新興的H?經濟推動了飛機、船舶和天然氣運輸的儲罐開發。

　　

　　

　　

　　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 渦輪螺旋槳飛機的航程達到 740 公里（400 海里），并使用現有基礎設施輕松運輸和裝載

　　

　　氫作為化石燃料的無二氧化碳替代品已經出現了幾十年，用于儲氫的碳纖維增強塑料（CFRP）壓力容器的增長肯定在上升。但在 2020 年，氫能成為一項授權，被歐盟委員會（EC）確定為到 2050 年實現可持續經濟和氣候中立歐盟的歐洲綠色協議的關鍵優先事項。航空氫的關鍵事件包括：

　　

　　2020 年 5 月，“清潔天空 2 號”和“燃料電池與氫聯合事業”（FCH JU）發布了“氫動力航空”，詳細介紹了短程（85-165 名乘客）氫動力飛機如何在 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劃與“氫動力航空”報告中的目標掛鉤；法航表示，到 2024 年，將把國內航班的二氧化碳排放量減半。

　　

　　2020 年 7 月，歐盟委員會發布了“氣候中性歐洲的氫能戰略”，呼吁為氫能運輸、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系和 ETS 創新基金在內的支持政策和融資機制（2020-2030 年為 100 億歐元）。

　　

　　2020 年 7 月，空中客車公司首席執行官紀堯姆·福里在接受《航空周刊》編輯格雷厄姆·沃里克采訪時承諾，到 2035 年將推出首款脫碳飛機環境影響報告；他預測該項目將于 2027-28年啟動，必要技術將于 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 飛機的試 飛，該飛機被改裝為使用壓縮氫（H2）氣體，并根據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 年前認證一架 20 座 H2 動力飛機，航程 500 英里。

　　

　　2020 年 8 月，環球氫能公司（美國加利福尼亞州洛杉磯）宣布，一架 50 座飛機的雙儲罐模塊（見圖），以及地區航空公司/運營商的加氫物流和基礎設施，將于 2024 年投入商業運營。

　　

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

　　

　　　　

　　通用氫公司

　　

　　Universal Hydrogen 由空客 SE（荷蘭萊頓）和聯合技術公司（美國康涅狄格州法明頓）前首席技術官 Paul Eremenko 于 2020 年共同創立，其目標是通過提供氫燃料基礎設施來幫助向氫動力航空轉型。一個關鍵部件是其燃料模塊，該模塊包括碳纖維增強聚合物（CFRP）框架中的雙 H2 儲罐。環球氫能首席技術官 J.P.Clarke 解釋道：“我們將根據需要向現場供應模 塊，因此不需要儲氫基礎設施。”。“這些模塊就像電池或廚房用品一樣簡單地裝載到飛機上。”

　　

　　

　　

　　環球氫能提出為基礎設施提供燃料的區域渦輪螺旋槳飛機

　　

　　模塊已首先為 50 座 Dash 8 和 ATR 渦輪螺旋槳支線飛機開發。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，達到 50 kg/m3 的密度，或者使用絕熱金屬罐在標準壓力和溫度下保持液體氫（LH?），達到 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 小時內使用，因為如果不保持在-253°C ，LH? 就會蒸發。克拉克說：“這兩種類型的儲罐都將安裝在一個重量輕、結構優化的復合材料框架內，該框架還具有抗沖擊性和一些承載能力。”

　　

　　H? 儲氣罐將包括一個不滲透的聚合物內襯，內襯有多層干碳纖維編織物和一個 Kevlar 芳綸纖維保護外層。“不需要樹脂，”克拉克解釋道。“內襯解決了滲透性問題，而碳處理了環向和軸向載荷，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計，再加上每個儲罐層的功能映射，使我們能夠在質量分數上獲得一些顯著的改進。”

　　

　　質量分數是通過將儲存的氫氣質量除以整個模塊的質量來計算的，因此質量分數越大越好。克拉克指出：“我們對 Dash 8 和 ATR 飛機的質量分數和體積效率進行了非常廣泛的權衡研究。”。“因此，你要考慮的是燃料的體積和重量，以及這些飛機所能容納的燃料、可實現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，渦輪螺旋槳飛機任務的平均級長約為 300 海里，因此這些飛行中的絕大多數都可以使用碳纖維增強塑料罐的氣態 H? 系統完成。”

　　

　　環球氫能公司將與復合材料儲罐制造商合作嗎？克拉克說：“我們的戰略是在有意義的地方合作，并堅持我們的核心業務。”他重申了通用氫能的重點：

　　

　　“我們希望成為燃料和基礎設施的供應商。我們將提供模塊，并將其運到需要的地方，以便我們的合作伙伴能夠專注于飛機的其余設計和運營。我們的目標是成為氫動力航空的推動者。”

　　

　　　

　　SpaceTech4Sea項目

　　

　　與航空業一樣，航運業也受到旨在減少二氧化碳和其他溫室氣體排放的法規的約束。從 2018 年 1 月 起，在歐洲經濟區（EEA）港口裝卸貨物或乘客的總噸位超過 5000 噸的船舶必須監測并報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 定，燃油中的硫必須從 3.50%m/m（質量比）降至 0.50%。IMO 還承諾制定一項初步的溫室氣體戰略，到 2050 年將比 2008 年減少 50%。

　　

　　海洋金融公司（希臘雅典）董事總經理 Panayotis Zacharioudakis 博士表示：“遵守規定的最佳可能性是最初轉向液化天然氣。SuperGreen 將在希臘建立一個可持續的綠色運輸系統，包括電動通勤船和兩艘混合液化天然氣/電動雙體船，將比雷埃夫斯港與東地中海網絡中的其他港口連接起來。Zacharioudakis 解釋道：“為了這個項目，我們正在用 CFRP 建造一艘高速渡輪。”“如果我們使用最先進的金屬液化天然氣儲罐，它將重達 7 公噸，相當于 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、結構、絕緣和操作系統。”。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，并發現了一份與美國國家航空航天局合作開發的關于 Cimarron Composites（美國阿拉巴馬州亨茨維爾）冷凍儲罐的報告。

　　

　　Zacharioudakis 說：“這就是我們開始 EASME（歐洲中小企業機構）SpaceTech4Sea 項目的時候。”。“這個想法是為了海事應用而修改航空航天技術。”第三個項目合作伙伴是船級社美國航運局（ABS，Houston， Texas，U.S.），該機構將對該技術進行驗證和鑒定。2019 年 9 月，美國船級社原則上批準了 Cimarron 超輕型低溫復合液化天然氣儲罐的概念設計。從那時起，它建造并測試了亞尺寸和全尺寸儲罐以獲得認證。“他們剛剛完成了最后一次測試，”Zacharioudakis說。“再過兩個多月，我們將獲得用于海洋市場的復合液化天然氣儲罐的全面認證。與傳統金屬儲罐相比，這種儲罐將節省 85%以上的重量。”

　　

　　盡管該罐的大部分細節都是專有的，但 Cimarron Composites 創始人兼總裁 Tom DeLay 表示，它是由碳纖維和先進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 米的儲罐實現。”海洋金融看到了 1000 多個此類儲罐的市場，并將與 Cimarron合作建立自動化生產，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目，我們也開始關注氫氣。”。“歐洲有這么多的興趣、活動和資金。然而，一個問題是，海事法規規定儲罐必須為液化天然氣提供長達 15 天的儲存時間。LH? 也是如此。”DeLay 承認，為 LH?（- 253oC ，見上文）開發低溫儲罐比為液化天然氣管（-196oC ）開發低溫罐困難得多；其中一個挑戰是找到能夠抵抗脆化和開裂的材料。他現在正與海洋金融公司合作，幫助完成一項貿易研究，研究船舶使用液體與氣體 H? 的技術和經濟因素。

　　

　　

 

　　

　　木星 IV 型碳纖維增強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 已經開發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）的壓力下運輸包括氫氣在內的大多數工業氣體而開發的。”。“然而，氫氣在更高的壓力下更有效地運輸，這就是我們開發 7500 磅/平方英寸[517 巴]海王星儲罐的原因。”

　　

　　

　　

　　Neptune 高壓（517 巴）CFRP 罐能夠在標準的20 英尺集裝箱中運輸 600 公斤 H? 氣體

　　

　　木星和海王星儲罐都通過了聯合國 ISO 11515 要求的無數測試，可提供直徑和長度高達 26 英尺的儲罐。Delay 指出：“這些儲罐是為通過卡車、鐵路或船舶以標準模塊運輸而開發的。”。“我們發現，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輸更多的氫氣。19 英尺長的氣瓶可以在一個標準的 20 英尺集裝箱中容納 9 個罐。每個罐67 公斤氫氣，我們可以在 20 英尺的集裝箱中移動 600公斤，在標準的 40 英尺集裝箱中移動 1200 公斤。”

　　

　　DeLay 補充道：“我們從所有主要供應商那里購買碳纖維，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，我們同時獲得了三家不同供應商的資格。我們使用商用化學產品自行配制樹脂，并嚴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 力。所有這些都提高了儲罐的機械性能。”

　　

　　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會。他說：“我們花了數年時間來發展我們的專業知識。”，“從火箭燃料箱到我們現在正在開發和生產的大型儲存和運輸罐。一年前，我對氫氣持懷疑態度，認為這是政府推動的唯一原因。但現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，各行各業都在認真投資氫氣，政府正在支持這一發展。看起來我們已經在正確的時間準備好了正確的產品。”

　　

　　

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