2050년까지 배출량 제로를 달성한다는 글로벌 목표는 복합재 압력 용기의 급속한 성장을 주도하고 있습니다.
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복합 압력 용기
고압 가스 저장 용기는 고급 복합 재료, 특히 필라멘트 와인딩 탄소 섬유 복합 재료의 가장 크고 빠르게 성장하는 시장 중 하나입니다. 자급식 호흡 장치에 사용할 수 있고 항공 우주 차량에 산소 및 가스 저장 장치를 제공할 수 있지만 주요 최종 시장은 액화 프로판 가스(LPG), 압축 천연 가스(CNG), 재생 천연 가스(RNG) 및 수소입니다. (H2) 저장. LPG 실린더는 자동차에 사용되지만 개발 도상국의 요리 및 난방 시장에서 수요가 증가하고 있습니다.
압축 천연 가스(CNG), 재생 천연 가스(RNG) 및 수소(H2)와 같은 연료 시스템은 자동차, 버스, 밴 및 기타 "주유소 재공급 또는 산업 현장의 대량 운송에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 차량 응용 분야에서 이러한 연료 저장 탱크는 휘발유, 디젤 및 제트 연료를 줄이거나 대체하는 청정 무공해 파워트레인의 중요한 부분입니다. 이러한 파워트레인은 또한 배터리 구동 차량에 충전이 필요 없는 옵션을 제공하므로 연료 충전 인프라와 화석 연료 충전과 유사한 충전 시간이 필요합니다. 연료.
압력 용기에는 5가지 유형이 있습니다.
유형 I: 모든 금속 구조, 일반적으로 강철 구조.
유형 II: 일부 후프형 섬유가 있는 대부분의 금속, 일반적으로 강철 또는 알루미늄 금속 및 유리 섬유 합성물, 금속 용기는 합성물과 거의 동일한 구조적 하중을 공유합니다.
유형 III: 금속 라이너는 복합 재료로 완전히 감싸여 있으며, 일반적으로 탄소 섬유 복합 재료는 알루미늄 라이너를 감싸고 복합 재료는 구조적 하중을 받습니다.
유형 IV: 전체 복합 구조, 일반적으로 폴리아미드(PA) 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 만들어진 내부 탱크, 내부 탱크는 탄소 섬유 또는 탄소 섬유/유리 섬유가 혼합된 복합 재료로 감겨 있으며 복합 재료 재료는 모든 구조적 하중을 견뎌냅니다.
유형 V: 라이너리스, 전체 복합 구조.
전통적으로 Type I이 시장의 90% 이상을 점유했지만 이는 복합재료의 경량화와 압축가스의 저장 효율 향상으로 Type III 및 Type IV 압력용기의 판매 증가로 인해 변화하기 시작했다. 유형 V는 아직 초기 단계이며 주로 우주 응용 프로그램의 요구를 충족합니다. 새로운 우주 산업의 발전과 함께 주목할만한 제품 유형입니다. 예를 들어, 2020년 4월 미국 회사인 Infinite Composites Technologies(ICT)는 로켓 추진 우주 발사체에 극저온 액체 추진제를 저장하는 데 사용되는 구형 V자형 극저온 탱크를 개발했습니다. 이 라이너리스 탄소 섬유 에폭시 극저온층 탱크는 필라멘트 와인딩 및 산업용 오븐 경화 공정을 사용하여 제조됩니다.
시장 동인 및 성장률
이 시장의 주요 동인은 2050년까지 배출량 제로를 달성하기 위해 화석 연료에서 CNG, RNG 및 H2와 같은 재생 가능한 배출 감소 연료로 전환하여 기후에 미치는 영향을 줄이려는 전 세계적 노력입니다. 국제 에너지 기구(International Energy Agency)의 새로운 보고서에 따르면 "Net Zero Emissions by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector": 정부가 지금까지 한 기후 공약은 완전히 실현된다면 2050년까지 감축 목표에 훨씬 미치지 못할 것입니다. 순 에너지 관련 글로벌 CO2 배출량을 0으로 만드는 것은 대신 지구 온도 상승을 1.5도로 제한할 수 있는 기회를 세계에 제공합니다.
위의 약속 외에도 미국의 코네티컷, 메릴랜드, 매사추세츠, 뉴저지, 뉴욕, 오레곤, 로드아일랜드, 버몬트 및 워싱턴 주는 이미 새로운 화석 연료 승용차를 생산하지 않기로 약속했다는 점을 언급할 가치가 있습니다. , 캘리포니아, 콜로라도, 하와이, 메인, 노스캐롤라이나, 오레곤, 펜실베니아 및 컬럼비아 특별구에 합류하여 새로운 화석 연료 중대형 차량의 판매를 금지합니다.
성장의 또 다른 신호로, 연간 1억 3천만 대의 내연기관(ICE)을 생산하는 미국 기반의 Cummins Inc.가 버스와 중대형 트럭에 많이 사용되는 클래스 개발에 투자했습니다. 8 연료 전지 밴과 수소 연료 엔진. 2021년 6월 Cummins는 금세기 말까지 이러한 제품이 디젤 엔진의 총소유비용(TCO)에 접근할 것이며 미래의 대형 운송 수단은 디젤이 아닌 수소, 연료 전지 또는 배터리로 구동될 것이라고 말했습니다.
2020년 천연가스 차량(NGV)의 전 세계 판매량은 이전 예측보다 높았습니다. 2021 Grandview Research Report에 따르면 실제 판매된 판매량은 2,980만 대이며 예상 2,440만 대였습니다. 이 보고서는 또한 2021년 판매량이 약 3,100만 개, 2028년에는 3,890만 개로 증가하여 연평균 성장률(CAGR) 3.3%를 달성할 것으로 예측했습니다. DataIntelo는 CNG 용기 시장에서 Type I 용기가 시장의 약 55%를 차지하고 Type II, Type III 및 Type IV 용기가 각각 시장의 약 25%, 15% 및 5%를 차지한다고 주장합니다.
AJR Consulting의 Tony Roberts와 CarbConsult의 Dan Pichler는 복합재 압력 용기의 탄소 섬유 수요가 2021년 13,100t에서 2026년 20,230t으로 증가할 것이며, 2021년 탄소 섬유의 총 수요는 106,700t이 될 것으로 예상했습니다. 아래에서 탄소 섬유의 총 수요는 2026년에 169000t에 도달할 것으로 예상됩니다. Roberts와 Pichler는 압력 용기에 사용되는 대부분의 탄소 섬유가 이동식 파이프(2026년 6900t)와 버스 및 밴(2026년 6400t).
또한 전 세계적으로 출시되는 신형 수소연료전지차에 따르면 섬유질 60%, 무게 5.6kg의 700bar 수소저장탱크 1개당 62-72kg의 탄소섬유를 사용할 것으로 추정된다. 2030년까지 수소 저장 탱크에만 탄소 섬유가 필요합니다. 볼륨은 166650t에 도달합니다. 그러나 이러한 차량에 대한 예측은 보수적이어서 대형 화물 차량의 1%, 버스의 10% 미만, 자동차의 1% 미만이 수소를 사용할 것으로 예상됩니다.
압력 용기에 복합 재료 사용
수소 저장용 Type IV 복합재 압력 용기는 플라스틱 라이너에 탄소 섬유를 감고 에폭시 수지를 도포하여 만듭니다. 고도로 자동화된 턴키 수소 저장 탱크 생산 라인을 설계하고 제조하는 복합 재료 장비 공급업체는 다음과 같습니다. 네덜란드의 Autonational Composites, 미국의 Engineering Technology, 미국의 McClean Anderson, 마케도니아의 MIKROSAM 및 독일의 Roth Composite Machinery, 후자 Rothawin의 새로운 기술로 수소 저장 탱크 생산을 5~10배 더 빠르게 할 수 있다고 주장합니다. MIKROSAM은 고객인 러시아 JSC DPO Plastik이 연간 60,000 컨테이너를 감을 수 있는 CNG 컨테이너 및 수소 저장 탱크 생산을 위해 세계 최대 생산 라인을 사용했다고 주장합니다.
독일의 Cevotec은 압력 용기의 돔 영역에 FPP(Fiber Patch Placement) 시스템을 사용하여 재료를 20%, 사이클 시간을 20% 절약할 수 있다고 말합니다. Cevotec의 CEO는 수소 1kg을 저장하려면 용기의 작동 압력이 최대 700bar이므로 약 10kg의 탄소 섬유가 필요하며 이는 매우 높은 비율이라고 설명했습니다. FPP 시스템은 세심하게 설계된 탄소 섬유 패치를 와인딩 프로세스 중에 때때로 문제가 나타나는 영역에 정확하게 적용할 수 있습니다. 하나의 FPP 시스템으로 여러 권취기에서 컨테이너를 보강할 수 있다고 합니다.
압축 가스 저장에 사용되는 대부분의 Type IV 압력 용기는 구조 보강에 탄소 섬유를 사용하고 손상을 방지하기 위해 외층에 유리 섬유를 사용하는 반면 노르웨이의 UAC(Umoe Advanced Composites)는 Type IV 용기에 유리 섬유만 사용합니다. UAC는 자동차 시장이 아닌 천연 가스 운송 시장을 위한 200-350개의 바 용기를 제공하며 2022년에는 450-500개의 바 용기를 포함하도록 제품 포트폴리오를 확장할 예정입니다. UAC CEO Øyvind Hamre는 유리 섬유 -강화 폴리머(GFRP) 용기는 강철 용기와 비용은 동일하지만 70% 더 가볍습니다. CFRP 용기에 비해 GFRP 용기는 무겁지만 비용은 50% 절감됩니다.
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유리 섬유 강화 복합 재료로 만든 유형 IV 용기는 탄소 섬유 복합 재료보다 저렴하고 강철 용기보다 가볍습니다(Umoe Advanced Composites를 통한 사진).
많은 시장의 수소 저장 탱크
노르웨이의 Hexagon Purus와 네덜란드의 NPROXX(미국 Cummins와 Cimmaron Composites의 50:50 합작 회사로 한국의 Hanwha에 인수되었습니다. 이 회사는 2021년에 1억 3천만 달러를 투자할 것이라고 발표했습니다. 미국 알라바(Alaba), 매사추세츠주 오펠리카(Opelika)에 새로운 생산 공장을 건설하기 위한 유통업도 중요한 시장입니다.
수소저장탱크의 적용은 유통시장뿐만 아니라 자동차, 트럭, 철도운송, 해상운송 분야에서도 성장세를 보이고 있다. 수소 저장 탱크 제조업체인 NPROXX의 전무이사이자 영업 책임자인 마이클 힘멘(Michael Himmen)은 "유럽에서 생산되는 밴 중 일부는 수소로 구동될 것"이라고 말했습니다. 유럽 규정에 따르면 2030년까지 트럭 OEM은 트럭의 CO2 배출량을 2019년 수준에 비해 평균 30% 감소시켜야 합니다. Himmen의 제안에 따르면 유럽 트럭의 5%가 수소 동력을 사용할 수 있습니다. 즉, 매년 총 15000 ~ 20000의 수소 동력 트럭이 필요합니다. 그는 2,000 수소 동력 밴이 2026-27부터 시작하여 1년에 꾸준히 성장할 수 있다고 확신합니다. 각 차량에 5~7개의 Type IV 수소 저장 탱크가 장착된 경우 10년 이내에 대형 트럭에는 연간 100000 수소 저장 탱크와 6000 톤의 탄소 섬유가 필요할 수 있습니다.
철도 측면에서 Alstom의 Coradia iLint 수소 동력 열차는 독일에서 사용되었습니다. 니더작센으로 향하는 14개의 열차가 2021년에 운행을 시작했으며, 라인강 주요 지역으로 향하는 27개의 열차가 2022년에 운행을 시작할 예정입니다. 또한 iLint 열차는 현재 오스트리아와 네덜란드에서 테스트되고 있습니다. 열차의 두 대의 차량은 24개의 Type IV 수소 저장 탱크를 사용하며 연료 전지도 포함된 각 차량 상단의 지붕 구획에 배치됩니다. Hexagon Composites는 직경 416mm, 길이 3128mm의 대형 저장 탱크를 기반으로 시제품 열차용 수소 저장 탱크를 공급했으며, 350bar의 압력에서 300L 또는 9kg의 수소를 저장할 수 있습니다. 이제 NPROXX는 iLint 열차용으로 직경 500mm, 길이 2200mm, 저장 압력 350bar의 수소 저장 탱크를 제공합니다.
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Alstom은 41대의 Coradia iLint 수소 동력 열차를 판매했으며 다른 열차를 테스트하고 있습니다(Alstom을 통한 사진).
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프랑스 철도 회사 SNCF는 Alstom의 Coradia Polyvalent 전기 및 수소 동력 이중 모드 지역 열차 12대를 주문했습니다(Alstom을 통한 사진).
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Alstom은 영국의 Eversholt Rail과 협력하여 전기 열차를 수소 동력 Breeze 열차로 변환합니다(Alstom을 통한 사진).
수소 동력 열차와 관련된 다른 개발로는 2023-2024 동안 독일의 여러 지역에서 테스트될 독일의 Siemens가 개발한 2열 및 3열 객차가 포함된 Mireo Plus H 열차가 있습니다. 한편, 헥사곤퓨러스는 스페인 탈고가 2023년 테스트를 시작하는 비탈원(Vittal-One) 열차에 Type IV 수소저장탱크를 공급하고 있다. 2024년 미국 캘리포니아주 샌버너디노에서 서비스를 시작합니다.
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Siemens는 2023-2024에서 테스트를 위해 Mireo Plus H 열차를 개발하고 있습니다(Siemens의 사진).
해운 측면에서 헥사곤퓨러스는 2021년 6월 새로운 자회사인 헥사곤퓨러스마리타임을 설립한다고 발표했다. Hexagon Purus의 영업 및 마케팅 이사인 Jørn Helge Dahl은 "우리는 현재 해양 시장에서 수소에 대한 수요와 행동이 급격히 증가하고 있음을 보고 있습니다."라고 설명합니다. 해상 저장 애플리케이션은 이상적인 솔루션을 제공합니다." Dahl은 국제해사기구(IMO, 영국 런던)가 설정한 목표에 따라 2030년이 다가옴에 따라 해양 산업에서 점점 더 많은 프로젝트가 이 부문에 투자되는 것을 보게 될 것이라고 믿습니다. 이러한 프로젝트에는 다음이 포함됩니다. : 모든 신규 및 기존 선박은 CO2 배출량을 2008년 대비 2030년까지 40%, 2050년까지 70% 감축해야 합니다.
항공 분야에서는 2020년에 프랑스 정부가 COVID-19 대유행으로 인해 Airbus를 구제하고 2035년까지 수소 동력 상용 항공기를 시장에 출시하도록 요구하면서 수소에 대한 관심이 갑자기 급증했습니다. 2020년 여름, Airbus는 3개의 항공기 모델로 ZEROe 프로젝트를 시작했으며, 그 중 후면 1/3은 액체 수소를 저장하는 데 사용되며 극저온 제어가 필요합니다.
지역 터보프롭의 또 다른 옵션은 CFRP 프레임을 사용하는 미국 회사 Universal Hydrogen에서 개발한 트윈 탱크 모듈입니다. Universal Hydrogen의 CTO인 JP Clarke는 "우리는 주문형 모듈을 제공하므로 수소 저장 시설이 필요하지 않습니다."라고 설명했습니다. "이러한 모듈은 배터리나 주방 용품처럼 간단한 방식으로 항공기에 장착할 수 있습니다." 2021년에 발표된 이 회사는 기존 터보프롭 항공기용 수소 동력 추진 시스템을 개조하기 위해 3개의 지역 항공사와 의향서를 체결했습니다.
미국 회사인 ZeroAvia는 2021년 4월에 50-좌석 지역 제트기를 위한 2-좌석을 개발 중이라고 발표했습니다.
수소전기 파워트레인의 MW. 이 회사는 2021년에 2,430만 달러의 자금 조달을 완료하여 2024년 상용화를 달성하고 2026년 민간 지역 항공기 서비스를 시작하는 데 도움이 될 것입니다.
수소 저장의 과제
유형 IV 컨테이너도 심각한 문제에 직면해 있습니다. 특히 탄소 섬유의 비용으로 인해 이러한 컨테이너가 매우 비쌉니다. 또 다른 주요 문제는 스토리지 밀도입니다. 압축 수소는 휘발유 질량당 3배의 에너지를 제공하지만 부피당 에너지는 상당히 낮기 때문에 충분한 연료를 저장하는 데 필요한 고압을 견딜 수 있는 대형 용기가 필요합니다. 수소는 실제로 -253도에서 저장될 때 극저온 액체로서 더 높은 밀도를 제공하는 반면, -230도, 300bar에서 극저온 압축(CCH2) 탱크에 저장될 때 수소는 더 높은 밀도를 갖는다고 합니다. 유형 IV 용기에서 700bar에 보관할 때보다 50% 더 높습니다. 극저온 탱크는 일반적으로 금속이며, 더 많은 복합 재료로 만들어진 극저온 탱크는 25년 동안 축적된 성능 데이터인 Type IV 압축 가스 용기에서 입증된 것과 정확히 동일한 성능 및 피로 수명을 갖는 것으로 입증되지 않았습니다.
또 다른 문제는 연료 전지 차량(FCV) 및 인프라 수요 목표를 충족하는 데 필요한 수백만 개의 수소 저장 탱크 생산이 필요한 대량의 탄소 섬유에 대해 적시에 제공되지 않을 수 있다는 것입니다. "충분한 탄소 섬유를 얻는 것이 우리의 주요 관심사 중 하나입니다." NPROXX의 Himmen은 2020-2021 회계연도의 회사 실적이 두 배가 되었으며 다음 회계연도에도 계속해서 두 배가 될 것이라고 말했습니다. "우리는 혼자가 아닙니다. Hexagon도 같은 속도로 성장하고 있다고 생각합니다. 특정 가격대에서 특정 품질과 성능을 갖춘 탄소 섬유가 필요합니다." 현재 대부분의 Type IV 선박은 Toray의 T700 섬유(인장강도 4900MPa, 모듈러스 230MPa) 또는 이와 유사한 섬유를 사용하고 있습니다. "섬유가 충분히 강하지 않아서 몇 번 더 감아야 하므로 용기가 두꺼워져서 용납할 수 없습니다. 내년에 섬유가 어디에서 나올지 지금 모른다면 생산을 중단합니다."
Type IV 용기의 또 다른 큰 문제는 탄소 섬유 및 CFRP 용기의 비용입니다. 새로운 선박 제조사와 프랑스의 1단계 자동차 공급업체인 Plastic Omnium과 Faurecia는 저장 효율성을 높이면서 2030년까지 Type IV 수소 저장 탱크의 비용을 30~75%까지 줄이겠다는 목표를 세웠습니다. 7퍼센트 이상 증가합니다. 이를 위해 컨테이너 돔의 CFRP 랩핑 시간과 비용을 단축하기 위해 독일 Cevotec에서 사용하는 FPP 기술부터 섬유 손상을 줄이기 위해 영국 Cygnet Texkimp에서 출시한 3D 와인딩 기술, 벨기에의 복합 재료 센서 통합 전문업체인 Com&Sens가 출시한 현장 컨테이너 감지 기술.
