新興的H?經(jīng)濟(jì)推動(dòng)了飛機(jī)、船舶和天然氣運(yùn)輸?shù)膬揲_發(fā)。

　　

　　

　　

　　Universal Hydrogen 的雙罐模塊使用碳纖維包裹的壓力容器在 850 巴的壓力下儲存H?氣體，使 Dash 8 或 ATR 渦輪螺旋槳飛機(jī)的航程達(dá)到 740 公里（400 海里），并使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施輕松運(yùn)輸和裝載

　　

　　氫作為化石燃料的無二氧化碳替代品已經(jīng)出現(xiàn)了幾十年，用于儲氫的碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）壓力容器的增長肯定在上升。但在 2020 年，氫能成為一項(xiàng)授權(quán)，被歐盟委員會（EC）確定為到 2050 年實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)和氣候中立歐盟的歐洲綠色協(xié)議的關(guān)鍵優(yōu)先事項(xiàng)。航空氫的關(guān)鍵事件包括：

　　

　　2020 年 5 月，“清潔天空 2 號”和“燃料電池與氫聯(lián)合事業(yè)”（FCH JU）發(fā)布了“氫動(dòng)力航空”，詳細(xì)介紹了短程（85-165 名乘客）氫動(dòng)力飛機(jī)如何在 2030-2035 年前投入使用（EIS-  entry into service  ）。

　　

　　2020 年 6 月，法國 170 億美元的疫情救助計(jì)劃與“氫動(dòng)力航空”報(bào)告中的目標(biāo)掛鉤；法航表示，到 2024 年，將把國內(nèi)航班的二氧化碳排放量減半。

　　

　　2020 年 7 月，歐盟委員會發(fā)布了“氣候中性歐洲的氫能戰(zhàn)略”，呼吁為氫能運(yùn)輸、分配、儲存和加油站投資 650 億歐元，列出了包括清潔氫能伙伴關(guān)系和 ETS 創(chuàng)新基金在內(nèi)的支持政策和融資機(jī)制（2020-2030 年為 100 億歐元）。

　　

　　2020 年 7 月，空中客車公司首席執(zhí)行官紀(jì)堯姆·福里在接受《航空周刊》編輯格雷厄姆·沃里克采訪時(shí)承諾，到 2035 年將推出首款脫碳飛機(jī)環(huán)境影響報(bào)告；他預(yù)測該項(xiàng)目將于 2027-28年啟動(dòng)，必要技術(shù)將于 2025 年成熟。

　　

　　2020 年 7 月，ZeroAvia（美國加利福尼亞州霍利斯特）完成了單引擎六座 Piper 飛機(jī)的試 飛，該飛機(jī)被改裝為使用壓縮氫（H2）氣體，并根據(jù)其路線圖公布了一架類似改裝的雙渦輪螺旋槳 19 座 Dornier Do 228 在美國的飛行測試，以在 2023 年前認(rèn)證一架 20 座 H2 動(dòng)力飛機(jī)，航程 500 英里。

　　

　　2020 年 8 月，環(huán)球氫能公司（美國加利福尼亞州洛杉磯）宣布，一架 50 座飛機(jī)的雙儲罐模塊（見圖），以及地區(qū)航空公司/運(yùn)營商的加氫物流和基礎(chǔ)設(shè)施，將于 2024 年投入商業(yè)運(yùn)營。

　　

　　氫作為燃料來源的可行性——無論行業(yè)如何——取決于各種運(yùn)輸、交付和儲存技術(shù)的快速發(fā)展，這些技術(shù)都是年輕但發(fā)展迅速的。將這些技術(shù)商業(yè)化并不簡單，但它們正在得到解決。以下是正在進(jìn)行的一些工作的摘要。

　　

　　　　

　　通用氫公司

　　

　　Universal Hydrogen 由空客 SE（荷蘭萊頓）和聯(lián)合技術(shù)公司（美國康涅狄格州法明頓）前首席技術(shù)官 Paul Eremenko 于 2020 年共同創(chuàng)立，其目標(biāo)是通過提供氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施來幫助向氫動(dòng)力航空轉(zhuǎn)型。一個(gè)關(guān)鍵部件是其燃料模塊，該模塊包括碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）框架中的雙 H2 儲罐。環(huán)球氫能首席技術(shù)官 J.P.Clarke 解釋道：“我們將根據(jù)需要向現(xiàn)場供應(yīng)模 塊，因此不需要儲氫基礎(chǔ)設(shè)施。”。“這些模塊就像電池或廚房用品一樣簡單地裝載到飛機(jī)上。”

　　

　　

　　

　　環(huán)球氫能提出為基礎(chǔ)設(shè)施提供燃料的區(qū)域渦輪螺旋槳飛機(jī)

　　

　　模塊已首先為 50 座 Dash 8 和 ATR 渦輪螺旋槳支線飛機(jī)開發(fā)。這些模塊將采用長 3.36 米、直徑 1.44 米（7 英尺長、3 英尺直徑）的罐，使用碳纖維在 850 巴下保持 H? 氣體，達(dá)到 50 kg/m3 的密度，或者使用絕熱金屬罐在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度下保持液體氫（LH?），達(dá)到 71 kg/m3 的密度。盡管 LH? 儲罐具有更高的容積效率，但隔熱但未冷卻的儲罐必須在 42 小時(shí)內(nèi)使用，因?yàn)槿绻槐３衷?253°C ，LH? 就會蒸發(fā)?？死苏f：“這兩種類型的儲罐都將安裝在一個(gè)重量輕、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的復(fù)合材料框架內(nèi)，該框架還具有抗沖擊性和一些承載能力。”

　　

　　H? 儲氣罐將包括一個(gè)不滲透的聚合物內(nèi)襯，內(nèi)襯有多層干碳纖維編織物和一個(gè) Kevlar 芳綸纖維保護(hù)外層。“不需要樹脂，”克拉克解釋道。“內(nèi)襯解決了滲透性問題，而碳處理了環(huán)向和軸向載荷，外層加框架防止了損壞；因此重量和厚度都減少了。這種集成的儲罐和框架設(shè)計(jì)，再加上每個(gè)儲罐層的功能映射，使我們能夠在質(zhì)量分?jǐn)?shù)上獲得一些顯著的改進(jìn)。”

　　

　　質(zhì)量分?jǐn)?shù)是通過將儲存的氫氣質(zhì)量除以整個(gè)模塊的質(zhì)量來計(jì)算的，因此質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大越好。克拉克指出：“我們對 Dash 8 和 ATR 飛機(jī)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積效率進(jìn)行了非常廣泛的權(quán)衡研究。”。“因此，你要考慮的是燃料的體積和重量，以及這些飛機(jī)所能容納的燃料、可實(shí)現(xiàn)的航程和最大起飛重量、重量分布等。在 850 巴的 H? 氣體下，我們可以在 45 分鐘的儲備下飛行約 740 公里（400 海里），在 LH? 坦克下飛行約 1000公里（550 海里）。然而，渦輪螺旋槳飛機(jī)任務(wù)的平均級長約為 300 海里，因此這些飛行中的絕大多數(shù)都可以使用碳纖維增強(qiáng)塑料罐的氣態(tài) H? 系統(tǒng)完成。”

　　

　　環(huán)球氫能公司將與復(fù)合材料儲罐制造商合作嗎？克拉克說：“我們的戰(zhàn)略是在有意義的地方合作，并堅(jiān)持我們的核心業(yè)務(wù)。”他重申了通用氫能的重點(diǎn)：

　　

　　“我們希望成為燃料和基礎(chǔ)設(shè)施的供應(yīng)商。我們將提供模塊，并將其運(yùn)到需要的地方，以便我們的合作伙伴能夠?qū)Ｗ⒂陲w機(jī)的其余設(shè)計(jì)和運(yùn)營。我們的目標(biāo)是成為氫動(dòng)力航空的推動(dòng)者。”

　　

　　　

　　SpaceTech4Sea項(xiàng)目

　　

　　與航空業(yè)一樣，航運(yùn)業(yè)也受到旨在減少二氧化碳和其他溫室氣體排放的法規(guī)的約束。從 2018 年 1 月 起，在歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)（EEA）港口裝卸貨物或乘客的總噸位超過 5000 噸的船舶必須監(jiān)測并報(bào)告其二氧化碳排放量。此外，作為減少船舶污染的 MARPOL 公約的一部分，國際海事組織（IMO）從 2020 年 1 月起規(guī) 定，燃油中的硫必須從 3.50%m/m（質(zhì)量比）降至 0.50%。IMO 還承諾制定一項(xiàng)初步的溫室氣體戰(zhàn)略，到 2050 年將比 2008 年減少 50%。

　　

　　海洋金融公司（希臘雅典）董事總經(jīng)理 Panayotis Zacharioudakis 博士表示：“遵守規(guī)定的最佳可能性是最初轉(zhuǎn)向液化天然氣。SuperGreen 將在希臘建立一個(gè)可持續(xù)的綠色運(yùn)輸系統(tǒng)，包括電動(dòng)通勤船和兩艘混合液化天然氣/電動(dòng)雙體船，將比雷埃夫斯港與東地中海網(wǎng)絡(luò)中的其他港口連接起來。Zacharioudakis 解釋道：“為了這個(gè)項(xiàng)目，我們正在用 CFRP 建造一艘高速渡輪。”“如果我們使用最先進(jìn)的金屬液化天然氣儲罐，它將重達(dá) 7 公噸，相當(dāng)于 70 多名乘客（每人攜帶行李 100 公斤）。因此，我們必須將載客量減少 70人。”

　　

　　

　　

　　Cimarron Composites 對 CFRP 壓力容器進(jìn)行低溫測試

　　

　　為什么額外的重量？Zacharioudakis 說：“與柴油相比，液化天然氣必須在-163°C 的低溫下儲存，金屬罐必須使用符合國際海事組織氣體燃料要求的材料、結(jié)構(gòu)、絕緣和操作系統(tǒng)。”。對于海洋金融公司來說，額外的重量是不可接受的，因此它開始研究可能的解決方案，并發(fā)現(xiàn)了一份與美國國家航空航天局合作開發(fā)的關(guān)于 Cimarron Composites（美國阿拉巴馬州亨茨維爾）冷凍儲罐的報(bào)告。

　　

　　Zacharioudakis 說：“這就是我們開始 EASME（歐洲中小企業(yè)機(jī)構(gòu)）SpaceTech4Sea 項(xiàng)目的時(shí)候。”。“這個(gè)想法是為了海事應(yīng)用而修改航空航天技術(shù)。”第三個(gè)項(xiàng)目合作伙伴是船級社美國航運(yùn)局（ABS，Houston， Texas，U.S.），該機(jī)構(gòu)將對該技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和鑒定。2019 年 9 月，美國船級社原則上批準(zhǔn)了 Cimarron 超輕型低溫復(fù)合液化天然氣儲罐的概念設(shè)計(jì)。從那時(shí)起，它建造并測試了亞尺寸和全尺寸儲罐以獲得認(rèn)證。“他們剛剛完成了最后一次測試，”Zacharioudakis說。“再過兩個(gè)多月，我們將獲得用于海洋市場的復(fù)合液化天然氣儲罐的全面認(rèn)證。與傳統(tǒng)金屬儲罐相比，這種儲罐將節(jié)省 85%以上的重量。”

　　

　　盡管該罐的大部分細(xì)節(jié)都是專有的，但 Cimarron Composites 創(chuàng)始人兼總裁 Tom DeLay 表示，它是由碳纖維和先進(jìn)的熱固性樹脂制成的，使用了一些樹脂注入和濕絲纏繞。“我們已經(jīng)測試了直徑為 25 英寸和 40英寸的儲罐，并正在與 SuperGreen 的 CFRP 渡輪制造商討論容量為 5 立方米（5000 升）的儲罐，這可以通過直徑為 2 米、長度為 2.5 米的儲罐實(shí)現(xiàn)。”海洋金融看到了 1000 多個(gè)此類儲罐的市場，并將與 Cimarron合作建立自動(dòng)化生產(chǎn)，可能在希臘。

　　

　　氫氣？Zacharioudakis 指出：“即使我們完成了這些液化天然氣項(xiàng)目，我們也開始關(guān)注氫氣。”。“歐洲有這么多的興趣、活動(dòng)和資金。然而，一個(gè)問題是，海事法規(guī)規(guī)定儲罐必須為液化天然氣提供長達(dá) 15 天的儲存時(shí)間。LH? 也是如此。”DeLay 承認(rèn)，為 LH?（- 253oC ，見上文）開發(fā)低溫儲罐比為液化天然氣管（-196oC ）開發(fā)低溫罐困難得多；其中一個(gè)挑戰(zhàn)是找到能夠抵抗脆化和開裂的材料。他現(xiàn)在正與海洋金融公司合作，幫助完成一項(xiàng)貿(mào)易研究，研究船舶使用液體與氣體 H? 的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素。

　　

　　

 

　　

　　木星 IV 型碳纖維增強(qiáng)塑料壓力容器的纖維纏繞　

　　　

　　海王星氫氣罐

　　

　　值得注意的是，Cimarron Composites 已經(jīng)開發(fā)了一種用于高壓儲存氫氣和其他氣體的 IV 型 CFRP 儲罐。DeLay 說：“我們最初的木星儲罐是為在 4350 磅/平方英寸（300 巴）的壓力下運(yùn)輸包括氫氣在內(nèi)的大多數(shù)工業(yè)氣體而開發(fā)的。”。“然而，氫氣在更高的壓力下更有效地運(yùn)輸，這就是我們開發(fā) 7500 磅/平方英寸[517 巴]海王星儲罐的原因。”

　　

　　

　　

　　Neptune 高壓（517 巴）CFRP 罐能夠在標(biāo)準(zhǔn)的20 英尺集裝箱中運(yùn)輸 600 公斤 H? 氣體

　　

　　木星和海王星儲罐都通過了聯(lián)合國 ISO 11515 要求的無數(shù)測試，可提供直徑和長度高達(dá) 26 英尺的儲罐。Delay 指出：“這些儲罐是為通過卡車、鐵路或船舶以標(biāo)準(zhǔn)模塊運(yùn)輸而開發(fā)的。”。“我們發(fā)現(xiàn)，直徑為 30 英寸的氣瓶具有理想的包裝效率，使我們能夠比直徑更大的氣瓶運(yùn)輸更多的氫氣。19 英尺長的氣瓶可以在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 20 英尺集裝箱中容納 9 個(gè)罐。每個(gè)罐67 公斤氫氣，我們可以在 20 英尺的集裝箱中移動(dòng) 600公斤，在標(biāo)準(zhǔn)的 40 英尺集裝箱中移動(dòng) 1200 公斤。”

　　

　　DeLay 補(bǔ)充道：“我們從所有主要供應(yīng)商那里購買碳纖維，包括東麗（日本東京）、三菱 Rayon（東京）、帝人（Teijin-美國田納西州洛克伍德）和曉星（Hyosung-韓國首爾）。”，“但對于 Neptune，我們同時(shí)獲得了三家不同供應(yīng)商的資格。我們使用商用化學(xué)產(chǎn)品自行配制樹脂，并嚴(yán)格控制纖維和樹脂含量，以及纖維纏繞和烘箱固化周期中的張力，以防止熱應(yīng) 力。所有這些都提高了儲罐的機(jī)械性能。”

　　

　　無論是低溫液體儲存還是高壓氣體儲存，DeLay都看到了越來越多的機(jī)會。他說：“我們花了數(shù)年時(shí)間來發(fā)展我們的專業(yè)知識。”，“從火箭燃料箱到我們現(xiàn)在正在開發(fā)和生產(chǎn)的大型儲存和運(yùn)輸罐。一年前，我對氫氣持懷疑態(tài)度，認(rèn)為這是政府推動(dòng)的唯一原因。但現(xiàn)在我們收到了大量訂單和各種要求。我們可以看到，在全球范圍內(nèi)，各行各業(yè)都在認(rèn)真投資氫氣，政府正在支持這一發(fā)展?？雌饋砦覀円呀?jīng)在正確的時(shí)間準(zhǔn)備好了正確的產(chǎn)品。”

　　

　　

　　注：原文見《 Carbon fiber in pressure vessels for hydrogen 》2022．7．11