2050 年までにゼロエミッションを達成するという世界目標により、複合圧力容器の急速な成長が促進されています。
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複合圧力容器
高圧ガス貯蔵容器は、先端複合材料、特にフィラメント巻き炭素繊維複合材料にとって最大かつ急速に成長している市場の 1 つです。 これらは自給式呼吸器に使用したり、航空宇宙車両に酸素とガスを貯蔵したりするために使用できますが、主な最終市場は液化プロパンガス (LPG)、圧縮天然ガス (CNG)、再生可能天然ガス (RNG)、および水素です。 (H2) ストレージ。 LPG シリンダーは自動車に使用されていますが、発展途上国の調理および暖房市場でも需要が高まっています。
圧縮天然ガス (CNG)、再生可能天然ガス (RNG)、水素 (H2) などの燃料システムは、乗用車、バス、バン、その他の「ガソリン スタンドの補給や産業現場での大量輸送」で使用されることが増えています。車両用途では、これらは燃料貯蔵タンクは、ガソリン、ディーゼル、ジェット燃料を削減または代替するクリーンでゼロエミッションのパワートレインの重要な部分です。これらのパワートレインは、バッテリー駆動車両に充電不要のオプションも提供し、化石燃料を給油するのと同様の給油インフラと給油時間を必要とします。燃料。
圧力容器には次の 5 種類があります。
タイプ I: すべて金属構造、通常は鋼構造。
タイプ II: ほとんどが金属で、いくつかのフープ巻きファイバーが含まれています。通常はスチールまたはアルミニウムの金属とグラスファイバーの複合材で、金属コンテナは複合材とほぼ同じ構造負荷を共有します。
タイプ III: 金属ライナーは複合材料で完全に包まれ、通常は炭素繊維複合材料がアルミニウム ライナーの周りに包まれ、複合材料が構造的負荷に耐えます。
タイプ IV: 全複合構造。通常、インナータンクはポリアミド (PA) または高密度ポリエチレン (HDPE) 製で、インナータンクにはカーボンファイバーまたはカーボンファイバー/グラスファイバーを混合した複合材料が巻かれており、複合材料材料はすべての構造負荷に耐えます。
タイプ V: ライナーレス、オール複合構造。
従来はⅠ型が市場の90％以上を占めていましたが、複合材料による軽量化や圧縮ガスの貯蔵効率の向上によるⅢ型、Ⅳ型圧力容器の販売増加により変化し始めました。 タイプ V はまだ初期段階にあり、主に宇宙用途のニーズに応えます。 新たな宇宙産業の発展に伴い、注目すべき製品タイプです。 たとえば、2020 年 4 月に米国企業 Infinite Composites Technologies (ICT) は、ロケット推進ロケットの極低温液体推進剤を保管するために使用される球形の V 字型極低温タンクを開発しました。 このライナーレスカーボンファイバーエポキシ雪氷球タンクは、フィラメントワインディングと工業用オーブン硬化プロセスを使用して製造されています。
市場の推進力と成長率
この市場の主な推進力は、2050 年までに排出量ゼロを達成するために、化石燃料から CNG、RNG、H2 などの再生可能排出量削減燃料に切り替えることで気候への影響を削減するという世界的な取り組みの高まりです。 国際エネルギー機関の新しい報告書「2050年までに実質ゼロ排出：世界エネルギー部門のロードマップ」によると、政府がこれまでに行ってきた気候変動への取り組みは、もし完全に実現したとしても、2050年の気候変動削減目標には遠く及ばない。エネルギー関連の世界的な CO2 排出量を正味ゼロにすることは、代わりに地球の気温上昇を 1.5 度に抑える機会を世界に提供します。
上記の約束に加えて、米国のコネチカット州、メリーランド州、マサチューセッツ州、ニュージャージー州、ニューヨーク州、オレゴン州、ロードアイランド州、バーモント州、ワシントン州はすでに新たな化石燃料乗用車を生産しないと約束していることは言及に値する。 、カリフォルニア州、コロラド州、ハワイ州、メイン州、ノースカロライナ州、オレゴン州、ペンシルベニア州、コロンビア特別区に加わり、化石燃料を燃料とする中型および大型車両の新規販売を禁止する。
成長のもう一つの兆しとして、年間 1 億 3,000 万個の内燃エンジン (ICE) を生産する米国に本拠を置くカミンズ社は、その多くがバスや中型および大型トラックに使用されており、クラスの開発に投資しています。 8 台の燃料電池バンと水素燃料エンジン。 2021年6月、カミンズ氏は、今世紀末までにこれらの製品はディーゼルエンジンの総所有コスト（TCO）に近づき、将来の重量物輸送はディーゼルではなく水素、燃料電池、またはバッテリーによって駆動されるだろうと述べた。
2021年のGrandview Research Reportによると、2020年の天然ガス車（NGV）の世界販売は従来の予測を上回り、予測の2,440万台に対して実際には2,980万台が販売された。 また、レポートは、2021 年の販売台数が約 3,100 万台となり、2028 年には 3,890 万台に増加し、3.3% の年間平均成長率 (CAGR) を達成すると予測しています。 DataIntelo は、CNG 船市場では、タイプ I 船が市場の約 55 パーセントを占め、タイプ II、タイプ III、タイプ IV 船がそれぞれ市場の約 25 パーセント、15 パーセント、5 パーセントを占めていると主張しています。
AJR ConsultingのTony Roberts氏とCarbConsultのDan Pichler氏は、複合圧力容器における炭素繊維の需要は2021年の13,100トンから2026年には20,230トンに増加し、2021年の炭素繊維の総需要は106,700トンになると予測しています。 以下に、炭素繊維の総需要は 2026 年に 169,{10}} t に達すると予想されています。Roberts と Pichler は、圧力容器に使用される炭素繊維のほとんどが移動式パイプ (2026 年に 6,900 t) とバスに使用されると推定しています。バン（2026年に6400トン）。
さらに、世界中の新しい水素燃料自動車のリリースによると、60% の繊維を含有し、重量 5.6 kg の 700 バールの水素貯蔵タンクはそれぞれ、62-72 kg の炭素繊維を使用することになると推定されています。 2030 年までに、炭素繊維が必要となるのは水素貯蔵タンクだけになります。 その量は16万6650トンに達する。 しかし、これらの車両の予測は保守的で、水素を使用すると予想される重量物車両は 1% 未満、バスは 10% 未満、乗用車は 1% 未満です。
圧力容器に複合材料を使用
水素貯蔵用のタイプ IV 複合圧力容器は、プラスチックライナーの周りに炭素繊維を巻き付け、エポキシ樹脂を塗布することによって作られます。 高度に自動化されたターンキー水素貯蔵タンク生産ラインを設計および製造する複合材料装置のサプライヤーには、オランダの Autonational Composites、米国の Engineering Technology、米国の McClean Anderson、マケドニアの MIKROSAM、ドイツの Roth Composite Machinery が含まれます。は、新しい Rothawin 技術を使用すると、水素貯蔵タンクの生産を 5 ～ 10 倍速くできると主張しています。 MIKROSAM は、顧客であるロシアの JSC DPO Plastik が、年間 60,000 個のコンテナを巻き取ることができる世界最大の生産ラインを CNG コンテナと水素貯蔵タンクの生産に使用していると主張しています。
ドイツの Cevotec は、圧力容器のドーム領域にファイバー パッチ配置 (FPP) システムを使用することで、材料を 20% 節約し、サイクル タイムを 20% 節約できると述べています。 Cevotec の CEO は、1kg の水素を貯蔵するには、容器内の作動圧力が最大 700 bar であるため、約 10kg の炭素繊維が必要となり、これは非常に高い比率であると説明しました。 FPP システムは、慎重に設計されたカーボンファイバーパッチを、巻き取りプロセス中に問題が発生することがある領域に正確に適用することができます。 複数の巻取機のコンテナを1台のFPPシステムで補強できるという。
圧縮ガス貯蔵に使用されるほとんどのタイプ IV 圧力容器は構造補強に炭素繊維を使用し、損傷を防ぐために外層にガラス繊維を使用していますが、ノルウェーの Umoe Advanced Composites (UAC) はタイプ IV 圧力容器にガラス繊維のみを使用しています。 UAC は自動車市場ではなく天然ガス輸送市場向けに 200-350 個のバー容器を提供しており、2022 年には製品ポートフォリオを拡大して 450-500 個のバー容器を追加する予定です。UAC CEO オイビンド・ハムレ氏が述べたように、ガラス繊維- 強化ポリマー (GFRP) 容器のコストは鋼製容器と同じですが、70% 軽量です。 CFRP コンテナと比較すると、GFRP コンテナは重いですが、コストは 50% 削減されます。
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ガラス繊維強化複合材料で作られたタイプ IV 容器は、炭素繊維複合材料よりも安価で、鋼鉄容器よりも軽量です (写真は Umoe Advanced Composites より)
多くの市場にある水素貯蔵タンク
ノルウェーのヘキサゴン・プルス社とオランダのNPROXX社（米国カミンズ社とシマロン・コンポジット社の折半出資の合弁会社）は、韓国のハンファ社に買収され、2021年に1億3,000万米ドルを投資すると発表した。米国アラバ市 流通は、マサチューセッツ州オペライカに新しい生産工場を建設するための重要な市場でもあります。
水素貯蔵タンクの応用は、流通市場だけでなく、乗用車、トラック、鉄道輸送、海上輸送の分野でも拡大しています。 水素貯蔵タンクのメーカーであるNPROXX社のマネージング・ディレクター兼営業責任者であるマイケル・ヒメン氏は、「欧州で製造されるバンの一部は水素で動くことになるだろう」と語った。 欧州の規制によれば、トラック OEM は 2030 年までに、自社のトラックからの CO2 排出量を 2019 年のレベルと比較して平均 30% 削減する必要があります。 ヒンメン氏の提案によると、ヨーロッパのトラックの 5% が水素発電を利用できるということは、合計で 15000 から 20000 台の水素燃料トラックが毎年必要になるということです。 彼は、2026-27 から年間 2,000 台の水素燃料バンを製造し、そこから着実に成長できると確信しています。 各車両に 5 ～ 7 個のタイプ IV 水素貯蔵タンクが装備されている場合、10 年以内に大型トラックには年間 100,000 個の水素貯蔵タンクと 6,000 トンの炭素繊維が必要になる可能性があります。
鉄道に関しては、アルストムの Coradia iLint 水素動力列車がドイツで実用化されました。 2021 年にはニーダー ザクセン州への 14 本の列車が運行を開始し、2022 年にはライン川主要地域への 27 本の列車が運行される予定です。 さらに、iLint トレインは現在オーストリアとオランダでテストされています。 列車の 2 両の車両は 24 個の IV 型水素貯蔵タンクを使用しており、各車両の上部の屋根上の区画に設置されており、燃料電池も含まれています。 Hexagon Composites は、直径 416 mm、長さ 3128 mm の頑丈な貯蔵タンクをベースにしたプロトタイプ列車用の水素貯蔵タンクを供給しました。このタンクは、350 バールの圧力で 300 L または 9 kg の水素を保持できます。 現在、NPROXX は、直径 500mm、長さ 2200mm、貯蔵圧力 350bar の水素貯蔵タンクを iLint トレイン向けに提供しています。
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アルストムは 41 台の Coradia iLint 水素動力列車を販売し、他の列車もテスト中です (写真はアルストム経由)
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フランスの鉄道会社SNCFは、アルストムの電気と水素を動力とするデュアルモード地方列車「コラディア・ポリバレント」12両を発注した（写真はアルストム経由）
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アルストムは英国のエバーショルト鉄道と協力して、電車を水素動力のブリーズ電車に改造している（写真はアルストム経由）
水素動力列車に関連するその他の開発には、ドイツのシーメンス社が開発した 2 両および 3 両の車両を備えたミレオ プラス H 列車が含まれます。この列車は、2023-2024 中にドイツのいくつかの地域で試験が行われます。 一方、ヘキサゴン・ピューラスは、スペインのタルゴが2023年に試験を開始するヴィタル・ワン列車にタイプIVの水素貯蔵タンクを供給している。また、ヘキサゴン・ピューラスは、スイスで建設され試験されている同社初のFLIRT列車用に、スイスのシュタドラー鉄道にも水素貯蔵タンクを供給する予定である。は2024年に米国カリフォルニア州サンバーナーディーノで就航する予定。
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シーメンスは、2023-2024 でのテスト用に Mireo Plus H トレインを開発中です (写真はシーメンスから提供)
海運関連では、ヘキサゴン・ピューラスは2021年6月に新たな子会社ヘキサゴン・ピューラス・マリタイムを設立すると発表した。 「現在、海洋市場における水素の需要と取り組みが急速に増加しています」と Hexagon Purus のセールスおよびマーケティング ディレクターの Jørn Helge Dahl 氏は説明します。 オフショア保管アプリケーションは理想的なソリューションを提供します。」ダール氏は、国際海事機関 (IMO、英国ロンドン) が設定した目標に基づいて、海事業界では 2030 年が近づくにつれ、この分野にますます多くのプロジェクトが投資されると考えています。これらのプロジェクトには次のようなものがあります。 ：すべての新造船と既存船は、2008 年と比較して、CO2 排出量を 2030 年までに 40 パーセント、2050 年までに 70 パーセント削減する必要があります。
航空業界では、フランス政府が新型コロナウイルス-19のパンデミックによる影響でエアバスを救済する一方、2035年までに水素を燃料とする民間航空機を市場に投入することを義務付けたため、2020年に水素への関心が急激に高まった。 2020年の夏、エアバスは3つの航空機モデルによるZEROeプロジェクトを開始したが、その後部1/3は液体水素の貯蔵に使用され、極低温制御が必要となる。
地域用ターボプロップ機のもう 1 つのオプションは、米国のユニバーサル ハイドロジェン社が開発した CFRP フレームを使用するツインタンク モジュールです。 「当社はオンデマンドでモジュールを提供するため、水素貯蔵施設は必要ありません」とユニバーサル・ハイドロジェンの最高技術責任者（CTO）であるJP Clarke氏は説明する。 「これらのモジュールは、バッテリーやキッチン用品と同じように、簡単な方法で航空機に搭載できます。」 同社は2021年に、既存のターボプロップ航空機に水素動力の推進システムを改修するための意向書を地域航空会社3社と締結したと発表した。
米国企業 ZeroAvia は、2021 年 4 月に、50- 座席のリージョナル ジェットの 2- 座席を開発中であると発表しました。
MW の水素電気パワートレイン。 同社は2021年に2,430万ドルの資金調達を完了しており、これにより2024年に商業化が達成され、2026年には民間地域航空機への運航が開始される予定だ。
水素貯蔵の課題
タイプ IV コンテナも深刻な問題に直面しています。 最も注目すべきは、炭素繊維のコストにより、これらのコンテナが非常に高価になっていることです。 もう 1 つの重要な問題は、ストレージ密度です。 圧縮水素はガソリンの質量あたり 3 倍のエネルギーを提供しますが、体積あたりのエネルギーはかなり低いため、十分な燃料を貯蔵するために必要な高圧に耐える大きな容器が必要です。 実際、水素は -253 度で保管すると極低温液体としてより高い密度を示しますが、-230 度、300 bar で極低温圧縮 (CCH2) タンクに保管すると、水素の密度がより高くなると言われています。タイプ IV コンテナで 50% 高い 700 bar で保管した場合よりも優れています。 極低温タンクは一般に金属製であり、より複合材料で作られた極低温タンクは、タイプ IV 圧縮ガスコンテナで実証されているのとまったく同じ性能と疲労寿命を持っていることはまだ実証されていません。これらの性能データは 25 年間にわたって蓄積されています。
もう1つの問題は、燃料電池車（FCV）やインフラの需要目標を満たすために必要な数百万個の水素貯蔵タンクの生産が、必要な大量の炭素繊維の供給に間に合わない可能性があることだ。 「炭素繊維を十分に入手することが私たちの主な関心事の一つです。」 NPROXX の Himmen 氏は、2020-2021 会計年度の同社の業績は 2 倍になり、来年度も引き続き 2 倍になるだろうと述べました。 「私たちは一人ではありません。ヘキサゴンも同じペースで成長していると思います。私たちは、一定の価格帯で一定の品質と性能を備えたカーボンファイバーを必要としています。」 現在、ほとんどのタイプ IV 容器は、東レの T700 繊維 (引張強度 4900MPa、弾性率 230MPa) または類似の繊維を使用しています。 「繊維の強度が十分ではないため、さらに数回巻き付ける必要があり、その結果容器が厚くなり、これは容認できません。来年繊維がどこから来るのか今分からないのであれば、本当にわかっているかもしれません。」生産を中止します。」
タイプ IV 船舶のもう 1 つの大きな課題は、炭素繊維および CFRP 船舶のコストです。 新興船舶メーカーとフランスのティア1自動車サプライヤーであるプラスチックオムニアムとフォルシアはいずれも、貯蔵効率を高めながらタイプIV水素貯蔵タンクのコストを2030年までに30パーセントから75パーセント削減するという目標を設定した。 7パーセント以上増加しました。 この目的を達成するために、ドイツの Cevotec がコンテナドームの CFRP ラッピングの時間とコストを短縮するために使用している FPP 技術から、繊維の損傷を軽減するために英国の Cygnet Texkimp が開始した 3D 巻線技術まで、新しい技術が継続的に導入されています。ベルギーの複合材料センサー統合の専門家である Com&Sens によって開始された現場コンテナ検出技術。
