A meta global de atingir emissões zero até 2050 está impulsionando o rápido crescimento de vasos de pressão compostos.
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Vasos de pressão compostos
Vasos de armazenamento de gás de alta pressão são um dos maiores e mais crescentes mercados para compósitos avançados, especialmente compósitos de fibra de carbono enrolados em filamentos. Embora possam ser usados em aparelhos respiratórios autônomos e para fornecer oxigênio e armazenamento de gás para veículos aeroespaciais, o principal mercado final é para gás propano liquefeito (GLP), gás natural comprimido (CNG), gás natural renovável (RNG) e hidrogênio (H2) armazenamento. Embora os cilindros de GLP sejam usados em carros, há uma demanda crescente por eles nos mercados de cozimento e aquecimento nos países em desenvolvimento.
Sistemas de combustível como gás natural comprimido (GNC), gás natural renovável (RNG) e hidrogênio (H2) estão sendo cada vez mais usados em carros, ônibus, vans e outros "Postos de abastecimento de gás ou transporte a granel em locais industriais. Em aplicações de veículos, esses Os tanques de armazenamento de combustível são uma parte importante dos powertrains limpos e com emissão zero que reduzem ou substituem a gasolina, o diesel e o combustível de aviação. combustíveis.
Existem 5 tipos de vasos de pressão:
Tipo I: Todas as construções em metal, geralmente em aço.
Tipo II: Principalmente metal com algumas fibras enroladas, geralmente aço ou metal de alumínio e compostos de fibra de vidro, o recipiente de metal compartilha aproximadamente as mesmas cargas estruturais que o composto.
Tipo III: O forro de metal é completamente envolvido com materiais compósitos, geralmente materiais compósitos de fibra de carbono são enrolados em torno do forro de alumínio e o material compósito suporta a carga estrutural.
Tipo IV: Estrutura totalmente composta, geralmente um tanque interno feito de poliamida (PA) ou polietileno de alta densidade (HDPE), o tanque interno é enrolado com fibra de carbono ou um material composto misturado com fibra de carbono/fibra de vidro e o composto material suporta todas as cargas estruturais.
Tipo V: Construção totalmente composta, sem revestimento.
Tradicionalmente, o Tipo I detinha mais de 90 por cento do mercado, mas isso foi possível graças ao aumento das vendas de vasos de pressão Tipo III e Tipo IV devido à economia de peso de materiais compostos e maior eficiência de armazenamento de gás comprimido Começou a mudar. O tipo V ainda está em sua infância e atende principalmente às necessidades de aplicações espaciais. Com o desenvolvimento da nova indústria espacial, este é um tipo de produto digno de atenção. Por exemplo, em abril de 2020, a empresa americana Infinite Composites Technologies (ICT) desenvolveu um tanque criogênico esférico em forma de V usado para armazenar propulsores líquidos criogênicos em veículos de lançamento espacial movidos a foguetes. Este tanque de criosfera epóxi de fibra de carbono sem forro é fabricado usando enrolamento de filamento e processo de cura em forno industrial.
Drivers de mercado e taxas de crescimento
O principal impulsionador desse mercado é o crescente compromisso global de reduzir o impacto no clima, trocando os combustíveis fósseis por combustíveis renováveis e com redução de emissões, como GNV, RNG e H2, para atingir emissões zero até 2050. De acordo com um novo relatório da Agência Internacional de Energia, “Net Zero Emissions by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector”: Em vez disso, as emissões líquidas globais de CO2 relacionadas à energia para zero oferecem ao mundo a oportunidade de limitar o aumento das temperaturas globais a 1,5 grau.
Vale ressaltar que, além dos compromissos acima, os estados norte-americanos de Connecticut, Maryland, Massachusetts, Nova Jersey, Nova York, Oregon, Rhode Island, Vermont e Washington já se comprometeram a não produzir novos automóveis de passageiros movidos a combustíveis fósseis, enquanto , junte-se à Califórnia, Colorado, Havaí, Maine, Carolina do Norte, Oregon, Pensilvânia e ao Distrito de Columbia para proibir a venda de novos veículos médios e pesados movidos a combustíveis fósseis.
Em outro sinal de crescimento, a norte-americana Cummins Inc., que produz 130 milhões de motores de combustão interna (ICEs) por ano, muitos dos quais são usados em ônibus e caminhões médios e pesados, investiu no desenvolvimento de uma Classe 8 com célula de combustível e um motor movido a hidrogênio. Em junho de 2021, a Cummins disse que, até o final deste século, esses produtos se aproximarão do custo total de propriedade (TCO) de um motor a diesel e que o futuro transporte pesado será movido a hidrogênio, células de combustível ou baterias em vez de diesel.
As vendas globais de veículos a gás natural (GNVs) em 2020 foram maiores do que o previsto anteriormente: 29,8 milhões de unidades foram realmente vendidas contra os 24,4 milhões previstos, de acordo com o Relatório de Pesquisa Grandview de 2021. O relatório também prevê que as vendas em 2021 serão de aproximadamente 31 milhões de unidades e aumentarão para 38,9 milhões de unidades em 2028, atingindo uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 3,3%. A DataIntelo afirma que, no mercado de embarcações a GNC, as embarcações Tipo I representam aproximadamente 55% do mercado, enquanto as embarcações Tipo II, Tipo III e Tipo IV representam aproximadamente 25%, 15% e 5% do mercado, respectivamente.
Tony Roberts, da AJR Consulting, e Dan Pichler, da CarbConsult, previram que a demanda por fibra de carbono em vasos de pressão compostos aumentará de 13.100 t em 2021 para 20.230 t em 2026, e a demanda total por fibra de carbono em 2021 deverá ser de 106.700 t. Abaixo, espera-se que a demanda total por fibra de carbono chegue a 169,{10}}t em 2026. Roberts e Pichler estimam que a maior parte da fibra de carbono usada em vasos de pressão irá para tubos móveis (6900t em 2026) e ônibus e carrinhas (6400t em 2026).
Além disso, de acordo com o lançamento de novos veículos movidos a hidrogênio em todo o mundo, estima-se que cada tanque de armazenamento de hidrogênio de 700 bar contendo 60 por cento de fibra e pesando 5,6 kg usará 62-72 kg de fibra de carbono. Até 2030, apenas os tanques de armazenamento de hidrogênio precisarão de fibra de carbono. O volume chegará a 166650t. No entanto, as projeções para esses veículos são conservadoras, com apenas 1% dos veículos pesados de mercadorias, menos de 10% dos ônibus e menos de 1% dos carros usando hidrogênio.
Usando materiais compostos para vasos de pressão
Vasos de pressão compostos tipo IV para armazenamento de hidrogênio são feitos enrolando fibra de carbono em torno de um forro de plástico e aplicando resina epóxi. Fornecedores de equipamentos de materiais compostos que projetam e fabricam linhas de produção de tanques de armazenamento de hidrogênio altamente automatizadas incluem: Autonational Composites na Holanda, Engineering Technology nos Estados Unidos, McClean Anderson nos Estados Unidos, MIKROSAM na Macedônia e Roth Composite Machinery na Alemanha, este último afirma que a produção de tanques de armazenamento de hidrogênio pode ser feita de cinco a dez vezes mais rápido com sua nova tecnologia Rothawin. A MIKROSAM afirma que seu cliente, a russa JSC DPO Plastik, usou a maior linha de produção do mundo para a produção de contêineres de GNV e tanques de armazenamento de hidrogênio, capazes de enrolar 60,000 contêineres por ano.
A Cevotec da Alemanha diz que pode economizar 20% em material e 20% em tempo de ciclo usando seu sistema de Colocação de Remendo de Fibra (FPP) na área do domo de um vaso de pressão. O CEO da Cevotec explicou que para armazenar 1kg de hidrogênio, a pressão de trabalho no recipiente é de até 700 bar, o que significa que são necessários cerca de 10kg de fibra de carbono, o que é uma relação muito alta. O sistema FPP é capaz de aplicar com precisão remendos de fibra de carbono cuidadosamente projetados em áreas que às vezes apresentam problemas durante o processo de enrolamento. Diz-se que um único sistema FPP pode reforçar contêineres de várias máquinas de enrolamento.
Enquanto a maioria dos vasos de pressão do Tipo IV usados para armazenamento de gás comprimido usa fibra de carbono para reforço estrutural e fibra de vidro para a camada externa para evitar danos, o Umoe Advanced Composites (UAC) da Noruega usa apenas fibra de vidro para seus vasos Tipo IV. A UAC oferece 200-350 embarcações de barra para o mercado de transporte de gás natural, em vez do mercado automotivo, e expandirá seu portfólio de produtos para incluir 450-500 embarcações de barra em 2022. Conforme declarado pelo CEO da UAC, Øyvind Hamre, fibra de vidro Os navios de polímero reforçado (GFRP) custam o mesmo que os navios de aço, mas são 70% mais leves. Em comparação com os contêineres CFRP, embora os contêineres GFRP sejam mais pesados, eles reduzem o custo em 50%.
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Vasos tipo IV feitos de compósitos reforçados com fibra de vidro são mais baratos que os compósitos de fibra de carbono e mais leves que os vasos de aço (imagem via Umoe Advanced Composites)
Tanques de armazenamento de hidrogênio em muitos mercados
Para Hexagon Purus na Noruega e NPROXX na Holanda (uma joint venture 50:50 entre Cummins e Cimmaron Composites nos Estados Unidos, foi adquirida pela Hanwha na Coréia do Sul. A empresa anunciou em 2021 que investirá 130 milhões de dólares americanos em Alaba, EUA A distribuição também é um mercado importante para a construção de uma nova fábrica em Opelika, MA.
A aplicação de tanques de armazenamento de hidrogênio não só ganhou crescimento no mercado de distribuição, mas também nas áreas de automóveis, caminhões, transporte ferroviário e transporte marítimo. "Algumas das vans construídas na Europa serão movidas a hidrogênio", disse Michael Himmen, diretor administrativo e chefe de vendas da NPROXX, fabricante de tanques de armazenamento de hidrogênio. De acordo com os regulamentos europeus, até 2030, os OEMs de caminhões devem garantir que as emissões de CO2 de seus caminhões sejam reduzidas em uma média de 30% em comparação com os níveis de 2019. De acordo com a proposta de Himmen, 5 por cento dos caminhões europeus podem usar energia de hidrogênio, o que significa que um total de 15,000 a 20,000 caminhões movidos a hidrogênio serão necessários a cada ano. Ele tem certeza de que 2,000 vans movidas a hidrogênio poderiam ser construídas em um ano começando em 2026-27 e crescendo constantemente a partir daí. Se cada veículo estiver equipado com 5 a 7 tanques de armazenamento de hidrogênio Tipo IV, dentro de 10 anos, os caminhões pesados podem precisar de 100,000 tanques de armazenamento de hidrogênio e 6,000 toneladas de fibra de carbono por ano.
Em termos de ferrovias, os trens movidos a hidrogênio Coradia iLint da Alstom foram colocados em uso na Alemanha. 14 trens para a Baixa Saxônia começaram a operar em 2021 e 27 trens para a principal região do Reno começarão a funcionar em 2022. anos em uso. Além disso, os trens iLint estão sendo testados na Áustria e na Holanda. Os dois vagões do trem usam 24 tanques de armazenamento de hidrogênio Tipo IV, que são colocados em compartimentos no teto de cada vagão, que também contêm células de combustível. A Hexagon Composites forneceu o tanque de armazenamento de hidrogênio para o protótipo do trem com base em seu tanque de armazenamento pesado com diâmetro de 416 mm e comprimento de 3128 mm, que pode conter 300 L ou 9 kg de hidrogênio a uma pressão de 350 bar. Agora, a NPROXX fornece tanques de armazenamento de hidrogênio com diâmetro de 500 mm, comprimento de 2200 mm e pressão de armazenamento de 350 bar para trens iLint.
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A Alstom vendeu 41 trens Coradia iLint movidos a hidrogênio e está testando outros (foto via Alstom)
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A empresa ferroviária francesa SNCF encomendou 12 trens regionais Coradia Polyvalent, elétricos e movidos a hidrogênio, da Alstom (imagem via Alstom)
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A Alstom está trabalhando com a Eversholt Rail no Reino Unido para converter trens elétricos em trens Breeze movidos a hidrogênio (imagem via Alstom)
Outros desenvolvimentos relacionados a trens movidos a hidrogênio incluem: o trem Mireo Plus H com 2 e 3 vagões desenvolvido pela alemã Siemens, que será testado em várias regiões da Alemanha durante 2023-2024. Enquanto isso, a Hexagon Purus está fornecendo tanques de armazenamento de hidrogênio Tipo IV para os trens Vittal-One que a espanhola Talgo começará a testar em 2023. A Hexagon Purus também fornecerá tanques de armazenamento de hidrogênio para a Swiss Stadler Rail para seu primeiro trem FLIRT construído e testado na Suíça, que entrará em serviço em San Bernardino, Califórnia, EUA em 2024.
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A Siemens está desenvolvendo o trem Mireo Plus H para testes em 2023-2024 (foto da Siemens)
Em termos de navegação, a Hexagon Purus anunciou em junho de 2021 que estabelecerá uma nova subsidiária, a Hexagon Purus Maritime. "Agora estamos vendo um rápido aumento na demanda e nas ações de hidrogênio no mercado marítimo", explica Jørn Helge Dahl, diretor de vendas e marketing da Hexagon Purus. Aplicações de armazenamento offshore fornecem uma solução ideal." Dahl acredita que a indústria marítima verá mais e mais projetos sendo investidos no setor à medida que 2030 se aproxima, impulsionados por metas estabelecidas pela Organização Marítima Internacional (IMO, Londres, Reino Unido). Esses projetos incluem : Todos os navios novos e existentes devem reduzir as emissões de CO2 em 40% até 2030 e em 70% até 2050, em comparação com 2008.
Na aviação, 2020 viu um aumento repentino de interesse no hidrogênio quando o governo francês resgatou a Airbus devido às consequências da pandemia de COVID-19, ao mesmo tempo em que exigia que ela trouxesse aeronaves comerciais movidas a hidrogênio para o mercado até 2035. No verão de 2020, a Airbus lançou seu projeto ZEROe com três modelos de aeronaves, cujo 1/3 traseiro é usado para armazenar hidrogênio líquido e requer controle criogênico.
Outra opção para turboélices regionais é o módulo bitanque desenvolvido pela empresa norte-americana Universal Hydrogen, que utiliza estrutura de CFRP. "Fornecemos os módulos sob demanda, portanto, não há necessidade de uma instalação de armazenamento de hidrogênio", explicou JP Clarke, CTO da Universal Hydrogen. “Esses módulos podem ser carregados na aeronave de maneira simples, como baterias ou utensílios de cozinha”. A empresa Anunciada em 2021, assinou cartas de intenção com três companhias aéreas regionais para modernizar sistemas de propulsão movidos a hidrogênio para aeronaves turboélice existentes.
A empresa norte-americana ZeroAvia anunciou em abril de 2021 que está desenvolvendo um 2-assento para um jato regional de 50-assento.
MW de powertrains hidrogênio-elétricos. A empresa completou US$ 24,3 milhões em financiamento em 2021, o que a ajudará a alcançar a comercialização em 2024 e começar a servir aeronaves regionais civis em 2026.
Os desafios do armazenamento de hidrogênio
Os contêineres do tipo IV também enfrentam sérios problemas. Mais notavelmente, o custo da fibra de carbono torna esses contêineres muito caros. Outra questão importante é a densidade de armazenamento. Enquanto o hidrogênio comprimido fornece três vezes a energia por massa da gasolina, sua energia por volume é consideravelmente menor, exigindo recipientes grandes para suportar as altas pressões necessárias para armazenar combustível suficiente. Na verdade, o hidrogênio oferece uma densidade mais alta como líquido criogênico quando armazenado a -253 graus, enquanto quando armazenado em um tanque de compressão criogênica (CCH2) a -230 graus, 300 bar, diz-se que o hidrogênio tem uma densidade mais alta do que quando armazenado a 700 bar 50% mais alto em recipientes Tipo IV. Os tanques criogênicos são geralmente metálicos, e os tanques criogênicos feitos de materiais mais compostos ainda não demonstraram ter exatamente o mesmo desempenho e vida útil à fadiga demonstrados nos contêineres de gás comprimido Tipo IV, que têm dados de desempenho acumulados ao longo de 25 anos.
Outra questão é que a produção de milhões de tanques de armazenamento de hidrogênio necessários para atender às metas de demanda de veículos com célula de combustível (FCV) e de infraestrutura pode não estar disponível a tempo para as grandes quantidades de fibra de carbono necessárias. "Obter fibra de carbono suficiente é uma das nossas principais preocupações." Himmen da NPROXX disse que o desempenho da empresa no ano fiscal 2020-2021 dobrou e continuará a dobrar no próximo ano fiscal. "Não estamos sozinhos, acho que a Hexagon está crescendo no mesmo ritmo. Precisamos de fibra de carbono com certa qualidade e desempenho a um certo preço". Atualmente, a maioria dos vasos Tipo IV usa a fibra T700 da Toray (resistência à tração 4900MPa, módulo 230MPa) ou fibras similares. "A fibra não é forte o suficiente, o que significa que precisa ser enrolada mais algumas vezes, o que torna o recipiente mais grosso, o que é inaceitável. Se você não sabe agora de onde virá sua fibra no próximo ano, pode realmente ter interromper a produção".
Outro grande desafio para as embarcações Tipo IV é o custo das embarcações de fibra de carbono e CFRP. Os novos fabricantes de embarcações e os fornecedores automotivos franceses de nível 1, Plastic Omnium e Faurecia, estabeleceram metas para reduzir o custo dos tanques de armazenamento de hidrogênio Tipo IV em 30% a 75% até 2030, aumentando a eficiência do armazenamento. aumentar em mais de 7 por cento. Para isso, novas tecnologias são constantemente introduzidas, desde a tecnologia FPP usada pela Cevotec na Alemanha para reduzir o tempo e o custo do envolvimento de CFRP para cúpulas de contêineres, até a tecnologia de enrolamento 3D lançada pela Cygnet Texkimp no Reino Unido para reduzir os danos às fibras, e à tecnologia de detecção de contêineres in situ lançada pela Com&Sens, especialista em integração de sensores de materiais compósitos, Bélgica.
