全球风能发展动态及风电领域复合材料的未来发展趋势浅析

复合材料在风电叶片上的应用已逐渐发展成为一个巨大的、真正的全球市场，正在为到2050年实现世界净零排放目标做出重要贡献。

本文将为大家介绍该领域的市场现状、参与者面临的挑战，以及最近基于更长复合材料叶片的涡轮机容量的扩张情况。

能源智库Ember在其一份2023年4月发布的报告称，2022年，全球约39%的电力来自可再生能源，其中约4%来自风能。目前有60多个国家利用风能和太阳能发电，在一些国家，风能是发电的主要来源。例如，2023年第一季度，海上风电占德国电力生产的32%，成为该国最大的发电来源。

在最近发布的2023年年度报告中，全球风能理事会（ Global Wind Energy Council，GWEC）预测到2023年底，全球累计风能装机容量将达到里程碑式的1太瓦（TW）水平。

实现这一目标花了40年时间，但GWEC预计这一数字将在短短7年内翻一番，到2030年达到2TW。即使在如此快速的增长速度下，所达到的水平也只有实现《巴黎气候协定》“2050年净零排放”目标所需水平的三分之二左右，这意味着如果供应链能够实现，增长前景可能会更高。

在过去的十年里，中国通过大量投资，以41%的装机容量占据了海上和陆上风电装机容量的领先地位，欧洲约占28%，其次是美国占16%，世界其他地区（rest of the world，ROW）占其余15%。

2022年全球海上风能发电量为64吉瓦，不到2022年总装机容量的10%。然而，未来五年，海上装机容量的份额预计将增长，从2023年预计的全球新增装机容量16%增长到2027年的23%左右。在海上容量中，重要的浮动风能容量将于2027年开始安装，彭博社估计，到2030年将达到5吉瓦，到2035年将达到25吉瓦。

尽管当今三大地区（中国、欧洲和美国）的风能装机容量将大幅增长，但GWEC预测，世界其他国家的新增装机容量份额将从2023年的25%大幅增加到2027年的37%。

GWEC对风能装机容量的增长预测显示，年装机容量从2023年的115吉瓦增长到2027年的157吉瓦，年均复合增长率为8%。如果进一步预测，这将最终达到2030年的1 TW。从历史上看，风电装机容量并不是一个平稳的曲线。有高峰也有低谷，这取决于许多因素，包括影响补贴和许可证发放的政府政策。2022年，该行业还面临着严重的供应链中断，这影响了涡轮机制造商交付正在进行的项目的能力。该行业还必须面临一些关键挑战，才能实现预测的产能增长。

原材料挑战：风电行业的大部分原材料和部件来自中国。新冠肺炎期间中国的关闭造成了许多供应问题，这些问题目前正在解决中。但是，在更具战略意义的层面上，大量原材料如用于风力涡轮机高功率磁体的稀土金属钕和镨，主要在中国开采。由于预计全球使用量将增加，预计到2030年将出现短缺。同样，如果不进行新的玻璃纤维和碳纤维投资，复合材料原材料的可用性可能会面临压力。风能叶片的拉挤加固梁现在已成为碳纤维的最大应用，但叶片生产商在一定程度上对历史上与碳纤维有关的潜在供应问题持谨慎态度。目前正在进行技术开发，以保持选择的开放性，例如通过使用高模量玻璃纤维。

专业知识和设备挑战：涡轮机制造商和风电场安装商在人力和专业设备方面都面临着安装专业知识的短缺，这限制了他们可以开展的项目数量。尤其是安装海上涡轮机所需的专业海上船只的可用性似乎非常有限。

电价挑战：当风能以低于或等于电网电价的平准化电力成本（LCOE）发电时，就会出现“电网平价”。实现电网平价对于该行业在不需要补贴的情况下自立至关重要。2000年代中期，欧洲部分地区和美国的风力涡轮机达到了电网平价。根据国际可再生能源机构（IRENA）最新的电力成本研究，2021年新增陆上风电项目的全球加权平均LCOE同比下降15%，从2020年的0.036欧元/千瓦时（0.039美元）降至0.03欧元/千瓦小时（0.033美元）。在海上风电市场，2021年出现了前所未有的扩张(增加了21吉瓦)，全球加权平均电力成本同比下降13%，从0.78欧元/千瓦时（0.086美元）降至0.068欧元/兆瓦时（0.075美元）。实现海上风电场的成本平价是一个重要目标，也是一个显而易见的解决方案，即使用更大功率、更长叶片的涡轮机，从而减少给定风电场规模所需的涡轮机数量。

风力叶片可回收性挑战：复合材料风力叶片生产商非常清楚，需要找到一个可持续的解决方案来处理旧的小型涡轮机退役后产生的大量风力叶片。行业估计，到2025年，产量可能达到25000吨左右。人们已经研究了各种解决方案，例如以巧妙的方式重新调整叶片的用途，例如建造桥梁或自行车庇护所，但还需要找到一个更稳健的解决方案。2023年2月，Vestas和环氧树脂生产商Olin以及其他合作伙伴宣布了一项名为CETEC（热固性环氧树脂复合材料循环经济）的重大开发计划，旨在开发可重复使用风力涡轮机所用材料的新技术。这将允许提取可用于制造环氧树脂的原材料。该项目的目标是在3年内提供工业规模的成熟技术。西门子歌美飒公司于2021年安装了第一台可回收叶片。他们的目标是到2040年实现完全可回收涡轮机的可用性。2022年，通用电气旗下的LM风力发电公司在其位于西班牙的Ponferrada工厂生产了一个完全可回收的62米叶片，使用了Arkema的可回收Elium液体聚氨酯热塑性树脂和Owens Corning的高性能玻璃织物。

2023年1月，明扬智慧能源推出了一款8.5兆瓦的陆上涡轮机，叶片长度为108米。该涡轮机的额定容量超过了维斯塔斯和西门子歌美飒目前提供的7兆瓦涡轮机。业内人士认为，未来有可能开发10兆瓦或更高容量的陆上涡轮机。海上领域正在进行大量的开发活动，中国涡轮机生产商再次突破了界限。明阳智能能源也于2023年1月推出了MySE 18.X-28X海上模型，取代了两周前宣布的中船海装H260-18MW，位居榜首。MySE 18.X-28X具有140米长的叶片，而CSSC海庄型号的叶片长度为128米。

2023年3月，西门子歌美飒的SG 14 236 DD 14MW海上风力涡轮机原型，是该公司迄今为止最大、最强大的风力涡轮机，开始在丹麦的Österild国家测试中心向电网输送电力。它的叶片有115米长。2022年12月，维斯塔斯在同一地点安装了V236-15.0兆瓦的海上涡轮机，该涡轮机也有115米长的叶片。

复合材料仍然是建造更长的风力叶片的首选材料。荷兰TNO在2021年对2040年前的未来风叶进行的研究中评估了最大叶片长度很可能不是由材料限制决定的，而是由处理产品的能力决定的。他们预计叶片长度增长到145米，并建议从现在起，叶片应分段建造，以解决处理问题。随着叶片长度的增长，基于碳纤维的翼梁帽显著增长，许多生产商现在将其用于长度超过70米的叶片。然而，风机叶片的设计者已经能够开发出仅使用玻璃纤维的所有长度叶片的可行设计。这是由于对碳纤维的成本和可用性的担忧。Wood Mackenzie的MAKE咨询公司估计，2021年安装碳纤维翼梁帽的涡轮机的份额为24%，自2016年以来基本保持不变。开发工作将继续进行叶片的设计以及优化树脂和纤维的选择，以实现性能和可持续性。

综上所述，风能在我们世界的脱碳中发挥着关键作用。随着时间的推移，该行业已经找到了使其具有成本竞争力的技术解决方案，尽管它面临着从供应链、最大涡轮机的运输和安装以及采用可持续方法等各种挑战。市场需求肯定存在，未来几年将展示如何利用海上风电的潜力。该行业对复合材料行业将变得越来越重要。