שוק מסוף חומרים מרוכבים: שדה כלי לחץ

היעד העולמי של השגת אפס פליטות עד שנת 2050 מניע צמיחה מהירה בכלי לחץ מרוכבים.

תְמוּנָה
כלי לחץ מרוכבים

מכלי אחסון גז בלחץ גבוה הם אחד מהשווקים הגדולים והצומחים ביותר עבור חומרים מרוכבים מתקדמים, במיוחד חומרים מרוכבים של סיבי פחמן מלופפים נימה. למרות שניתן להשתמש בהם במכשירי נשימה עצמאיים וכדי לספק אחסון חמצן וגז לכלי תעופה וחלל, שוק הקצה העיקרי הוא עבור גז פרופאן נוזלי (LPG), גז טבעי דחוס (CNG), גז טבעי מתחדש (RNG) ומימן (H2) אחסון. בעוד שבלוני גפ"מ משמשים במכוניות, יש ביקוש הולך וגובר עבורם בשווקי הבישול והחימום במדינות מתפתחות.

מערכות דלק כגון גז טבעי דחוס (CNG), גז טבעי מתחדש (RNG) ומימן (H2) נמצאות יותר ויותר בשימוש במכוניות, אוטובוסים, טנדרים ושאר "תחנות דלק או הובלה בתפזורת באתרי תעשייה. ביישומי רכב, אלה מיכלי אחסון דלק הם חלק חשוב ממערכות הנעה נקיות ואפס פליטות המפחיתות או מחליפות בנזין, סולר ודלק סילוני. מערכות הנעה אלו מספקות גם אפשרות ללא טעינה לכלי רכב מונעי סוללות, הדורשים תשתית תדלוק וזמני תדלוק דומים לתדלוק מאובנים. דלקים.

ישנם 5 סוגים של מיכלי לחץ:

סוג I: כל קונסטרוקציית מתכת, לרוב קונסטרוקציית פלדה.

סוג II: בעיקר מתכת עם כמה סיבים מפותלים בחישוק, בדרך כלל מתכת פלדה או אלומיניום ורכיבי פיברגלס, מיכל המתכת חולק בערך את אותם עומסים מבניים כמו המרוכב.

סוג III: תוחם המתכת עטוף במלואו בחומרים מרוכבים, בדרך כלל חומרים מרוכבים מסיבי פחמן עטופים מסביב לאחינת האלומיניום, והחומר המרוכב נושא את העומס המבני.

סוג IV: מבנה מרוכב, בדרך כלל מיכל פנימי עשוי פוליאמיד (PA) או פוליאתילן בצפיפות גבוהה (HDPE), המיכל הפנימי מלופף עם סיבי פחמן או חומר מרוכב מעורבב עם סיבי פחמן/סיבי זכוכית, והקומפוזיט החומר נושא את כל העומסים המבניים.

סוג V: בנייה ללא בטנה, מרוכבת לחלוטין.

באופן מסורתי, סוג I החזיק ביותר מ-90 אחוז מהשוק, אך הדבר התאפשר על ידי מכירות מוגברות של מכלי לחץ מסוג III ו-Type IV עקב חיסכון במשקל מחומרים מרוכבים ויעילות אחסון משופרת של גז דחוס החל להשתנות. סוג V עדיין בחיתוליו ועונה בעיקר על הצרכים של יישומי חלל. עם התפתחות תעשיית החלל החדשה, זהו סוג מוצר הראוי לתשומת לב. לדוגמה, באפריל 2020, חברת Infinite Composites Technologies (ICT) האמריקנית פיתחה מיכל קריוגני בצורת V בצורת V המשמש לאחסון חומרי הנעה נוזליים קריוגניים בכלי שיגור חלל מונעי רקטות. מיכל קריוספירה אפוקסי מסיבי פחמן נטול ספינות מיוצר באמצעות סיפוף נימה ותהליך ריפוי תנור תעשייתי.

מניעי שוק ושיעורי צמיחה

המניע העיקרי של שוק זה הוא המחויבות הגלובלית הגוברת לצמצם את ההשפעה על האקלים על ידי מעבר מדלקים מאובנים לדלקים מתחדשים, מפחיתי פליטות כגון CNG, RNG ו-H2 כדי להשיג אפס פליטות עד 2050. על פי דו"ח חדש של סוכנות האנרגיה הבינלאומית, "אפס פליטות נטו עד 2050: מפת דרכים למגזר האנרגיה הגלובלי": ההתחייבויות האקלימיות שממשלות נטלו על עצמם עד כה, אם יתממשו במלואן, נופלות בהרבה מהיעד של 2050 לצמצום פליטת CO2 גלובלית נטו הקשורה לאנרגיה לאפס, במקום זאת מספקת לעולם הזדמנות להגביל את העלייה בטמפרטורות גלובליות ל-1.5 מעלות.

ראוי להזכיר כי בנוסף להתחייבויות לעיל, מדינות ארה"ב קונטיקט, מרילנד, מסצ'וסטס, ניו ג'רזי, ניו יורק, אורגון, רוד איילנד, ורמונט וושינגטון כבר התחייבו שלא לייצר מכוניות נוסעים חדשות של דלק פוסילי, בינתיים , הצטרפו לקליפורניה, קולורדו, הוואי, מיין, צפון קרוליינה, אורגון, פנסילבניה ומחוז קולומביה כדי לאסור מכירה של כלי רכב בינוניים וכבדים חדשים עם דלק מאובנים.

בסימן נוסף של צמיחה, Cummins Inc. האמריקאית, המייצרת 130 מיליון מנועי בעירה פנימית (ICE) בשנה, שרבים מהם משמשים באוטובוסים ומשאיות בינוניות וכבדות, השקיעה בפיתוח של Class טנדר 8 תאי דלק ומנוע מונע במימן. ביוני 2021, אמר קאמינס שעד סוף המאה הזו, מוצרים אלה יתקרבו לעלות הבעלות הכוללת (TCO) של מנוע דיזל, ושהתחבורה הכבדה העתידית תופעל על ידי מימן, תאי דלק או סוללות ולא דיזל.

המכירות העולמיות של רכבי גז טבעי (NGVs) בשנת 2020 היו גבוהות מהתחזית: 29.8 מיליון יחידות נמכרו בפועל לעומת 24.4 מיליון החזויים, על פי דוח המחקר של Grandview לשנת 2021. הדו"ח גם צופה כי המכירות בשנת 2021 יעמדו על כ-31 מיליון יחידות, ויגדלו ל-38.9 מיליון יחידות בשנת 2028, תוך השגת שיעור צמיחה שנתי מורכב (CAGR) של 3.3 אחוזים. DataIntelo טוענת כי בשוק ספינות CNG, ספינות מסוג I מהוות כ-55 אחוז מהשוק, בעוד שספינות מסוג II, Type III ו-Type IV מהוות כ-25 אחוז, 15 אחוז ו-5 אחוז מהשוק, בהתאמה.

טוני רוברטס מ-AJR Consulting ודן פיצ'לר מ-CarbConsult חזו שהביקוש לסיבי פחמן במכלי לחץ מרוכבים יגדל מ-13,100 ט' ב-2021 ל-20,230 ט' ב-2026, והביקוש הכולל לסיבי פחמן ב-2021 צפוי להיות 106,700 ט'. להלן, הביקוש הכולל לסיבי פחמן צפוי להגיע ל-169,000ת בשנת 2026. רוברטס ופיצ'לר מעריכים שרוב סיבי הפחמן המשמשים במכלי לחץ יכנסו לצינורות ניידים (6900טון ב-2026) ולאוטובוסים ו טנדרים (6400ט ב-2026).

בנוסף, על פי שחרור רכבי דלק מימן חדשים ברחבי העולם, ההערכה היא שכל מיכל אחסון מימן של 700 בר המכיל 60 אחוז סיבים ומשקלו 5.6 ק"ג ישתמש ב-62-72 ק"ג של סיבי פחמן. עד 2030, רק מיכלי אחסון מימן יזדקקו לסיבי פחמן. הנפח יגיע ל-166650t. עם זאת, התחזיות עבור כלי רכב אלו הן שמרניות, כאשר רק אחוז אחד מכלי רכב משא כבדים, פחות מ-10 אחוז מהאוטובוסים ופחות מאחוז אחד מהמכוניות צפויים להשתמש במימן.

שימוש בחומרים מרוכבים לכלי לחץ

מכלי לחץ מרוכבים מסוג IV לאחסון מימן מיוצרים על ידי סלילה של סיבי פחמן סביב ציפוי פלסטיק ומריחת שרף אפוקסי. ספקי ציוד חומרים מרוכבים שמתכננים ומייצרים קווי ייצור של מיכלי אחסון מימן סוהר-key כוללים: Autonational Composites בהולנד, הנדסה טכנולוגיה בארצות הברית, McClean Anderson בארצות הברית, MIKROSAM במקדוניה ו-Roth Composite Machinery בגרמניה. טוען כי ייצור מיכלי אחסון מימן יכול להתבצע מהר יותר פי חמישה עד עשרה עם הטכנולוגיה החדשה של Rothawin. MIKROSAM טוענת שהלקוח שלה, JSC DPO Plastik של רוסיה, השתמש בקו הייצור הגדול בעולם לייצור מיכלי CNG ומיכלי אחסון מימן, המסוגלים לפתל 60,000 מיכלים בשנה.

Cevotec הגרמנית אומרת שהיא יכולה לחסוך 20 אחוז בחומר ו-20 אחוז בזמן המחזור על ידי שימוש במערכת Fibre Patch Placement (FPP) שלה באזור הכיפה של מיכל לחץ. מנכ"ל Cevotec הסביר שכדי לאחסן 1 ק"ג מימן, לחץ העבודה במיכל הוא עד 700 בר, כלומר יש צורך בכ-10 ק"ג של סיבי פחמן, שזה יחס גבוה מאוד. מערכת ה-FPP מסוגלת להדביק במדויק טלאי סיבי פחמן מעוצבים בקפידה על אזורים שלעיתים מציגים בעיות במהלך תהליך הפיתול. אומרים שמערכת FPP אחת יכולה לחזק מכולות ממכונות מפותלות מרובות.

בעוד שרוב מכלי הלחץ מסוג IV המשמשים לאחסון גז דחוס משתמשים בסיבי פחמן לחיזוק מבני ובסיבי זכוכית עבור השכבה החיצונית כדי למנוע נזק, ה-Umoe Advanced Composites (UAC) של נורבגיה משתמשת רק בסיבי זכוכית עבור כלי ה- Type IV שלה. UAC מציעה 200-350 ספינות ברים לשוק הובלת גז טבעי ולא לשוק הרכב, ותרחיב את סל המוצרים שלה לכלול 450-500 ספינות ברים בשנת 2022. כפי שהצהיר מנכ"ל UAC Øyvind Hamre, סיבי זכוכית כלי פולימר מחוזקים (GFRP) עולים כמו כלי פלדה, אבל הם קלים יותר ב-70%. בהשוואה למיכלי CFRP, למרות שמיכלי GFRP כבדים יותר, הם מפחיתים את העלות ב-50 אחוז.

תְמוּנָה
כלים מסוג IV העשויים מחומרים מרוכבים מחוזקים בסיבי זכוכית הם זולים יותר מחומרי סיבי פחמן וקלים יותר מכלי פלדה (תמונה דרך Umoe Advanced Composites)

מיכלי אחסון מימן בשווקים רבים

עבור Hexagon Purus בנורבגיה ו-NPROXX בהולנד (מיזם משותף 50:50 בין Cummins ו-Cimmaron Composites בארה"ב, היא נרכשה על ידי Hanwha בדרום קוריאה. החברה הודיעה ב-2021 כי תשקיע 130 מיליון דולר אמריקאי ב-Alaba, ארה"ב ההפצה היא גם שוק חשוב לבניית מפעל ייצור חדש באופליקה, MA.

היישום של מיכלי אחסון מימן לא רק צבר צמיחה בשוק ההפצה, אלא גם בתחומי המכוניות, המשאיות, הובלת רכבות והתחבורה הימית. "חלק מהטנדרים שנבנו באירופה יונעו על ידי מימן", אמר מייקל הימלן, מנהל וראש מכירות ב-NPROXX, יצרנית מיכלי אחסון מימן. על פי התקנות האירופיות, עד 2030, יצרני ציוד מקורי של משאיות חייבים להבטיח שפליטת ה-CO2 של המשאיות שלהם תפחת בממוצע של 30 אחוז בהשוואה לרמות 2019. על פי ההצעה של הימלן, 5 אחוז מהמשאיות האירופיות יכולות להשתמש בכוח מימן, מה שאומר שבסך הכל יהיה צורך ב-15,000 עד 20,000 משאיות מונעות מימן מדי שנה. הוא בטוח שאפשר לבנות 2,000 טנדרים מונעי מימן בשנה החל מ-2026-27 ומשם יגדלו בהתמדה. אם כל רכב מצויד ב-5 עד 7 מכלי אחסון מימן מסוג IV, בתוך 10 שנים, משאיות כבדות עשויות להזדקק ל-100,000 מיכלי אחסון מימן ו-6,000 טונות של סיבי פחמן בשנה.

מבחינת רכבות, הרכבות Coradia iLint של אלסטום המונעות במימן הוכנסו לשימוש בגרמניה. 14 רכבות לסקסוניה התחתונה החלו לפעול ב-2021, ו-27 רכבות לאזור הריין הראשי יתחילו ב-2022. שנים לאחר השימוש. בנוסף, רכבות iLint נבדקות כעת באוסטריה ובהולנד. שתי הקרונות של הרכבת משתמשים ב-24 מיכלי אחסון מימן מסוג IV, הממוקמים בתאי גג על גבי כל קרון, המכילים גם תאי דלק. Hexagon Composites סיפקה את מיכל אגירת המימן לרכבת אב הטיפוס על בסיס מיכל האחסון הכבד שלה בקוטר של 416 מ"מ ואורך של 3128 מ"מ, שיכול להכיל 300 ליטר או 9 ק"ג של מימן בלחץ של 350 בר. כעת, NPROXX מספקת מיכלי אחסון מימן בקוטר של 500 מ"מ, אורך של 2200 מ"מ ולחץ אחסון של 350 בר עבור רכבות iLint.

תְמוּנָה
אלסטום מכרה 41 רכבות מונעות מימן Coradia iLint ובודקת אחרות (תמונה דרך Alstom)

תְמוּנָה
חברת הרכבות הצרפתית SNCF הזמינה 12 רכבות אזוריות מסוג Coradia Polyvalent חשמליות ומימן דו-מודות (תמונה דרך Alstom)

תְמוּנָה
אלסטום עובדת עם Eversholt Rail בבריטניה כדי להמיר רכבות חשמליות לרכבות Breeze המונעות במימן (תמונה דרך Alstom)

פיתוחים נוספים הקשורים לרכבות המונעות במימן כוללים: רכבת Mireo Plus H עם 2 ו-3 קרונות שפותחה על ידי סימנס הגרמנית, שתיבדק במספר אזורים בגרמניה במהלך 2023-2024. בינתיים, Hexagon Purus מספקת מיכלי אחסון מימן מסוג IV עבור רכבות Vittal-One ש-Talgo הספרדית תתחיל לבדוק ב-2023. Hexagon Purus תספק גם מיכלי אחסון מימן לרכבת השוויצרית Stadler Rail לרכבת FLIRT הראשונה שנבנתה ונבדקה בשוויץ, אשר ייכנס לשירות בסן ברנרדינו, קליפורניה, ארה"ב בשנת 2024.

תְמוּנָה
סימנס מפתחת את הרכבת Mireo Plus H לבדיקה ב-2023-2024 (תמונה מסימנס)

מבחינת ספנות, Hexagon Purus הודיעה ביוני 2021 כי תקים חברת בת חדשה, Hexagon Purus Maritime. "אנו רואים כעת עלייה מהירה בביקוש ובפעולות למימן בשוק הימי", מסביר Jørn Helge Dahl, מנהל מכירות ושיווק בחברת Hexagon Purus. יישומי אחסון בים מספקים פתרון אידיאלי". דאל מאמין שהתעשייה הימית תראה יותר ויותר פרויקטים מושקעים במגזר עם התקרבות לשנת 2030, מונעים על ידי יעדים שנקבעו על ידי הארגון הימי הבינלאומי (IMO, לונדון, בריטניה). פרויקטים אלה כוללים : כל הספינות החדשות והקיימות חייבות להפחית את פליטת ה-CO2 ב-40 אחוז עד 2030 וב-70 אחוז עד 2050, בהשוואה ל-2008.

בתעופה, בשנת 2020 נרשמה עלייה פתאומית של עניין במימן כאשר ממשלת צרפת חילצה את איירבוס בשל הנשורת ממגיפת הקורונה-19 תוך שהיא דרשה ממנה להוציא לשוק מטוסים מסחריים מונעי מימן עד 2035. בקיץ 2020 השיקה איירבוס את פרויקט ה-ZEROe שלה עם שלושה דגמי מטוסים, כאשר 1/3 מהם האחורי משמשים לאחסון מימן נוזלי ודורשים בקרה קריוגנית.

אפשרות נוספת לטורבו-פרופס אזורי היא מודול טווין-טנק שפותח על ידי חברת Universal Hydrogen האמריקאית, העושה שימוש במסגרת CFRP. "אנחנו מספקים את המודולים לפי דרישה, כך שאין צורך במתקן אחסון מימן", הסביר JP Clarke, CTO של Universal Hydrogen. "ניתן להטעין את המודולים הללו על המטוס בצורה פשוטה, בדיוק כמו סוללות או ציוד למטבח." החברה הוכרזה ב-2021, היא חתמה על מכתבי כוונות עם שלוש חברות תעופה אזוריות לחידוש מערכות הנעה המונעות במימן עבור מטוסי טורבו-פרופ קיימים.

חברת ZeroAvia האמריקאית הודיעה באפריל 2021 שהיא מפתחת 2-מושב למטוס 50-מושב אזורי.

MW של מערכות הנעה חשמליות מימן. החברה השלימה מימון של 24.3 מיליון דולר ב-2021, מה שיעזור לה להגיע למסחור ב-2024 ולהתחיל לשרת מטוסים אזוריים אזרחיים ב-2026.

האתגרים של אחסון מימן

מיכלים מסוג IV מתמודדים גם עם בעיות חמורות. במיוחד, העלות של סיבי פחמן מייקרת את המיכלים הללו מאוד. נושא מרכזי נוסף הוא צפיפות האחסון. בעוד מימן דחוס מספק פי שלושה מהאנרגיה למסה של בנזין, האנרגיה שלו לנפח נמוכה במידה ניכרת, מה שמצריך מיכלים גדולים כדי לעמוד בלחצים הגבוהים הדרושים לאגירת מספיק דלק. מימן למעשה מציע צפיפות גבוהה יותר כנוזל קריוגני כאשר הוא מאוחסן ב--253 מעלות, בעוד שכאשר מאוחסן במיכל דחיסה קריוגנית (CCH2) ב--230 מעלות, 300 בר, מימן נאמר כבעל צפיפות גבוהה יותר מאשר כאשר מאוחסן ב-700 בר גבוה יותר ב-50 אחוז במיכלים מסוג IV. מיכלים קריוגניים הם בדרך כלל מתכתיים, וטרם הוכח למיכלים קריוגניים העשויים יותר חומרים מרוכבים אותם ביצועים וחיי עייפות בדיוק כפי שהודגם במיכלי גז דחוס מסוג IV, אשר נצברו נתוני ביצועים במשך 25 שנים.

בעיה נוספת היא שייצור של מיליוני מיכלי אחסון מימן הנדרשים כדי לעמוד ביעדי הביקוש לרכב תאי דלק (FCV) ותשתיות עשוי שלא להיות זמין בזמן עבור הכמויות הגדולות של סיבי פחמן הנדרשות. "השגת מספיק סיבי פחמן היא אחת הדאגות העיקריות שלנו." Himmen של NPROXX אמר כי ביצועי החברה בשנת הכספים 2020-2021 הוכפלו וימשיכו להכפיל את עצמו בשנת הכספים הבאה. "אנחנו לא לבד, אני חושב שהקסגון צומח באותו קצב. אנחנו צריכים סיבי פחמן עם איכות וביצועים מסוימים בנקודת מחיר מסוימת". נכון לעכשיו, רוב הכלים מסוג IV משתמשים בסיבים T700 של Toray (חוזק מתיחה 4900MPa, מודולוס 230MPa) או סיבים דומים. "הסיב לא מספיק חזק, מה שאומר שצריך לפלל אותו עוד כמה פעמים, מה שהופך את המיכל לעבה יותר, וזה לא מקובל. אם אתה לא יודע עכשיו מאיפה הסיבים שלך יגיעו בשנה הבאה, אולי באמת יש לך להפסיק את הייצור".

אתגר גדול נוסף לכלי סוג IV הוא העלות של כלי סיבי פחמן וכלי CFRP. יצרניות כלי שיט חדשות וספקיות הרכב הצרפתיות, Plastic Omnium ו-Faurecia, הציבו יעדים להפחתת העלות של מיכלי אחסון מימן מסוג IV ב-30% עד 75% עד 2030, תוך הגדלת יעילות האחסון. עלייה של יותר מ-7 אחוזים. לשם כך מוצגות כל הזמן טכנולוגיות חדשות, החל מטכנולוגיית FPP המשמשת את Cevotec בגרמניה לקיצור הזמן והעלות של עטיפת CFRP עבור כיפות מכולות, ועד לטכנולוגיית פיתול תלת מימד שהשיקה Cygnet Texkimp בבריטניה להפחתת נזקי הסיבים, ולטכנולוגיית זיהוי המכולה במקום שהשיקה Com&Sens, מומחה באינטגרציה של חיישני חומרים מרוכבים, בלגיה.