Das globale Ziel, bis 2050 null Emissionen zu erreichen, treibt das schnelle Wachstum von Druckbehältern aus Verbundwerkstoffen voran.
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Verbunddruckbehälter
Hochdruck-Gasspeicherbehälter sind einer der größten und am schnellsten wachsenden Märkte für fortschrittliche Verbundwerkstoffe, insbesondere gewickelte Kohlefaserverbundwerkstoffe. Sie können zwar in umluftunabhängigen Atemgeräten und zur Sauerstoff- und Gasspeicherung für Luft- und Raumfahrtfahrzeuge eingesetzt werden, der Hauptendmarkt ist jedoch Flüssigpropangas (LPG), komprimiertes Erdgas (CNG), erneuerbares Erdgas (RNG) und Wasserstoff (H2)-Speicherung. Während LPG-Flaschen in Autos verwendet werden, besteht auf den Koch- und Heizmärkten in Entwicklungsländern eine wachsende Nachfrage danach.
Kraftstoffsysteme wie komprimiertes Erdgas (CNG), erneuerbares Erdgas (RNG) und Wasserstoff (H2) werden zunehmend in Autos, Bussen, Lieferwagen und anderen „Nachschubtankstellen oder Massentransporten an Industriestandorten“ eingesetzt. In Fahrzeuganwendungen sind diese Kraftstoffspeichertanks sind ein wichtiger Bestandteil sauberer, emissionsfreier Antriebsstränge, die Benzin, Diesel und Kerosin reduzieren oder ersetzen. Diese Antriebsstränge bieten auch eine gebührenfreie Option für batteriebetriebene Fahrzeuge, die eine Betankungsinfrastruktur und Betankungszeiten erfordern, die denen des Betankens mit fossilen Brennstoffen ähneln Kraftstoffe.
Es gibt 5 Arten von Druckbehältern:
Typ I: Ganzmetallkonstruktion, meist Stahlkonstruktion.
Typ II: Überwiegend Metall mit einigen ringförmig gewickelten Fasern, in der Regel Stahl- oder Aluminium-Metall- und Glasfaser-Verbundwerkstoffe. Der Metallbehälter trägt ungefähr die gleichen strukturellen Belastungen wie der Verbundwerkstoff.
Typ III: Der Metallliner ist vollständig mit Verbundwerkstoffen umwickelt, üblicherweise werden Kohlefaserverbundwerkstoffe um den Aluminiumliner gewickelt, und der Verbundwerkstoff trägt die strukturelle Belastung.
Typ IV: Vollverbundstruktur, in der Regel ein Innentank aus Polyamid (PA) oder hochdichtem Polyethylen (HDPE), der Innentank ist mit Kohlefaser oder einem mit Kohlefaser/Glasfaser gemischten Verbundmaterial umwickelt und der Verbundwerkstoff Material trägt alle strukturellen Lasten.
Typ V: Linerlose Vollverbundkonstruktion.
Traditionell hielt Typ I mehr als 90 Prozent des Marktes, aber dies wurde durch den gestiegenen Absatz von Druckbehältern des Typs III und Typ IV aufgrund von Gewichtseinsparungen durch Verbundwerkstoffe und einer verbesserten Speichereffizienz von Druckgas ermöglicht. Dies begann sich zu ändern. Typ V steckt noch in den Kinderschuhen und erfüllt hauptsächlich die Anforderungen von Raumfahrtanwendungen. Mit der Entwicklung der neuen Raumfahrtindustrie ist dies ein Produkttyp, der besondere Aufmerksamkeit verdient. Beispielsweise entwickelte das US-Unternehmen Infinite Composites Technologies (ICT) im April 2020 einen kugelförmigen V-förmigen Kryotank, der zur Lagerung kryogener Flüssigtreibstoffe auf raketengetriebenen Trägerraketen dient. Dieser linerlose Kryosphärentank aus Kohlefaser-Epoxidharz wird im Filamentwickelverfahren und im industriellen Ofenaushärtungsverfahren hergestellt.
Markttreiber und Wachstumsraten
Der Haupttreiber dieses Marktes ist das wachsende globale Engagement, die Auswirkungen auf das Klima durch die Umstellung von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare, emissionsmindernde Brennstoffe wie CNG, RNG und H2 zu reduzieren, um bis 2050 null Emissionen zu erreichen. Laut einem neuen Bericht der Internationalen Energieagentur „Netto-Null-Emissionen bis 2050: Ein Fahrplan für den globalen Energiesektor“: Die Klimaverpflichtungen, die die Regierungen bisher eingegangen sind, bleiben, wenn sie vollständig umgesetzt werden, weit hinter dem Ziel der Reduzierung bis 2050 zurück Stattdessen bietet die Reduzierung der energiebedingten globalen CO2-Emissionen auf Null der Welt die Möglichkeit, den Anstieg der globalen Temperaturen auf 1,5 Grad zu begrenzen.
Erwähnenswert ist, dass sich die US-Bundesstaaten Connecticut, Maryland, Massachusetts, New Jersey, New York, Oregon, Rhode Island, Vermont und Washington zusätzlich zu den oben genannten Verpflichtungen bereits verpflichtet haben, keine neuen Personenkraftwagen mit fossilen Brennstoffen zu produzieren schließen sich Kalifornien, Colorado, Hawaii, Maine, North Carolina, Oregon, Pennsylvania und dem District of Columbia an, um den Verkauf neuer mittelschwerer und schwerer Fahrzeuge mit fossilen Brennstoffen zu verbieten.
Ein weiteres Zeichen des Wachstums ist, dass das in den USA ansässige Unternehmen Cummins Inc., das jährlich 130 Millionen Verbrennungsmotoren (ICEs) herstellt, von denen viele in Bussen sowie mittelschweren und schweren Lastkraftwagen zum Einsatz kommen, in die Entwicklung einer Klasse investiert hat 8-Brennstoffzellen-Van und ein wasserstoffbetriebener Motor. Im Juni 2021 sagte Cummins, dass diese Produkte bis zum Ende dieses Jahrhunderts die Gesamtbetriebskosten (TCO) eines Dieselmotors erreichen werden und dass künftige Schwertransporte mit Wasserstoff, Brennstoffzellen oder Batterien statt mit Diesel betrieben werden.
Der weltweite Absatz von Erdgasfahrzeugen (NGVs) war im Jahr 2020 höher als bisher prognostiziert: Laut dem Grandview Research Report 2021 wurden tatsächlich 29,8 Millionen Einheiten verkauft, gegenüber den prognostizierten 24,4 Millionen. Der Bericht prognostiziert außerdem, dass der Absatz im Jahr 2021 etwa 31 Millionen Einheiten betragen und im Jahr 2028 auf 38,9 Millionen Einheiten steigen wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 3,3 Prozent entspricht. DataIntelo gibt an, dass auf dem CNG-Schiffsmarkt Schiffe des Typs I etwa 55 Prozent des Marktes ausmachen, während Schiffe des Typs II, Typ III und Typ IV etwa 25 Prozent, 15 Prozent bzw. 5 Prozent des Marktes ausmachen.
Tony Roberts von AJR Consulting und Dan Pichler von CarbConsult prognostizierten, dass die Nachfrage nach Kohlefaser in Verbunddruckbehältern von 13.100 t im Jahr 2021 auf 20.230 t im Jahr 2026 steigen wird und die Gesamtnachfrage nach Kohlefaser im Jahr 2021 voraussichtlich 106.700 t betragen wird. Im Folgenden wird erwartet, dass die Gesamtnachfrage nach Kohlenstofffasern im Jahr 2026 169.{10}}t erreichen wird. Roberts und Pichler schätzen, dass der Großteil der in Druckbehältern verwendeten Kohlenstofffasern in mobile Rohre (6.900 t im Jahr 2026) sowie Busse usw. fließen wird Transporter (6400t im Jahr 2026).
Darüber hinaus wird bei der Markteinführung neuer Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb auf der ganzen Welt geschätzt, dass jeder 700-bar-Wasserstoffspeichertank, der 60 Prozent Fasern enthält und 5,6 kg wiegt, 62-72 kg Kohlefaser verbrauchen wird. Bis 2030 werden nur noch Wasserstoffspeichertanks Kohlefasern benötigen. Das Volumen wird 166650 t erreichen. Die Prognosen für diese Fahrzeuge sind jedoch konservativ: Nur 1 Prozent der schweren Nutzfahrzeuge, weniger als 10 Prozent der Busse und weniger als 1 Prozent der Autos werden voraussichtlich Wasserstoff verwenden.
Verwendung von Verbundwerkstoffen für Druckbehälter
Verbunddruckbehälter vom Typ IV zur Wasserstoffspeicherung werden hergestellt, indem Kohlefaser um eine Kunststoffauskleidung gewickelt und Epoxidharz aufgetragen wird. Zu den Zulieferern von Verbundwerkstoffausrüstungen, die hochautomatisierte, schlüsselfertige Produktionslinien für Wasserstoffspeichertanks entwerfen und herstellen, gehören: Autonational Composites in den Niederlanden, Engineering Technology in den Vereinigten Staaten, McClean Anderson in den Vereinigten Staaten, MIKROSAM in Mazedonien und Roth Composite Machinery in Deutschland. Letzteres behauptet, dass die Produktion von Wasserstoffspeichertanks mit seiner neuen Rothawin-Technologie fünf- bis zehnmal schneller erfolgen kann. MIKROSAM gibt an, dass sein Kunde, die russische JSC DPO Plastik, die weltweit größte Produktionslinie für die Produktion von CNG-Behältern und Wasserstoffspeichertanks genutzt hat, die in der Lage ist, 60.{1}} Behälter pro Jahr zu wickeln.
Das deutsche Unternehmen Cevotec gibt an, durch den Einsatz seines Fibre Patch Placement (FPP)-Systems im Kuppelbereich eines Druckbehälters 20 Prozent Material und 20 Prozent Zykluszeit einsparen zu können. Der CEO von Cevotec erklärte, dass zur Speicherung von 1 kg Wasserstoff der Arbeitsdruck im Behälter bis zu 700 bar beträgt, was bedeutet, dass etwa 10 kg Kohlefaser benötigt werden, was ein sehr hoher Anteil ist. Das FPP-System ist in der Lage, sorgfältig gestaltete Carbonfaser-Patches präzise an Stellen anzubringen, die beim Wickelvorgang manchmal Probleme bereiten. Es heißt, dass ein einziges FPP-System Behälter aus mehreren Wickelmaschinen verstärken kann.
Während die meisten Druckbehälter des Typs IV, die für die Druckgasspeicherung verwendet werden, Kohlenstofffasern zur strukturellen Verstärkung und Glasfasern für die Außenschicht verwenden, um Schäden zu vermeiden, verwendet das norwegische Unternehmen Umoe Advanced Composites (UAC) für seine Behälter des Typs IV ausschließlich Glasfasern. UAC bietet 200-350 bar-Schiffe für den Erdgastransportmarkt und nicht für den Automobilmarkt an und wird sein Produktportfolio im Jahr 2022 um 450-500 bar-Schiffe erweitern. Wie UAC-CEO Øyvind Hamre, Glasfaser, erklärte -Schiffe aus verstärktem Polymer (GFRP) kosten genauso viel wie Stahlschiffe, sind aber 70 Prozent leichter. Im Vergleich zu CFK-Behältern sind GFK-Behälter zwar schwerer, senken aber die Kosten um 50 Prozent.
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Typ-IV-Schiffe aus glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen sind kostengünstiger als Kohlefaser-Verbundwerkstoffe und leichter als Stahlschiffe (Bild über Umoe Advanced Composites).
Wasserstoffspeichertanks in vielen Märkten
Für Hexagon Purus in Norwegen und NPROXX in den Niederlanden (ein 50:50-Joint Venture zwischen Cummins und Cimmaron Composites in den USA) wurde es von Hanwha in Südkorea übernommen. Das Unternehmen gab 2021 bekannt, dass es 130 Millionen US-Dollar investieren wird in Alaba, USA Der Vertrieb ist auch ein wichtiger Markt für den Bau einer neuen Produktionsanlage in Opelika, MA.
Der Einsatz von Wasserstoffspeichertanks hat nicht nur im Vertriebsmarkt, sondern auch in den Bereichen Pkw, Lkw, Schienentransport und Seetransport an Wachstum gewonnen. „Einige der in Europa gebauten Transporter werden mit Wasserstoff betrieben“, sagte Michael Himmen, Geschäftsführer und Vertriebsleiter bei NPROXX, einem Hersteller von Wasserstoffspeichertanks. Gemäß den europäischen Vorschriften müssen Lkw-OEMs bis 2030 sicherstellen, dass die CO2-Emissionen ihrer Lkw im Vergleich zu 2019 um durchschnittlich 30 Prozent sinken. Laut Himmens Vorschlag können 5 Prozent der europäischen Lkw mit Wasserstoff betrieben werden, was bedeutet, dass jedes Jahr insgesamt 15.{6}} bis 20.{8}} wasserstoffbetriebene Lkw benötigt werden. Er ist sich sicher, dass ab 2026-27 pro Jahr 2,{11}} wasserstoffbetriebene Transporter gebaut werden könnten und von da an stetig wachsen. Wenn jedes Fahrzeug mit 5 bis 7 Wasserstoffspeichertanks vom Typ IV ausgestattet ist, benötigen schwere Lkw innerhalb von 10 Jahren möglicherweise 100.{19}} Wasserstoffspeichertanks und 6.{21}} Tonnen Kohlefaser pro Jahr.
Im Schienenverkehr wurden in Deutschland die wasserstoffbetriebenen Coradia iLint-Züge von Alstom eingesetzt. 14 Züge nach Niedersachsen sind im Jahr 2021 in Betrieb gegangen, 27 Züge ins Rheinhauptgebiet werden im Jahr 2022 in Betrieb gehen. Darüber hinaus werden iLint-Züge derzeit in Österreich und den Niederlanden getestet. Die beiden Waggons des Zuges nutzen 24 Wasserstoffspeichertanks vom Typ IV, die in Dachfächern auf jedem Wagen platziert sind und auch Brennstoffzellen enthalten. Hexagon Composites lieferte den Wasserstoffspeichertank für den Prototypenzug auf Basis seines Hochleistungsspeichertanks mit einem Durchmesser von 416 mm und einer Länge von 3128 mm, der 300 l oder 9 kg Wasserstoff bei einem Druck von 350 bar aufnehmen kann. Nun liefert NPROXX Wasserstoffspeichertanks mit einem Durchmesser von 500 mm, einer Länge von 2200 mm und einem Speicherdruck von 350 bar für iLint-Züge.
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Alstom hat 41 wasserstoffbetriebene Coradia iLint-Züge verkauft und testet weitere (Bild über Alstom)
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Die französische Eisenbahngesellschaft SNCF hat 12 elektrische und wasserstoffbetriebene Dual-Mode-Regionalzüge Coradia Polyvalent von Alstom bestellt (Bild über Alstom)
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Alstom arbeitet mit Eversholt Rail in Großbritannien zusammen, um elektrische Züge in wasserstoffbetriebene Breeze-Züge umzurüsten (Bild über Alstom)
Weitere Entwicklungen im Zusammenhang mit wasserstoffbetriebenen Zügen sind: der Mireo Plus H-Zug mit 2 und 3 Wagen, entwickelt von der deutschen Siemens-Gesellschaft, der im 2023-2024 in mehreren Regionen Deutschlands getestet wird. In der Zwischenzeit liefert Hexagon Purus Wasserstoffspeichertanks vom Typ IV für die Vittal-One-Züge, deren Tests die spanische Talgo im Jahr 2023 beginnen wird. Hexagon Purus wird auch Wasserstoffspeichertanks an die Schweizer Stadler Rail für ihren ersten in der Schweiz gebauten und getesteten FLIRT-Zug liefern, der wird 2024 in San Bernardino, Kalifornien, USA, in Dienst gestellt.
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Siemens entwickelt den Zug Mireo Plus H zum Testen in 2023-2024 (Bild von Siemens)
Im Bereich Schifffahrt gab Hexagon Purus im Juni 2021 bekannt, dass es eine neue Tochtergesellschaft, Hexagon Purus Maritime, gründen wird. „Wir sehen jetzt einen rasanten Anstieg der Nachfrage und der Maßnahmen für Wasserstoff auf dem Schifffahrtsmarkt“, erklärt Jørn Helge Dahl, Vertriebs- und Marketingdirektor bei Hexagon Purus. Offshore-Speicheranwendungen bieten eine ideale Lösung.“ Dahl geht davon aus, dass in der maritimen Industrie bis zum Jahr 2030 immer mehr Projekte in diesem Sektor investiert werden, angetrieben durch die Ziele der International Maritime Organization (IMO, London, UK). Zu diesen Projekten gehören: : Alle neuen und bestehenden Schiffe müssen den CO2-Ausstoß bis 2030 um 40 Prozent und bis 2050 um 70 Prozent im Vergleich zu 2008 reduzieren.
In der Luftfahrt erlebte das Jahr 2020 einen plötzlichen Anstieg des Interesses an Wasserstoff, da die französische Regierung Airbus aufgrund der Folgen der COVID-19-Pandemie rettete und das Unternehmen gleichzeitig verpflichtete, bis 2035 wasserstoffbetriebene Verkehrsflugzeuge auf den Markt zu bringen. Im Sommer 2020 startete Airbus sein ZEROe-Projekt mit drei Flugzeugmodellen, deren hinteres Drittel zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff dient und einer kryogenen Steuerung bedarf.
Eine weitere Option für regionale Turboprops ist das von der US-Firma Universal Hydrogen entwickelte Twin-Tank-Modul, das einen CFK-Rahmen nutzt. „Wir stellen die Module auf Abruf bereit, sodass kein Bedarf für einen Wasserstoffspeicher besteht“, erklärte JP Clarke, CTO von Universal Hydrogen. „Diese Module können auf einfache Weise in das Flugzeug geladen werden, genau wie Batterien oder Küchenutensilien.“ Das Unternehmen gab im Jahr 2021 bekannt, dass es Absichtserklärungen mit drei regionalen Fluggesellschaften unterzeichnet hat, um wasserstoffbetriebene Antriebssysteme für bestehende Turboprop-Flugzeuge nachzurüsten.
Das US-Unternehmen ZeroAvia gab im April 2021 bekannt, dass es einen 2-Sitzer für einen 50-sitzigen Regionaljet entwickelt.
MW wasserstoffelektrischer Antriebsstränge. Das Unternehmen hat im Jahr 2021 eine Finanzierung in Höhe von 24,3 Millionen US-Dollar abgeschlossen, die ihm dabei helfen wird, im Jahr 2024 die Kommerzialisierung zu erreichen und ab 2026 zivile Regionalflugzeuge in Betrieb zu nehmen.
Die Herausforderungen der Wasserstoffspeicherung
Auch bei Containern vom Typ IV gibt es große Probleme. Vor allem die Kosten für Kohlefaser machen diese Behälter sehr teuer. Ein weiteres wichtiges Thema ist die Speicherdichte. Während komprimierter Wasserstoff die dreifache Energie pro Masse von Benzin liefert, ist seine Energie pro Volumen erheblich geringer, sodass große Behälter erforderlich sind, um den hohen Drücken standzuhalten, die zur Speicherung von ausreichend Kraftstoff erforderlich sind. Wasserstoff bietet tatsächlich eine höhere Dichte als kryogene Flüssigkeit, wenn er bei -253 Grad gelagert wird, während Wasserstoff bei Lagerung in einem kryogenen Kompressionstank (CCH2) bei -230 Grad und 300 bar eine höhere Dichte haben soll als bei Lagerung bei 700 bar in Typ-IV-Behältern um 50 Prozent höher. Kryotanks bestehen im Allgemeinen aus Metall, und es wurde noch nicht nachgewiesen, dass Kryotanks, die aus mehr Verbundwerkstoffen bestehen, genau die gleiche Leistung und Ermüdungslebensdauer aufweisen wie Druckgasbehälter vom Typ IV, deren Leistungsdaten über 25 Jahre gesammelt wurden.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Produktion von Millionen von Wasserstoffspeichertanks, die zur Erfüllung der Bedarfsziele für Brennstoffzellenfahrzeuge (FCV) und Infrastruktur erforderlich sind, möglicherweise nicht rechtzeitig für die großen Mengen an erforderlichen Kohlenstofffasern verfügbar ist. „Eines unserer Hauptanliegen ist es, ausreichend Kohlefaser zu bekommen.“ Himmen von NPROXX sagte, dass sich die Leistung des Unternehmens im Geschäftsjahr 2020-2021 verdoppelt habe und sich auch im nächsten Geschäftsjahr weiter verdoppeln werde. „Wir sind nicht allein, ich denke, Hexagon wächst im gleichen Tempo. Wir brauchen Kohlefaser mit einer bestimmten Qualität und Leistung zu einem bestimmten Preis.“ Derzeit verwenden die meisten Schiffe des Typs IV die T700-Faser von Toray (Zugfestigkeit 4900 MPa, Modul 230 MPa) oder ähnliche Fasern. „Die Faser ist nicht stark genug, was bedeutet, dass sie noch ein paar Mal gewickelt werden muss, wodurch der Behälter dicker wird, was inakzeptabel ist. Wenn Sie jetzt nicht wissen, woher Ihre Faser im nächsten Jahr kommen wird, haben Sie es vielleicht wirklich.“ die Produktion einzustellen.“
Eine weitere große Herausforderung für Schiffe des Typs IV sind die Kosten für Schiffe aus Kohlefaser und CFK. Die Hersteller neuer Schiffe und die französischen Tier-1-Automobilzulieferer Plastic Omnium und Faurecia haben sich zum Ziel gesetzt, die Kosten für Wasserstoffspeichertanks vom Typ IV bis 2030 um 30 bis 75 Prozent zu senken und gleichzeitig die Speichereffizienz zu erhöhen. Steigerung um mehr als 7 Prozent. Zu diesem Zweck werden ständig neue Technologien eingeführt, von der FPP-Technologie, die Cevotec in Deutschland verwendet, um den Zeit- und Kostenaufwand für die CFK-Ummantelung von Containerdomen zu verkürzen, bis hin zur 3D-Wickeltechnologie, die Cygnet Texkimp in Großbritannien eingeführt hat, um Faserschäden zu reduzieren. und an die In-situ-Behältererkennungstechnologie, die von Com&Sens, einem Spezialisten für die Integration von Verbundwerkstoffsensoren, Belgien, eingeführt wurde.
