La fibra di carbonio termoplastica migliorerà la produzione e la lavorazione delle bottiglie per lo stoccaggio dell’idrogeno in futuro?
L’energia dell’idrogeno è ampiamente riconosciuta come una delle fonti energetiche più rispettose dell’ambiente. La ricerca sull’idrogeno ha una storia di oltre cento anni e la sua applicazione come fonte di energia pulita è stata studiata per diversi decenni. A causa dell'infiammabilità e dell'esplosività dell'idrogeno, i requisiti di temperatura e pressione nei suoi scenari di utilizzo sono elevati. Pertanto, sono necessarie ricerche ed esperimenti più approfonditi per consentire un uso più conveniente dell’energia dell’idrogeno. Le bombole di stoccaggio dell'idrogeno sono attualmente un metodo relativamente efficace per applicare l'energia dell'idrogeno; possono immagazzinare gas idrogeno ad alta pressione e vengono utilizzati in veicoli come le automobili. Nel corso dei decenni, le bombole di stoccaggio dell'idrogeno si sono evolute dal Tipo I al Tipo V, passando da materiali interamente metallici a materiali compositi completamente avvolti senza rivestimento interno.
I vantaggi prestazionali delle bombole di stoccaggio dell'idrogeno in fibra di carbonio sono significativi e possono essere utilizzate contemporaneamente alle fibre aramidiche.
Recentemente, l'Indian Institute of Aerospace Engineering ha pubblicato i risultati di una ricerca che ha confrontato e analizzato il comportamento strutturale delle bombole di stoccaggio dell'idrogeno ad alta pressione di tipo IV realizzate in fibra di vetro S, fibra di carbonio di grado T700- e fibre rinforzate con fibra aramidica compositi sotto una pressione di esercizio di 70 MPa.
I risultati hanno mostrato che la deformazione della bottiglia in fibra di vetro S di Tipo IV era di 10,873 mm, la deformazione della bottiglia in fibra di carbonio di Tipo IV di grado T700- era di 1{{1{{12 }}}}.176 mm e la deformazione della bottiglia in Kevlar Tipo IV era di 1,0845 mm. Le deformazioni elastiche per i tre materiali erano rispettivamente 0,26812, 0,25658 e 0,073177. Inoltre, la sollecitazione principale massima per la bottiglia in fibra di vetro S di Tipo IV è stata di 1.105,9 MPa, la sollecitazione per la bottiglia in fibra di carbonio di Tipo IV è stata di 1.168,2 MPa e la sollecitazione per la bottiglia in Kevlar di Tipo IV è stata di 1.389,4 MPa. Lo studio ha sottolineato che entro intervalli accettabili di stress e deformazione, le fibre aramidiche sono materiali adatti per i recipienti a pressione dell’idrogeno.
In sintesi, nell’applicazione di bombole per lo stoccaggio dell’idrogeno in materiale composito, i compositi in fibra di carbonio offrono una maggiore rigidità, mentre i compositi in fibra aramidica forniscono una migliore tenacità. Naturalmente, questi due tipi di compositi non si escludono a vicenda; piuttosto, attraverso una progettazione e una combinazione ragionevoli, è possibile sfruttare i rispettivi vantaggi. Questo approccio può bilanciare rigidità e tenacità nelle applicazioni di bombole di stoccaggio dell’idrogeno in fibra di carbonio, garantendo prestazioni meccaniche e migliorando al tempo stesso la sicurezza.
Le bottiglie di stoccaggio dell’idrogeno in fibra di carbonio possono invertire il calo del valore dell’”oro nero”?
La fibra di carbonio è conosciuta come “oro nero”, riflettendo il suo alto valore e, di conseguenza, i prezzi di mercato sono rimasti elevati. Tuttavia, le statistiche degli ultimi due anni indicano che "l'oro nero" si sta svalutando. Gli operatori dei settori correlati o i professionisti della fibra di carbonio dovrebbero comprendere le ragioni alla base di questa tendenza. C’è stata un’impennata della capacità produttiva di fibra di carbonio di fascia bassa, mentre la domanda delle industrie a valle ha raggiunto la saturazione. La conseguenza dell’eccesso di offerta è un rapido calo dei prezzi di mercato della fibra di carbonio. Naturalmente, l’aumento della capacità produttiva di fibre di carbonio e compositi di fascia medio-alta non è stato significativo e i prezzi di mercato non sono cambiati molto.
I dati mostrano che nel 2022, la dimensione del mercato globale della fibra di carbonio ha raggiunto i 4,386 miliardi di dollari, con un aumento su base annua del 29,0%. La domanda globale di fibra di carbonio è stata di 135,000 tonnellate, in crescita del 14,4% rispetto alle 118,000 tonnellate del 2021. Spinto dalla politica del "doppio carbonio", il mercato dei recipienti a pressione ha registrato una rapida crescita, con una domanda globale di recipienti a pressione che raggiungerà le 14.800 tonnellate nel 2022, con un aumento del 34,5% rispetto all’anno precedente, pari all’11,0% del mercato segmentato. Si prevede che entro il 2030 la domanda globale di recipienti a pressione supererà le 80,000 tonnellate, indicando un forte trend di crescita.
Nel 2022, la Cina ha utilizzato circa 6,000 tonnellate di fibra di carbonio per le bombole di gas, di cui quasi la metà per le bombole di stoccaggio dell'idrogeno. In futuro, è probabile che il punto di crescita della fibra di carbonio nei recipienti a pressione emerga dal mercato delle bombole di stoccaggio dell’idrogeno. Con la forte spinta del governo per lo sviluppo di celle a combustibile e veicoli a idrogeno, esiste un immenso potenziale nel settore delle bombole di stoccaggio dell’idrogeno, che porta ad un’accelerazione della domanda di fibra di carbonio in questo campo. I dati indicano che entro la fine del 2022, il numero di veicoli a celle a combustibile a idrogeno in Cina era di circa 12.300, con l'obiettivo di raggiungerne 50,000 entro il 2025, con un conseguente tasso di crescita composto annuo di quasi il 60%. Se la domanda di fibra di carbonio per bottiglie di stoccaggio dell’idrogeno aumentasse al 50% entro il 2025, la domanda di fibra di carbonio potrebbe raggiungere le 12.700 tonnellate.
Nei prossimi anni, il potenziale delle bottiglie di stoccaggio dell’idrogeno in fibra di carbonio è enorme. La capacità di produzione mirata di fibra di carbonio di fascia bassa non solo mitiga il calo del valore dell’“oro nero”, ma promuove anche il rapido sviluppo del settore energetico dell’idrogeno, ottenendo una vera situazione vantaggiosa per tutti.
La fibra di carbonio termoplastica migliorerà la produzione e la lavorazione delle bottiglie per lo stoccaggio dell’idrogeno in futuro?
Si prevede che il rilascio di capacità di produzione di fibra di carbonio di fascia bassa contribuirà a risolvere le sfide affrontate dall’industria nazionale della fibra di carbonio, ma questa non è una soluzione a lungo termine. Un miglioramento più completo della tecnologia della fibra di carbonio, in particolare il controllo delle capacità di produzione di massa delle fibre di carbonio di fascia medio-alta, è essenziale per ottenere un vantaggio competitivo nel mercato globale della fibra di carbonio. La fibra di carbonio termoplastica potrebbe essere la prossima importante direzione per lo sviluppo dell’industria della fibra di carbonio. Quindi, i compositi termoplastici in fibra di carbonio svolgeranno un ruolo di promozione nell’utilizzo dell’energia dell’idrogeno?
Vantaggi dei compositi termoplastici in fibra di carbonio:
1. Rapporto resistenza/peso elevato: La fibra di carbonio è rinomata per il suo elevato rapporto resistenza/peso. La combinazione della fibra di carbonio con una matrice termoplastica migliora questo vantaggio, rendendo i compositi termoplastici in fibra di carbonio attraenti per applicazioni nei settori aerospaziale e automobilistico dove materiali leggeri ed elevata resistenza sono fondamentali.
2.Stabilità chimica: Le resine termoplastiche mostrano generalmente una migliore resistenza chimica rispetto alle resine termoindurenti, rendendo i compositi termoplastici in fibra di carbonio adatti per applicazioni che richiedono il contatto con sostanze chimiche aggressive, come quelle nell'industria della lavorazione chimica.
3. Resistenza agli urti migliorata: Rispetto alle resine termoindurenti, le resine termoplastiche spesso hanno una migliore resistenza agli urti e tenacità, il che rende i compositi termoplastici in fibra di carbonio ideali per applicazioni che richiedono eccellenti prestazioni agli urti.
4.Produzione veloce: La velocità di lavorazione dei compositi termoplastici in fibra di carbonio è più veloce di quella dei compositi termoindurenti in fibra di carbonio a causa dei tempi di polimerizzazione più brevi. Questa caratteristica avvantaggia le industrie che richiedono cicli di produzione rapidi e produttività elevata.
5. Saldabilità: I compositi termoplastici in fibra di carbonio possono essere uniti utilizzando varie tecniche di saldatura, come la saldatura ad ultrasuoni o la saldatura a induzione. Questa capacità facilita il processo di assemblaggio e consente la produzione di strutture complesse.
6.Riparabilità: I compositi termoplastici in fibra di carbonio sono generalmente più facili da riparare rispetto ai compositi termoindurenti in fibra di carbonio. Possono essere riscaldati, rimodellati o rattoppati, consentendo riparazioni in loco senza compromettere le prestazioni complessive del materiale.
7.Riprocessabilità: I compositi termoplastici in fibra di carbonio possono essere fusi e riformati più volte senza degradare significativamente le loro proprietà meccaniche. A differenza dei compositi termoindurenti in fibra di carbonio, che subiscono reazioni di polimerizzazione irreversibili, questa rilavorabilità rende i compositi termoplastici più rispettosi dell’ambiente ed economicamente sostenibili.
8.Riciclabilità: I compositi termoplastici in fibra di carbonio possono essere riciclati alla fine del loro ciclo di vita, riducendo l'impatto ambientale e contribuendo a un utilizzo sostenibile.
