El objetivo global de lograr cero emisiones para 2050 está impulsando un rápido crecimiento en los recipientes a presión compuestos.
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Recipientes a presión compuestos
Los recipientes de almacenamiento de gas a alta presión son uno de los mercados más grandes y de más rápido crecimiento para los compuestos avanzados, especialmente los compuestos de fibra de carbono enrollados en filamentos. Aunque se pueden utilizar en aparatos de respiración autónomos y para proporcionar almacenamiento de oxígeno y gas para vehículos aeroespaciales, el principal mercado final es el gas propano licuado (GLP), el gas natural comprimido (GNC), el gas natural renovable (RNG) y el hidrógeno. (H2) almacenamiento. Si bien los cilindros de GLP se usan en automóviles, existe una demanda creciente de ellos en los mercados de cocina y calefacción en los países en desarrollo.
Los sistemas de combustible como el gas natural comprimido (GNC), el gas natural renovable (RNG) y el hidrógeno (H2) se utilizan cada vez más en automóviles, autobuses, furgonetas y otras "estaciones de servicio de reabastecimiento o transporte a granel en sitios industriales. En aplicaciones de vehículos, estos Los tanques de almacenamiento de combustible son una parte importante de los sistemas de propulsión limpios y de cero emisiones que reducen o reemplazan la gasolina, el diésel y el combustible para aviones. combustibles
Hay 5 tipos de recipientes a presión:
Tipo I: Toda la construcción de metal, por lo general la construcción de acero.
Tipo II: principalmente metal con algunas fibras enrolladas en aro, generalmente acero o aluminio y compuestos de fibra de vidrio, el contenedor de metal comparte aproximadamente las mismas cargas estructurales que el compuesto.
Tipo III: el revestimiento de metal está completamente envuelto con materiales compuestos, generalmente los materiales compuestos de fibra de carbono están envueltos alrededor del revestimiento de aluminio y el material compuesto soporta la carga estructural.
Tipo IV: estructura completamente compuesta, generalmente un tanque interior hecho de poliamida (PA) o polietileno de alta densidad (HDPE), el tanque interior está enrollado con fibra de carbono o un material compuesto mezclado con fibra de carbono/fibra de vidrio, y el compuesto material soporta todas las cargas estructurales.
Tipo V: Construcción totalmente compuesta sin revestimiento.
Tradicionalmente, el Tipo I poseía más del 90 por ciento del mercado, pero esto ha sido posible gracias al aumento de las ventas de recipientes a presión Tipo III y Tipo IV debido al ahorro de peso de los materiales compuestos y la mejora en la eficiencia del almacenamiento de gas comprimido Comenzó a cambiar. El Tipo V aún está en pañales y satisface principalmente las necesidades de las aplicaciones espaciales. Con el desarrollo de la nueva industria espacial, este es un tipo de producto digno de atención. Por ejemplo, en abril de 2020, la empresa estadounidense Infinite Composites Technologies (ICT) desarrolló un tanque criogénico en forma de V esférica A que se utiliza para almacenar propulsores líquidos criogénicos en vehículos de lanzamiento espacial propulsados por cohetes. Este tanque de criosfera de epoxi de fibra de carbono sin revestimiento se fabrica utilizando bobinado de filamento y proceso de curado en horno industrial.
Impulsores del mercado y tasas de crecimiento
El principal impulsor de este mercado es el creciente compromiso global para reducir el impacto en el clima mediante el cambio de combustibles fósiles a combustibles renovables que reducen las emisiones como el GNC, RNG y H2 para lograr cero emisiones para 2050. Según un nuevo informe de la Agencia Internacional de Energía, "Net Zero Emissions by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector": Los compromisos climáticos que los gobiernos han hecho hasta ahora, si se cumplen por completo, están muy por debajo del objetivo de 2050 de reducir Las emisiones globales netas de CO2 relacionadas con la energía a cero en cambio brindan al mundo la oportunidad de limitar el aumento de las temperaturas globales a 1,5 grados.
Cabe mencionar que, además de los compromisos anteriores, los estados estadounidenses de Connecticut, Maryland, Massachusetts, Nueva Jersey, Nueva York, Oregón, Rhode Island, Vermont y Washington ya se han comprometido a no producir nuevos turismos de combustible fósil, mientras tanto , únase a California, Colorado, Hawái, Maine, Carolina del Norte, Oregón, Pensilvania y el Distrito de Columbia para prohibir la venta de nuevos vehículos medianos y pesados alimentados con combustibles fósiles.
En otra señal de crecimiento, Cummins Inc., con sede en EE. UU., que produce 130 millones de motores de combustión interna (ICE) al año, muchos de los cuales se utilizan en autobuses y camiones de servicio mediano y pesado, ha invertido en el desarrollo de un Class Furgoneta de 8 pilas de combustible y motor de hidrógeno. En junio de 2021, Cummins dijo que para fines de este siglo, estos productos se acercarán al costo total de propiedad (TCO) de un motor diésel, y que el futuro transporte pesado funcionará con hidrógeno, celdas de combustible o baterías en lugar de diésel.
Las ventas globales de vehículos a gas natural (GNV) en 2020 fueron más altas de lo previsto anteriormente: se vendieron 29,8 millones de unidades frente a los 24,4 millones previstos, según el Informe de investigación Grandview de 2021. El informe también predice que las ventas en 2021 serán de aproximadamente 31 millones de unidades y aumentarán a 38,9 millones de unidades en 2028, logrando una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) de 3,3 por ciento. DataIntelo afirma que en el mercado de embarcaciones de GNC, las embarcaciones Tipo I representan aproximadamente el 55 por ciento del mercado, mientras que las embarcaciones Tipo II, Tipo III y Tipo IV representan aproximadamente el 25 por ciento, 15 por ciento y 5 por ciento del mercado, respectivamente.
Tony Roberts de AJR Consulting y Dan Pichler de CarbConsult predijeron que la demanda de fibra de carbono en recipientes a presión compuestos aumentará de 13 100 t en 2021 a 20 230 t en 2026, y se espera que la demanda total de fibra de carbono en 2021 sea de 106 700 t. A continuación, se espera que la demanda total de fibra de carbono alcance las 169,000t en 2026. Roberts y Pichler estiman que la mayor parte de la fibra de carbono utilizada en recipientes a presión se destinará a tuberías móviles (6900t en 2026) y autobuses y furgonetas (6400t en 2026).
Además, según el lanzamiento de nuevos vehículos de combustible de hidrógeno en todo el mundo, se estima que cada tanque de almacenamiento de hidrógeno de 700 bares que contenga un 60 % de fibra y pese 5,6 kg utilizará 62-72 kg de fibra de carbono. Para 2030, solo los tanques de almacenamiento de hidrógeno necesitarán fibra de carbono. El volumen alcanzará las 166650t. Sin embargo, las proyecciones para estos vehículos son conservadoras, y se espera que solo el 1 por ciento de los vehículos pesados, menos del 10 por ciento de los autobuses y menos del 1 por ciento de los automóviles utilicen hidrógeno.
Uso de materiales compuestos para recipientes a presión
Los recipientes a presión compuestos de tipo IV para el almacenamiento de hidrógeno se fabrican enrollando fibra de carbono alrededor de un revestimiento de plástico y aplicando resina epoxi. Los proveedores de equipos de materiales compuestos que diseñan y fabrican líneas de producción de tanques de almacenamiento de hidrógeno llave en mano altamente automatizadas incluyen: Autonational Composites en los Países Bajos, Engineering Technology en los Estados Unidos, McClean Anderson en los Estados Unidos, MIKROSAM en Macedonia y Roth Composite Machinery en Alemania, este último afirma que la producción de tanques de almacenamiento de hidrógeno se puede hacer de cinco a diez veces más rápido con su nueva tecnología Rothawin. MIKROSAM afirma que su cliente, JSC DPO Plastik de Rusia, ha utilizado la línea de producción más grande del mundo para la producción de contenedores de GNC y tanques de almacenamiento de hidrógeno, con capacidad para bobinar 60,000 contenedores por año.
Cevotec de Alemania dice que puede ahorrar un 20 por ciento en material y un 20 por ciento en tiempo de ciclo mediante el uso de su sistema Fiber Patch Placement (FPP) en el área del domo de un recipiente a presión. El director general de Cevotec explicó que para almacenar 1 kg de hidrógeno, la presión de trabajo en el contenedor es de hasta 700 bar, lo que significa que se necesitan unos 10 kg de fibra de carbono, que es una proporción muy alta. El sistema FPP puede aplicar con precisión parches de fibra de carbono cuidadosamente diseñados en áreas que a veces presentan problemas durante el proceso de bobinado. Se dice que un solo sistema FPP puede reforzar contenedores de múltiples máquinas bobinadoras.
Mientras que la mayoría de los recipientes a presión Tipo IV utilizados para el almacenamiento de gas comprimido utilizan fibra de carbono para el refuerzo estructural y fibra de vidrio para la capa exterior para evitar daños, Umoe Advanced Composites (UAC) de Noruega utiliza solo fibra de vidrio para sus recipientes Tipo IV. UAC ofrece 200-350 recipientes de barra para el mercado de transporte de gas natural en lugar del mercado automotriz, y ampliará su cartera de productos para incluir 450-500 recipientes de barra en 2022. Como declaró el director ejecutivo de UAC, Øyvind Hamre, fibra de vidrio Los recipientes de polímero reforzado (GFRP) cuestan lo mismo que los recipientes de acero, pero son un 70 por ciento más livianos. En comparación con los contenedores de CFRP, aunque los contenedores de GFRP son más pesados, reducen el costo en un 50 por ciento.
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Los recipientes de tipo IV hechos de compuestos reforzados con fibra de vidrio son menos costosos que los compuestos de fibra de carbono y más livianos que los recipientes de acero (imagen a través de Umoe Advanced Composites)
Tanques de almacenamiento de hidrógeno en muchos mercados
Para Hexagon Purus en Noruega y NPROXX en los Países Bajos (una empresa conjunta 50:50 entre Cummins y Cimmaron Composites en los Estados Unidos, ha sido adquirida por Hanwha en Corea del Sur. La compañía anunció en 2021 que invertirá 130 millones de dólares estadounidenses en Alaba, EE. UU. La distribución también es un mercado importante para la construcción de una nueva planta de producción en Opelika, MA.
La aplicación de tanques de almacenamiento de hidrógeno no solo ha ganado crecimiento en el mercado de distribución, sino también en los campos de automóviles, camiones, transporte ferroviario y transporte marítimo. "Algunas de las furgonetas fabricadas en Europa funcionarán con hidrógeno", dijo Michael Himmen, director gerente y jefe de ventas de NPROXX, un fabricante de tanques de almacenamiento de hidrógeno. De acuerdo con las regulaciones europeas, para 2030, los OEM de camiones deben asegurarse de que las emisiones de CO2 de sus camiones se reduzcan en un promedio del 30 por ciento en comparación con los niveles de 2019. De acuerdo con la propuesta de Himmen, el 5 por ciento de los camiones europeos pueden usar energía de hidrógeno, lo que significa que se necesitarán un total de 15,000 a 20,000 camiones impulsados por hidrógeno cada año. Está seguro de que se podrían construir 2,000 furgonetas impulsadas por hidrógeno al año a partir de 2026-27 y crecer de manera constante a partir de ahí. Si cada vehículo está equipado con 5 a 7 tanques de almacenamiento de hidrógeno Tipo IV, dentro de 10 años, los camiones pesados pueden necesitar 100,000 tanques de almacenamiento de hidrógeno y 6,000 toneladas de fibra de carbono por año.
En términos de ferrocarriles, los trenes de hidrógeno Coradia iLint de Alstom se han puesto en uso en Alemania. 14 trenes a Baja Sajonia comenzaron a funcionar en 2021, y 27 trenes a la región principal del Rin comenzarán a funcionar en 2022. años de uso. Además, los trenes iLint se están probando actualmente en Austria y los Países Bajos. Los dos vagones del tren utilizan 24 tanques de almacenamiento de hidrógeno Tipo IV, que se colocan en compartimentos de techo en la parte superior de cada vagón, que también contienen celdas de combustible. Hexagon Composites suministró el tanque de almacenamiento de hidrógeno para el tren prototipo basado en su tanque de almacenamiento de servicio pesado con un diámetro de 416 mm y una longitud de 3128 mm, que puede contener 300 L o 9 kg de hidrógeno a una presión de 350 bar. Ahora, NPROXX ofrece tanques de almacenamiento de hidrógeno con un diámetro de 500 mm, una longitud de 2200 mm y una presión de almacenamiento de 350 bar para trenes iLint.
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Alstom ha vendido 41 trenes de hidrógeno Coradia iLint y está probando otros (imagen a través de Alstom)
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La compañía ferroviaria francesa SNCF ha pedido 12 trenes regionales de modo dual Coradia Polyvalent eléctricos y alimentados con hidrógeno de Alstom (imagen a través de Alstom)
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Alstom está trabajando con Eversholt Rail en el Reino Unido para convertir trenes eléctricos en trenes Breeze impulsados por hidrógeno (imagen a través de Alstom)
Otros desarrollos relacionados con los trenes propulsados por hidrógeno incluyen: el tren Mireo Plus H de 2 y 3 coches desarrollado por la alemana Siemens, que se probará en varias regiones de Alemania durante 2023-2024. Mientras tanto, Hexagon Purus está suministrando tanques de almacenamiento de hidrógeno Tipo IV para los trenes Vittal-One que Talgo de España comenzará a probar en 2023. Hexagon Purus también suministrará tanques de almacenamiento de hidrógeno a Swiss Stadler Rail para su primer tren FLIRT construido y probado en Suiza, que entrará en servicio en San Bernardino, California, EE. UU. en 2024.
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Siemens está desarrollando el tren Mireo Plus H para realizar pruebas en 2023-2024 (imagen de Siemens)
En términos de envío, Hexagon Purus anunció en junio de 2021 que establecerá una nueva subsidiaria, Hexagon Purus Maritime. "Ahora estamos viendo un rápido aumento en la demanda y las acciones de hidrógeno en el mercado marino", explica Jørn Helge Dahl, director de ventas y marketing de Hexagon Purus. Las aplicaciones de almacenamiento en alta mar brindan una solución ideal". Dahl cree que la industria marítima verá cada vez más proyectos que se invertirán en el sector a medida que se acerque el 2030, impulsados por los objetivos establecidos por la Organización Marítima Internacional (OMI, Londres, Reino Unido). Estos proyectos incluyen : Todos los barcos nuevos y existentes deben reducir las emisiones de CO2 en un 40 % para 2030 y en un 70 % para 2050, en comparación con 2008.
En la aviación, 2020 vio un repentino aumento del interés en el hidrógeno cuando el gobierno francés rescató a Airbus debido a las consecuencias de la pandemia de COVID-19 y le exigió que trajera aviones comerciales impulsados por hidrógeno al mercado para 2035. En el verano de 2020, Airbus lanzó su proyecto ZEROe con tres modelos de aviones, el 1/3 trasero de los cuales se utiliza para almacenar hidrógeno líquido y requiere control criogénico.
Otra opción para los turbohélices regionales es el módulo de doble tanque desarrollado por la empresa estadounidense Universal Hydrogen, que utiliza un marco de CFRP. "Proporcionamos los módulos a pedido, por lo que no hay necesidad de una instalación de almacenamiento de hidrógeno", explicó JP Clarke, CTO de Universal Hydrogen. “Estos módulos se pueden cargar en la aeronave de manera sencilla, al igual que las baterías o los utensilios de cocina”. La compañía anunció en 2021 que ha firmado cartas de intención con tres aerolíneas regionales para adaptar los sistemas de propulsión impulsados por hidrógeno para los aviones turbohélice existentes.
La empresa estadounidense ZeroAvia anunció en abril de 2021 que está desarrollando un 2-asiento para un jet regional de 50-asiento.
MW de sistemas de propulsión eléctricos de hidrógeno. La compañía completó $24,3 millones en financiamiento en 2021, lo que la ayudará a lograr la comercialización en 2024 y comenzar a prestar servicios a aviones regionales civiles en 2026.
Los desafíos del almacenamiento de hidrógeno
Los contenedores de tipo IV también enfrentan serios problemas. En particular, el costo de la fibra de carbono hace que estos contenedores sean muy caros. Otro tema clave es la densidad de almacenamiento. Si bien el hidrógeno comprimido proporciona tres veces la energía por masa de gasolina, su energía por volumen es considerablemente menor, lo que requiere contenedores grandes para soportar las altas presiones necesarias para almacenar suficiente combustible. El hidrógeno en realidad ofrece una densidad más alta como líquido criogénico cuando se almacena a -253 grados, mientras que cuando se almacena en un tanque de compresión criogénica (CCH2) a -230 grados, 300 bar, se dice que el hidrógeno tiene una densidad más alta que cuando se almacena a 700 bar 50 por ciento más alto en contenedores Tipo IV. Los tanques criogénicos son generalmente metálicos, y aún no se ha demostrado que los tanques criogénicos hechos de materiales más compuestos tengan exactamente el mismo rendimiento y vida útil a la fatiga que los contenedores de gas comprimido Tipo IV, que se han acumulado durante 25 años.
Otro problema es que la producción de millones de tanques de almacenamiento de hidrógeno necesarios para cumplir con los objetivos de demanda de infraestructura y vehículos de celdas de combustible (FCV) puede no estar disponible a tiempo para las grandes cantidades de fibra de carbono requeridas. "Obtener suficiente fibra de carbono es una de nuestras principales preocupaciones". Himmen de NPROXX dijo que el desempeño de la compañía en el año fiscal 2020-2021 se ha duplicado y seguirá duplicándose en el próximo año fiscal. "No estamos solos, creo que Hexagon está creciendo al mismo ritmo. Necesitamos fibra de carbono con cierta calidad y rendimiento a un precio determinado". Actualmente, la mayoría de los buques Tipo IV utilizan fibra T700 de Toray (resistencia a la tracción 4900MPa, módulo 230MPa) o fibras similares. "La fibra no es lo suficientemente fuerte, lo que significa que debe enrollarse unas cuantas veces más, lo que hace que el contenedor sea más grueso, lo cual es inaceptable. Si no sabe ahora de dónde vendrá su fibra el próximo año, es posible que realmente tenga detener la producción".
Otro gran desafío para las embarcaciones Tipo IV es el costo de las embarcaciones de fibra de carbono y CFRP. Los nuevos fabricantes de embarcaciones y los proveedores automotrices franceses de nivel 1, Plastic Omnium y Faurecia, han establecido objetivos para reducir el costo de los tanques de almacenamiento de hidrógeno Tipo IV entre un 30 % y un 75 % para 2030, al tiempo que aumentan la eficiencia del almacenamiento. aumentar en más del 7 por ciento. Con este fin, constantemente se introducen nuevas tecnologías, desde la tecnología FPP utilizada por Cevotec en Alemania para acortar el tiempo y el costo del revestimiento de CFRP para cúpulas de contenedores, hasta la tecnología de bobinado 3D lanzada por Cygnet Texkimp en el Reino Unido para reducir el daño de la fibra, ya la tecnología de detección de contenedores in situ lanzada por Com&Sens, especialista en integración de sensores de materiales compuestos, Bélgica.
