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从航空航天走向风电 年均新增5万吨/年:中国碳纤维如何迎接3060机遇与挑战

北极星风力发电网  来源:球哥看风  作者:彩球  2021/9/23 15:16:56  我要投稿  

北极星风力发电网讯:碳纤维(Carbon Fiber,简称CF)是由聚丙烯腈(PAN)(或沥青、粘胶)等有机纤维采用高温分解法在1,000℃以上高温的惰性气体下碳化(去除除碳以外绝大多数元素)制成的,是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维。

碳纤维发源于航空航天:材料行业的“黑色黄金”碳纤维(carbon fiber)简单来说,就是以碳元素为主的一种纤维材料,专业一点说,它是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维,其耐高温能力居所有化纤之首,能抵抗高达3500摄氏度的高温,可经受酸碱常年的腐蚀碳纤维的强度是钢的5倍,其密度,重量不到钢的一半,被誉为21世纪的新材料之王,享有“黑色黄金”的美誉。

碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性。密度比铝低强钢高,是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维,并具有低密度、耐腐蚀、耐高温、耐磨擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热及湿膨胀系数低、X光穿透性高、非磁体但有电磁屏蔽效应等特点,是发展国防军工与国民经济的重要战略物资,碳纤维最早的应用来自航空航天的需求,在运载火箭、导弹防热烧蚀等部件、航空结构件中,几乎离不开碳纤维。

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碳纤维生产流程复杂,对设备和工艺要求极高,属于重资产行业。其生产流程是用腈纶和粘胶纤维作为原料,经过高温氧化碳化、表面处理等多个复杂步骤而制造出来的,除了具有碳材料固有的本性外,兼具纺织纤维的柔软可加工性。因此碳纤维也具有价格昂贵、成品缺陷多等缺点。以航空航天碳纤维举例来看,上个世纪,碳纤维每公斤花费就高达135美元(约合人民币874.9元),其中还有三成多会在制作过程中报废,实际算下来,成本接近200美元(约合人民币1296.18元,当年的美元汇率)。

风电已成为碳纤维第一大应用领域:2020年全球用量超过3万吨

从下游应用的行业分布来看,风电叶片、航空航天(含军用领域)和体育休闲约占据总市场需求量的60%。2016年,风电叶片以1.8万吨的需求量取代航空航天成为全球碳纤维市场需求最大的领域,增速高达50.0%;2020年,全球碳纤维的需求约10.69万吨,全球风电叶片碳纤维用量3.06万吨,对比2016年,复合增长率34%。根据行业的数据估计,风电叶片碳纤维需求量占全球需求总量的比例由2019年的24.59%增长至2020年的28.64%。

中国是全球碳纤维最大的增量市场,国内的碳纤维需求量约为4.89万吨,根据行业预测,2020-2030年的年均需求增速不低于20%,而未来的最大应用依旧在风电领域。

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当风机变大后,全玻璃钢叶片已无法满足叶片大型化、轻量化的要求,而密度、刚性方面更出色的碳纤维材料则成为了更理想的选择。

80-90m 的叶片,在当前的碳纤维价格形势下,可减重叶片的重量10-12吨/套,增加成本10-15%,但从整机及塔筒和基础的设计系统成本看,重量降低情况下,叶片增加的成本可以抵消,但风机的重量下降后,降低了风机的建安难度。

在满足刚度和强度的前提下,碳纤维比玻璃钢叶片质量轻30%以上。当前风电叶片80m以上的叶片,叶片重量超过20吨(高的重量达到25吨),90m的叶片超过30吨,采用碳纤维的叶片可以有效减少总体自重8-10吨以上(80-90m 的叶片),这对整个风机的效能提升和建设成本降低具有非常重要的意义。

根据其碳纤维性能、制作工艺等不同,碳纤维在不同的下游应用领域价值量也不一样。根据《从国产碳纤维的处境谈碳纤维“全产业链”》中数据显示,碳纤维单价在风电领域最低,仅为80元/千克,但是在国防军空、航天中的单价最高达到了10000元/千克,在民用航空领域也最高也达到了1500元/千克,可见在军工、航空航天领域的价值量还是比较高的。

风电大型化的必然需求:未来十年碳纤维需求急剧增加

谈到碳纤维在风电的应用,就不得不提Vestas,他是是全球最早批量使用碳纤维到叶片的风机制造商,已经实现了碳纤维在风机叶片的规模化应用,其他国际巨头,西门子-歌美飒、GE-LM、Nordex等均在新的机型中采用了碳纤维拉挤板制造与测试样机。

国内风电企业还没有形成碳纤维叶片的规模化量产,更多处于样机验证阶段。基本是三种工艺并行:预浸料铺贴、多轴织物灌注、拉挤板,相对而言,拉挤板工艺优势明显。

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根据行业数据统计,到2025年,全球的碳纤维需求年用量高达9.34万吨,与2020年的3.06万吨相比,这个数量已经增长3倍,实际上,从中国风电的发展来看,中国将要占到全球碳纤维用量的50%以上。

面对如此大的碳纤维需求市场,中国的碳纤维制造企业能满足吗?

风电用碳纤维:中国碳纤维企业还不具备供应能力

全球的碳纤维企业主要集中在日本,美国和德国,包括东丽、东邦、三菱丽阳,ZOLTEK,SGL等,其中日本三家企业产能占据全球一半以上,早期中国的航空航天碳纤维基本受制于这几家企业。为此,我国的航空航天企业早期在碳纤维复合材料的应用开发方面也是吃尽苦头,需要指出,此外台湾的台塑也是龙头企业之一。

整体来看,全球碳纤维的市场格局以美企和日企为主,这些国家垄断着碳纤维领域的核心技术,并在高性能小丝束碳纤维技术上对中国实施了技术的封锁和产品的禁运。相较美日而言,我国的碳纤维行业起步晚,由于相关知识储备不足、知识产权归属等问题,早期在高性能碳纤维产品上几乎全部依赖进口。

上个世纪开始,国内的化工企业也开始碳纤维的研发和小规模的投产。碳纤维生产企业包括中复神鹰、吉林化纤、光威复材、中简科技等,直到9月8日,中国建材旗下的中复神鹰在宁夏西宁的碳纤维基地宣布年产万吨碳纤维正式投产,这也是已经为止国内唯一一个产能过万吨的碳纤维生产基地,要知道这个项目投资超过20亿元。早期从事碳纤维的包括吉林碳素、扬子化工等都基本还是在千吨级的产线规模,并不能真正实现大规模的批产。

50-60GW/年的年均新增规模:未来中国风电碳纤维年均需求超过5万吨

根据《2020年全球碳纤维复合材料市场报告》数据显示,2020年全球小丝束碳纤维市场基本是被日本垄断,以日本东丽为代表的三家日本公司就占据了49%的小丝束市场份额。在2020年8月份日本颁布禁令之前,日本在华的小丝束碳纤维销量为9900吨,占到中国进口量的32.57%,这还仅仅是8个月的销量。在大丝束市场,主要的市场份额被美国的Hexcel、德国的SGL以及日本的三菱占据着,中国的大丝束生产企业蓝星也占据着少部分市场份额排在第四的位置。

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这里我们要看到一个事实,由于风电碳纤维的价格用量大,要求价格必须很低。

从目前的价格看,48-50K的大丝束碳纤维价格在120-150元/kg,距离平价风电叶片的价格需求还需要拦腰斩,目标价格大致在60-80元/kg,而问题在于中国国产碳纤维大多数还用于航空航天,航空航天级别的碳纤维用量虽然少,但是利润高,价格从1000-5000元/kg不定,而大丝束碳纤维这一块行业还不是很感兴趣,但仅从风电叶片的需求估算,一支90m的叶片如果采用碳纤维主梁,单只叶片的用量3-4吨,按60GW的平均新增容量测算,按5MW的单机容量设计,叶片数量在36000只,都采用碳纤维的需求将要达到12万吨,如果未来50%的叶片采用碳纤维(超大叶片),最少年需求量5-6万吨,按照12万元/吨,这个行业的市场规模容量将超过60亿元/年。在按中国市场占有率50%的比例,全球风电需求的碳纤维平均超过10万吨/年,实际行业预测到2025年,风电碳纤维的需求将达到9.34万吨。

面对巨大市场需求:中国碳纤维企业如何迎接挑战?

碳纤维的硬件投资很大,同时与石油价格接轨,从目前的成本来看,要实现60-80元/kg的碳纤维目标难度极大,而目前国内的碳纤维企业都基本定位在航空航天及部分高强高模的高附加值的碳纤维产品上,对风电用的大丝束碳纤维尚未解决技术难题。

风电叶片的碳纤维应用是技术趋势,这是大势所趋,我们要顺势而为。碳纤维产业是个重资产产业,原材料价格风险极高,按当前的石油价格在70美元/桶测算,可以实现30%以上毛利率,这个产业绝对是个具有技术竞争力的产业,当然,也不是谁都可以玩的产业。

期待中国的风电叶片早日用上中国的碳纤维!

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