解读 | 氢能助力碳纤维复合材料增长

多年来，碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料通过由碳纤维和环氧树脂基材包裹的塑料内衬组成的IV型储氢罐，为零排放燃料电池驱动的车辆提供了压缩氢气的存储。尽管氢长期以来一直承诺提供可持续的清洁能源，但直到最近，进展缓慢。人们仍然严重怀疑期待已久的氢气经济是否会真正实现。

目前，这种怀疑正在迅速消退。环球氢能公司- Universal Hydrogen（美国加利福尼亚州洛杉矶市）已经与三家地区航空公司签署了意向书，用氢动力推进系统改造现有涡轮螺旋桨飞机。同样值得一提的是，Cimmaron Composites公司（美国阿拉巴马州亨茨维尔）现已被韩华解决方案公司-Hanwha Solutions（韩国首尔）收购，并宣布在阿拉巴马州奥佩利卡投资1.3亿美元新建生产设施。另一家复合材料罐制造商NPROXX（荷兰海伦）目前与康明斯公司- Cummins（美国印第安纳州哥伦布市）是一家50/50的合资企业，这家公司每年生产1.3亿台内燃机，目前已投资生产氢气的电解槽、氢气发动机、燃料电池和储氢罐。

IV型储氢罐的增长预测是巨大的。例如，IV型罐生产的领导者Hexagon Composites（挪威阿勒松）在一月份剥离了Hexagon Purus，专注于零排放氢和电池电力系统以及氢存储。据估计，从2025年到2030年，储氢罐收入将增长630 %。

然而，IV型储氢罐也面临严重问题。最值得注意的是，碳纤维的成本使得这些罐非常昂贵。另一个关键问题是存储密度。尽管压缩氢气提供的能量是汽油质量的三倍，但其体积的能量相当低，需要大型高压气罐容纳储存足够所需的燃料。对于移动应用，IV型碳纤维增强塑料（CFRP）储氢罐提供的重量轻，推动了其相对于金属替代品的使用。但在固定应用中，包括加氢站，重量不是主要驱动因素。

实际上，氢作为低温液体在 -253°C下储存时具有更高的密度，当储存在 -230°C和300 bar的低温压缩储氢罐中时，其密度最高—据报道，与700 bar的IV型罐相比，氢增加了50%。冷冻储氢罐通常是金属的，目前尚未证明IV型罐与金属罐相同性能和疲劳寿命，寿命超过25年。

重型运输用氢气 

康明斯（Cummins）正在与长期客户和卡车制造商Navistar（美国伊利诺伊州里斯尔）合作开发一款燃料电池驱动的8级卡车。该卡车将集成到Werner Enterprises（美国内布拉斯加州奥马哈市）7700辆的车队中，在加利福尼亚州丰塔纳的当地和地区服务中进行为期一年的试验。康明斯（Cummins）还开始测试氢动力内燃机（即直接燃烧氢气），并将在各种公路上和非公路应用中进行评估。康明斯（Cummins）负责新动力工程的副总裁乔纳森·伍德在2021年6月的一次采访中表示，到本世纪末，这些产品将接近柴油发动机的总体拥有成本（TCO- total cost of ownership）。随着各国寻求实现零排放目标，他指出，未来的重型运输将由氢、燃料电池或电池供电，而不是柴油。

储氢罐制造商NPROXX的常务董事兼销售主管迈克尔·希曼（Michael Himmen）说，“在欧洲，我们有立法规定，到2030年，卡车原始设备制造商的生产车队的二氧化碳排放量必须比2019年平均减少30%，因此，欧洲卡车生产的一部分将是氢动力，可能高达5%，可能高达15000-20000辆/年。它将在2026-27年以2000辆/年的速度开始，并稳步增长” 。每辆卡车有5到7个IV型储氢罐，重型卡车可以在十年内，每年需要100000个储罐，需要6000吨碳纤维。这将是东丽（日本东京）、韩国、法国和美国工厂碳纤维总产量的25%，以及Hyosung（韩国首尔）2028年10条生产线计划产能的25% 。

Hexagon Purus的销售和营销总监Jørn Helge Dahl说：“重型运输业尤其在加速发展。”。他解释说，对于大型车辆，氢比电池更实用，因为电池尺寸、重量和充电时间的增加足以满足有效载荷和射程要求，这是不经济的。Hexagon Purus估计，2025年和2030年，IV型储氢罐的收入分别为11亿美元和70亿美元，其中重型车辆预计将占最大份额~30%。

FCV（燃料电池汽车）

对碳纤维需求 在2019年的一次会议中，Omnium Plastic（法国拉瓦洛伊斯）复合材料压力容器主管阿克塞尔·塞弗特声称，700 bar IV型储罐每储存一千克氢气需要10千克碳纤维。他指出，FCV（燃料电池汽车）至少携带5-6千克氢气，预计到2030年投入使用的500万辆FCV将需要250，000吨碳纤维，用于制造储氢罐。同时，他指出，2019年碳纤维的总需求量仅为80，000吨，其中60%以上用于风力涡轮机叶片和航空航天应用。

250000吨的估计值是否被夸大了？

氢能源委员会（Hydrogen Council）2021年《氢能源洞察》报告中报告的车辆总数估计到2030年将达到450万辆FCV。然而，每辆乘用车（PV- passenger vehicles）需要5-6千克氢气。韩国现代（Hyundai）的重型卡车Xcient需要携带35公斤氢气。重型卡车预计占FCV年产量的25%。

复合材料行业资深人士预计到2030年，IV型储氢罐中的碳纤维需求量为166，650吨（700bar 、IV型罐、储氢5.6千克，在碳纤维在复合材料中含量60%的前提下，储氢罐碳纤维用量约62-72千克）。应该注意的是，这一预测非常保守。

IV型储氢罐生产商NPROXX的常务董事兼销售主管迈克尔·希曼（Michael Himmen）说，“从2020年到2021年，他的公司业务翻了一番，明年也将如此。我们不是唯一一家；我认为Hexagon也在以同样的速度增长。过去两年的增长有所放缓，因为商用飞机对碳纤维的需求因新冠病毒疫情而下降。获得足够的碳纤维是我们主要关注的问题之一。”

然而，不仅空客现在的目标是提高制造速率，而且使用大量碳纤维的风力涡轮机也将显著增长，以推动绿色氢气生产。碳纤维行业能跟上这种增长吗？“我们需要在一定的价格范围内，具有一定的质量和性能的碳纤维，”希曼指出。大多数IV型储氢罐的使用东丽T700碳纤维（抗拉强度4900 MPa，模量230 MPa）或同等材料。“强度较低的碳纤维需要更多的绕组，而罐体会变厚，这是不可接受的。如果你现在不知道明年碳纤维的来源，你可能实际上不得不停止生产。”

领先的碳纤维制造商之一东丽（日本东京）在2020年6月的一次演讲中特别提到了FCV和压缩氢气储罐的增长，称其将计划“及时对储氢罐进行大规模资本支出”，预计2023年后需求将增长。它还表示，该公司将“将储氢罐作为最优先的战略应用，优先分配发展资源”，并指出“增加高性能，降低碳纤维成本”。与此同时，Hyosung（韩国首尔）宣布，将在2028年之前将碳纤维产量从2000吨/年的单条生产线增加到24000吨/年的10条生产线，以支持韩国的氢路线图。

轻型交通、汽车

法国汽车一级供应商Faurecia（佛吉亚）（Nanterre）和Plastic Omnium（Lavallois）是IV型储氢罐市场的新进入者，两者的目标都是占据25-30%的市场份额。他们预测到2030年，氢动力汽车的年产量将达到200万辆，其中150万辆为轻型和乘用车。Plastic Omnium表示，氢能汽车销量将在2027-2028年开始回升，但Faurecia称，其与欧洲和北美五家轻型和乘用车原始设备制造商的合作已经为2022年创造了销量，并初步生产了80000套氢汽车系统/年。Faurecia（佛吉亚）、Hexagon Purus、NPROXX和Plastic Omnium都提供完整的氢/燃料电池系统，包括燃料电池堆、储罐和辅助设备。Faurecia（佛吉亚）声称，储氢罐占燃料电池系统价值的40%。40%的价值中有70%是储氢罐罐体，其余是阀门和其他部件。

Plastic Omnium指出，亚洲预计将在氢燃料电池汽车（FCV）销售中处于领先地位，占75%的市场份额，其次是欧洲20%和北美5%。事实上，中国和日本已宣布到2030年分别投入100万辆和80万辆燃料电池车的目标，而韩国则表示将在2025年前将所有商用车转化为氢气，并在2040年前实现620万辆燃料电池车的目标。值得注意的是，这些国家都有大量的碳纤维生产。

因此，当Plastic Omnium于2019年成立其Δ-Deltatech（比利时布鲁塞尔）燃料电池和氢气储存研发中心时，它同时成立了ω-Omegatech（中国武汉）研发中心，并配备了碳纤维缠绕试验线和燃料系统测试实验室。武汉已被指定为中国第一个“氢城市”拥有30-100个氢燃料加气站，3-5家世界领先的氢企业，以及一个氢产业园，拥有100多家燃料电池汽车制造商和相关公司。

与此同时，Hexagon Purus于2021年3月宣布与中集安瑞科 （深圳 ）成立合资企业，该合资企业将首先扩大现有的III型压力容器生产，同时安装IV型罐生产。增加的III型罐生产和新IV型罐设施建设将于2021年开始，到2025年，容量为100000辆/年。

美国机械工程师协会（ASME）和国际标准化组织（ISO） 分类的压力容器类型和结构。

Iljin Composites因其2021年9月3日在韩国证券交易所公开发行而更名为Iljin Hysolus（韩国Bongdong eup），被称为韩国唯一的复合材料储氢罐生产商和现代Nexo牌汽车的唯一供应商。据报道，Iljin Hysolus还为韩国警察、地区和公交系统提供储氢罐，并拥有两个生产基地，一个在全布省（Jeonbuk），一个在万州(Wanju)。

在其他值得注意的活动中，Toyoda Gosei（丰田章男）（日本稻谷）为2021年丰田Mirai生产第三个储氢罐，容量为30000辆/年（丰田-Toyoda为Mirai内部生产前两个储氢罐）。2021年，在法国，佛吉亚（Faurecia）完成了对中国领先储氢罐制造商CLD（沈阳）的收购，在辽宁拥有两家工厂，每年生产30000辆储氢罐。

根据分析公司Integral Co.于2020年12月发布的《中国储氢技术概述》，中国首选I型和III型储氢罐， III型储氢罐产量很少。然而，需求正在增加。报告作者Stephanie Ao指出，直到最近，中国才禁止使用IV型储氢罐。可以理解的是，III型储氢罐仍然在中国氢能车辆市场占据主导地位，特别是对于要求350 bar的应用。然而，她指出，700 bar III型储罐处于测试验证的最终过程中。III型储氢罐的顶级供应商包括CLD（沈阳，目前归佛吉亚（Faurecia）所有），还有北京中银实业、福井实业和天海实业。

铁路和公共汽车

图片来源于网络

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便捷的基础设施氢轨道车辆上升速度 自上而下：阿尔斯通已向德国出售了41列Coradia iLint 氢 列车，并正在奥地利和荷兰测试其他列车；法国铁路SNCF 订购了12辆阿尔斯通的Coradia多价双模高架电动列车和氢 区域列车；阿尔斯通正与英国的埃弗肖特铁路公司合作，将 电动列车转换成氢列车；西门子正在开发Mireo Plus H系列，用于2023-2024年的测试。

康明斯（Cummins）在2020年与NPROXX成立50/50合资企业之前，于2019年收购了燃料电池开发商Hydrogenics（加拿大安大略省密西沙加市），据报道，Hydrogenics是机车规模燃料电池的先行者。康明斯（Cummins）随后于2020年宣布在德国赫滕建立一家新工厂，为阿尔斯通（Alstom）（法国巴黎）的氢动力Coradia iLinet列车制造燃料电池系统，该列车已在德国投入使用（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。

iLint的里程为1000公里，最高速度为140公里/小时，可与当前的区域列车性能相媲美。它的两个汽车单元使用24个IV型储氢罐，这些储氢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储氢罐，该储氢罐在350 bar下可容纳300升/9千克氢气。iLinet现在由NPROXX提供350bar、500毫米直径、2200毫米长的储氢罐。

康明斯还（Cummins）与西门子（德国慕尼黑）合作，西门子在2023-2024年期间在德国多条区域线路上测试其两辆和三辆Mireo Plus H列车。与此同时，Hexagon Purus正在为Talgo（西班牙马德里）的Vittal One列车提供IV型储氢罐，该列车计划于2023年开始测试。Hexagon Purus还将向Stadler Rail（瑞士Bussnang）提供储氢罐，用于其在瑞士建造和测试的第一列FLIRT （调情号）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。

在日本，丰田与日立（东京）和日本铁路公司（东京）合作开发了一种两辆编组的列车，其行程为140公里，最高速度为100公里/小时，氢气储存容量为5个700bar、51升/2千克的储氢罐，每个储氢罐可储存总共40千克的氢气。它将于2022年在东京郊区进行测试。中国也在测试燃料电池供电的有轨电车，以满足短期城市服务需求。该示范线由中国南方铁路公司子公司四方（山东青岛）与燃料电池供应商巴拉德（Ballard）电力系统（加拿大本纳比）合作开发，位于广东省佛山市，使用五辆有轨电车，每辆由三节车厢组成，行程125公里，最高时速70公里。每辆有轨电车使用六个350 bar的储罐来储存104升/4千克的压缩氢气。

在货运列车市场，塞拉(Sierra)北方铁路公司（美国加利福尼亚州萨克拉门托市）将在西萨克拉门托港用氢燃料电池机车取代柴油机车，该机车配备巴拉德动力系统的燃料电池和225公斤的储氢罐。该机车将于2023年开始使用，并在荷兰皇家壳牌公司（荷兰海牙）建造的新氢站加油。

巴拉德（Ballard）还为加拿大太平洋（卡尔加里，阿尔伯塔省）改装了一台现有的柴油电力长途货运机车，该机车将于2022年投入使用，这是其氢动力铁路项目的第一步。改装机车的使用寿命超过50年，被视为专用液压火车的可行且经济高效的替代方案。

氢动力铁路（客运或货运）的一个显著优点是不需要对现有轨道进行改造。相比之下，英国传统电气列车的轨道（例如，悬链线和第三轨）的充电成本从每公里965000美元到130万美元不等。Caltrain（美国加利福尼亚州Can Carlos）2017年的一份报告指出，旧金山至圣何塞通勤线路的电气化使用22列燃料电池列车，包括建造氢气加油站（HRS- hydrogen filling stations）将耗资13亿美元，而22列采用架空接触网（OCS- overhead contact system）的传统列车耗资31亿美元-节省18亿美元。

NPROXX的负责人说，“铁路市场已经在向前发展，这可能令人惊讶” ， “但和公交车一样，我认为关键因素之一是基础设施。对于这两个方面，你可以很容易地解决基础设施问题，因为它们每天都会回到同一个停车场，在这些停车场都有加油站。例如，科隆的区域公交系统RVK拥有世界上最大的燃料电池公交车车队——每天运营和运营的37辆公交车到今年年底，还将增加15个，其中只有两个氢加气站。它们在2009年开始实现零排放，目前仍在增加。因此，基础设施相对简单，有助于推动该市场的发展。

海事：重新思考架构、商业模式 

2021年6月，Hexagon Purus宣布将成立一家新的子公司Hexagon Purus Maritime。Hexagon Purus的销售和营销总监Jørn Helge Dahl解释说，尽管Hexagon参与海上氢气项目已有几年，“我们现在看到，海上对氢气的需求和活动正在迅速增加。”。

“Hexagon Purus Maritime将开发船上存储系统，从船边燃料管线输送到存储，从存储到燃料电池。由于恶劣的环境，包括腐蚀，我们认为复合材料是海上应用的理想存储解决方案。” 但是，大型金属罐能提供更长的航程呢？Dahl承认：“随着公司开始关注氢气，我们看到他们希望拥有尽可能大、尽可能少的单个储氢罐。

但是，船舶的结构和类型有很大的范围。没有'一刀切’的方法。如果你有一艘较小的快速渡轮，较大的储氢罐可能太大。这就是为什么我们将与公司合作，根据船舶结构调整我们经验证的储氢罐，以提供适当尺寸的解决方案。然后，我们将通过挪威船级社（挪威挪威船级社，奥斯陆）是领先的船舶船级社之一，在复合材料方面也有着悠久的历史。

液态氢？Dahl说“过去，人们非常关注液态氢，认为它是服务于海运业的唯一途径，但在过去的三到四年中，我们看到了一种趋势，即公司深入研究使用液氢，并再次使用压缩气体。这不仅是关于如何管理船上的氢气，还涉及基础设施、燃料和燃料存储。现在，我们也看到公司对氢气的看法有所不同为了在船上储存更多的氢气，该船的结构已经改变。”

Dahl认为，在十年中期，海运业将发生快速变化，随着2030个项目的实施，项目数量将增加，这是由国际海事组织（IMO，伦敦，英国）设定的目标驱动的。Dahl还认为，所有新建船舶和现有船舶必须在2030年和2050年分别比2008年基准减少40%和70%的二氧化碳排放量。此外，我们看到地方司法机构采取的行动正在增加。例如，挪威的一些世界遗产峡湾要求到2026年实现零排放。这将排除大型游轮；因此，他们将不得不开发较小的船只将人们带入峡湾。我们将在欧洲密集的河流运输区看到更多此类限制。特别是随着联合国气候报告的发布（最近），我认为我们刚刚看到了开始，在监管方面还会有更多。

氢动力用于飞机、船舰、车辆等移动工具，其中承受高压储氢罐是必不可缺的产品。本文预测到2030年燃料电池汽车辆产量，以及相应对碳纤维的需求数量。

◆ 需求量最大的是700bar、IV型罐；

◆ 700bar、IV型罐每储存1千克氢气需要10千克碳纤维；

◆ 每辆FCV（燃料电池汽车）至少携带5-6千克氢气，预计到2030年投入使用的500万辆FCV将需要250，000吨碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料，用于制造储氢罐；

◆ 到2030年，仅FCV（燃料电池汽车）IV型储氢罐中的碳纤维需求量为166，650吨（700bar 、IV型罐、储氢5.6千克，在碳纤维在复合材料中含量60%的前提下，每个储氢罐碳纤维用量约62-72千克）。

◆ 储氢罐占燃料电池系统价值的40%。40%的价值中有70%是储氢罐罐体，其余是阀门和其他部件。

◆ 2020.5国际市场统计碳纤维产能：中国21800吨；全球总产能161200吨。

来源：杨超凡 研究员 图片来源于网络