有两节和三节车厢的Mireo Plus H氢能列车。与此同时,Hexagon Purus公司正在为西班牙泰尔戈公司的Vittal-One氢能列车提供IV型储氢瓶,该列车计划于2023年开始测试。Hexagon Purus公司还将为瑞士施泰德铁路公司的首列FLIRT列车提供储氢瓶,该列车将在瑞士建造和测试,并移交至加利福尼亚州圣贝纳迪诺,于2024年投入运营。

日本丰田公司已经与日立公司、东日本铁路公司结成伙伴关系,共同研发氢能列车。该氢能列车装备有两节车厢,续航里程为140公里,最高时速达100公里/小时。该列车配备有4个存储隔间,每个隔间可容纳5个储氢瓶(每个储氢瓶在700 bar条件下, 每2千克可容纳51升氢气),共可存储40千克的压缩氢气。该列车将于2022年在东京郊区进行测试。

中国也正在测试用于短程城市服务的氢燃料电池有轨电车。这条示范线路由中车青岛四方机车车辆股份有限公司与燃料电池供应商巴拉德电力系统公司合作开发,位于广东省佛山市,使用5列有轨电车,每列电车由3节车厢组成,续航里程为125公里,最高时速70公里。每辆电车使用6个350 bar的储氢瓶来储存104升/4千克的压缩氢气。

在货运列车市场,加州Sierra Northern Railway公司将在西萨克拉门托港用氢燃料电池机车取代柴油机车,配备巴拉德电力系统公司的氢燃料电池以及可储存225千克氢气的储氢瓶。该机车将于2023年投入使用,并将在由荷兰皇家壳牌公司新建的一座氢气站加氢。

巴拉德电力系统公司还在为加拿大太平洋铁路公司改造现有的柴油-电力线路货运机车。作为该公司铁路氢能化项目的第一步,改造后的机车将于2022年投入使用。改造后的机车使用寿命在50年以上,对现有机车进行改造被认为是一种可行的、具有成本效益的替代方案,可以替代为铁路交通氢能化项目建造专门的氢动力机车。

氢动力铁路的一个显著优势——无论是客运还是货运——是不需要对现有轨道进行改造。相比之下,在英国,对传统电动列车电气化轨道的成本为每公里96.5万美元至130万美元。2017年,一份针对加州通勤列车的报告指出,对旧金山至圣何塞通勤列车线路进行电气化改造——包括使用22列氢燃料电池列车以及建设加氢站——会花费13亿美元,而使用具有架空接触网系统的22列常规列车会花费31亿美元。两相比较,可节省18亿美元。

荷兰NPROXX公司总经理兼销售主管迈克尔·希曼表示,“令人惊讶的是,铁路市场已经在向前发展。但正如公交汽车一样,我认为基础设施是关键因素之一。对于铁路和公交来说,你可以很容易地解决基础设施问题,因为这些交通工具每天都回到同一个加氢站。例如,科隆地区公共交通运营商RVK拥有世界上最大的氢燃料电池巴士车队,每天运营的氢燃料电池巴士有37辆,今年年底还将增加15辆,但该车队只有两个加氢站。这些氢燃料电池巴士从2009年开始实现零排放,目前车队规模还在扩大。所以,基础设施相对容易,且有助于推动市场向前发展。”



船舶

2021年6月,Hexagon Purus公司宣布将成立新的子公司Hexagon Purus Maritime公司。Hexagon Purus公司销售和营销总监约恩·赫尔格·达尔解释说,尽管公司参与氢能船舶项目已有数年,“我们现在看到船舶对氢能的需求正在迅速上升。”Hexagon Purus Maritime公司将开发船上储氢系统——从将船侧氢燃料管输进存储仓,再从存储仓输送到氢燃料电池。我们认为,由于包括腐蚀在内的恶劣环境,复合材料是船舶氢存储解决方案的理想材料。

但是大型储氢瓶能提供更长的航程吗?达尔承认,“随着船舶公司开始关注氢能,他们希望储氢瓶尽可能的大,同时数量尽可能的少,但这种想法具体到船舶结构及类型会有很大的差距。没有一个放之四海而皆准的模式。如果是一艘更小的、速度更快的渡轮,那么更大的储氢瓶可能就不合适了。这也是为什么我们要与许多公司进行合作,根据船舶结构调整我们的储氢瓶设计,以提供合适尺寸的解决方案。然后我们将与挪威船级社一起完成审批程序。”挪威船级社是一家全球领先的专业风险管理服务机构,在复合材料领域也有着悠久的历史。

液态氢呢?达尔表示,“过去,液态氢是为船舶提供动力解决方案的唯一途径,人们对此非常关注。但过去3-4年里,出现了这样一种趋势,一些公司在完成了对液态氢使用的深入研究后,将目光重新锁定在压缩氢气。这不仅仅是关于如何对船舶上的氢能进行管理,还包括基础设施,加氢和氢存储。现在,我们也看到一些公司为了在船舶上储存更多的氢,对船舶结构提出了不同的想法。”

达尔认为,随着2030年的临近,越来越多的项目将投入使用,船舶业将在未来10年发生快速变化。他解释说,这是由国际海事组织设定的目标推动的,该目标要求以2008年为基准,所有新建和现有船舶到2030年和2050年必须减少40%和70%的二氧化碳排放。达尔说:“此外,我们看到地方司法管辖区的行动也在增加。例如,挪威的一些列入世界遗产的峡湾要求通航船舶到2026年实现零排放。这意味着只能使用小型船舶将人们带进峡湾。我们将在欧洲河流运输密集的地区看到更多这类限制。特别是随着联合国气候报告的出炉,我认为只是一个开始,就监管而言,还会有更多的措施出台。”

本文由中国复合材料工业协会编译,文章不用于商业目的,仅供行业人士交流。转载请注明来自中国复合材料工业协会。

广西贵港市科技局和中国复合材料工业协会达成战略合作


相关内容

文章评论

表情

共 0 条评论,查看全部
  • 这篇文章还没有收到评论,赶紧来抢沙发吧~