2021年复合材料行业市场前瞻——可再生能源篇

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风能在可再生能源域继续占主导地位,并且一直是世界上最大的玻璃纤维增强复合材料市场。随着叶片越来越长,叶片制造商正在寻找在不牺牲性能的情况下减轻大型结构重量的方法,它也在与其他重型用户(例如航空航天业)竞争使用碳纤维。

据美国风能协会 (AWEA,美国华盛顿特区)称,尽管新冠大流行带来了前所未有的挑战,但美国风能行业在2020年第二季度安装了超过2500兆瓦(MW)的新风电装机,使美国风能总装机容量接近 110,000兆瓦。AWEA于10月29日发布的第三季度市场报告宣布,美国第三季度新增风电装机容量近2000兆瓦,创下第三季度新增风电装机容量纪录,使美国总装机容量接近11.2万兆瓦。

AWEA表示,尽管发生了新冠大流行,但美国的陆上和海上风电开发在2020年上半年仍保持“弹性”,部分原因是美国政府的税收灵活性,开发管道中的风电装机容量为43628兆瓦(较2019年第二季度同比增长4%)。AWEA表示,美国21%的风能开发来自海上风能。当前海上开发项目的例子包括缅因大学(UMaine,奥罗诺市)及其合作伙伴正在开发的缅因州沿海海上风电技术示范项目;法国沿海一个480兆瓦的海上风电场,采用GE可再生能源公司(法国巴黎)的Haliade风机;至2030年,韩国正在开发一个漂浮式海上风电平台;Greenalia公司(西班牙加拉西亚)宣布在西班牙海岸以外建立了四个新的海上浮动风电场;在欧洲沿海开发中的Hollandse Kust Zuid 1,500兆瓦海上风电场;以及还有很多其他风电场。

其中一部分增长可能是由美国生产税收抵免(PTC)推动的,PTC是一种联邦政府补贴,为风电场运营的前10年提供每千瓦时(kWh)税收抵免。PTC于2016年通过,并提供每千瓦时2.3美分的信贷。TC抵免额逐年减少,直到2019年底到期为止,PTC抵免额延长了一年,并提供每千瓦时1.5美分的税收抵免。

但是,并非所有风能新闻都如此乐观——例如,碳纤维制造商赫氏/Hexcel Corp.(美国康涅狄格州斯坦福德)在其2020年第三季度业绩报告中称,与2019年第三季度相比,风能销量下降了41.5%,反映出美国市场的客户需求发生了变化。因此,Hexcel报告称将于2020年11月上旬关闭其在美国科罗拉多州温莎的风能玻璃纤维预浸料厂。

根据全球风能理事会(GWEC,比利时布鲁塞尔)的数据,2019年新增风能装机容量为60.4千兆瓦,为有记录以来第二大装机容量,比2018年增长19%——海上装机容量为6.1千兆瓦,陆上装机容量为54.3千兆瓦。GWEC于2020年5月预测,风能将是COVID-19后全球“经济复苏的关键组成部分”。2020年8月,全球风能委员会预计,尽管经济低迷,到2030年,海上风电将增长至超过234GW(相比之下,2019年底为29.1GW),亚太地区的预期指数增长将引领海上风电增长。

重新构想更长的风叶片

风力发电机的规模也在不断增加。二十多年前,当第一个大规模的商业风力发电系统上线时,风电场由额定功率为1兆瓦或以下的涡轮机组成,其玻璃纤维增强叶片的长度通常在10至15米之间。如今,叶片长度为65-80米的6至9兆瓦的海上风机已成为常态。

2018年9月,三菱重工维斯塔斯(MHI Vestas)宣布其V164涡轮机平台已实现10 MW的额定功率,成为第一台商用双位数风力涡轮机。涡轮的叶尖高度为191米,每个叶片的长度为80米。2019年初,西门子Gamesa可再生能源公司(SGRE,西班牙Zamudio)推出了SG 10.0-193 DD,这是该公司的首台10兆瓦以上海上风力发电机。它具有94米长的叶片,每个叶片的长度与一个足球场相同,扫掠面积为29,300平方米。

据称,一个SG 10.0-193 DD的年发电量足以为大约10000个欧洲家庭供电。此外,西门子Gamesa正在丹麦奥尔堡建造世界上最大的风力涡轮机叶片试验台。该站点将能够对下一代SGRE转子叶片进行全面测试,预计将在2019年底前全面投入使用。西门子Gamesa表示,首批测试将在sg10.0-193dd海上风力涡轮机94米长的叶片上进行。

目前正在开发的最大、风力最强的风力涡轮机是由GE可再生能源公司开发的Haliade-X。Haliade-X12MW高耸于海面260米(是法国巴黎标志性建筑凯旋门的高度的五倍以上),搭载一个直径220米的转子。107米长的叶片由LM Wind Power设计和制造,据称是迄今为止最长的海上叶片——比足球场还要长。通用电气于2019年7月在法国圣纳泽尔的生产基地展示了首台用于Haliade-X 12兆瓦海上风力发电机的机舱。2020年,通用电气宣布,Haliade-X12MW已获得DNV GL型临时证书,这是原型的一个重要里程碑。通用电气还宣布,英国沿海地区计划中的合资风电场Dogger Bank Wind Farm,将包括Haliade-X的新型13兆瓦增强版。

此外,随着风力发电机变得越来越大,叶片长度不断增加,主梁中的碳纤维加固(作为风力发电机风轮叶片的加固构件)已成为一种有效的方法,可以减轻整体重量,增加叶片刚度,以防突然阵风时冲击塔架。

Zoltek Corp.(美国密苏里州圣路易斯)碳纤维部门执行副总裁Philip Schell表示,目前约有25%的风力涡轮机采用碳纤维翼主梁制造。尽管该数字呈上升趋势,但也强调了大多数涡轮机仍完全由玻璃纤维复合材料制成。他补充说,在考虑所有成本/性能权衡的情况下,在制造55米长和更长的涡轮叶片的主梁时,可以用碳纤维代替玻璃纤维。例如,在2019年6月,SAERTEX(德国萨尔贝克)宣布其经灌注优化的618 gsm单向非卷曲碳纤维织物用于生产87.5米,800毫米碳纤维翼主梁原型,该原型使用真空灌注技术。

同样,复合材料强度相同的替代风能叶片设计也处于不同的开发阶段,例如ACT叶片有限公司(苏格兰爱丁堡)基于骨架的设计,以及德克萨斯大学、桑迪亚国家实验室(美国新墨西哥州阿尔伯克基)和其他机构的各种垂直轴风力发电机(VAWT)设计。

风电叶片的回收利用

然而,随着时间的流逝,这些风力发电机叶片产生磨损并且需要进行更换。作为响应,业界越来越多地讨论有关如何处理退役的复合材料涡轮机叶片的解决方案,尤其是如何回收利用。例如,2020年,欧洲复合材料工业协会(EuCIA,比利时布鲁塞尔),WindEurope(布鲁塞尔)和欧洲化学工业理事会(Cefic,布鲁塞尔)联合发布了一份新报告,提出了其回收风力发电机叶片的建议;美国复合材料制造协会(ACMA,美国弗吉尼亚州阿灵顿)也发布了一份报告,评估了与风机回收相关的各种问题。

学术机构和企业也在不断增加对风叶回收的研究和开发。2020年1月,全球风叶制造商维斯塔斯(丹麦奥胡斯)宣布,作为公司专注于可持续发展的一部分,该公司计划在2040年前生产零废物风力涡轮机。2020年9月,Arkema(法国科伦坡)宣布启动ZEBRA项目(Zero wastE Blade ReseArch),该项目旨在创建首个100%可回收风力发电机,并联合Arkema、Canoe、Engie、LM wind Power、Owens Corning和Suez共同努力。

在学术界,2020年8月,田纳西大学(美国田纳西州诺克斯维尔)宣布已从能源部(DOE)的小型企业技术转让(STTR)计划和风能技术办公室获得110万美元的资金,用于开发一种新技术,将风力发电机叶片大规模回收为新增回收复合材料的新技术。

复合材料在其他可再生能源市场中的应用

尽管没有像在风能市场中那样广泛使用,但是复合材料还用于增加其他可再生能源应用的功率或长度,例如潮汐和水力发电机的叶片,旨在利用海浪,溪流或河流中的能量。例如,在2019年,AC Marine&Composites Ltd.(ACMA,英国戈斯波特)签署了一份合同,为Orbital Marine Power Ltd.(英国奥克尼群岛和爱丁堡)的2MW(兆瓦)潮汐流发电机生产四个10米复合材料叶片,据说是迄今为止设计的最强大的潮汐涡轮机。2020年,澳大利亚制造商Advanced Composite Structures Australia(ACS-A,墨尔本)宣布为可再生能源初创企业Kinetic NRG(澳大利亚绍斯波特)开发新型螺旋形玻璃纤维复合材料水力发电机叶片原型。

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