2022年复合材料市场回顾及2023年市场展望：新能源领域用复合材料

当前全球能源形势复杂多变，国际能源署（IEA，法国巴黎）将当前的气候称为“全球能源危机”，根据其《2022年世界能源展望》（World energy Outlook 2022）报告指出，由于疫情以及俄罗斯入侵乌克兰带来的其他挑战等，为立法和减少碳排放等带来紧张局势甚至造成了中断。

虽然面临当前的挑战，但总体而言，能源仍然是复合材料的一个巨大且不断增长的市场领域，因为这些材料长期以来一直用于各种与能源相关的应用，包括用于海上和陆上石油和天然气钻井的井口部件和管道、风力涡轮机叶片等。

尽管供应链面临挑战，但风能和可再生能源仍是复合材料的大市场,,图源：盖蒂图片社

长期以来，风能市场一直是复合材料的最大消费领域。复合材料有时也用于制造其他类型可再生能源设备的结构件，例如水力发电和潮汐涡轮机的叶片。涡轮机叶片和风轮机机舱盖通常使用玻璃纤维增强复合材料制成，随着更长风轮机叶片的开发和建造，这种复合材料越来越多由碳纤维复合材料翼梁帽加固。

根据全球风能理事会（Global Wind Energy Council，GWEC）发布的《2022年全球风能报告》，2021是全球风能行业有史以来第二好的年份，仅次于2020年，新增容量近94吉瓦(GW)，使全球风电总容量达到837吉瓦(GW)。

在政府和其他组织的激励措施和倡议的推动下，全球范围内对海上风电的兴趣持续增长。GWEC报告称，2021是海上风电的创纪录的一年，新增海上风电容量21.1 GW。这项工作由中国牵头，2021年中国新增海上风电装机容量占比80%。

在2022年第三季度美国海上风电季度市场报告中，美国海上风电商业网络报告称，新的联邦政策、投资和州级的行动导致沿海州海上风电长期目标增加了58%。特别是加利福尼亚州宣布了到2045年部署25GW浮动海上风电的目标，新泽西州将其目标从2035年的7.5GW增加到2040年的11GW。

2022年，拜登政府在美国宣布的新举措预计将进一步刺激海上风电的增长。例如，美国《通货膨胀减少法案》（IRA）的一部分拨款数十亿美元用于清洁能源，包括为海上风电制造业提供新的税收抵免。此外，9月15日，美国能源部、内政部、商务部和运输部宣布了在美国扩大海上风能的新举措，包括海上浮式风力平台的新开发，以及到2035年美国海上浮式风电容量达到15 GW的新目标。

此外，2021年美国第一个商业规模的海上风电场——葡萄园风电场获批。这个位于马萨诸塞州海岸的800-MW项目预计将配备62台13-MW Haliade-X涡轮机（由美国马萨诸塞波士顿通用电气公司开发），并于2023年上线。2022年1月，纽约海岸的南福克风电项目获得联邦批准开始建设。

然而，到了2022年，风能行业也遇到了一些挑战，例如原材料短缺和供应链延迟，以及在美国一些联邦可再生电力生产税收抵免（PTC）于2021年底到期，这些税收抵免在前几年一直在激励了可再生能源计划。

据全球风能公司报告，这些挑战导致了负面影响。例如，在2022年第三季度新闻公告中，西门子Gamesa再生能源公司提到了其多个部门的财务亏损和重组，原因是“能源、原材料和物流成本的通胀、关键风力涡轮机部件的无法获得、港口拥堵和供应延迟”。2022年10月，路透社报道了通用电气公司（General Electric Co.）的裁员和公司重组计划，理由是该公司陆上风电业务的成本上升和供应链延迟。

第一批大规模的商业风力发电场包括额定功率为1 MW或更小的涡轮机，通常配有玻璃纤维增强叶片，长度通常在10至15米之间。如今，海上涡轮机的额定功率通常为6至9MW，叶片长65-80米，并且越来越长，例如2021年维斯塔斯（丹麦Vestas）推出的15MW、115米长的V236-15.0兆瓦海上风机叶片。

2021年，维斯塔斯公司推出的V236-15.0-MW海上涡轮机拥有115.5米的叶片，据说每年可以生产80千兆瓦时（GWh），图源：维斯塔斯

根据2022年美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）与劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）以及美国能源部DOE合作对140多名风能专家进行的调查，预计到2035年，陆上风力涡轮机将达到130米。除了玻璃纤维复合材料叶片外，随着风力涡轮机越来越大，叶片长度不断增加，翼梁帽中的碳纤维加强件（作为风力涡轮机转子叶片的加强构件）)已成为减少整体重量和增加叶片刚度以防止突然阵风袭击塔架的有效方法。

此外，在海上风电领域，许多开发工作都与浮动海上风电平台有关。漂浮在水面上的平台使风能开发比许多安装在浅水的固定基础涡轮机更靠近海岸。在不同的开发阶段有许多不同的浮动平台概念，其中许多使用复合材料。例如，Gazelle Wind Power（爱尔兰都柏林）平台原型在2022年10月通过了几项初步可行性测试，该平台的特点是水上三脚架臂拴在海底。由美国能源部资助的美国大西洋计划（Aerodynamic Turbines Lighter and Afloat with Nautical Technologies and Integrated Servo-control）于2019年启动，其中包括12项研发工作，旨在推进海上浮式风电技术。

Gazelle风力发电公司浮动海上风力涡轮机解决方案渲染图

风电行业的其他研发工作继续在新的或更高效的碳纤维复合材料翼梁帽、自动化制造方法、更高效的叶片设计等方面取得进展。

在过去几年中，除了堆放在垃圾填埋场之外，如何处理报废 (EOL，end of life ）退役的风力涡轮机叶片也一直是风能公司关注的焦点。

风电叶片供应链上的公司正在开发许多解决方案。通常，这些解决方案涉及对EOL风电叶片中的材料进行机械或化学回收，或者在某些情况下，将整个风力叶片重新用于其他用途，并在设计上努力使风叶片本身更具可回收性。

2021年，西门子歌美飒率先将其可回收叶片推向海上风电市场，并于2022年7月在德国安装了首批叶片。2022年，该公司还为陆上风电项目推出了新的可回收叶片版本Recyclable Blade。可回收叶片采用环氧树脂和Aditya Birla的可回收胺固化剂制成，使树脂在叶片的EOL时更容易与纤维分离。

2021年西门子歌美飒推出了首款用于海上风电的可回收叶片，2022年推出了新的陆上风电款产品

此外，由法国研究中心 IRT Jules Vernes领导的跨部门ZEBRA(零废弃叶片研究)联盟于2021年9月成立，目标是开发完全可回收的风叶片。作为这项为期42个月的努力的一部分，丹麦LM Wind Power公司正在使用阿科玛的热塑性Elium树脂设计和制造两个原型叶片。测试和验证、自动化、回收方法和生命周期分析(LCA)也将是该计划的一部分。

还有其他可再生能源部门也采用复合材料。例如，一种有前途的海洋能源技术是波浪能转换器（wave energy converters，WEC），它可以利用海浪运动来发电。2021，瑞典CorPower Ocean公司建造了第一个全尺寸的纤维缠绕玻璃纤维增强复合材料（GFRP）浮标状WEC的原型，该公司希望到2025年将其扩大为工业规模的海洋能源农场。截至2022年10月，该公司已成功对许多系统部件进行了干态测试，并于2022年11月前将其第一个原型安装在海上进行水下测试。

CorPower Ocean开发的复合材料密集型浮标形波浪能转换器（WEC）技术旨在与海上风能协同工作

其他复合材料密集型可再生能源技术包括潮汐涡轮机叶片或淡水水力涡轮机叶片，如澳大利亚Kinetic NRG开发的螺旋形设计。2021，爱尔兰设计、制造和测试公司Eire Composites、美国全球海洋可再生能源解决方案公司ORPC和爱尔兰国立大学戈尔韦分校启动了一个项目，开发和销售由全回收碳纤维复合材料制成的潮汐涡轮机箔。

可再生能源应用是当今许多新闻的头条，但石油和天然气等化石燃料能源继续引领世界许多地区的能源生产和消费。例如，根据美国能源信息管理局（EIA）发布的《2022年年度能源展望》，虽然可再生能源是2022年美国增长最快的能源，但预计到2050年，石油和天然气仍是消耗量最大的能源。

多年来，碳纤维或玻璃纤维复合材料的耐腐蚀性促使其在各种石油和天然气钻井应用中作为传统金属的替代品，如井口保护组件、陆上水力压裂（压裂）应用中使用的碎片塞等。

对于海上石油和天然气管道，近年来，荷兰Strohm和英国Magma Global Ltd.等公司率先开发和认证了热塑性复合材料管（TCP），以取代海上管道中的金属。世界各地已经宣布了几个成功的资格认证和试点项目。除了石油和天然气之外，最近Strohm等公司声称TCP可以成为公司能源转型的关键组成部分，应用于运输绿色氢气。

此外，复合材料解决方案还可以作为现有管道修复的高效、耐腐蚀解决方案——类似于复合材料如何用作公用设施和民用基础设施应用的修复或加固解决方案。

例如，美国QuakeWrap公司是一家30多年来一直提供各种GFRP和CFRP产品用于修复或加固桩、管道、墙壁或其他结构的公司。在CompositesWorld 2022年12月举办的技术交流中，QuakeWrap总裁Mo Ehsani介绍了该公司一种新技术，通过将碳纤维或玻璃纤维织物材料包裹在气球状设备周围，然后将其发射到管道中，远程应用和固化，无需挖出管道或以其他方式破坏该区域，便可实现管道修复。

原文始发于微信公众号（艾邦复合材料网）：2022年复合材料市场回顾及2023年市场展望：新能源领域用复合材料