氫因為被大眾視作未來的綠色能源載體而經常得到吹捧，然而，它的到來可能比你想象的要早。美國燃料電池和氫能協會（Fuel Cell and Hydrogen Energy Association，FCHEA）主席兼首席執行官Frank Wolak表示到2050年，預計氫氣將占美國能源使用量的14%。
氫作為一種清潔燃料，可以從諸如天然氣、生物質和可再生能源等眾多資源中生產，它可以從溫室氣體中性來源產生，而這有助于脫碳工作并解決氣候變化問題。當氫在燃料電池中消耗時，只產生水。
Hy Stor?energy公司是一家開發和推進綠色氫氣生產、儲存和交付的公司。公司首席商務官Claire Behar表示：“氫氣確實是100%脫碳能源系統難題中缺失的一塊。它有能力使高能源密集型行業脫碳，并為可再生能源和長期綠色能源存儲提供可靠性。”
根據FCHEA預測分析，到2050年，氫價值鏈將產生7500億美元的收入，其中4750億美元來自設備、專用材料和終端用途應用的制造，這對復合材料行業來說無疑是個好消息。
Wolak指出：“隨著人們想要越來越多的氫氣以實現規模經濟，人們將越來越需要建造更大的儲罐，以承受更高的壓力和更低的溫度。這將導致復合材料以前所未有的方式被使用。”
Voith Composites公司認識到了這種潛力，公司兩個部門正在利用其專業知識開發用于重型卡車的700 bar IV型儲氫罐，該公司擁有為汽車行業制造碳纖維增強塑料（CFRP）零件的經驗，Voith?Turbo公司為商用車提供傳動系統。
Voith?Composites公司首席執行官Anna Pointner表示：“重型卡車需要更大的儲罐，里面有更多的氫氣，這在技術上極具挑戰性。我們看到了自己的優勢與市場需求之間的契合，了解到大規模的汽車工藝和復雜的復合材料工藝，這與只生產一個儲氫罐截然不同。”
Voith即插即用（Plug & Drive）H2存儲系統的開發始于三年前，該系統是一個從儲罐噴嘴到燃料電池入口的完整系統。Voith?Composites公司提供的儲氫罐由T700碳纖維復合材料制成，T700是一種高抗拉強度、標準模量的碳纖維；樹脂則選用了Huntsman為Voith的纖維預浸纏繞工藝開發的特種環氧樹脂基體。
Voith即插即用（Plug & Drive）H2存儲系統
Pointner指出：“在這個工藝的早期階段，我們將纖維和樹脂結合在一起制成絲束，然后將它們放入膠帶中，纏繞在箱槽上。這使我們能夠控制纖維和樹脂的協同工作方式。最終，我們需要更少的材料來獲得相同的性能。”
加工而成的Carbon4 Tank帶有尼龍內襯，然后被送往Voith?Turbo。該部門將儲罐組裝成一個適合安裝在卡車駕駛室后面的機械結構。他們增加了氣體系統（閥門、壓力調節器和管道）以及電氣系統和汽車控制單元。
Voith Turbo H2 Storage Systems的產品負責人Patrick Seidel表示：“這是一種即插即用的解決方案，可以在不到10分鐘的時間內批量生產，集成到客戶車輛中。”
Seidel表示，Voith?即將獲得認證，因此配備即插即用H2存儲系統的車輛可以在公共道路上不受限制地行駛。此外，該公司計劃在2023年下半年向包括一家歐洲大型卡車OEM在內的幾個客戶發送樣品，以獲得不同環境條件下的車輛批準。
氫能中心
重型卡車只是氫能源的可行性應用的一個領域。它非常適合運輸以外的其他能源密集型行業，如工業部門。為了滿足日益增長的需求，Hy Stor Energy公司正在該州南部約7萬英畝的土地上建造密西西比清潔氫氣中心，將現場生產綠色氫氣與地下鹽洞儲存相結合。據介紹，鹽穴是長期儲存大量氫氣的成本最低的解決方案。
該位置可以方便地到達包括密西西比河在內的主要航運和物流走廊，可在美國各地交付貨物。Behar表示：“供需同地將減少對數英里管道的需求，降低儲存成本，這將有助于我們擴大規模，創造生態系統，以加速新的創新、技術和材料。”
HyStor在過去的四年里一直在獲取土地和必要的許可證。該公司計劃在今年年底前開始建設該樞紐，并于2026年投入使用。該公司正與美國能源部的國家實驗室，測試和擴大新的儲氫技術、材料和設計。該公司還與太平洋西北國家實驗室的研究工程師和材料科學家合作，改善復合材料中聚合物的性能，提高其在潛在氫能應用中的性能。
氫能經濟的障礙
雖然Voith Group和Hy Stor Energy等公司都是氫能的倡導者，但他們認識到實現氫能經濟存在挑戰，在氫能經濟中，氫占世界能源的很大比例，而大規模工業部署的主要障礙之一是缺乏基礎設施。
Behar說：“有了氫，我們正在創造一個全新的能源系統。但這需要建造大型基礎設施，且需要很長時間和大量資本投資。”一個強大的基礎設施需要充足的生產和儲存設施、大功率壓縮機、管道、儲罐、加氣站等。
另一個障礙是如何以低成本實現氫氣的規模化生產。世界各國政府都致力于實現這一目標。歐洲綠色協議、美國《基礎設施投資和就業法案》以及美國和《減少通貨膨脹法案》為建設必要的基礎設施和擴大生產提供了激勵。
Wolak說：“你需要足夠的產量來刺激卡車司機、車隊運營商和其他早期采用者依賴氫氣。如果他們要投資一個為期10年的卡車平臺，他們能保證供應商有足夠的數量來獲得他們需要的燃料嗎？”
人們不僅擔心氫氣的是否充足，還擔心儲罐等輔助部件中使用的材料的可用性。Pointner說：“生產這種儲罐是可行的，但碳纖維非常昂貴。業界擔心可能沒有足夠的碳纖維來供應所需的所有儲罐。”她補充道，復合材料行業需要推動碳纖維的高效生產，并開發可行的碳纖維回收方法，減少對原始纖維的需求。
全員參與
盡管面臨諸多挑戰，氫能行業內的公司仍然充滿信心。Behar說：“在未來五年，我們將看到綠色能源、氫能制造和工程創新的復興。”想要成為這一復興的一部分的復合材料公司首先需要徹底了解氫能以及生產、儲存和分銷氫能所需的集成系統，這需要建立新的合作關系。
Behar表示：“由于市場還處于起步階段，這是一個真正相互學習和向早期采用者學習的絕佳機會。尋找業內的合作伙伴，他們可以告訴你他們和最終用戶所面臨的挑戰。”她補充道，建設基礎設施和擴大生產需要包括復合材料在內的許多行業的公司的投入。
最富有成效的關系始于底層。Pointner說：“從復合材料制造的角度來看，你真的需要從一開始就了解每一個細節。這與其他產品不同，在其他產品中，你可以學到很多東西，因為氫能的開發工作非常昂貴，產品需要滿足極其嚴格的要求。這是一個新領域，新的產品尺寸可以向各個方向突破界限。”
在氫能實現其潛力之前，還有很多工作要做。但社會對脫碳的支持、政府授權和激勵措施以及技術進步的結合為綠色能源載體創造了動力。
原文始發于微信公眾號（碳纖維及其復合材料技術）：【市場觀察】盤點為碳纖維復材帶來新增長點的氫能產業的發展機遇、主要障礙及解決方案
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