2022年復(fù)合材料市場(chǎng)回顧及2023年市場(chǎng)展望：新能源領(lǐng)域用復(fù)合材料

當(dāng)前全球能源形勢(shì)復(fù)雜多變，國(guó)際能源署（IEA，法國(guó)巴黎）將當(dāng)前的氣候稱為“全球能源危機(jī)”，根據(jù)其《2022年世界能源展望》（World energy Outlook 2022）報(bào)告指出，由于疫情以及俄羅斯入侵烏克蘭帶來(lái)的其他挑戰(zhàn)等，為立法和減少碳排放等帶來(lái)緊張局勢(shì)甚至造成了中斷。

雖然面臨當(dāng)前的挑戰(zhàn)，但總體而言，能源仍然是復(fù)合材料的一個(gè)巨大且不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)領(lǐng)域，因?yàn)檫@些材料長(zhǎng)期以來(lái)一直用于各種與能源相關(guān)的應(yīng)用，包括用于海上和陸上石油和天然氣鉆井的井口部件和管道、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片等。

盡管供應(yīng)鏈面臨挑戰(zhàn)，但風(fēng)能和可再生能源仍是復(fù)合材料的大市場(chǎng),,圖源：蓋蒂圖片社

長(zhǎng)期以來(lái)，風(fēng)能市場(chǎng)一直是復(fù)合材料的最大消費(fèi)領(lǐng)域。復(fù)合材料有時(shí)也用于制造其他類型可再生能源設(shè)備的結(jié)構(gòu)件，例如水力發(fā)電和潮汐渦輪機(jī)的葉片。渦輪機(jī)葉片和風(fēng)輪機(jī)機(jī)艙蓋通常使用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成，隨著更長(zhǎng)風(fēng)輪機(jī)葉片的開(kāi)發(fā)和建造，這種復(fù)合材料越來(lái)越多由碳纖維復(fù)合材料翼梁帽加固。

根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（Global Wind Energy Council，GWEC）發(fā)布的《2022年全球風(fēng)能報(bào)告》，2021是全球風(fēng)能行業(yè)有史以來(lái)第二好的年份，僅次于2020年，新增容量近94吉瓦(GW)，使全球風(fēng)電總?cè)萘窟_(dá)到837吉瓦(GW)。

在政府和其他組織的激勵(lì)措施和倡議的推動(dòng)下，全球范圍內(nèi)對(duì)海上風(fēng)電的興趣持續(xù)增長(zhǎng)。GWEC報(bào)告稱，2021是海上風(fēng)電的創(chuàng)紀(jì)錄的一年，新增海上風(fēng)電容量21.1 GW。這項(xiàng)工作由中國(guó)牽頭，2021年中國(guó)新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量占比80%。

在2022年第三季度美國(guó)海上風(fēng)電季度市場(chǎng)報(bào)告中，美國(guó)海上風(fēng)電商業(yè)網(wǎng)絡(luò)報(bào)告稱，新的聯(lián)邦政策、投資和州級(jí)的行動(dòng)導(dǎo)致沿海州海上風(fēng)電長(zhǎng)期目標(biāo)增加了58%。特別是加利福尼亞州宣布了到2045年部署25GW浮動(dòng)海上風(fēng)電的目標(biāo)，新澤西州將其目標(biāo)從2035年的7.5GW增加到2040年的11GW。

2022年，拜登政府在美國(guó)宣布的新舉措預(yù)計(jì)將進(jìn)一步刺激海上風(fēng)電的增長(zhǎng)。例如，美國(guó)《通貨膨脹減少法案》（IRA）的一部分撥款數(shù)十億美元用于清潔能源，包括為海上風(fēng)電制造業(yè)提供新的稅收抵免。此外，9月15日，美國(guó)能源部、內(nèi)政部、商務(wù)部和運(yùn)輸部宣布了在美國(guó)擴(kuò)大海上風(fēng)能的新舉措，包括海上浮式風(fēng)力平臺(tái)的新開(kāi)發(fā)，以及到2035年美國(guó)海上浮式風(fēng)電容量達(dá)到15 GW的新目標(biāo)。

此外，2021年美國(guó)第一個(gè)商業(yè)規(guī)模的海上風(fēng)電場(chǎng)——葡萄園風(fēng)電場(chǎng)獲批。這個(gè)位于馬薩諸塞州海岸的800-MW項(xiàng)目預(yù)計(jì)將配備62臺(tái)13-MW Haliade-X渦輪機(jī)（由美國(guó)馬薩諸塞波士頓通用電氣公司開(kāi)發(fā)），并于2023年上線。2022年1月，紐約海岸的南福克風(fēng)電項(xiàng)目獲得聯(lián)邦批準(zhǔn)開(kāi)始建設(shè)。

然而，到了2022年，風(fēng)能行業(yè)也遇到了一些挑戰(zhàn)，例如原材料短缺和供應(yīng)鏈延遲，以及在美國(guó)一些聯(lián)邦可再生電力生產(chǎn)稅收抵免（PTC）于2021年底到期，這些稅收抵免在前幾年一直在激勵(lì)了可再生能源計(jì)劃。

據(jù)全球風(fēng)能公司報(bào)告，這些挑戰(zhàn)導(dǎo)致了負(fù)面影響。例如，在2022年第三季度新聞公告中，西門(mén)子Gamesa再生能源公司提到了其多個(gè)部門(mén)的財(cái)務(wù)虧損和重組，原因是“能源、原材料和物流成本的通脹、關(guān)鍵風(fēng)力渦輪機(jī)部件的無(wú)法獲得、港口擁堵和供應(yīng)延遲”。2022年10月，路透社報(bào)道了通用電氣公司（General Electric Co.）的裁員和公司重組計(jì)劃，理由是該公司陸上風(fēng)電業(yè)務(wù)的成本上升和供應(yīng)鏈延遲。

第一批大規(guī)模的商業(yè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)包括額定功率為1 MW或更小的渦輪機(jī)，通常配有玻璃纖維增強(qiáng)葉片，長(zhǎng)度通常在10至15米之間。如今，海上渦輪機(jī)的額定功率通常為6至9MW，葉片長(zhǎng)65-80米，并且越來(lái)越長(zhǎng)，例如2021年維斯塔斯（丹麥Vestas）推出的15MW、115米長(zhǎng)的V236-15.0兆瓦海上風(fēng)機(jī)葉片。

2021年，維斯塔斯公司推出的V236-15.0-MW海上渦輪機(jī)擁有115.5米的葉片，據(jù)說(shuō)每年可以生產(chǎn)80千兆瓦時(shí)（GWh），圖源：維斯塔斯

根據(jù)2022年美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）與勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）以及美國(guó)能源部DOE合作對(duì)140多名風(fēng)能專家進(jìn)行的調(diào)查，預(yù)計(jì)到2035年，陸上風(fēng)力渦輪機(jī)將達(dá)到130米。除了玻璃纖維復(fù)合材料葉片外，隨著風(fēng)力渦輪機(jī)越來(lái)越大，葉片長(zhǎng)度不斷增加，翼梁帽中的碳纖維加強(qiáng)件（作為風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的加強(qiáng)構(gòu)件）)已成為減少整體重量和增加葉片剛度以防止突然陣風(fēng)襲擊塔架的有效方法。

此外，在海上風(fēng)電領(lǐng)域，許多開(kāi)發(fā)工作都與浮動(dòng)海上風(fēng)電平臺(tái)有關(guān)。漂浮在水面上的平臺(tái)使風(fēng)能開(kāi)發(fā)比許多安裝在淺水的固定基礎(chǔ)渦輪機(jī)更靠近海岸。在不同的開(kāi)發(fā)階段有許多不同的浮動(dòng)平臺(tái)概念，其中許多使用復(fù)合材料。例如，Gazelle Wind Power（愛(ài)爾蘭都柏林）平臺(tái)原型在2022年10月通過(guò)了幾項(xiàng)初步可行性測(cè)試，該平臺(tái)的特點(diǎn)是水上三腳架臂拴在海底。由美國(guó)能源部資助的美國(guó)大西洋計(jì)劃（Aerodynamic Turbines Lighter and Afloat with Nautical Technologies and Integrated Servo-control）于2019年啟動(dòng)，其中包括12項(xiàng)研發(fā)工作，旨在推進(jìn)海上浮式風(fēng)電技術(shù)。

Gazelle風(fēng)力發(fā)電公司浮動(dòng)海上風(fēng)力渦輪機(jī)解決方案渲染圖

風(fēng)電行業(yè)的其他研發(fā)工作繼續(xù)在新的或更高效的碳纖維復(fù)合材料翼梁帽、自動(dòng)化制造方法、更高效的葉片設(shè)計(jì)等方面取得進(jìn)展。

在過(guò)去幾年中，除了堆放在垃圾填埋場(chǎng)之外，如何處理報(bào)廢 (EOL，end of life ）退役的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片也一直是風(fēng)能公司關(guān)注的焦點(diǎn)。

風(fēng)電葉片供應(yīng)鏈上的公司正在開(kāi)發(fā)許多解決方案。通常，這些解決方案涉及對(duì)EOL風(fēng)電葉片中的材料進(jìn)行機(jī)械或化學(xué)回收，或者在某些情況下，將整個(gè)風(fēng)力葉片重新用于其他用途，并在設(shè)計(jì)上努力使風(fēng)葉片本身更具可回收性。

2021年，西門(mén)子歌美颯率先將其可回收葉片推向海上風(fēng)電市場(chǎng)，并于2022年7月在德國(guó)安裝了首批葉片。2022年，該公司還為陸上風(fēng)電項(xiàng)目推出了新的可回收葉片版本Recyclable Blade?？苫厥杖~片采用環(huán)氧樹(shù)脂和Aditya Birla的可回收胺固化劑制成，使樹(shù)脂在葉片的EOL時(shí)更容易與纖維分離。

2021年西門(mén)子歌美颯推出了首款用于海上風(fēng)電的可回收葉片，2022年推出了新的陸上風(fēng)電款產(chǎn)品

此外，由法國(guó)研究中心 IRT Jules Vernes領(lǐng)導(dǎo)的跨部門(mén)ZEBRA(零廢棄葉片研究)聯(lián)盟于2021年9月成立，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)完全可回收的風(fēng)葉片。作為這項(xiàng)為期42個(gè)月的努力的一部分，丹麥LM Wind Power公司正在使用阿科瑪?shù)臒崴苄訣lium樹(shù)脂設(shè)計(jì)和制造兩個(gè)原型葉片。測(cè)試和驗(yàn)證、自動(dòng)化、回收方法和生命周期分析(LCA)也將是該計(jì)劃的一部分。

還有其他可再生能源部門(mén)也采用復(fù)合材料。例如，一種有前途的海洋能源技術(shù)是波浪能轉(zhuǎn)換器（wave energy converters，WEC），它可以利用海浪運(yùn)動(dòng)來(lái)發(fā)電。2021，瑞典CorPower Ocean公司建造了第一個(gè)全尺寸的纖維纏繞玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）浮標(biāo)狀WEC的原型，該公司希望到2025年將其擴(kuò)大為工業(yè)規(guī)模的海洋能源農(nóng)場(chǎng)。截至2022年10月，該公司已成功對(duì)許多系統(tǒng)部件進(jìn)行了干態(tài)測(cè)試，并于2022年11月前將其第一個(gè)原型安裝在海上進(jìn)行水下測(cè)試。

CorPower Ocean開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料密集型浮標(biāo)形波浪能轉(zhuǎn)換器（WEC）技術(shù)旨在與海上風(fēng)能協(xié)同工作

其他復(fù)合材料密集型可再生能源技術(shù)包括潮汐渦輪機(jī)葉片或淡水水力渦輪機(jī)葉片，如澳大利亞Kinetic NRG開(kāi)發(fā)的螺旋形設(shè)計(jì)。2021，愛(ài)爾蘭設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試公司Eire Composites、美國(guó)全球海洋可再生能源解決方案公司ORPC和愛(ài)爾蘭國(guó)立大學(xué)戈?duì)栱f分校啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)和銷(xiāo)售由全回收碳纖維復(fù)合材料制成的潮汐渦輪機(jī)箔。

可再生能源應(yīng)用是當(dāng)今許多新聞的頭條，但石油和天然氣等化石燃料能源繼續(xù)引領(lǐng)世界許多地區(qū)的能源生產(chǎn)和消費(fèi)。例如，根據(jù)美國(guó)能源信息管理局（EIA）發(fā)布的《2022年年度能源展望》，雖然可再生能源是2022年美國(guó)增長(zhǎng)最快的能源，但預(yù)計(jì)到2050年，石油和天然氣仍是消耗量最大的能源。

多年來(lái)，碳纖維或玻璃纖維復(fù)合材料的耐腐蝕性促使其在各種石油和天然氣鉆井應(yīng)用中作為傳統(tǒng)金屬的替代品，如井口保護(hù)組件、陸上水力壓裂（壓裂）應(yīng)用中使用的碎片塞等。

對(duì)于海上石油和天然氣管道，近年來(lái)，荷蘭Strohm和英國(guó)Magma Global Ltd.等公司率先開(kāi)發(fā)和認(rèn)證了熱塑性復(fù)合材料管（TCP），以取代海上管道中的金屬。世界各地已經(jīng)宣布了幾個(gè)成功的資格認(rèn)證和試點(diǎn)項(xiàng)目。除了石油和天然氣之外，最近Strohm等公司聲稱TCP可以成為公司能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵組成部分，應(yīng)用于運(yùn)輸綠色氫氣。

此外，復(fù)合材料解決方案還可以作為現(xiàn)有管道修復(fù)的高效、耐腐蝕解決方案——類似于復(fù)合材料如何用作公用設(shè)施和民用基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的修復(fù)或加固解決方案。

例如，美國(guó)QuakeWrap公司是一家30多年來(lái)一直提供各種GFRP和CFRP產(chǎn)品用于修復(fù)或加固樁、管道、墻壁或其他結(jié)構(gòu)的公司。在CompositesWorld 2022年12月舉辦的技術(shù)交流中，QuakeWrap總裁Mo Ehsani介紹了該公司一種新技術(shù)，通過(guò)將碳纖維或玻璃纖維織物材料包裹在氣球狀設(shè)備周?chē)缓髮⑵浒l(fā)射到管道中，遠(yuǎn)程應(yīng)用和固化，無(wú)需挖出管道或以其他方式破壞該區(qū)域，便可實(shí)現(xiàn)管道修復(fù)。

原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：2022年復(fù)合材料市場(chǎng)回顧及2023年市場(chǎng)展望：新能源領(lǐng)域用復(fù)合材料