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发展中的复合材料气压罐

作者: 来源: 发布于:2019-11-27 9:51:03

来自经济和环境方面的压力正在驱使复合材料的气压罐在个人和公共运输领域中的广泛应用,这同时将带来复合材料制造能力的扩张以及相关技术的不断改进和提高。


国际燃气车协会(IANGV)对未来10年NGV产量的增长情况所做的保守预测是:每年18%的增长率。按照这个增长比率,到2020年底,将有大约6500万辆的NGV汽车行驶在全球的道路上。虽然目前的可燃气体多种多样,但是,只有液化天然气(LNG)和压缩天然气(CNG)可用于汽车的动力系统中。在北美和欧洲,LNG系统已成为许多中、重型汽车的组成部分,但是,在低温下生成并贮存LNG却极大地增加了LNG的使用成本,这使得低成本的CNG系统得到了广泛应用。


正因如此,使得低成本的CNG气压罐受到人们的青睐。一般,气压罐常见于客运汽车以及80%的中、重型卡车和公共汽车上,这表明市场每年需要上百万的CNG气压罐,其中很大一部分是由增强复合材料制造而成的。


今天,按照气压罐的不同构成方式,可将其区分为4种类型:第一种是以普通的钢材制成的全金属结构的气压罐;第二种是大部分采用金属材料,并沿环向缠有纤维丝,以构成复合材料的外壳。这种类型的气压罐通常包括钢(或铝)制成的金属罐和玻纤复合材料制成的外壳,它们分别承受同等的结构载荷;第三种是金属内衬加全复合材料的外壳,通常为铝内衬和碳纤维增强的复合材料外壳,结构载荷由复合材料外壳承受;第四种则完全采用了复合材料:内层采用的是聚合物(特别是高密度的聚乙烯或HDPE),外部则采用碳纤维或碳/玻璃纤维混合的复合材料。显然,这种类型气压罐的结构载荷完全由复合材料结构来承受。


无论是哪种类型的气压罐,各有其优缺点。第一种气压罐的价格最低,按容积计算的生产成本大概是$5/L。此外,用于制造此种气压罐的金属加工设备和技术也应用得非常成熟。但其重量也是最大的,大约为1.4kg/L。相比之下,第二种气压罐的制造成本要高出50%,但重量却降低了30%-40%。第三种气压罐和第四种气压罐的重量均明显低于前两种,大约为0.3-0.45kg/L。然而,它们的制造成本大约是第二种的2倍和全金属气压罐的3.5倍。


1、受控于价格因素的气压罐市场


就全球NGV市场来看,最大的市场是南美洲(49%)和中东地区(26%)。目前,阿根廷、巴西、巴基斯坦、意大利和伊朗是使用NGV最多的5个国家,它们的NGV总数占据了全球NGV总数的75%。显然,NGV产业已成为这些国家的经济支柱。在这些国家中,影响人们购买NGV的主要驱动力是成本因素。正因如此,在除意大利以外的其他几个国家中,第一种类型的CNG气压罐便成为用量最多的品种,但这也限制了这些国家的复合材料产业的发展。据预测,在今后的几年中,第一种类型的气压罐在这些国家中仍将保持93%的市场份额。


2、复合材料气压罐的价值


尽管目前的市场表现对复合材料气压罐制造商不会有太大的激励作用,但根据已经凸现的未来NGV销售增长的情况分析,第二、第三和第四种类型的气压罐的需求增长率将达到7%,这意味着对复合材料、相关的制造装备和加工技术的需求也将有快速的增长。


目前已有几个因素预示了这种增长趋势。首先,全部或部分采用复合材料的气压罐有助于降低燃料系统和车辆的重量。以一个典型的公共汽车或商用卡车为例,采用第三或第四种类型的气压罐能够使车辆的燃料系统减轻超过454kg的重量;其次,复合材料的气压罐放宽了对气体密封压力的限制,它可提供良好的能量贮存密封性。对于很多的高压应用而言,通常要求容器能够承受350kg/cm2或更大的压力,而第三及第四种类型的气压罐最适合此类应用;第三,复合材料极大地提高了气压罐的耐腐蚀性和整体安全性;最后,对于以碳纤维束作为增强体的复合材料气压罐而言,出色的抗疲劳强度提高了此种气压罐的使用寿命。一般,以碳纤维增强复合材料制成的第三和第四种气压罐能够使用30年,其寿命是前两种气压罐的2倍。


基于这些优势,再结合当前居高不下的石油燃料成本,使得包括欧洲及北美在内的其他很多国家和地区对发展复合材料产业也表现出了越来越大的兴趣。在印度、中国、阿根廷和伊朗,一些公司正在开发除第一种气体贮存系统之外的其他产品,这也为高附加值产品带来了竞争机遇,而这些产品的制造技术目前仍主要被欧洲和北美的制造商所掌握。尽管技术掌控权在一定程度上限制了碳纤维复合材料及相关的制造装备和加工技术在一些国家的应用,但却无法阻止中国、印度、阿根廷和其他一些国家的气压罐制造商的开发进程。


3、成长中的市场


按照先前的预测,CNG气压罐需求增长最强劲的市场将出现在发展中国家。2008年,已有超过200万辆的由CNG驱动的汽车被交付使用,其中大约有90%的产品被卖到了除欧洲和北美以外的其他地区,而这90%的产品意味着将要使用大约450万个第一种气压罐类型,以及少量的第二种气压罐类型。


相比之下,在2009~2013年期间,欧洲和北美市场对此类气压罐系统的需求量渴望达到200万,而世界上其他国家的总需求量大约是3200万。


伴随着经济全球化的向前推进,一些具有高技术水平的气压罐制造商们会发现,他们正面临着一个极好的向外扩张的机遇。他们可以在世界上经济增长较快的地区建立制造基地,或者拥有全资子公司,或者与当地发展较好的公司成立合资企业。在当前欧洲和美国CNG公共汽车销售整体下滑的情况下,对于那些想在今后2年内维持或提升业务的、生产第三和第四种气压罐的制造商们而言,向外扩张是一个不错的选择。


从2009年到2013年期间,人们渴望能有3650万个气压罐被生产出来,其中大约250万是第二、第三和第四种CNG气压罐。目前,这3种类型的气压罐的年产量大约是29.5万个,这意味着310万kg的复合材料制成品,产值大约是$1.05亿。预计在今后5年内,这一数字将以年均19%的速度增长,尽管预期2009年的增长率是5%~8%。到2013年,全球复合材料气压罐的销售额渴望达到$2.5亿。由于这一市场具有极大的增长潜力,因此到下一个10年结束时,这一市场的总销售额渴望达到$5.6亿,每年所消耗的玻璃纤维和碳纤维复合材料将超过9072t。


总之,上述的复合材料气压罐的增长情况预示着未来将出现复合材料制造能力的巨大扩张,这也将为许多新的供应商带来机遇。虽然目前第三和第四种气压罐的销售出现了临时性的下滑,但此类产品的供应商们却正在扩张他们的生产能力。


快速增长的市场需求也意味着需要改进各种加工技术。对于那些生产用在轿车、小型公共汽车和大篷车上的小容量气压罐的制造商们而言,扩大产量的需求将促使他们投资自动化的生产设备。在此方面,能够同时生产多个气压罐的长丝缠绕系统有助于大幅度削减制造成本和人力成本。此外,对碳纤维制造技术向世界一些敏感地区转移的限制仍将继续,这将有助于进一步改进高强度的玻璃纤维的设计性能,使其优于今天的无碱玻纤产品,如AGY公司新的S-1产品。


除了NGV市场外,人们还在拓展复合材料气压罐的一些新的应用领域,特别是用于燃料电池系统的氢气贮存罐以及一些大容量的气体贮存和运输领域中。


第三和第四种气压罐可以被大量用于批量运输系统中。它们能够被放在卡车拖车上,用来运送天然气,以满足没有铺设天然气管道的市场需求。相比之下,用于轿车或公共汽车的CNG气压罐的容积普遍在15~150L之间,而运送天然气的气压罐的容积则是它们的2倍或更大。迄今为止,最大的全复合材料的气压罐长12.2m,重2087kg,它由美国Lincoln Composites公司制造,商品名为“Titan”,该公司是挪威Raufoss Fuel Systems公司的姐妹公司,也是挪威Hexagon Composites公司的一个子公司。在2008年的上半年,加拿大的Dynetek Industries公司生产了2种第三种类型的气压罐,额定压力分别为210kg/cm2和455kg/cm2,它们都获得了美国运输部的认可,被用于批量运输系统中。据估算,到2013年以前,这种批量运输方式每年将带来大约726~816t的复合材料气压罐的需求量,价值大约是$5000万。


贮存氢气是CNG气压罐的另一个可扩展的应用领域,但前提是必须满足极高的性能要求。2008年6月,日本本田汽车公司开始有限制地生产FCX Clarity燃料电池车。该公司计划在2010年前,每年增加200辆。虽然燃料电池技术正在不断进步,但是,想在近期内解决燃料电池系统和气体贮存装置的高成本问题,从而在今后5年内实现大批量的生产,几乎是不可能的。特别是对于批量运输系统中使用的气压罐而言,尽管从长远发展来看,氢贮存应用领域为其提供了巨大的市场扩张机遇,但在短期内,氢贮存应用的市场潜力仍小于批量气体运输市场。




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