【技术干货】清洁能源领域用先进复合材料技术的挑战分析
摘 要
轻质、高强度和高刚度复合材料已被确定为美国清洁能源制造业的一项关键交叉技术，该技术将有潜力重塑节能交通部门，实现高效发电，为储存和运输减少碳燃料排放，以及增加可再生能源的发电量。为了兑现承诺，则需要先进的制造技术，以扩大具有成本竞争力的商业化生产规模。
本文主要介绍了复合材料在清洁能源如汽车工业、风力发电、压缩气体存储等行业的潜在应用，并详细分析了复合材料尤其是碳纤维复合材料在上述领域广泛应用面临的主要障碍。
1、先进复合材料及其清洁能源应用概述
复合材料可以定义为由两种或两种以上材料的组合，这些材料保留了各组分的宏观结构，但可以设计出比单独的组分具有更高性能的材料。纤维增强聚合物（FRP）是通过将聚合物树脂与增强纤维复合形成的一种复合材料。
这些轻质复合材料为节能和减少碳排放提供了可能，如减轻汽车重量可节省燃油并提高汽车的高效运行；在替代不可再生能源的风力发电行业中，FRP的应用可以较低的安装成本高效运行；使用复合材料压缩气罐储存天然气，并最终将氢气作为燃料储存，对环境的影响明显低于石油衍生燃料。
通常，复合材料由增强材料和基体制成，其中增强材料提供机械强度并在复合材料中传递载荷。基体通过粘结可保持增强材料的排列或间距，并保护增强材料不受磨损或环境的影响。相较于整体材料（例如金属），具有类似或更好性能的基体材料与高强度增强材料相结合可以使产品重量更轻。
树脂和增强纤维可以多种方式组合在一起，并通过一系列的成形和加工工艺进一步加工。具体的制造技术取决于树脂材料、部件的形状和尺寸以及最终应用所需的结构性能。
可采用复合材料的清洁能源行业主要包括：汽车工业、风力涡轮机叶片、压缩气体存储、工业设备、热交换器和管道、地热能生产、建筑结构材料、用于电网稳定的飞轮、水力发电、太阳能系统的支撑结构、运输集装箱和其他系统等，这些领域均可以从低成本、高强度、高刚度、耐腐蚀的轻质复合材料获益。
上述应用中的绝大部分受益于碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料，因为与许多结构材料相比，CFRP具有更高的比强度和比刚度。这些轻质材料可为不具有高强度和刚度特性的材料提供优异的性能，并可显著节省能源。虽然复合材料可选择的基体和增强纤维的类型较多，但是美国能源部已将先进的FRP（尤其是CFRP）作为首要目标。
在众多复合材料中美国能源部优先考虑碳纤维复合材料
2、复合材料在清洁能源领域应用潜力
在本文中，主要讨论了复合材料在汽车工业、风力涡轮机叶片和压缩气体存储等三大清洁能源应用领域的发展潜力。
2.1
汽车工业
轻量化是交通运输领域中一项重要的最终使用能效策略，例如，将车辆重量减少10％可使传统内燃机的燃料效率提高6％–8％，或将电动汽车的续航里程提高到10％。美国能源部车辆技术办公室（VTO）估计，美国汽车和轻型卡车车队的所有车辆重量减轻10％，可使每年能源减少1060吨、二氧化碳排放量减少720万吨。如果美国轻型机队的四分之一使用轻质部件和由先进材料制成的高效发动机，那么到2030年，每年将节省50多亿加仑的燃料。
2012年，美国环境保护署（U.S.Environmental Protection Agency）制定的轿车和轻型卡车企业平均燃油经济性（CAFE）标准将在2025年前将燃油经济性提高到相当于54.5mpg的水平。轻量化已被确定为一种潜在的新技术方法，具有实现这一目标的巨大潜力。美国驱动材料技术团队在其2013年路线图中将碳纤维复合材料确定为降低车辆重量最有影响的材料。
与金属钢相比，使用玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料重量可分别减轻25-30％（玻璃纤维）和60–70％（碳纤维）。玻璃纤维复合材料主要用于封闭或半结构部件中，如：后舱门，屋顶，门和支架，它们占轻型车辆重量的8-10％，此外，玻璃纤维复合材料可以增强零件的固结能力、耐腐蚀性和阻尼性能。
过去四十年来，碳纤维复合材料在商用汽车领域的应用非常有限，主要用于半自动结构（即引擎盖、车顶）和非结构性（即座椅织物）的小批量生产。然而，碳纤维复合材料对汽车轻量化和使用具有最重要的影响在车辆结构应用中。轻型车辆的典型车身结构占重量的23％至28％。DOE车辆技术计划设定的目标是将乘用车乘用车车身和底盘系统重量减少50%。
虽然不少国外制造商发布了由碳纤维车体组成的电动汽车，但在一些关键技术上仍然面对不少挑战，如车身结构的结构和安全要求需要更多的失效模式信息、同等成本下具有同等或更好性能的材料、更好的设计工具和可靠的复合材料连接技术，所有这些都要具有足够的制造速度和一致性，以便适用于更常见的车辆模型。
2.2
风电叶片行业
预计到2030年，美国20%的电力来自于风能，并可将发电产生的二氧化碳排放量减少8.25亿吨。在风力发电应用领域，高强度、高刚度、抗疲劳的轻质材料（如碳纤维复合材料）可支持开发更轻、更长的叶片来增加发电量。此外，使用更轻的叶片降低了整个支撑结构的承载要求，节省的总成本远远超过仅叶片节省的材料。不仅可以通过减少涡轮机塔架的结构来节省陆上风能的成本，而且在减少海上风电应用的支撑结构方面节省了大量资金，因为在海上风电应用中，可能会使用更大更高效的涡轮。
尽管一些制造商已将高性能碳纤维用于高负载区域（即翼梁帽），但由于玻璃纤维复合材料成本更低，因此目前是整个叶片的主要材料。涡轮机结构和叶片的资本成本是影响风力发电水平化电力成本（LCOE）的重要因素，因此材料结构性能的任何提高都必须与成本的增加相平衡，以确保整体系统成本不会随发电容量和能源的增加而不成比例地增加。
对于更长的风电叶片而言，使用碳纤维材料是相当有利的，因为它可以减轻叶片的重量。根据一项研究估计，与玻璃纤维材料相比，100m碳纤维翼梁帽叶片设计可是重量降低28％。基于Sandia国家实验室关于100m全玻璃（72％）或全碳（75％）叶片的模型成本，碳纤维成本将需要降低34％才能具有竞争力。因此，材料优化和更低成本的结合可以使碳纤维在未来的叶片中得到应用。
100m长碳纤维翼梁帽叶片成本组成
制造技术的进一步发展，质量控制的改进，玻璃纤维/碳纤维混合复合材料的创新，碳纤维复合材料制造成本的降低将有力支持大型涡轮机的生产，并使风能持续增长。
2.3
压缩储气罐行业
根据燃料电池技术办公室（FCTO）的数据，与当今的汽油内燃机汽车相比，使用氢燃料电池电动汽车可将油耗减少95%以上，与使用汽油或乙醇的先进混合动力电动汽车相比可减少85%以上，与先进的插电式混合动力汽车相比，这一比例要超过80%。
氢燃料电池系统的全面商业化将需要储氢技术的进步。重量轻且具有成本竞争优势的氢气储存将有助于使燃料电池系统在移动和固定应用方面具有竞争力。燃料电池的早期市场包括便携式、固定式、备用和材料处理设备（即叉车）应用。
许多储氢技术类似于天然气应用所需的技术。随着用于储氢和天然气需求的压缩气体的增长，将需要成本更低的材料和制造储罐的方法。高压储罐通常由高强度（> 700ksi抗拉强度）碳纤维长丝缠绕在金属或聚合物衬里的聚合物基体中，碳纤维复合材料成本可占系统成本的80％以上，FCTO设定的最终成本目标为$8/ kWhr（267美元/千克H2储存）。对于IV型储罐，其5.6kg的氢气存储在700bar下，要达到这些成本目标，碳纤维复合材料的成本将降至10至15美元/公斤。美国Drive氢气存储技术团队指出，如果以高容量制造量（每年500,000个）实现2020年$10/kg目标的最大成本削减，预计碳纤维制造和材料使用的改善将带来最大的成本削减。
为达到8美元/千瓦时目标，需要各单元成本控制情况
FCTO将继续支持研发以降低碳纤维成本，包括使用替代原料、先进的纤维转化加工技术、使用填料或添加剂以及创新的储罐设计和制造技术。
3、复合材料清洁能源应用的挑战性分析
目前在清洁能源应用领域使用复合材料存在若干主要障碍，其中最主要的五大障碍包括：高速生产（生产周期短）、低成本生产（与生产速度密切相关）、高能效制造技术、回收技术和创新设计理念。
除上述主要因素以外，缺乏专业知识和高昂的投资成本（重新加工/设备成本）也成为增加投资或采用这项技术面临的最重大障碍，其中专业知识包括了高质量的材料性能数据和经验证的零件性能数据、足够的预测建模和仿真工具、设计能力和技术等。根据另外一项单独的分析表明，碳纤维和高速复合材料制造的材料成本被确定为阻碍大批量应用和市场增长的头号因素。通过这一特殊评估确定的其他障碍包括经验证的耐撞性、设计工具、劳动力阻力、标准、缺乏有保证的供应、可修复性以及与商品树脂系统的兼容性。
美国驱动材料技术团队还将碳纤维成本、大批量制造、回收利用、预测建模和其他支持技术确定为进一步采用碳纤维复合材料的最关键挑战。综上所述，目前对清洁能源领域碳纤维增强复合材料广泛应用产生潜在影响的关键障碍是成本、生产速度、能源和可回收性。
3.1
生产成本
目前，碳纤维复合材料的成本是钢成本的1.5-5.0倍，高性能碳纤维的生产成本抑制了大规模应用，因此，需要降低原材料和加工成本。正如前面所讨论的，由于高成本使得大型风电也受到了限制。
随着未来15年的重大进展，成本预计将从22美元/公斤下降到11美元/公斤。油价推动了原材料成本，供需失衡导致价格周期性波动，高达成本的两倍，这鼓励了对非石油基纤维前驱体和树脂的研究。
3.2
生产速度
工艺产量或制造速度是复合材料成本的另一个主要驱动因素，也是在大批量应用中采用复合材料的关键标准。与传统金属零件相比，工具和安装成本通常有利于具有相同形状和功能的复合零件。
增材制造技术的发展正在探索成为解决复杂工装制造问题的一种途径。较低的工装和安装成本与工艺生产能力之间的权衡取而代之的是零件数量阈值，超过这个阈值，优势将转移到金属零件上。为了在更高的生产水平下实现与金属的成本均等，必须缩短复合材料制造的周期时间。
新兴的快速固化树脂和热塑性基体聚合物中长纤维增强的热成型工艺是缩短现有工艺循环时间的直接途径。过程自动化如机器人材料沉积系统、自适应工具以及单位操作之间的预制件或子组件的运输，可以帮助实现更高的吞吐量目标。
在汽车行业，这特别是采用该产品的障碍，供应商一直在努力减少固化时间以提高生产速度。例如，在2011年，Momentive Specialty Chemicals推出了一种五分钟固化的环氧树脂，而在2014年，Hexcel推出了一种具有两分钟周期的快速固化预浸料。
3.3
能源
生命周期的能源优势是高能耗的先进复合材料生产与使用阶段实现的节能减排之间的平衡。使用阶段的能源节约来自诸如以下几方面的机会：轻型车辆的燃料节省，以较低的安装成本高效运行取代不可再生能源的风力涡轮机以及使用压缩气罐作为天然气，氢作为燃料储存比石油衍生燃料对环境的影响低。
原材料通常来自能源密集型的石油加工，以及用于增强FRP和基体。在生产阶段，碳纤维和玻璃纤维的制造都需要高温。一项研究估计，碳纤维复合材料的能耗是传统钢重量的3-5倍。为降低FRP的能量强度，需要优质低能原材料和低能生产技术。
此外，如果解决了FRP成本和制造难题，导致这些材料在商品应用中使用而制造能量没有相应降低，这可能会增加在没有生命周期或可再生能源效益的应用中的总能源使用。
3.4
回收
纤维的回收再利用能力以及强大的回收再利用市场可以对复合材料的生命周期能源和温室气体以及成本产生重大的积极影响。需要开发具有成本效益的玻璃钢复合材料回收技术， 可以节省大量能源，特别是如果该流程能够重复使用而又不损失质量，并且回收利用仅占原始制造能源使用和排放的一小部分。 据估计，二次回收碳纤维复合材料能耗仅为初级材料制造能耗的25%。 现在可以进行复合材料的回收，但其范围十分有限，包括航空航天部门和汽车领域的某些应用，例如，宝马i3车型中约10％的碳纤维是回收材料。
主要参考文献：
Avanced Composites Materials and their Manufacture Technology Assessment