高压储气罐是先进复合材料，尤其是长丝缠绕碳纤维复合材料最大、增长最快的市场之一。它的主要终端市场用于储存液态丙烷气 (LPG)、压缩天然气 (CNG)、可再生天然气 (RNG) 和氢气 ( H 2 )。虽然液化石油气罐可用于车辆，但发展中国家的烹饪和取暖市场也在不断增长。
CNG、RNG 和 H 2 燃料系统越来越多地用于乘用车、公共汽车、卡车和其他车辆，或散装运输/分配（也称为移动管道）以供应加油站或工业场所。在车辆中，这些燃料储罐是减少或零排放动力总成的关键部件，可替代汽油、柴油和喷气燃料。这些动力总成还为电池驱动的车辆提供了一种无需充电的替代方案，其加气基础设施和加注时间类似于化石燃料。
对 H 2的投资 正在增加。IV 型储罐制造商 NPROXX 现在是与康明斯 50/50 的合资企业，康明斯还收购了燃料电池和 H 2生产电解槽的主要供应商。NPROXX 的这些直径 500 毫米、长 2,200 毫米的汽车/重型储罐 在 350 bar下储存 H 2。 图片来源：NPROXX
I 型： 全金属结构，通常为钢材。 II型： 主要是金属，环向包覆缠绕一些纤维材料，金属主要是钢或铝及玻璃纤维复合材料；金属容器和复合材料分担的结构载荷大致相等。 III 型： 完全由复合材料缠绕金属内胆，通常为铝内胆外缠绕碳纤维复合材料；复合材料承载结构载荷。 IV 型： 全复合材料结构，聚合物内胆——通常是聚酰胺 (PA) 或高密度聚乙烯 (HDPE) ，外部缠绕碳纤维或混合碳/玻璃纤维复合材料；复合材料承受所有的结构载荷。 -
V 型： 无内胆，全复合材料结构。
美国机械工程师协会 (ASME) 和国际标准化组织 (ISO) 分类的压力容器类型和结构。图片来源：CW
从历史上看，I 型容器占据了 90% 以上的市场份额。然而，随着使用复合材料减轻重量和提高压缩气体储存效率的 III 型和 IV 型容器销量的增加，这种情况开始发生变化。V 型仍处于研发阶段，主要用于航天航空应用，但随着新航天航空工业的发展，它是一个值得关注的领域。
市场驱动因素和增长
市场驱动因素和增长
压力容器市场的主要驱动力是，全球越来越致力于通过从化石燃料转向可再生、减少排放的燃料（例如，CNG、RNG 和 H 2 ）来减少气候变化的影响，目标是到 2050 年实现零排放。
国际能源机构表示，迄今为止，各国政府做出的气候承诺即使完全实现，也将远远达不到到 2050年使全球与能源相关的二氧化碳（CO2 ) 排放量达到净零，而是为全球提供了一个“将全球气温上升限制在 1.5℃”的机会。
从2020 年 11 月起，政府公布了逐步淘汰内燃机 (ICE) 乘用车新销量的目标。 图片来源：国际清洁交通委员会 (ICCT)
请注意，除了上述承诺外，美国康涅狄格州、马里兰州、马萨诸塞州、新泽西州、纽约州、俄勒冈州、罗德岛州、佛蒙特州和华盛顿州还承诺到 2050 年不再生产新的化石燃料乘用车，这些州，加上加利福尼亚州、科罗拉多州、夏威夷州、缅因州、北卡罗来纳州、俄勒冈州、宾夕法尼亚州和哥伦比亚特区将从 2050 年起禁止销售新的化石燃料中型、重型汽车。
新兴的氢经济
压力容器市场发展最快的部分是储氢。疫情过后，北美、欧洲和中国对减少交通领域中的碳排放产生了新的和严肃的监管兴趣。在美国，大部分脱碳工作是由加利福尼亚州推动的，该州制定了到 2035 年禁止销售汽油动力汽车的政策。这一政策和其他努力推动汽车和卡车制造商推出新的纯电动汽车 (BEV) 系列。
然而，纯电动汽车也面临着自身的挑战——即难以获得电池所需的一些稀土金属、电池充电时间长以及缺乏公共基础设施。后者将在一定程度上由拜登政府的基础设施投资和就业法案解决，该法案在未来十年提供 1 万亿美元的公共基础设施投资。
电池充电技术发展迅速，只会变得更容易、更快，但金属资源挑战并非易事。正因为如此，运输行业的某些部分已将氢燃料电池(HFC) 系统作为更可持续的替代方案。
氢气通常通过多元气体容器 (MEGC) 运输，该容器由多个碳纤维复合材料压力容器组成，这些容器组合在金属笼中并装载到卡车上。最大的多元气体容器有多达 81 个储罐。图片来源：Hexagon Purus
HFC 有几个优点。首先，它们可以在加氢站(HFS) 使用与加油站非常相似的泵和喷嘴技术进行加氢。其次，HFC工艺的唯一排放物是水。第三，最终可以使用最大限度减少碳化的方法生产氢——称为“绿色”氢。
尽管绿色氢技术仍在开发中，但其可行性正在帮助催生 HFC 经济的快速扩张，特别是在轻型、中型和重型卡车、公共汽车、火车、船舶和一些乘用车。航空航天也有望采用氢作为燃烧的燃料来源。
这种市场扩张正在增加对氢气储存和分配的需求。与汽油一样，氢气的储存主要在车辆上完成，并通过一系列碳纤维/环氧树脂包裹的压力容器实现。车辆越大，需要的压力容器就越多。氢气分配主要通过牵引车拖车上的多个复合压力容器中的运输来实现。
按质量计算，氢气的能量密度几乎是汽油的三倍。然而，按体积计算，情况正好相反，汽油的能量密度是氢气的四倍。因此，氢气最好以液态形式储存，以最大限度地提高其能量密度。但是将氢气储存为液体需要低温，这既不容易实现，也不便宜。因此，目前，氢气最有效地以气体形式储存，通常压缩在 350-700 bar 的范围内。
加氢站 (HRS) 组成示意图。IV 型复合材料压力容器可用于管式拖车，以将 H 2输送到车站和用于现场缓冲储存的级联储罐。图片来源：CW
氢燃料电池汽车 (HFCV) 的续航里程取决于它可以储存的氢气总质量，而质量容量取决于压力容器的大小和气体的压力。例如，2022 Toyota Mirai HFCV 拥有三个 142 升 IV 型储罐，每个储罐的最大额定压力为 700 bar，氢气质量容量为 5.6 千克。每辆车的总氢容量为 16.8 公斤，续航里程为 360 英里。卡车、公共汽车等大型车辆上的储氢罐更大，储罐数量也更多。
压力容器经济性
碳纤维/环氧树脂压力容器使用湿法或丝束缠绕制造。好消息是，纤维缠绕可以相对容易地实现自动化，因此提高制造能力将非常容易。坏消息是，氢气压力容器所需的碳纤维类型相对昂贵，而且目前的产量无法满足需求。
氢气压力容器选择的碳纤维是Toray Composite Materials America 的 T700S，这是一种标准模量 (SM) 纤维，具有特别高的拉伸特性。所有主要碳纤维制造商都提供类似的碳纤维，包括Hexcel 、三菱集团、Teijin 、SGL Carbon等。
每个储罐的碳纤维使用量取决于储罐的容量及其压力等级，但一个好的经验法则是，在 700 bar下每储存 1 公斤氢气需要 10 公斤碳纤维。因此，在 700 bar 下容纳 5 公斤氢气的储罐将需要 50 公斤碳纤维。
这个市场的最终挑战之一可能是可靠的碳纤维供应。储氢用碳纤维压力容器的主要制造商有九大：Faurecia、Hanwha Cimmaron、Hexagon Composites、Hexagon Purus、Iljin Hysolus、NPROXX、Plastic Omnium、Toyota 和 Toyoda Gosei。所有公司都计划在未来五年内进行不同程度的储罐生产扩张。据估计，到 2025 年，储氢市场的总市场规模可能接近 50 万个碳纤维复合材料储罐，满足这个市场的需求可能是一个挑战。
碳纤维制造是资本密集型和昂贵的，一条碳纤维生产线需要投资约 1 亿美元和两年时间建设。正因为如此，碳纤维生产商不愿在没有令人信服的商业案例的情况下投资新产能。在某些情况下，当需求量很大时，碳纤维客户需要合同承诺来证明碳纤维生产商的成本是合理的。
