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风电叶片用材料和其他风电相关新型复合材料行业概况

日期:2023-10-09    来源:思瀚研究院

国际风力发电网

2023
10/09
10:55
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关键词: 风电行业 风电叶片 风电装机

(1)风电行业发展概况

1)全球风电行业发展概况及前景预测

风电是清洁能源和新能源中的重要的组成部分。21 世纪以来,在全球气候变暖和减少碳排放的大背景下,全球风电行业总体快速发展。根据 GWEC,2020年全球风电新增装机量创造历史新高 95.3GW,较 2019 年同比增长 56.74%,2021年全球风电新增装机量略微降低,但仍有 93.6GW,连续两年全球风电新增装机量突破 90GW,2022 年新增装机数 77.6GW,2001-2022 年全球风电新增装机量年复合增长率达 13.66%。

根据 GWEC 统计,2022 年全球风电新增装机量 77.6GW 中,陆上风电新增装机量 68.8GW,海上风电新增装机量 8.8GW。根据 GWEC 的市场预测,2022-2027 年,全球新增风电装机容量将保持 11.79%的复合增长率,平均每年新增风电装机容量 136.4GW,五年间总新增风电装机将突破 682GW。全球累计风电装机将于 2027 年末达到 1,596.6GW。

全球风电新增装机地域分布较为集中,中国和美国仍是全球最大的风电装机市场,两国 2022 年新增装机量占比超过 60%;截至 2022 年末,全球风电累计装机规模达 914.6GW,较 2021 年同比增长 9.3%。由于地缘政治等因素,欧洲各国对风电等新能源的需求也在不断上涨,欧美加码海风规划。

2022 年 4 月,英国发布《能源安全战略》,到 2030 年,英国海上风电装机容量将从目前的 40GW 提高到 50GW。2022 年 5 月 18 日,丹麦、比利时、荷兰、德国四国在“北海海上风电峰会”上承诺,2030 年四国海上风电总装机量从 16GW 增至 65GW,到 2050年,四个国家的海上风电装机将增加 10 倍。

2022 年 8 月 30 日,波罗的海周边八国签署了“马林堡宣言”,计划在 2030 年将波罗的海地区的海风装机装机容量提高至 19.6GW,约为当前装机容量的 7 倍。

据 GWEC 预测,2023-2027 年期间全球新增风电装机中的绝大部分将主要来自中国、欧洲和北美市场;中国将继续领跑全球新增风电装机市场,中国新增风电装机容量约占全球新增装机的 41%-46%。

全球风电整机行业集中度较高。彭博新能源财经(BNEF)公布了 2022 年全球风电整机制造商市场份额排名。2022 年风电整机份额在全球市场占比最高的前五大风电整机制造商为金风科技、维斯塔斯、GE、远景能源、西门子歌美飒,总市场份额占比达到 57.64%;前十大风电整机制造商的市场份额占比达到86.93%。前十名中国厂商占据 6 席,与上一年持平。中国依旧是全球最大风电市场,美国新增装机容量紧随其后,两国共占超过 60%的市场份额。

2)我国风电行业发展概况

根据国家能源局及中国风能协会,2000 年,我国风电装机量仅为 0.3GW,2002 年国产化机组实现批量化生产以来,我国风电年装机量开始呈现快速增长。截至 2012 年末,我国风电累计装机量达 75.32GW,超越美国成为世界第一风电大国;2020 年,我国风电新增装机容量达到创纪录的 71.67GW,同比增长178.70%,2021 和 2022 年我国风电新增装机容量虽相对 2020 年有所下降,但仍超过 2020 年之前的各年度风电新增装机容量,年新增装机容量仅次于 2020 年,为历史前三。

2011-2015 年和 2016-2022 年两个时间期间内,我国风电新增装机容量呈现较为明显的周期性波动,主要由于“十二五”及“十三五”临近末期风电行业抢装以完成规划规模。2019 年 5 月,国家发改委发布《关于完善风电上网电价政策的通知》,规定 2018 年底之前核准的陆上风电项目,2020 年底前仍未完成并网的,国家不再补贴;2019 年 1 月 1 日至 2020 年底前核准的陆上风电项目,2021 年底前仍未完成并网的,国家不再补贴。在风电补贴退坡的政策因素驱动下,降低成本的需求推动风机大型化的发展趋势。

在风电行业持续发展的背景下,中国风电市场的行业集中度逐步提升。根据BNEF, 2022 年前五大风电整机制造商新增装机容量占总新增装机容量的72.27%;前十大风电整机制造商新增装机容量占总新增装机容量的 98.58%。金风科技、远景能源、明阳智能稳居前三,已经形成较大的领先优势。

3)风电行业发展前景及趋势

①碳中和目标及《风能北京宣言》为风电未来五年发展定下基调

2020 年 9 月 22 日,在第七十五届联合国大会上指出,中国将采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值,努力争取于 2060 年前实现碳中和;并且,习近平总书记在 2020 年 12 月 12 日召开的峰会上发表《继往开来,开启全球应对气候变化新征程》的重要讲话,讲话中指出,到 2030 年中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比 2005 年下降 65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到 25%左右,风电、太阳能发电总装机容量将达到 12 亿千瓦以上。

“十四五”规划中也着重强调新能源发展战略,未来中央及地方政策有望进一步扶持风电行业长远发展。在 2020 年 10 月召开的北京国际风能大会(CWP2020)上,全球 400 余家风能企业代表联合发布《风能北京宣言》(以下简称“《宣言》”)。

《宣言》提出,为达到与碳中和目标实现起步衔接的目的,须为风电设定与碳中和国家相适应的发展战略。在“十四五”期间,我国保证风电年均新增装机量在 5,000 万千瓦以上(即 50GW 以上);2025 年以后,我国风电年均新增装机量应不低于 6,000 万千瓦(即不低于 60GW);到 2030 年我国总装机量至少达到 8 亿千瓦,到 2060 年至少达到 30 亿千瓦。

②平准化成本(LCOE)持续下降,风电竞争力增强

风电平准化成本(LCOE)受多方面因素影响,不仅包括机组成本、建设成本、运营成本和年发电量因素,还需考虑上述因素的时间价值及风场运行的税收影响。国内电网建设极大提高了风电消纳能力,降低了弃风量与弃风率,提升风电机组的发电效率,推动削减风电平准化成本。因 2015 年风电抢装,未及时合理地规划电力消纳,2016 年我国弃风量为 497 亿千瓦时、弃风率为 17%,达历史最高水平。

受特高压建设的持续推进及电力消纳整体规划能力的提升,2016-2021 年,国内弃风率逐步下降,2022 年国内弃风率降为 3.3%。风电平准化成本下降及电网消纳能力的提升推动风电机组的发电效率提高,提高风电相较于其他发电方式的竞争力。

③成本竞争推动风机大型化

据中国可再生能源学会风能专业委员会发布的数据,2020 年,国内新增风电机组平均单机容量为 2.66 兆瓦,2 兆瓦及以上机型占据主流,但随着风电平价时代的到来,新增风电项目对风电机组单机容量提出了更高要求。

综合国内新增陆上风电项目风机公开招标信息,2021 年以来,部分新增陆上风电项目开始要求中标单机容量达 4 兆瓦及以上,中标风电机组中 4 兆瓦-5 兆瓦的机型成为主流。统计显示,2021 年,新增陆上风电项目的平均单机容量已超过了 3 兆瓦,较2020 年大幅提升。时至 2022 年,新增陆上风电项目机组单机容量进一步提升,部分陆上风电项目已明确要求中标风机单机容量需达到 5 兆瓦-6 兆瓦。

风电单机功率提高促进发电量提升,此外,大功率风机还可以有效降低成本。在同样的装机容量下,单机功率越高,所需安装的风机台数越少,可大幅降低吊装成本与后期的运维成本,对降低风电平准化成本意义重大。激烈的行业竞争促使风电整机厂商将大兆瓦风机作为差异化竞争优势,未来几年中风机单机容量仍将朝着大型化的方向发展。

④海上风电发展潜力巨大

海上风电相较于陆上风电具有容量系数高、可大规模发展等优势;风电企业挖掘海上风能,向海上布局风场成为风电行业的趋势。根据 GWEC,2022 年全球海上风机新增装机量为 8.8GW,中国新增装机量达 5.1GW,中国海上风机新增装机量连续四年居全球首位。2016 年至 2022 年,我国新增海上风电装机容量年均复合增速达到 34.47%;截至 2022 年末,我国陆上风机累计装机容量达到345.55GW,而海上风机累计装机容量仅为 32.78GW,仍有较大的发展潜力。

(2)风电叶片行业发展概况

风力发电设备主要由电机、叶片、变速箱、控制系统、支柱、塔架六个部分组成,其中风电叶片是核心部件之一。叶片设计及选材决定了风机的发电性能与功率。风电叶片具备尺寸大、外形复杂、精度要求高、质量分布合理、耐候性好等特点。

风电机组通过风电叶片采集风力资源,并带动发电机组旋转产生电流,从而实现风能向电能的转化。风电叶片是风电机组中主要的组成部件,其叶片形状、尺寸直接决定了风机机组的运行效率。随着最近几年,国内陆上风机、海上风机逐渐大型化的趋势,风电叶片的叶轮直径也在不断增长,同时叶片的叶型、结构、材料也在随之不断进行迭代和更新。

从技术上看,风电叶片尺寸越大,可增大风机的扫风面积,从而捕获更多的风能,提升风机机组的发电效率,同时增加机组的竞争力,降低风电度电成本。风机叶片自问世以来,风机叶片的尺寸在不断提升,截至 2021 年末陆上风电主流的叶轮直径已经达 151 米,极大地提升了风机机组整体的发电效率。

随着叶片尺寸的增加,叶片重心不断向外移动,对于叶片材料的刚性、均匀程度、材料密度,以及叶片的尺寸精度都提出了更高的要求;同时,随着风场建设区域的不断扩大,特别是海上风电装机规模的快速增加,对于风机叶片材料的耐候性和抗腐蚀能力的要求也在不断提升。

自风电产业诞生以来,人们便不断探索更高性能的风电叶片和机组材料。风电叶片用材料经历了由木质叶片、金属叶片到复合材料叶片的过程。目前,行业普遍采用高分子聚合物,如环氧树脂、不饱和树脂等,通过与玻璃纤维或碳纤维的复合灌注固化来制造风电机组叶片。相较于木质叶片和金属叶片,复合材料风电叶片具有质量轻、比强度高、刚性好、成型工艺简单、抗震性好、抗疲劳性能好、耐腐蚀性和耐气候性好、易于修补等优势,因此成为当前风电叶片的主流选材。

风电叶片的核心原材料为基体树脂、增强纤维、结构芯材及结构胶。根据《复合材料结构设计对风电叶片成本的影响》,以 1.5MW 机组的某一型号叶片为例,增强纤维、结构芯材,基体树脂与结构胶,合计占比超过总成本的 85%,增强纤维与基体树脂合计超过 60%,粘接胶与芯材各占比都超过 10%。随着风电装机容量不断提升,市场对于风机和风电叶片的需求巨大,进而带动了改性环氧灌注树脂系统料、改性环氧树脂手糊系统料、叶片芯材和高性能风电结构胶等风电叶片用材料需求规模的增长。

生产大型风电叶片用复合材料方面,目前主要用于生产风电叶片的复合材料为玻璃纤维增强树脂基复合材料,玻璃纤维增强材料用于提供结构足够的刚度与强度,基体材料有环氧树脂、不饱和聚酯树脂和环氧乙烯基酯树脂等。

在风电叶片用树脂方面,目前市场上主要的叶片制造商均采用环氧树脂作为叶片灌注成型的基体材料,有少数厂商采用乙烯基酯树脂或不饱和聚酯树脂。从功能角度来说,环氧树脂、乙烯基酯树脂或不饱和聚酯树脂均是作为风电叶片制造的基体材料,与玻璃纤维或碳纤维复合后成为复合材料,用于风电叶片的灌注成型。环氧树脂被广泛应用于叶片的生产制造主要是因为其具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性和尺寸稳定性,更有利于叶片在严苛的环境下保证运作效率和使用寿命。

风电叶片大梁作为叶片竖向荷载的主要支撑部件,其选材和工艺也在不断变化。当前,风电叶片大梁的生产工艺主要有灌注工艺和拉挤工艺;其中,运用拉挤工艺制作的风电叶片大梁,在拉伸、弯曲、层间剪切、压缩性能方面呈现最优的效果。随着风电装机发电效率提升,叶片不断加长,对于大梁力学性能的要求日趋严格,采用拉挤工艺制作的风电叶片大梁占比将逐步提升,进而拉动上游对于拉挤树脂系统料等叶片用材料的需求增长。

(3)风电叶片用环氧树脂行业发展前景

高性能复合材料因其独特的性能优势成为当前风电叶片的主流选材。随着风电机组高功率和叶片大型化的发展,风电叶片对于高性能复合材料的性能要求不断提升,促进相关技术不断发展,对其依赖程度也随之加强。

根据 GWEC 预测,2023 年全球及中国新增装机容量将分别实现 115GW 和62GW,预计 2027 年将分别实现 157GW 和 84GW。随着风电装机量的不断提升,进而带动了风电叶片用环氧树脂、结构胶等材料的市场需求。

根据思瀚产业研究院发布的报告,2022 年风电叶片专用环氧树脂全球市场实现销售 470,917 吨、中国市场实现销售 300,420 吨,预计至 2029 年全球市场实现销售 910,648 吨、中国市场实现销售 561,308 吨。其中,2023 年-2029 年,全球和中国的复合增长率分别为 9.13%、7.93%,风电叶片专用环氧树脂市场整体呈长期景气态势。

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