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從國家能源戰略看碳纖維及復合材料的應用

?? 日期:2022-07-19???? 來源:嚴說一點????瀏覽:413????
核心提示:俄烏戰爭從2月份到現在快5個月了
 俄烏戰爭從2月份到現在快5個月了,而從最初的全球關注,到現在已經開始新聞疲勞?,F在新聞也很少直接報道戰爭雙方的情況,即使有報道,更多講的是因為俄烏戰爭影響了歐洲的天然氣、石油供應等,有可能造成歐洲乃至世界能源危機。這幾天歐洲重啟煤電廠、德國因為能源短缺修改碳中和時間表的新聞滿天飛...而這,從側面也可以看出能源在國家及國際關系中的戰略地位。

早在2016年發改委就提出了能源技術革命創新行動計劃(2016-2030年),可見能源的重要性:


 

我們碳纖維及復合材料是國家定義的戰略關鍵材料,既然是戰略關鍵材料,那么在能源領域怎么能沒有體現呢?我們來說道說道,先從傳統能源到新能源,再看看能源應用的方式,都有那些地方用到碳纖維復合材料。

一、傳統能源

1、石化、天然氣

石油天然氣是目前全世界能源結構中主要組成部分,石油天然氣不僅運輸、使用方便,而且二次加工產品是化工、材料工業的基礎。

1.1抽油桿

小時候讀鐵人王進喜,看到插圖上一溜的磕頭機,再看相關的影視,不停的磕著頭,感覺很好奇,后來才知道正是這個磕頭機,把地底下的石油抽上來。


 


 

在油氣開采業中,抽油桿是采油系統的主要部件,傳統的鋼制抽油桿在柔韌性和抗腐蝕性方面存在不足,在開采“三高井”或超深井時損耗較大,相比之下,碳纖維材料抽油桿由于其出色的力學性能和機械強度,在油氣開采業正在得到廣泛的應用。 抽油桿應用環境比較惡劣,要接觸到原油,而原油中含有水分,酸堿物質以及含硫化合物,對金屬腐蝕比較嚴重。而且金屬比較重,想想,現在的油井都幾千米深,要是金屬做的抽油桿,這么長得有多重啊。

為了克服普通鋼制抽油桿質量大,耗能高,失效頻繁,活塞效應大,起下作業速度慢,易磨損的缺點,美國利用獨特的航空航天設計和材料技術,經過10多年的努力,研制成功碳纖維復合材料連續抽油桿,專用的油井作業設備并進行了礦場試驗。1991~1995年間美國在33口抽油井進行了礦場實驗,其中有一口井正常運行了4年,另一口含H2S的井正常運行了3年,還有幾口井也連續運行了3年多。這33口井在4年半的礦場試驗中共作業45井次,平均檢泵周期達到1204天。從驗證結果來看,碳纖維抽油桿效果良好。

抽油桿的形狀有圓形和扁形,目前扁形用的更多一些:


 

目前,碳纖維抽油桿已經在國內很多油田得到廣泛應用,中國石油集團大港油田、中國石化集團勝利油田等油田都開展了碳纖維抽油桿技術推廣。2015年,由中國石油集團鉆井工程技術研究院江漢機械研究所研制開發的碳纖維連續抽油桿作業機在新疆油田完成首次下井試驗。試驗在位于新疆油田采油二廠五區553 井區的克503井進行,該井深2068 m,設計使用碳纖維連續抽油桿1080m,泵掛深度1799.47m,下入抽油泵后反復循環抽水作為模擬抽油試驗。試驗的成功有望解決深井、超深井和腐蝕井的開采難題,對于降低抽油井能耗和提高抽油效率具有重大意義。

1.2 石油天然氣管道

碳纖維及復合材料在石油天然氣管道中利用有兩種,一種是直接生產復合材料管道,一種是用于管道修復。

石油天然氣工業中用的管道,有輸送管和采油管,根據使用場合不一樣,要求也不一樣。


 

為了降低生命周期成本和提高耐腐蝕性,位于沙特阿拉伯達蘭的全球能源公司阿美石油公司在其管網中部署了約10000公里的非金屬管道,用于水、石油和天然氣應用。2018年,阿美石油公司首次在含高芳烴含量 (~50%) 的高酸原油作業中部署了碳纖維增強復合材料管道作為鵝頸式陸上井口立管。與碳鋼相比,TCP立管具有更好的靈活性,以及更高的抗疲勞性和隔熱性。目前,2in常規連續管QT-1000的破裂壓力僅為140MPa,不能滿足超高壓水射流鉆井技術的需要。而商業應用的碳纖維復合管破裂壓力能夠達到207MPa,滿足超高壓水射流作業要求,如圖1所示。內壓為83MPa的條件下,2inQT-1000 連續管起下鉆16次后即失效,QUALITY TUBING公司的Incoloy-625連續管的疲勞壽命為70次,而FIBERSPAR SPOOLABLE PRODUCTS 公司的碳纖維復合連續管的疲勞壽命超過2000次。


 

當然在石油天然氣工業中用的最多還是金屬管道,但在管道運行過程中難免會產生腐蝕、損壞,這是就需要修、補等。而不及時處理或處理不當,就有可能造成極為惡劣的后果。碳纖維復合材料修復強是利用纖維材料的高強度 , 結合粘結樹脂在服役的腐蝕或受損管道外包覆一個復合材料修復管道層 , 來恢復含缺陷管道的服役強度,在不影響生產的情況下對受損管體進行強度修復,具有免焊不動火、不停輸、在線、快速修復、操作安全、施工人員少、無須大型設備、費用低等優點,適用于各種缺陷,是管道補強修復的主流方向。不僅如此,復合材料類型的補強還可用于無缺陷管道的提壓增強。由于這類補強方式不用在服役管道上進行焊接,避免了焊穿和發生氫脆、冷脆的風險性。


 

1.3 其他

對于深海油田,將平臺錨固到海底用的纜繩(tether)和連接油井口到平臺的管材(riser)是重要組成部分。如果用鋼材制造,質量重,需用大平臺的漂浮尺寸,必將增大投資。如用CFRP制造,自身減質量效果及減質量波及效果十分顯著。


 

同時 海洋中環境復雜多變,復雜的海水含鹽量很高,對設備設施具有極強的腐蝕性,很多設備設施都是以鋼材料為主,這就無形中增加了開采成本,同時也加大了作業風險。碳纖維材料的低密度、高性能、高強度能夠有效緩解鋼制材料在深海環境所承受的重量和壓力載荷。在深海油田所使用的平臺臍帶纜、錨固纜繩和油井口連接到平臺的管材(立管)都可以用碳纖維材料部分代替,這樣能夠有效降低平臺的重量以及所承受的壓力,節約成本。

而且碳纖維在海上石油平臺的結構和功能部分如夾板、支架護手、儲罐、浮力組件、升降機等都可以用到,發揮獨特的作用。

如一個深海1500 m的作業平臺,用鋼制纜繩約為6 500 t,用CFRP纜繩僅為1000t。同時,前者最大深度只能到1500 m左右,而后者可用到3000 m的深海油田;在墨西哥灣的1200 m深海油田用的升降機,升降管采用CF/GFRP混雜復合材料制造,質量輕,與鋼管相比質量減輕45 kg/m,1200 m可減質量54t,減重效果十分顯著。

2、核能

核電作為清潔能源,雖然在全部電力裝機容量中的占比還是比較小的,但是近幾年國內的核電裝機容量一直呈大幅度增長態勢。而在核工業中要用到鈾235在自然界中含量很低,為了把鈾235從238中分離出來,就要用到專用的離心機。鈾與氟發生反應將其轉化為氣體——產生的六氟化鈾,放入離心機,在旋轉過程中,離心力會導致較重的粒子盡可能遠離中心收集,較輕的粒子更靠近內部。在這種情況下,較重的鈾238同位素被向外拋出,使較輕的鈾235更靠近中間。因為質量差異很小,為了很好的分離,對離心機的轉速要求很高,必須在數萬轉以上,而碳纖維的高強、高模、低密度等優點,正好可以制造離心機的轉子。美國的赫克塞爾Hexcel和日本的東邦TohoTenax都在為核燃料生產工廠提供這類專用的碳纖維纏繞復合材料。

此外,核反應堆中的高溫過濾介質、高溫氣體冷卻內爐的結構材料、等離子體變換器的柵極和集電極等,都可能用到碳纖維。

3、煤炭

煤炭是一種非常傳統又便宜的能源,在我國能源中仍然占有重要的比例。目前碳纖維的價格較高,煤炭工業中使用較少,但有研究報道碳纖維在煤礦坑道加固、礦山機械設備、煤炭輸送帶等中的應用研究報道。

二、新能源

1、風能

風電的100多年發展很快,不僅形狀,結構等變化很大,材料的變化也很大。從最初的木制葉片及布蒙皮葉片開始,經歷了鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片、玻璃鋼葉片、玻璃鋼復合材料葉片,目前已經采用高強輕質的碳纖維增強復合材料。玻璃鋼復合材料葉片強度高、重量輕、耐老化,因此在大、中型風力機葉片中被廣泛采用。玻璃鋼葉片的性能還可以通過表面改性、上漿和涂覆加以改進。但隨著風機的功率的增加,葉片長度的不斷增大,自身重量也不斷增加,在很多場合已不能滿足要求。在這種情況下,具備高強高模、低密度的碳纖維復合材料,成為了人們的重點考慮的對象。技術人員嘗試在葉片多個部位應用碳纖維復合材料。隨著葉片長度的增加,剛度是一個十分重要的指標,為了加強葉片剛度同時減輕葉片的重量,在大型和超大型風力機葉片中的局部高應力區域,碳纖維增強復合材料逐漸被采用,并被用于制作葉片的梁。葉片的大梁相當于人的脊梁骨,長長的葉片就是靠大梁支撐起來!


 

維斯塔斯首先開發利用碳纖維拉擠板材制備葉片大梁,該公司開發成功后,開始大規模推廣。該工藝利用利用制作好的碳纖維拉擠板材,在特定的工裝輔助下,進行鋪疊就可以了,簡化了工藝,縮短了時間,極大的推進了碳纖維在風電上的應用。

隨著海上風電的發展,需要更長葉片、更大功率的風機,對碳纖維的需求也就更高,而海上風電的特殊性,使碳纖維在海上風電中應用的潛在機會更多。


 

2、光伏

碳纖維在光伏中應用在這幾年異軍突起, 這得益于光伏領域對大尺寸熱場的要求。傳統的石墨材料無法滿足大尺寸坩堝的強度要求,碳碳復合材料成了主流。


 

碳-碳復合材料是碳纖維及其織物增強的碳基體復合材料。具有低密度(<2.0g/cm3)、高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹系數、摩擦性能好,以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩定性高等優點,是如今在1650℃以上應用的少數備選材料,最高理論溫度更高達2600℃,因此被認為是最有發展前途的高溫材料之一。光伏產業中所使用的碳碳復合材料主要是用于制造坩堝,作為熔煉多晶硅或單晶硅的器皿,在氫化爐熱場、直拉單晶熱場、多晶鑄錠爐熱場、太陽能電池鍍膜等工藝作為關鍵設備。以往此類坩堝主要利用高純石墨制造,但高純石墨為國外控制,而且隨著拉硅單晶爐和多晶鑄錠爐生產設備的大型化,石墨材料難以滿足。碳碳復合材料具有可設計性和良好的熱物理性能,和石墨熱場材料相比,具有非常大的優勢。

其他方面,碳纖維在光伏行業也有應用。


 

上圖是光伏用的碳纖維刮膠片。


 

光伏電池生產過程中,絲網印刷的效果將直接影響電池的轉換效率,印刷核心是印刷后銀漿的縱橫比。因此對屏幕,銀漿和刮刀的要求越來越高。目前,閘線的要求越來越精細,從最初的60um進入目前的30um,甚至更細;而碳纖維刮刀的輕量化作用,可以做到更精細。


 

上圖是碳纖維輥,可以用于光伏膜的生產、分切中。傳統的金屬輥筒,自身重量大,機器啟動速度慢,慣性大,不僅耗能多、原料損耗大,對生產效率也產生一定的影響。而碳纖維輥具備輕量化、不易磨損、壓力均勻、易調節、高精度等優點。

3、氫能

氫能利用氫和氧反應生成水同時產生能量,因此是一種清潔能源。但氫能本質上是一種二級能源,但氫能的成本較高。氫能如果和風電、光伏互補,倒是一個不錯的選擇。目前氫能在汽車特別是在重卡上發展較快。

氫能源電動車日本發展較快,以首個投放市場的量產燃料電池車—豐田Mira為例:


 

目前


 

4、潮汐能

因月球引力的變化引起潮汐現象,潮汐導致海水平面周期性地升降,因海水漲落及潮水流動所產生的能量稱為潮汐能。海洋的潮汐中蘊藏著巨大的能量。在漲潮的過程中,洶涌而來的海水具有很大的動能,而隨著海水水位的升高,就把海水的巨大動能轉化為勢能;在落潮的過程中,海水奔騰而去,水位逐漸降低,勢能又轉化為動能。潮汐能是一種可再生能源想,而且潮汐的規律性很強,可以為人類所利用。

近期, Schottel Hydro(德國)與愛爾蘭國立高威大學(NUI Galway)的 MaREI 中心聯手,準備在Sustainable Marine(加拿大新斯科舍?。┙⒁粋€新型漂浮式潮汐能系統,其新型碳纖維潮汐發電機已證明它們可以生存在該現場條件下工作長達二十年。


 

據報道,Sustainable Marine 的新型漂浮式潮汐能系統使用一個共同的傳動系統和兩種不同的葉片直徑,分別為 6.3 米和 4 米,以滿足不同資源地點的要求。據該公司稱,發電機設計包括一個由碳纖維制成的固定螺距葉片,以在過載條件下實現彎曲和螺距。據稱是世界上第一個浮動潮汐能陣列。

2019年AC Marine&Composites Ltd.(ACMC;英國Gospart)稱已獲得合同,為浮動潮汐流渦輪機開發商Orbital Marine Power Ltd.的第一臺商用O2潮汐渦輪機提供復合材料葉片。


 

據Orbital稱,該2兆瓦的潮汐渦輪機將具有四個10米的復合材料葉片,并且有望成為迄今為止功能最強大的潮汐渦輪機,能夠為1,700多個英國家庭供電。

Kepler Energy研究團隊近來提出一個在布里斯托爾海峽建立一個30MW潮汐能柵欄的計劃,以此將源源不斷的潮汐能最大效率的利用起來。柵欄主體由碳纖維構成,利用簡單的桁架設計確保最小的移動部件暴露于潮汐流來獲取其中的能量,并且使用可適用于惡劣環境的軸向渦輪機。


 

三、能源應用方式

1、儲能

飛輪儲能,簡單來說就是先利用電能驅動飛輪高速旋轉,將電能轉化為飛輪中的動能儲存起來。然后再在需要的時候釋放飛輪,利用飛輪的慣性拖動電機發電,將儲存起來的動能再轉化為電能輸出。20世紀60—70年代,飛輪儲能最先在美國衛星的蓄能電池上得到了應用,此后主要應用于航空航天和軍事領域。近年來,飛輪儲能技術逐步民用化,開始在電力、交通領域中有所應用。2019年GTR飛輪儲能裝置昨天在北京地鐵房山線廣陽城站正式實現商用,飛輪儲能裝置可以將列車進站剎車時所產生的電能轉化為動能儲存,當列車再次啟動,飛輪儲能再將動能轉化為電能輸出,實現再生制動能量的回收和利用,從而達到節能的目的。據介紹,在飛輪儲能系統投入使用后,該車站一年可節省約50萬度電。

近年來,飛輪儲能技術取得突破性進展是基于下述3項技術的飛速發展:一是高能永磁及高溫超導技術的出現;二是碳纖維復合材料的問世;三是電力電子技術的飛速發展。由于在實際工作中,飛輪的轉速可達40000~500000r/min,一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉速,所以飛輪一般都采用碳纖維制成,既輕又強,進一步減少了整個系統的重量,同時,為了減少充放電過程中的能量損耗(主要是摩擦力損耗),電機和飛輪都使用磁軸承,使其懸浮,以減少機械摩擦;同時將飛輪和電機放置在真空容器中,以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率(輸入輸出)可以達到95%左右。


 

碳纖維復合材料能在很大程度地地減輕輪體重量,尤其是高強高模碳纖維材料可以在保證輪子具有高抗拉強度的同時,又可保持尺寸穩定及高抗形變,進而實現長期使用不變形。但碳纖維飛輪的制造與碳纖維復合材料的成型技術密切相關,只要對飛輪的結構進行適當優化,使現有的碳纖維復合材料生產能滿足其技術需求,那么使用碳纖維復合材料必將成為飛輪儲能應用發展最強勁的推動力之一。

2、電機轉子

近期特斯拉發布2022款Model S Plaid,加速時間為1.99秒。將0~60英里(約為97公里)的加速時間拉到2秒以下,電動車在加速度方面的優勢被特斯拉放大至燃油車無法超越的地步。決定電動車極速的關鍵要素之一就是電機的轉速,電動機可以達到的轉速越高,車輛的行駛速度也就越高。特斯拉的方案就是采取了碳纖維轉子的方案。


 

3、碳纖維車身電池——復材的結構功能一體化方案

鋰離子電池組的重量是電動汽車技術的主要挑戰之一。純電動汽車要想有長續航,就需要更大的電池組。但是更大的電池組帶來了更大的重量,更大的重量就會造成汽車耗電量的增加。所以如果一味地增大電池,那么對于純電動汽車來說也是一個惡性循環,甚至適得其反。所以現在純電動汽車都在找一個續航和重量之間的平衡。 但是如果有一種電池技術可以集成到汽車的結構元件中,從而根本不增加汽車的重量,讓整輛車身直接變身成一顆大電池。 這是不是一種革命性的技術呢?

透過碳纖維的導電特性,能讓未來電動車不再需要使用沉甸甸的鋰電池。 瑞典哥德堡查默斯理工大學和 KTH 皇家理工學院的科學家們做了相關的嘗試。


 

研究人員研究了不同類型市售碳纖維的微觀結構,發現微小且取向不良晶體的碳纖維具有良好的電化學性能,但剛度太低,而具有較大而高取向晶體的碳纖維剛度高,但電化學性能又太低。為了進一步理解碳纖維微結構與鋰離子插入機制和電化學容量間的關系,研究人員通過掃描電子顯微鏡(SEM) 、高分辨投射電子顯微鏡(HR-TEM)以及電化學方法對多種不同類型的中、高模量聚丙烯腈基碳纖維的明顯微觀結構差異進行了詳細表征,并通過每種碳纖維的原位共聚焦拉曼光譜對充放電期間鋰離子的嵌入機理進行了研究。拉曼G帶分析顯示,高模量碳纖維中的鋰離子嵌入機制與結晶石墨中的類似,其相對較低的電化學容量(約150mAh/g)是由于阻塞性亂層無序使分階段結構的形成受挫。相反,具有更高電化學容量(約300mAh/g)的中等模量碳纖維的鋰離子插入機制則更接近部分無序碳。因此,通過定制石墨序列和微晶尺寸可以改進多功能碳纖維的性能。

碳纖維及復合材料的優越特性,是其在能源工業特別是新能源中已經發揮了重要的作用,未來必將發揮更加重要的作用!

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