L'objectif mondial d'atteindre zéro émission d'ici 2050 entraîne une croissance rapide des récipients sous pression composites.
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Récipients à pression composites
Les réservoirs de stockage de gaz à haute pression sont l'un des marchés les plus importants et à la croissance la plus rapide pour les composites avancés, en particulier les composites en fibre de carbone à enroulement filamentaire. Bien qu'ils puissent être utilisés dans les appareils respiratoires autonomes et pour fournir du stockage d'oxygène et de gaz aux véhicules aérospatiaux, le principal marché final concerne le gaz propane liquéfié (GPL), le gaz naturel comprimé (GNC), le gaz naturel renouvelable (RNG) et l'hydrogène. (H2) stockage. Alors que les bouteilles de GPL sont utilisées dans les voitures, elles sont de plus en plus demandées sur les marchés de la cuisine et du chauffage dans les pays en développement.
Les systèmes à carburant tels que le gaz naturel comprimé (GNC), le gaz naturel renouvelable (GNR) et l'hydrogène (H2) sont de plus en plus utilisés dans les voitures, les bus, les camionnettes et autres "Réapprovisionnement des stations-service ou le transport en vrac sur les sites industriels. Dans les applications automobiles, ces Les réservoirs de stockage de carburant sont une partie importante des groupes motopropulseurs propres et à zéro émission qui réduisent ou remplacent l'essence, le diesel et le carburéacteur.Ces groupes motopropulseurs offrent également une option sans charge pour les véhicules à batterie, nécessitant une infrastructure de ravitaillement et des temps de ravitaillement similaires au ravitaillement en carburant fossile. carburants.
Il existe 5 types de réservoirs sous pression :
Type I : construction entièrement métallique, généralement en acier.
Type II : Principalement en métal avec quelques fibres enroulées, généralement des composites d'acier ou d'aluminium et de fibre de verre, le conteneur métallique partage à peu près les mêmes charges structurelles que le composite.
Type III : La doublure métallique est complètement enveloppée de matériaux composites, généralement des matériaux composites en fibre de carbone sont enroulés autour de la doublure en aluminium, et le matériau composite supporte la charge structurelle.
Type IV : Structure tout composite, généralement une cuve intérieure en polyamide (PA) ou en polyéthylène haute densité (HDPE), la cuve intérieure est enroulée avec de la fibre de carbone ou un matériau composite mélangé à de la fibre de carbone/fibre de verre, et le composite le matériau supporte toutes les charges structurelles.
Type V : Construction entièrement composite sans revêtement.
Traditionnellement, le type I détenait plus de 90% du marché, mais cela a été rendu possible par l'augmentation des ventes de récipients sous pression de type III et de type IV en raison des économies de poids grâce aux matériaux composites et à l'amélioration de l'efficacité de stockage du gaz comprimé. Le type V en est encore à ses balbutiements et répond principalement aux besoins des applications spatiales. Avec le développement de la nouvelle industrie spatiale, c'est un type de produit digne d'attention. Par exemple, en avril 2020, la société américaine Infinite Composites Technologies (ICT) a développé un réservoir cryogénique en forme de V sphérique A utilisé pour stocker des ergols liquides cryogéniques sur des lanceurs spatiaux propulsés par des fusées. Ce réservoir de cryosphère époxy en fibre de carbone sans doublure est fabriqué à l'aide d'un processus d'enroulement de filament et de durcissement au four industriel.
Moteurs du marché et taux de croissance
Le principal moteur de ce marché est l'engagement mondial croissant de réduire l'impact sur le climat en passant des combustibles fossiles aux carburants renouvelables réduisant les émissions tels que le GNC, le GNR et le H2 pour atteindre zéro émission d'ici 2050 . Selon un nouveau rapport de l'Agence internationale de l'énergie, "Net Zero Emissions by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector": Les engagements climatiques que les gouvernements ont pris jusqu'à présent, s'ils sont pleinement réalisés, sont loin d'être à l'horizon 2050. L'objectif de réduction Les émissions mondiales nettes de CO2 liées à l'énergie à zéro offrent au contraire au monde l'occasion de limiter la hausse des températures mondiales à 1,5 degré .
Il convient de mentionner qu'en plus des engagements ci-dessus, les États américains du Connecticut, du Maryland, du Massachusetts, du New Jersey, de New York, de l'Oregon, du Rhode Island, du Vermont et de Washington se sont déjà engagés à ne pas produire de nouvelles voitures particulières à combustible fossile, en attendant , rejoignez la Californie, le Colorado, Hawaï, le Maine, la Caroline du Nord, l'Oregon, la Pennsylvanie et le District de Columbia pour interdire la vente de nouveaux véhicules intermédiaires et lourds à carburant fossile.
Autre signe de croissance, la société américaine Cummins Inc., qui produit 130 millions de moteurs à combustion interne (ICE) par an, dont beaucoup sont utilisés dans les bus et les camions moyens et lourds, a investi dans le développement d'une classe Fourgonnette à 8 piles à combustible et moteur à hydrogène. En juin 2021, Cummins a déclaré que d'ici la fin de ce siècle, ces produits approcheront le coût total de possession (TCO) d'un moteur diesel, et que les futurs transports lourds seront alimentés par de l'hydrogène, des piles à combustible ou des batteries plutôt que du diesel.
Les ventes mondiales de véhicules au gaz naturel (VGN) en 2020 ont été plus élevées que prévu : 29,8 millions d'unités ont été effectivement vendues contre 24,4 millions prévus, selon le rapport de recherche Grandview 2021. Le rapport prévoit également que les ventes en 2021 seront d'environ 31 millions d'unités et qu'elles passeront à 38,9 millions d'unités en 2028, atteignant un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 3,3 %. DataIntelo affirme que sur le marché des navires au GNC, les navires de type I représentent environ 55 % du marché, tandis que les navires de type II, de type III et de type IV représentent respectivement environ 25 %, 15 % et 5 % du marché.
Tony Roberts d'AJR Consulting et Dan Pichler de CarbConsult ont prédit que la demande de fibre de carbone dans les récipients sous pression composites passera de 13 100 t en 2021 à 20 230 t en 2026, et la demande totale de fibre de carbone en 2021 devrait être de 106 700 t. Ci-dessous, la demande totale de fibre de carbone devrait atteindre 169,000t en 2026. Roberts et Pichler estiment que la majeure partie de la fibre de carbone utilisée dans les récipients sous pression ira dans les tuyaux mobiles (6 900 t en 2026) et les bus et camionnettes (6400t en 2026).
De plus, selon la sortie de nouveaux véhicules à hydrogène dans le monde, on estime que chaque réservoir de stockage d'hydrogène de 700 bars contenant 60 % de fibres et pesant 5,6 kg utilisera 62-72 kg de fibres de carbone. D'ici 2030, seuls les réservoirs de stockage d'hydrogène auront besoin de fibre de carbone. Le volume atteindra 166650t. Cependant, les projections pour ces véhicules sont prudentes, avec seulement 1 % des poids lourds, moins de 10 % des bus et moins de 1 % des voitures qui devraient utiliser de l'hydrogène.
Utilisation de matériaux composites pour les récipients sous pression
Les réservoirs sous pression composites de type IV pour le stockage de l'hydrogène sont fabriqués en enroulant de la fibre de carbone autour d'un revêtement en plastique et en appliquant de la résine époxy. Les fournisseurs d'équipements en matériaux composites qui conçoivent et fabriquent des lignes de production de réservoirs de stockage d'hydrogène clés en main hautement automatisées comprennent : Autonational Composites aux Pays-Bas, Engineering Technology aux États-Unis, McClean Anderson aux États-Unis, MIKROSAM en Macédoine et Roth Composite Machinery en Allemagne, ce dernier affirme que la production de réservoirs de stockage d'hydrogène peut être rendue cinq à dix fois plus rapide grâce à sa nouvelle technologie Rothawin. MIKROSAM affirme que son client, le russe JSC DPO Plastik, a utilisé la plus grande ligne de production au monde pour la production de conteneurs de GNC et de réservoirs de stockage d'hydrogène, capable d'enrouler 60 000 conteneurs par an.
L'Allemand Cevotec affirme qu'il peut économiser 20 % de matériau et 20 % de temps de cycle en utilisant son système de placement de patch de fibre (FPP) dans la zone du dôme d'un récipient sous pression. Le PDG de Cevotec a expliqué que pour stocker 1 kg d'hydrogène, la pression de travail dans le conteneur peut atteindre 700 bars, ce qui signifie qu'il faut environ 10 kg de fibre de carbone, ce qui est un rapport très élevé. Le système FPP est capable d'appliquer avec précision des patchs en fibre de carbone soigneusement conçus sur des zones qui présentent parfois des problèmes lors du processus d'enroulement. On dit qu'un seul système FPP peut renforcer les conteneurs de plusieurs machines d'enroulement.
Alors que la plupart des récipients sous pression de type IV utilisés pour le stockage de gaz comprimé utilisent de la fibre de carbone pour le renforcement structurel et de la fibre de verre pour la couche externe afin d'éviter les dommages, la société norvégienne Umoe Advanced Composites (UAC) utilise uniquement de la fibre de verre pour ses récipients de type IV. UAC propose 200-350 vaisseaux bar pour le marché du transport de gaz naturel plutôt que pour le marché automobile, et élargira son portefeuille de produits pour inclure 450-500 vaisseaux bar en 2022. Comme l'a déclaré le PDG d'UAC, Øyvind Hamre, fibre de verre -Les cuves en polymère renforcé (GFRP) coûtent le même prix que les cuves en acier, mais sont 70 % plus légères. Par rapport aux conteneurs CFRP, bien que les conteneurs GFRP soient plus lourds, ils réduisent le coût de 50 %.
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Les navires de type IV en composites renforcés de fibre de verre sont moins chers que les composites en fibre de carbone et plus légers que les navires en acier (photo via Umoe Advanced Composites)
Réservoirs de stockage d'hydrogène sur de nombreux marchés
Pour Hexagon Purus en Norvège et NPROXX aux Pays-Bas (une joint-venture à 50/50 entre Cummins et Cimmaron Composites aux États-Unis, elle a été acquise par Hanwha en Corée du Sud. La société a annoncé en 2021 qu'elle investirait 130 millions de dollars américains à Alaba, USA La distribution est également un marché important pour la construction d'une nouvelle usine de production à Opelika, MA.
L'application des réservoirs de stockage d'hydrogène a non seulement gagné en croissance sur le marché de la distribution, mais également dans les domaines des voitures, des camions, du transport ferroviaire et du transport maritime. "Certaines des camionnettes construites en Europe seront alimentées à l'hydrogène", a déclaré Michael Himmen, directeur général et responsable des ventes chez NPROXX, un fabricant de réservoirs de stockage d'hydrogène. Selon la réglementation européenne, d'ici 2030, les équipementiers de camions doivent s'assurer que les émissions de CO2 de leurs camions sont réduites en moyenne de 30 % par rapport aux niveaux de 2019. Selon la proposition de Himmen, 5 % des camions européens peuvent utiliser l'hydrogène, ce qui signifie qu'un total de 15 000 à 20 000 camions à hydrogène seront nécessaires chaque année. Il est certain que 2 000 fourgonnettes à hydrogène pourraient être construites par an à partir de 2026-27 et augmenter régulièrement à partir de là. Si chaque véhicule est équipé de 5 à 7 réservoirs de stockage d'hydrogène de type IV, d'ici 10 ans, les poids lourds pourraient avoir besoin de 100 000 réservoirs de stockage d'hydrogène et de 6 000 tonnes de fibre de carbone par an.
Côté ferroviaire, les trains à hydrogène Coradia iLint d'Alstom ont été mis en service en Allemagne. 14 trains vers la Basse-Saxe ont commencé à circuler en 2021 et 27 trains vers la région principale du Rhin commenceront en 2022. années d'utilisation. De plus, des trains iLint sont actuellement testés en Autriche et aux Pays-Bas. Les deux voitures du train utilisent 24 réservoirs de stockage d'hydrogène de type IV, qui sont placés dans des compartiments de toit au-dessus de chaque voiture, qui contiennent également des piles à combustible. Hexagon Composites a fourni le réservoir de stockage d'hydrogène pour le train prototype basé sur son réservoir de stockage robuste d'un diamètre de 416 mm et d'une longueur de 3128 mm, qui peut contenir 300 L ou 9 kg d'hydrogène à une pression de 350 bars. Désormais, NPROXX fournit des réservoirs de stockage d'hydrogène d'un diamètre de 500 mm, d'une longueur de 2200 mm et d'une pression de stockage de 350 bar pour les trains iLint.
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Alstom a vendu 41 trains à hydrogène Coradia iLint et en teste d'autres (photo via Alstom)
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La SNCF a commandé 12 trains régionaux bimodes électriques et à hydrogène Coradia Polyvalent d'Alstom (photo via Alstom)
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Alstom travaille avec Eversholt Rail au Royaume-Uni pour convertir des trains électriques en trains Breeze à hydrogène (photo via Alstom)
D'autres développements liés aux trains à hydrogène incluent : le train Mireo Plus H avec 2 et 3 voitures développé par l'Allemand Siemens, qui sera testé dans plusieurs régions d'Allemagne pendant 2023-2024. Pendant ce temps, Hexagon Purus fournit des réservoirs de stockage d'hydrogène de type IV pour les trains Vittal-One que l'espagnol Talgo commencera à tester en 2023. Hexagon Purus fournira également des réservoirs de stockage d'hydrogène à Swiss Stadler Rail pour son premier train FLIRT construit et testé en Suisse, qui entrera en service à San Bernardino, Californie, États-Unis en 2024.
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Siemens développe le train Mireo Plus H pour des tests à 2023-2024 (photo de Siemens)
En termes de transport maritime, Hexagon Purus a annoncé en juin 2021 la création d'une nouvelle filiale, Hexagon Purus Maritime. « Nous constatons maintenant une augmentation rapide de la demande et des actions en hydrogène sur le marché maritime », explique Jørn Helge Dahl, directeur des ventes et du marketing chez Hexagon Purus. Les applications de stockage offshore offrent une solution idéale. » Dahl pense que l'industrie maritime verra de plus en plus de projets investis dans le secteur à l'approche de 2030, guidés par les objectifs fixés par l'Organisation maritime internationale (OMI, Londres, Royaume-Uni). Ces projets comprennent : Tous les navires nouveaux et existants doivent réduire les émissions de CO2 de 40 % d'ici 2030 et de 70 % d'ici 2050, par rapport à 2008.
Dans l'aviation, 2020 a vu un regain d'intérêt pour l'hydrogène alors que le gouvernement français a renfloué Airbus en raison des retombées de la pandémie de COVID-19 tout en l'obligeant à mettre sur le marché des avions commerciaux à hydrogène d'ici 2035 . À l'été 2020, Airbus a lancé son projet ZEROe avec trois modèles d'avions dont le 1/3 arrière est utilisé pour stocker de l'hydrogène liquide et nécessite un contrôle cryogénique.
Une autre option pour les turbopropulseurs régionaux est le module à double réservoir développé par la société américaine Universal Hydrogen, qui utilise un châssis CFRP. "Nous fournissons les modules à la demande, il n'y a donc pas besoin d'installation de stockage d'hydrogène", a expliqué JP Clarke, CTO d'Universal Hydrogen. "Ces modules peuvent être chargés sur l'avion de manière simple, tout comme les batteries ou les fournitures de cuisine." La société Annoncée en 2021, elle a signé des lettres d'intention avec trois compagnies aériennes régionales pour moderniser les systèmes de propulsion à hydrogène des avions à turbopropulseurs existants.
La société américaine ZeroAvia a annoncé en avril 2021 qu'elle développait un siège de 2-pour un jet régional de 50-sièges.
MW de groupes motopropulseurs électriques à hydrogène. La société a réalisé un financement de 24,3 millions de dollars en 2021, ce qui l'aidera à réaliser la commercialisation en 2024 et à commencer à desservir des avions régionaux civils en 2026.
Les enjeux du stockage de l'hydrogène
Les conteneurs de type IV sont également confrontés à de sérieux problèmes. Plus particulièrement, le coût de la fibre de carbone rend ces conteneurs très coûteux. Un autre problème clé est la densité de stockage. Alors que l'hydrogène comprimé fournit trois fois l'énergie par masse de l'essence, son énergie par volume est considérablement plus faible, nécessitant de grands conteneurs pour résister aux hautes pressions nécessaires pour stocker suffisamment de carburant. L'hydrogène offre en fait une densité plus élevée en tant que liquide cryogénique lorsqu'il est stocké à -253 degré, tandis que lorsqu'il est stocké dans un réservoir de compression cryogénique (CCH2) à -230 degré, 300 bar, l'hydrogène aurait une densité plus élevée que lorsqu'il est stocké à 700 bar 50 pour cent plus élevé dans des conteneurs de type IV. Les réservoirs cryogéniques sont généralement métalliques, et il n'a pas encore été démontré que les réservoirs cryogéniques constitués de matériaux plus composites ont exactement les mêmes performances et la même durée de vie que celles démontrées dans les conteneurs de gaz comprimé de type IV, qui ont été accumulés sur 25 ans.
Un autre problème est que la production de millions de réservoirs de stockage d'hydrogène nécessaires pour répondre aux objectifs de demande de véhicules à pile à combustible (FCV) et d'infrastructures peut ne pas être disponible à temps pour les grandes quantités de fibre de carbone requises. "Obtenir suffisamment de fibre de carbone est l'une de nos principales préoccupations." Himmen de NPROXX a déclaré que les performances de l'entreprise au cours de l'exercice 2020-2021 ont doublé et continueront de doubler au cours du prochain exercice. "Nous ne sommes pas seuls, je pense qu'Hexagon se développe au même rythme. Nous avons besoin de fibre de carbone avec une certaine qualité et des performances à un certain prix." Actuellement, la plupart des navires de type IV utilisent la fibre T700 de Toray (résistance à la traction 4900MPa, module 230MPa) ou des fibres similaires. "La fibre n'est pas assez solide, ce qui signifie qu'il faut l'enrouler encore quelques fois, ce qui rend le contenant plus épais, ce qui est inacceptable. Si vous ne savez pas maintenant d'où viendra votre fibre l'année prochaine, vous devrez peut-être vraiment arrêter la production. »
Un autre grand défi pour les navires de type IV est le coût des navires en fibre de carbone et en PRFC. Les nouveaux fabricants de navires et les équipementiers automobiles français de rang 1 Plastic Omnium et Faurecia se sont tous deux fixés des objectifs pour réduire le coût des réservoirs de stockage d'hydrogène de type IV de 30 % à 75 % d'ici 2030 tout en augmentant l'efficacité du stockage. augmenter de plus de 7 pour cent. À cette fin, de nouvelles technologies sont constamment introduites, de la technologie FPP utilisée par Cevotec en Allemagne pour réduire le temps et le coût de l'emballage CFRP pour les dômes de conteneurs, à la technologie d'enroulement 3D lancée par Cygnet Texkimp au Royaume-Uni pour réduire les dommages aux fibres, et à La technologie de détection in-situ de conteneurs lancée par Com&Sens, spécialiste de l'intégration de capteurs en matériaux composites, Belgique.
