我国高端石化材料在新能源领域的应用及市场研究(第一部分风能)
“十四五”时期,我国新能源产业预计将以年均19%的速度增长。目前,新能源行业涉及的高端石化材料自给率仅为60%~70%,仍具有较大的国产化潜力。在碳达峰、碳中和背景下,我国能源结构处于由化石能源向风、光、氢等新能源转变的关键时期,高端石化材料也将成为传统石化企业转型升级的重要抓手,助力我国新能源产业发展。
2022年,我国风能、太阳能和氢能领域高端石化材料消费规模约230万吨。其中,80%以上需求来自光伏产业,需求量最大的是光伏行业封装胶膜和背板材料,约占三个行业高端石化材料需求总量的三分之二;氢能产业石化材料需求最少但增速最快。预计2030年,我国风能、太阳能和氢能领域高端石化材料消费规模将达450万吨左右。
1. 风能产业链
1.1 风能产业整体情况
2022年全球新增风电装机量约78GW,其中陆上风电约69GW,海上装机约9GW;预计2025年全球新增风电装机量将达135GW。随着全球能源转型的加速推进,我国风电行业发展前景广阔。据中国可再生能源学会风能专业委员会数据,2022年我国风电新增装机量约49.8GW;预计“十四五”期间,国内风电装机量年均增加70GW左右,2025年达到650GW;预计2025年后年均约新增100GW,2030年达到1 200GW左右。
风能产业主要包括上游原料生产、中游部件制造和整机组装、下游运营三大环节。石化材料主要应用于中游的风机制造,风机主要由叶片、机舱、塔筒、电缆等组成。2022年我国风能材料高端消费规模约45万吨,涉及30余种材料产品。预计随着装机量大幅提升,“十四五”期间相关材料消费年均增速约为12%;“十五五”期间,风能行业整体材料消费年均增速有望达9%左右。
1.2 风能产业链主要石化材料应用及市场情况
1.2.1 叶片材料
风机叶片主要由外壳、主梁、腹板、芯材和涂层等构成。
通常90米以上叶片的梁、梁帽、腹板全部使用碳纤维材料;但部分小尺寸或超大尺寸叶片也有局部使用碳纤维增强、其余部分使用玻纤的设计。由于碳纤维成本较高,随着高强玻璃纤维性能不断提升,碳纤维市场渗透率增长放缓。目前90%以上的风电叶片使用环氧树脂作基体;灌注成型中还需使用脱模布、导流网隔离膜、真空袋等大量过程用料。结构胶作为粘合叶片、主梁和腹板的重要材料,主要为环氧树脂体系。
芯材约占叶片重量的4%~7%,材料主要包括巴沙木、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)以及聚醚酰亚胺(PEI)、苯乙烯–丙烯腈共聚物(SAN)等。目前市面主流风机叶片厂商广泛采用巴沙木作为主夹芯材料,PVC泡沫作为辅助材料。由于巴沙木价格快速上涨和PVC泡沫供应紧张,PET泡沫成为新的发展趋势。
目前,风机叶片涂层结构主要分为腻子、底漆和面漆。聚氨酯涂层体系因具较强的附着力和耐油耐磨性应用最为广泛。目前溶剂型聚氨酯体系占据绝对主流,随环保要求提高,未来将逐渐向水性聚氨酯体系发展。
1.2.2 机舱材料
风力发电机机舱主要由机械元件和设备构成,石化材料相关部件主要集中在外壳部分。同时,由于涉及到密封和机械运行,还有合成润滑油脂、密封胶以及涂料的使用。
风力发电机机舱典型外壳主要由环氧树脂和玻纤组成;成型工艺与叶片相似,也需要过程用材。此外,机舱内部一般以“预埋–树脂灌注”方式用加强筋加强,近年也有采用PVC芯材进行加强的方式。据测算,机舱用环氧树脂基料约19万吨,芯材3.2万吨,预计2030年将分别提升至1.5万吨和7.3万吨左右。
由于风机多处于环境恶劣地区,对润滑油的品质要求很高,多为PAO润滑油。机舱中主齿轮箱需润滑油最多,但随着无齿轮箱风机以及磁浮轴承的增多,单机润滑油用量有减少趋势。目前,国内风机用PAO润滑油需求规模约为2万吨左右,随着风能行业快速发展以及装机规模扩大,预计2030年将增至4万吨左右。
1.2.3 塔筒和基础材料
风电塔筒和基础结构多样,特别是海上基础结构,包括单桩、导管架、多桩以及漂浮式等多种类型。塔筒和基础结构主要为金属,石化产品的消费主要集中在内外层涂料和灌浆料上。
风电塔筒和桩基内外涂料体系多样,以环氧树脂漆为主。根据估算,我国风电塔筒基础涂料用树脂约1万吨左右。
导管架与基础桩之间通过高强度灌浆料连接固定,目前海上风机基础主要采用水泥基材料灌浆连接。单个风力发电机组灌浆料的使用量根据套筒直径、海洋环境和海床条件的不同而有所不同。2022年,海上风电用灌浆料市场约8~10万吨,2030年或增至20万吨以上。
1.2.4 电缆材料
风能产业电缆主要分为陆上电缆和海上电缆。目前陆上电缆相关绝缘料原料国内均可满足,海上电缆对于绝缘性能要求更高,该文仅关注高压及超高压海缆所需高端材料。
海上风电电缆分为塔间电缆、集电电缆和外送电缆等,不同电缆对应不同的电压、冗余以及材料要求。目前我国海上风电项目以离岸距离小于50千米、装机容量20~40万千瓦的近海项目为主;海缆高端材料消费主要以XLPE为主,110KV以上消费规模约为1~2万吨,2030年将增至2万吨以上,其中高压及超高压XLPE国内多数依赖进口,进口产品主要来自北欧化工。