氢因为被大众视作未来的绿色能源载体而经常得到吹捧，然而，它的到来可能比你想象的要早。美国燃料电池和氢能协会（Fuel Cell and Hydrogen Energy Association，FCHEA）主席兼首席执行官Frank Wolak表示到2050年，预计氢气将占美国能源使用量的14%。
氢作为一种清洁燃料，可以从诸如天然气、生物质和可再生能源等众多资源中生产，它可以从温室气体中性来源产生，而这有助于脱碳工作并解决气候变化问题。当氢在燃料电池中消耗时，只产生水。
Hy Stor energy公司是一家开发和推进绿色氢气生产、储存和交付的公司。公司首席商务官Claire Behar表示：“氢气确实是100%脱碳能源系统难题中缺失的一块。它有能力使高能源密集型行业脱碳，并为可再生能源和长期绿色能源存储提供可靠性。”
根据FCHEA预测分析，到2050年，氢价值链将产生7500亿美元的收入，其中4750亿美元来自设备、专用材料和终端用途应用的制造，这对复合材料行业来说无疑是个好消息。
Wolak指出：“随着人们想要越来越多的氢气以实现规模经济，人们将越来越需要建造更大的储罐，以承受更高的压力和更低的温度。这将导致复合材料以前所未有的方式被使用。”
Voith Composites公司认识到了这种潜力，公司两个部门正在利用其专业知识开发用于重型卡车的700 bar IV型储氢罐，该公司拥有为汽车行业制造碳纤维增强塑料（CFRP）零件的经验，Voith Turbo公司为商用车提供传动系统。
Voith Composites公司首席执行官Anna Pointner表示：“重型卡车需要更大的储罐，里面有更多的氢气，这在技术上极具挑战性。我们看到了自己的优势与市场需求之间的契合，了解到大规模的汽车工艺和复杂的复合材料工艺，这与只生产一个储氢罐截然不同。”
Voith即插即用（Plug & Drive）H2存储系统的开发始于三年前，该系统是一个从储罐喷嘴到燃料电池入口的完整系统。Voith Composites公司提供的储氢罐由T700碳纤维复合材料制成，T700是一种高抗拉强度、标准模量的碳纤维；树脂则选用了Huntsman为Voith的纤维预浸缠绕工艺开发的特种环氧树脂基体。
Voith即插即用（Plug & Drive）H2存储系统
Pointner指出：“在这个工艺的早期阶段，我们将纤维和树脂结合在一起制成丝束，然后将它们放入胶带中，缠绕在箱槽上。这使我们能够控制纤维和树脂的协同工作方式。最终，我们需要更少的材料来获得相同的性能。”
加工而成的Carbon4 Tank带有尼龙内衬，然后被送往Voith Turbo。该部门将储罐组装成一个适合安装在卡车驾驶室后面的机械结构。他们增加了气体系统（阀门、压力调节器和管道）以及电气系统和汽车控制单元。
Voith Turbo H2 Storage Systems的产品负责人Patrick Seidel表示：“这是一种即插即用的解决方案，可以在不到10分钟的时间内批量生产，集成到客户车辆中。”
Seidel表示，Voith 即将获得认证，因此配备即插即用H2存储系统的车辆可以在公共道路上不受限制地行驶。此外，该公司计划在2023年下半年向包括一家欧洲大型卡车OEM在内的几个客户发送样品，以获得不同环境条件下的车辆批准。
氢能中心
重型卡车只是氢能源的可行性应用的一个领域。它非常适合运输以外的其他能源密集型行业，如工业部门。为了满足日益增长的需求，Hy Stor Energy公司正在该州南部约7万英亩的土地上建造密西西比清洁氢气中心，将现场生产绿色氢气与地下盐洞储存相结合。据介绍，盐穴是长期储存大量氢气的成本最低的解决方案。
该位置可以方便地到达包括密西西比河在内的主要航运和物流走廊，可在美国各地交付货物。Behar表示：“供需同地将减少对数英里管道的需求，降低储存成本，这将有助于我们扩大规模，创造生态系统，以加速新的创新、技术和材料。”
HyStor在过去的四年里一直在获取土地和必要的许可证。该公司计划在今年年底前开始建设该枢纽，并于2026年投入使用。该公司正与美国能源部的国家实验室，测试和扩大新的储氢技术、材料和设计。该公司还与太平洋西北国家实验室的研究工程师和材料科学家合作，改善复合材料中聚合物的性能，提高其在潜在氢能应用中的性能。
氢能经济的障碍
虽然Voith Group和Hy Stor Energy等公司都是氢能的倡导者，但他们认识到实现氢能经济存在挑战，在氢能经济中，氢占世界能源的很大比例，而大规模工业部署的主要障碍之一是缺乏基础设施。
Behar说：“有了氢，我们正在创造一个全新的能源系统。但这需要建造大型基础设施，且需要很长时间和大量资本投资。”一个强大的基础设施需要充足的生产和储存设施、大功率压缩机、管道、储罐、加气站等。
另一个障碍是如何以低成本实现氢气的规模化生产。世界各国政府都致力于实现这一目标。欧洲绿色协议、美国《基础设施投资和就业法案》以及美国和《减少通货膨胀法案》为建设必要的基础设施和扩大生产提供了激励。
Wolak说：“你需要足够的产量来刺激卡车司机、车队运营商和其他早期采用者依赖氢气。如果他们要投资一个为期10年的卡车平台，他们能保证供应商有足够的数量来获得他们需要的燃料吗？”
人们不仅担心氢气的是否充足，还担心储罐等辅助部件中使用的材料的可用性。Pointner说：“生产这种储罐是可行的，但碳纤维非常昂贵。业界担心可能没有足够的碳纤维来供应所需的所有储罐。”她补充道，复合材料行业需要推动碳纤维的高效生产，并开发可行的碳纤维回收方法，减少对原始纤维的需求。
全员参与
尽管面临诸多挑战，氢能行业内的公司仍然充满信心。Behar说：“在未来五年，我们将看到绿色能源、氢能制造和工程创新的复兴。”想要成为这一复兴的一部分的复合材料公司首先需要彻底了解氢能以及生产、储存和分销氢能所需的集成系统，这需要建立新的合作关系。
Behar表示：“由于市场还处于起步阶段，这是一个真正相互学习和向早期采用者学习的绝佳机会。寻找业内的合作伙伴，他们可以告诉你他们和最终用户所面临的挑战。”她补充道，建设基础设施和扩大生产需要包括复合材料在内的许多行业的公司的投入。
最富有成效的关系始于底层。Pointner说：“从复合材料制造的角度来看，你真的需要从一开始就了解每一个细节。这与其他产品不同，在其他产品中，你可以学到很多东西，因为氢能的开发工作非常昂贵，产品需要满足极其严格的要求。这是一个新领域，新的产品尺寸可以向各个方向突破界限。”
在氢能实现其潜力之前，还有很多工作要做。但社会对脱碳的支持、政府授权和激励措施以及技术进步的结合为绿色能源载体创造了动力。
原文始发于微信公众号（碳纤维及其复合材料技术）：【市场观察】盘点为碳纤维复材带来新增长点的氢能产业的发展机遇、主要障碍及解决方案
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