Nuo vėjo jėgainių mentų iki vandenilio saugyklos talpų: kodėl anglies pluoštas tapo „standartu“ energijos medžiagose?

Pagreitėjant pasauliniam energijos perėjimui į žemos anglies kiekio ir švarias technologijas, medžiagos tyliai iškyla kaip pagrindinis energijos technologijų pažangos variklis. Nuo šimtą metrų viršijančių vėjo jėgainių mentų iki aukšto slėgio vandenilio saugyklos talpų – anglies pluoštas vis dažniau naudojamas naujosios energijos šaltinių pagrindinėse įrangose, palaipsniui virdamas ne tik „aukštos kokybės medžiaga“, bet ir būtina energijos sektoriaus standartinė medžiaga.

Kokios galimybės leidžia šiam, atrodytų, paprastam juodajam pluoštui užimti neišvengiamą poziciją tokiose strateginėse srityse kaip vėjo energetika ir vandenilio energija?

Vėjo jėgainių mentos keliamos ekstremalias sąlygas medžiagoms.

Vėjo energija, kaip viena iš šiuo metu labiausiai subrendusių švarios energijos formų, nuolat tobulėja link didesnių megavatų galios ir ilgesnių mentų. Ilgesnės mentos padidina apmetamą plotą, todėl teoriškai didina elektros gamybos efektyvumą. Tačiau ši tendencija kelia ekstremalias iššūkius medžiagų savybėms.

Tradicinės stiklo pluošto mentės dažnai susiduria su konstrukcinėmis ir nuovargio problemomis dėl per didelės savo svorio, kai mentės ilgis didėja. Anglies pluoštas, turėdamas puikią specifinę stiprumo ir specifinės standumo pranašumų, siūlo aukštesnio lygio sprendimą siekiant „masės mažinimo ir naudingumo padidinimo“ vėjo jėgainių mentėse.

Anglies pluoštu stiprinamų kompozitų įtraukimas į kritines apkrovos nešančias zonas, pvz., pagrindinį skersinį strypą ir sustiprinimo zonas, žymiai sumažina bendrą mentės masę, tuo pačiu labai padidindamas jos standumą ir nuovargio gyvavimo trukmę. Tai ne tik palengvina tolesnius pasiekimus mentės ilgio srityje, bet taip pat sumažina visos jėgainės vežimo, montavimo ir eksploatavimo apkrovas, atverdama kelius jūros vėjo energijos ir žemo vėjo greičio regionuose esančių vėjo elektrinės plėtojimui.

Vandenilio saugyklos bakai: pagrindinė parama lengvinimui ir saugumui

Jei vėjo energija atstovauja naujosios energijos „gamybos pusę“, tai vandenilinė energija yra svarbus energijos kaupimo ir panaudojimo kryptis. Vandenilinės energijos sistemoje saugus ir efektyvus aukšto slėgio vandenilio saugojimas išlieka neišvengiamas pagrindinis iššūkis.

Šiuo metu dominuojančios III ir IV tipo aukšto slėgio vandenilio saugyklos beveik išimtinai naudoja anglies pluošto kompozitinių apvyniojimų konstrukcijas. Palyginti su tradicinėmis metalinėmis saugyklomis, anglies pluošto vandenilio saugyklos turi žymius privalumus keliomis sritymis:
(1) Mažesnis svoris: Žymiai sumažintas svoris esant tokiai pačiai vandenilio saugojimo talpai, todėl pagerėja visos transporto priemonės ar sistemos efektyvumas.
(2) Aukštesnė slėgio atsparumas: Gali atitikti aukšto slėgio saugojimo reikalavimus – 35 MPa, 70 MPa ir aukščiau.
(3) Atsparumas korozijai ir nuovargiui: Atsparios vandenilio sukeltam trapumui, užtikrindamos ilgalaikį saugumą ir patikimumą.

Todėl anglies pluoštas tapo neišvengiamu pagrindiniu medžiagų komponentu degalų elementų transporto priemonėse ir vandenilio kaupimo/transportavimo sistemose.

Kodėl anglies pluoštas yra tokio „ypatingo“?

Anglies pluošto naudingos savybės kyla iš jo uniklios mikrostruktūros.

Anglies atomai išdėstyti labai orientuotai, sudarydami grafito panašią kristalinę struktūrą; nors pluošto skersmuo paprastai siekia tik 5–10 mikrometrų, jis gali atlaikyti itin didelius tempiamosios apkrovos veiksmus. Kartu dėl paviršiaus apdorojimo ir audinio struktūros projektavimo anglies pluoštas gali sudaryti stabilius ryšius su dervų sistemomis, tenkindamas įvairių energijos įrangos konstrukcines reikalavimus.

Būtent ši konstrukcinė ir technologinė projektavimo lankstumas leidžia anglies pluošto kompozitams pasiekti nepasiekiamą balansą tarp stiprumo, standumo, svorio ir ilgaamžiškumo.

Istoriniu požiūriu anglies pluošto aukšta kaina rimtai ribojo jo pROGRAMA plėtimasis. Tačiau pastaraisiais metais technologiniai pasiekimai ir taikymo masto padidėjimas palaipsniui keičia šią situaciją:
(1) Subrendusi daugiasienės anglies pluošto technologija skatina nuolatinį vieneto kaštų mažėjimą.
(2) Tolydus pirminės žaliavos ir gamybos procesų optimizavimas padidina gamybos efektyvumą.
(3) Perdirbimo ir pakartotinio naudojimo technologijos nuolatos tobulėja.
(4) Augantis energijos sektoriaus paklausas skatina masinę pramoninę plėtrą.
Atsižvelgiant tiek į visapusišką našumą, tiek į bendrus gyvavimo ciklo kaštus, anglies pluošto taikymas energijos įrangoje tampa vis labiau ekonomiškai naudingas.

Be vėjo energijos ir vandenilio energijos, energijos taikymo sritis toliau plečiasi.

Be vėjo jėgainių mentų ir vandenilio saugyklos talpyklų, anglies pluošto taikymo ribos energijos sektoriuje toliau plečiasi, pvz.:
(1) Fotovoltinės montavimo konstrukcijos ir konstrukcinės dalys
(2) Konstrukciniai ir apsauginiai komponentai branduolinės energijos įrangos įrenginiuose
(3) Korozijai atsparūs komponentai jūros energijos įrangos įrenginiuose
(4) Perduodamosios linijos ir tinklo sustiprinimo konstrukcijos

Numatoma, kad toliau vystantis naujosioms energijos technologijoms anglies pluoštas bus naudojamas vis svarbesnėse srityse.

Nuo vėjo jėgainių mentų, besisukančių prieš vėją, iki slėgiu veikiančių vandenilio saugyklos talpų – anglies pluoštas keičia energijos įrangos medžiagų logiką. Jis reiškia ne tik lengvesnį ir stipresnį medžiagų pasirinkimą, bet taip pat įkūnija bendrą naujosios energijos eros siekį efektyvumo, saugumo ir patikimumo.

Kai anglies pluoštas perėjo iš „premiuminės parinkties“ į „energetikos pramonės standartą“, šis poslinkis atspindi ne tik medžiagų mokslų pažangą, bet ir neišvengiamą sprendimą, kuris kyla iš energijos sistemos transformacijos proceso.

Būsimose energijos sistemose anglies pluoštas gali tapti tokia pat įprasta medžiaga kaip šiandien plienas – tačiau lengvesnė, atsparesnė ir geriau atitinkanti tvariosios plėtros tikslus.