L'obiettivo globale di raggiungere zero emissioni entro il 2050 sta guidando una rapida crescita dei recipienti a pressione compositi.
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Recipienti a pressione compositi
I serbatoi di stoccaggio di gas ad alta pressione sono uno dei mercati più grandi e in più rapida crescita per i compositi avanzati, in particolare i compositi in fibra di carbonio a filamento avvolto. Sebbene possano essere utilizzati in autorespiratori e per fornire ossigeno e stoccaggio di gas per veicoli aerospaziali, il principale mercato finale è quello del gas propano liquefatto (GPL), del gas naturale compresso (CNG), del gas naturale rinnovabile (RNG) e dell'idrogeno (H2) stoccaggio. Mentre le bombole di GPL sono utilizzate nelle automobili, vi è una crescente domanda nei mercati della cucina e del riscaldamento nei paesi in via di sviluppo.
I sistemi di alimentazione come il gas naturale compresso (CNG), il gas naturale rinnovabile (RNG) e l'idrogeno (H2) sono sempre più utilizzati in automobili, autobus, furgoni e altri "Rifornimento di stazioni di servizio o trasporto di carichi sfusi presso siti industriali. Nelle applicazioni per veicoli, questi I serbatoi di stoccaggio del carburante sono una parte importante dei propulsori puliti e a emissioni zero che riducono o sostituiscono benzina, diesel e carburante per aerei.Questi propulsori forniscono anche un'opzione senza carica per i veicoli alimentati a batteria, richiedendo infrastrutture di rifornimento e tempi di rifornimento simili al rifornimento di carburante fossile combustibili.
Esistono 5 tipi di recipienti a pressione:
Tipo I: costruzione interamente in metallo, generalmente in acciaio.
Tipo II: principalmente metallo con alcune fibre avvolte nel cerchio, solitamente acciaio o alluminio, metallo e compositi in fibra di vetro, il contenitore metallico condivide all'incirca gli stessi carichi strutturali del composito.
Tipo III: il rivestimento metallico è completamente avvolto con materiali compositi, solitamente i materiali compositi in fibra di carbonio sono avvolti attorno al rivestimento in alluminio e il materiale composito sopporta il carico strutturale.
Tipo IV: struttura interamente composita, solitamente un serbatoio interno in poliammide (PA) o polietilene ad alta densità (HDPE), il serbatoio interno è avvolto con fibra di carbonio o un materiale composito misto a fibra di carbonio/fibra di vetro e il composito il materiale sopporta tutti i carichi strutturali.
Tipo V: costruzione senza rivestimento, interamente in composito.
Tradizionalmente, il tipo I deteneva oltre il 90% del mercato, ma ciò è stato reso possibile dall'aumento delle vendite di recipienti a pressione di tipo III e IV grazie alla riduzione del peso dei materiali compositi e alla migliore efficienza di stoccaggio del gas compresso. Il tipo V è ancora agli inizi e soddisfa principalmente le esigenze delle applicazioni spaziali. Con lo sviluppo della nuova industria spaziale, questo è un tipo di prodotto degno di attenzione. Ad esempio, nell'aprile 2020, la società statunitense Infinite Composites Technologies (ICT) ha sviluppato un serbatoio criogenico a forma di V sferica A utilizzato per immagazzinare propellenti liquidi criogenici su veicoli di lancio spaziale a razzo. Questo serbatoio per criosfera epossidica in fibra di carbonio senza rivestimento è prodotto utilizzando l'avvolgimento di filamenti e il processo di polimerizzazione in forno industriale.
Driver di mercato e tassi di crescita
Il principale driver di questo mercato è il crescente impegno globale per ridurre l'impatto sul clima passando dai combustibili fossili a combustibili rinnovabili e a riduzione delle emissioni come CNG, RNG e H2 per raggiungere zero emissioni entro il 2050. Secondo un nuovo rapporto dell'Agenzia internazionale per l'energia, "Net Zero Emissions by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector": gli impegni sul clima che i governi hanno assunto finora, se pienamente realizzati, sono ben al di sotto del 2050 L'obiettivo di ridurre a zero le emissioni globali nette di CO2 legate all'energia offre invece al mondo l'opportunità di limitare l'aumento delle temperature globali a 1,5 gradi.
Vale la pena ricordare che, oltre agli impegni di cui sopra, gli Stati americani di Connecticut, Maryland, Massachusetts, New Jersey, New York, Oregon, Rhode Island, Vermont e Washington si sono già impegnati a non produrre nuove autovetture a combustibili fossili, nel frattempo , si uniscono a California, Colorado, Hawaii, Maine, Carolina del Nord, Oregon, Pennsylvania e Distretto di Columbia per vietare la vendita di nuovi veicoli medi e pesanti alimentati a combustibili fossili.
In un altro segno di crescita, la statunitense Cummins Inc., che produce 130 milioni di motori a combustione interna (ICE) all'anno, molti dei quali vengono utilizzati su autobus e autocarri medi e pesanti, ha investito nello sviluppo di una Classe 8 furgone a celle a combustibile e un motore alimentato a idrogeno. Nel giugno 2021, Cummins ha affermato che entro la fine di questo secolo, questi prodotti si avvicineranno al costo totale di proprietà (TCO) di un motore diesel e che il futuro trasporto pesante sarà alimentato a idrogeno, celle a combustibile o batterie anziché diesel.
Le vendite globali di veicoli a gas naturale (NGV) nel 2020 sono state superiori a quanto precedentemente previsto: 29,8 milioni di unità sono state effettivamente vendute contro i 24,4 milioni previsti, secondo il Grandview Research Report del 2021. Il rapporto prevede inoltre che le vendite nel 2021 saranno di circa 31 milioni di unità e aumenteranno a 38,9 milioni di unità nel 2028, raggiungendo un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 3,3%. DataIntelo afferma che nel mercato delle navi a metano, le navi di tipo I rappresentano circa il 55% del mercato, mentre le navi di tipo II, tipo III e tipo IV rappresentano rispettivamente circa il 25%, 15% e 5% del mercato.
Tony Roberts di AJR Consulting e Dan Pichler di CarbConsult hanno previsto che la domanda di fibra di carbonio nei recipienti a pressione compositi aumenterà da 13.100 t nel 2021 a 20.230 t nel 2026, e la domanda totale di fibra di carbonio nel 2021 dovrebbe essere di 106.700 t. Di seguito, la domanda totale di fibra di carbonio dovrebbe raggiungere le 169,{10}}t nel 2026. Roberts e Pichler stimano che la maggior parte della fibra di carbonio utilizzata nei recipienti a pressione andrà in tubi mobili (6900 t nel 2026) e autobus e furgoni (6400t nel 2026).
Inoltre, secondo il rilascio di nuovi veicoli alimentati a idrogeno in tutto il mondo, si stima che ogni serbatoio di stoccaggio dell'idrogeno da 700 bar contenente il 60% di fibra e del peso di 5,6 kg utilizzerà 62-72 kg di fibra di carbonio. Entro il 2030, solo i serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno avranno bisogno di fibra di carbonio. Il volume raggiungerà 166650t. Tuttavia, le proiezioni per questi veicoli sono prudenti, con solo l'1% dei veicoli pesanti, meno del 10% degli autobus e meno dell'1% delle auto che dovrebbero utilizzare l'idrogeno.
Utilizzo di materiali compositi per recipienti a pressione
I recipienti a pressione compositi di tipo IV per lo stoccaggio dell'idrogeno sono realizzati avvolgendo la fibra di carbonio attorno a un rivestimento di plastica e applicando resina epossidica. I fornitori di attrezzature per materiali compositi che progettano e producono linee di produzione chiavi in mano altamente automatizzate per serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno includono: Autonational Composites nei Paesi Bassi, Engineering Technology negli Stati Uniti, McClean Anderson negli Stati Uniti, MIKROSAM in Macedonia e Roth Composite Machinery in Germania, quest'ultima afferma che la produzione di serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno può essere resa da cinque a dieci volte più veloce con la sua nuova tecnologia Rothawin. MIKROSAM afferma che il suo cliente, la russa JSC DPO Plastik, ha utilizzato la più grande linea di produzione al mondo per la produzione di contenitori di GNC e serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno, in grado di avvolgere 60000 contenitori all'anno.
La tedesca Cevotec afferma di poter risparmiare il 20 percento di materiale e il 20 percento di tempo di ciclo utilizzando il suo sistema Fiber Patch Placement (FPP) nell'area della cupola di un recipiente a pressione. L'amministratore delegato di Cevotec ha spiegato che per immagazzinare 1 kg di idrogeno, la pressione di esercizio nel contenitore arriva fino a 700 bar, il che significa che sono necessari circa 10 kg di fibra di carbonio, che è un rapporto molto elevato. Il sistema FPP è in grado di applicare con precisione patch in fibra di carbonio accuratamente studiati in aree che a volte presentano problemi durante il processo di avvolgimento. Si dice che un singolo sistema FPP possa rinforzare i contenitori da più macchine avvolgitrici.
Mentre la maggior parte dei recipienti a pressione di tipo IV utilizzati per lo stoccaggio di gas compresso utilizza la fibra di carbonio per il rinforzo strutturale e la fibra di vetro per lo strato esterno per evitare danni, la norvegese Umoe Advanced Composites (UAC) utilizza solo fibra di vetro per i suoi recipienti di tipo IV. UAC offre 200-350 navi a barra per il mercato del trasporto di gas naturale piuttosto che il mercato automobilistico e nel 2022 amplierà il suo portafoglio di prodotti includendo 450-500 navi a barra. Come dichiarato dal CEO di UAC Øyvind Hamre, glass-fiber I recipienti in polimero rinforzato (GFRP) costano quanto i recipienti in acciaio, ma sono più leggeri del 70%. Rispetto ai contenitori CFRP, sebbene i contenitori GFRP siano più pesanti, riducono il costo del 50%.
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I recipienti di tipo IV realizzati con compositi rinforzati con fibra di vetro sono meno costosi dei compositi in fibra di carbonio e più leggeri dei recipienti in acciaio (foto tramite Umoe Advanced Composites)
Serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno in molti mercati
Per Hexagon Purus in Norvegia e NPROXX nei Paesi Bassi (una joint venture 50:50 tra Cummins e Cimmaron Composites negli Stati Uniti, è stata acquisita da Hanwha in Corea del Sud. La società ha annunciato nel 2021 che investirà 130 milioni di dollari USA ad Alaba, USA La distribuzione è anche un mercato importante per la costruzione di un nuovo stabilimento produttivo a Opelika, MA.
L'applicazione dei serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno non solo ha registrato una crescita nel mercato della distribuzione, ma anche nei settori delle automobili, dei camion, del trasporto ferroviario e del trasporto marittimo. "Alcuni dei furgoni costruiti in Europa saranno alimentati a idrogeno", ha affermato Michael Himmen, amministratore delegato e responsabile delle vendite di NPROXX, un produttore di serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno. Secondo le normative europee, entro il 2030, gli OEM di autocarri devono garantire che le emissioni di CO2 dei loro autocarri siano ridotte in media del 30% rispetto ai livelli del 2019. Secondo la proposta di Himmen, il 5% dei camion europei può utilizzare l'energia a idrogeno, il che significa che ogni anno saranno necessari da 15000 a 20000 camion alimentati a idrogeno. È sicuro che 2000 furgoni alimentati a idrogeno potrebbero essere costruiti all'anno a partire dal 2026-27 e da lì in costante crescita. Se ogni veicolo è dotato di 5-7 serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno di tipo IV, entro 10 anni i camion pesanti potrebbero aver bisogno di 100000 serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno e 6000 tonnellate di fibra di carbonio all'anno.
Per quanto riguarda le ferrovie, in Germania sono stati messi in servizio i treni a idrogeno Coradia iLint di Alstom. Nel 2021 sono entrati in servizio 14 treni per la Bassa Sassonia e nel 2022 27 treni per la regione del Reno principale. Inoltre, i treni iLint sono attualmente in fase di test in Austria e nei Paesi Bassi. I due vagoni del treno utilizzano 24 serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno di tipo IV, collocati in vani sul tetto sopra ogni vagone, che contengono anche celle a combustibile. Hexagon Composites ha fornito il serbatoio di stoccaggio dell'idrogeno per il treno prototipo basato sul suo serbatoio di stoccaggio per impieghi gravosi con un diametro di 416 mm e una lunghezza di 3128 mm, che può contenere 300 litri o 9 kg di idrogeno a una pressione di 350 bar. Ora, NPROXX fornisce serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno con un diametro di 500 mm, una lunghezza di 2200 mm e una pressione di stoccaggio di 350 bar per i treni iLint.
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Alstom ha venduto 41 treni Coradia iLint a idrogeno e ne sta testando altri (foto via Alstom)
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La compagnia ferroviaria francese SNCF ha ordinato 12 treni regionali dual-mode Coradia Polyvalent elettrici e a idrogeno di Alstom (foto via Alstom)
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Alstom sta lavorando con Eversholt Rail nel Regno Unito per convertire i treni elettrici in treni Breeze alimentati a idrogeno (foto via Alstom)
Altri sviluppi relativi ai treni alimentati a idrogeno includono: il treno Mireo Plus H con 2 e 3 carrozze sviluppato dalla tedesca Siemens, che sarà testato in diverse regioni della Germania durante il 2023-2024. Nel frattempo, Hexagon Purus fornisce serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno di tipo IV per i treni Vittal-One che la spagnola Talgo inizierà a testare nel 2023. Hexagon Purus fornirà anche serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno alla Swiss Stadler Rail per il suo primo treno FLIRT costruito e testato in Svizzera, che entrerà in servizio a San Bernardino, California, USA nel 2024.
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Siemens sta sviluppando il treno Mireo Plus H per i test in 2023-2024 (foto di Siemens)
In termini di spedizioni, Hexagon Purus ha annunciato nel giugno 2021 che costituirà una nuova filiale, Hexagon Purus Maritime. "Ora stiamo assistendo a un rapido aumento della domanda e delle azioni per l'idrogeno nel mercato marino", spiega Jørn Helge Dahl, direttore vendite e marketing di Hexagon Purus. Le applicazioni di stoccaggio offshore forniscono una soluzione ideale." Dahl ritiene che l'industria marittima vedrà sempre più progetti essere investiti nel settore man mano che il 2030 si avvicina, guidato dagli obiettivi fissati dall'Organizzazione marittima internazionale (IMO, Londra, Regno Unito). Questi progetti includono : Tutte le navi nuove ed esistenti devono ridurre le emissioni di CO2 del 40% entro il 2030 e del 70% entro il 2050, rispetto al 2008.
Nel settore dell'aviazione, il 2020 ha visto un'improvvisa ondata di interesse per l'idrogeno quando il governo francese ha salvato Airbus a causa delle ricadute della pandemia di COVID-19, chiedendogli di portare sul mercato aerei commerciali alimentati a idrogeno entro il 2035. Nell'estate del 2020, Airbus ha lanciato il suo progetto ZEROe con tre modelli di aeromobili, i cui 1/3 posteriori sono utilizzati per immagazzinare idrogeno liquido e richiedono un controllo criogenico.
Un'altra opzione per i turboelica regionali è il modulo a doppio serbatoio sviluppato dalla società statunitense Universal Hydrogen, che utilizza un telaio CFRP. "Forniamo i moduli su richiesta, quindi non c'è bisogno di un impianto di stoccaggio dell'idrogeno", ha spiegato JP Clarke, CTO di Universal Hydrogen. "Questi moduli possono essere caricati sull'aereo in modo semplice, proprio come le batterie o le forniture per la cucina". La società, annunciata nel 2021, ha firmato lettere di intenti con tre compagnie aeree regionali per il retrofit dei sistemi di propulsione alimentati a idrogeno per i velivoli turboelica esistenti.
La società statunitense ZeroAvia ha annunciato nell'aprile 2021 che sta sviluppando un 2-posto per un 50-posto jet regionale.
MW di propulsori idrogeno-elettrici. La società ha completato un finanziamento di 24,3 milioni di dollari nel 2021, che la aiuterà a raggiungere la commercializzazione nel 2024 e a iniziare a servire aerei regionali civili nel 2026.
Le sfide dello stoccaggio dell'idrogeno
Anche i contenitori di tipo IV devono affrontare seri problemi. In particolare, il costo della fibra di carbonio rende questi contenitori molto costosi. Un altro problema chiave è la densità di archiviazione. Mentre l'idrogeno compresso fornisce tre volte l'energia per massa della benzina, la sua energia per volume è considerevolmente inferiore, richiedendo grandi contenitori per resistere alle alte pressioni necessarie per immagazzinare abbastanza carburante. L'idrogeno offre effettivamente una densità maggiore come liquido criogenico se conservato a -253 gradi, mentre se conservato in un serbatoio di compressione criogenica (CCH2) a -230 gradi, 300 bar, si dice che l'idrogeno abbia una densità maggiore rispetto a quando conservato a 700 bar 50% in più in contenitori di tipo IV. I serbatoi criogenici sono generalmente metallici e non è stato ancora dimostrato che i serbatoi criogenici realizzati con più materiali compositi abbiano esattamente le stesse prestazioni e durata a fatica dimostrate nei contenitori di gas compresso di tipo IV, che sono stati dati sulle prestazioni accumulati in 25 anni.
Un altro problema è che la produzione di milioni di serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno necessari per soddisfare gli obiettivi di domanda di veicoli a celle a combustibile (FCV) e di infrastrutture potrebbe non essere disponibile in tempo per le grandi quantità di fibra di carbonio richieste. "Ottenere abbastanza fibra di carbonio è una delle nostre principali preoccupazioni". Himmen di NPROXX ha affermato che la performance dell'azienda nell'anno fiscale 2020-2021 è raddoppiata e continuerà a raddoppiare nel prossimo anno fiscale. "Non siamo soli, penso che Hexagon stia crescendo allo stesso ritmo. Abbiamo bisogno di fibra di carbonio con una certa qualità e prestazioni a un certo prezzo". Attualmente, la maggior parte delle navi di tipo IV utilizza la fibra T700 di Toray (resistenza alla trazione 4900 MPa, modulo 230 MPa) o fibre simili. "La fibra non è abbastanza forte, il che significa che deve essere avvolta più volte, il che rende il contenitore più spesso, il che è inaccettabile. Se non sai ora da dove verrà la tua fibra l'anno prossimo, potresti davvero avere fermare la produzione”.
Un'altra grande sfida per le navi di tipo IV è il costo delle navi in fibra di carbonio e CFRP. I nuovi produttori di navi e i fornitori automobilistici francesi di livello 1 Plastic Omnium e Faurecia hanno entrambi fissato obiettivi per ridurre il costo dei serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno di tipo IV dal 30% al 75% entro il 2030, aumentando al contempo l'efficienza di stoccaggio. aumentare di oltre il 7 per cento. A tal fine, vengono costantemente introdotte nuove tecnologie, dalla tecnologia FPP utilizzata da Cevotec in Germania per ridurre i tempi e i costi dell'avvolgimento in CFRP per le cupole dei container, alla tecnologia di avvolgimento 3D lanciata da Cygnet Texkimp nel Regno Unito per ridurre i danni alle fibre, e alla tecnologia di rilevamento dei contenitori in situ lanciata da Com&Sens, specialista nell'integrazione di sensori di materiali compositi, Belgio.
