风电材料行业深度研究报告:乘风而起风电材料大有可为

发布时间: 2022-08-28 14:41:07 来源:hth华体会体育 作者:华体会体育官方入口

  双碳背景下可再生能源发展进入快车道。步入 21 世纪以来,随着环境和全球变暖 问题日益严重,各国纷纷响应设立碳中和目标,促进产业减碳。2020 年 9 月,我国正式 承诺到 2030 年实现碳达峰,2060 年实现碳中和,也为我国能源结构转型吹响号角。由 于资源禀赋原因,我国能源体系特点为高煤高碳。2021 年,煤炭、石油、天然气占我国 能源消费比例分别为 56.0%、18.5%、8.9%,而全球来看这一比例为 26.9%、31.0%、 24.4%。

  同时我国对化石燃料的对外依存度较高,2021 年我国原油、天然气的对外依存 度分别为 72.0%、44.4%。从碳排放结构来看,中国碳排放主要来自于电力与热力部门 (主要为发电环节),2021 年发电环节碳排放占比超过 50%。随着经济发展,电能消耗 仍将继续增加,因而需要降低发电生命周期的碳排放量,即使用可再生能源对化石能源 进行替代,根据《“十四五”可再生能源发展规划》,2025 年非化石能源消费占比达到 20% 左右,届时可再生能源利用率相当于减少二氧化碳排放量约 26 亿吨。

  风电已成为最有前景的可再生能源之一。风力发电是一种清洁低碳、可永续利用的 发电形式,其分布范围广泛,安装与拆卸灵活,对生态环境影响较小。根据斯坦福大学 的研究,风电全生命周期的平均度电碳排放低于光伏、电热、水电、核电、气电、煤电 等其他形式的发电技术。

  经过几十年的发展,风电已经发展成我国仅次于煤电和水电的 第三大发电来源。截至 2021 年年底,全国风电累计装机容量 3.28 亿千瓦(其中,陆上 风电约 3.01 亿千瓦,海上风电约 0.28 千瓦),占我国全部发电装机的 13.82%,占全球 风电总装机规模的 39.2%左右。2021 年新增装机容量 47.57GW。2010-2021 年,中国 风电装机量 CAGR 达到 24.46%,发展迅猛。根据《“十四五”可再生能源发展规划》、 《“十四五”现代能源体系规划》等文件,到 2025 年,可再生能源发电量达到 3.3 万亿 千瓦时,风电发电量较 2020 年实现翻倍,即超 5.64 亿千瓦时。

  风电逐渐摆脱政策依赖,全面走向平价上网。2019 年 5 月,国家发改委发布《关于 完善风电上网电价政策的通知》,将陆上、海上风电标杆上网电价均改为指导价,并规 定新核准的集中式陆上风电项目及海上风电项目全部通过竞争方式,同时明确 21 年起 将逐步取消国家对陆上风电项目补贴;对于 2018 年底前已核准的海上风电项目,必须 在 2021 年底之前建成并网,2022 年开始地补替代国补,由此风电正式进入平价上网时 代。

  陆上风电平稳发展;海上风电招标提速,风机大型化促使材料升级迭代提速。陆上 风电近年来增速较快,近几年海上风电呈现加速增长态势。相比陆上风电,海上风电具 有资源丰富、可开发量大、风湍流强度小、开发可以避免土地资源浪费、减少噪音污染 等优点近年来得到广泛发展。根据最新估算,海上风能资源技术可开发潜力超过 35 亿千 瓦,仍有很大的发展空间。这些海域距离电力负荷中心即沿海经济带很近,具有良好的 市场条件和巨大资源潜力。根据 Clarksons Research 2022 年 7 月 15 日最新发布的专 题报告《聚焦中国海上风电市场》显示,截至目前,中国总计投运了 102 个海上风场, 装机规模达 24GW,涵盖约 5000 台海上风机,占全球海上风电投运规模的 45%以上。

  2021 年,我国新增海上风电装机量达到 16.9GW,同比增加 340%,占全球新增装机的 80%。中国也正式超过英国成为全球最大的海风生产国,尽管 2021 年有一定海上风电 退补带来的抢装需求刺激,但更重要的是海上风电刚刚开始,未来将在“十四五期间” 迎来高速成长期。Clarksons 预计,中国海上风电投运规模有望在“十四五”末期达到约 60GW,较当前投运水平(24GW)增长约 150%。而从地方规划来看,2022 年以来, 广东、江苏、浙江、福建、山东、广西、海南等多个沿海省份陆续公布十四五海上风电 发展规划。据北极星风力发电网不完全统计,“十四五”期间,全国海上风电规划总装 机量超 100GW。短期来看,由于 2022 年上半年疫情影响一部分装机需求,我们认为下 半年需求有望加速释放。

  随着开发的深入,海上风电场的建设趋于规模化和大型化,风力发电机组的单机容 量也在不断增大。目前海上风电场广泛采用的风力机为单机 8 MW,最大为单机 14MW。 大型风力机体型庞大,总重达数百吨,叶片长达 90-120m,塔筒高达 100-160 m。风机 结构受风、波浪等荷载耦合作用,对其支撑结构提出了更高的要求。 随着我国风电产业的蓬勃发展,为风电产业所需的化工产品带来了巨大空间。我们 梳理了风电产业链相关化工品,包含增强材料、基体树脂、夹芯材料、辅材等等。我们 认为,这些化工品将充分受益风电行业,特别是海上风电带来的叶片大型化趋势、轻量 化需求和快速迭代需要(将在叶片章节详细阐述),有望实现量价齐升。这里我们对各 种材料未来 5 年的需求量和市场空间进行了梳理。

  叶片是风机核心组件,成本占比 20%以上。风力发电机组是由叶片、传动系统、发 电机、储能设备、塔筒及电器系统等组成的发电装置。叶片是风电机组捕获风能的核心 部件,其气动性能直接影响到整个系统的发电效率以及轮毂等关键零部件的使用寿命。 要获得较大的风力发电功率,其关键在于要具有能轻快旋转的叶片,因此叶片的结构设 计、材质选择、工艺等将会直接影响风力发电装置的性能和功率。叶片也是风机中成本 最高的部件之一,占风机成本的 20%甚至以上。

  叶片大型化成为风电降本确定路径,促使叶片加快升级迭代。随着风电补贴退出, 风电行业进入平价上网时代。同时,风机招标价格大幅降低,原料成本上涨,风电机组 供应商承受较大降本压力。降本最有效的途径就是不断扩大风电机组的单机容量,因此 风电机组大型化是发展的必然趋势,能够有效的提高风能资源的利用效率。风电机组产 生的电能与叶片长度的平方成正比,增加叶片长度可以提高风机的捕风能力,提升发电 量,适合我国陆上可用低风速面积占比大的情况。同时大功率机组可以减少机组数量, 降低相应的建造及安装成本,提升土地及海域的利用率,并且有助于分散式风电的发展。

  叶片大型化带来轻量化需求。叶片长度增加时,质量的增加要快于能量的提取,因 为质量的增加和风叶长度的立方成正比,而风机产生的电能和风叶长度的平方成正比。 叶片成本占比 20%,叶片长度增加将增加自重进而推升成本,与风电降本的诉求不匹配。 同时,叶片自重过快提升可能对净空等方面形成挑战,从而影响运行稳定性。因此,当 前行业的趋势在于增加叶片长度的同时控制好叶片自重,轻量化趋势是十分明确的,而 实施的路径主要在于叶片材料方面的迭代升级,升级后的材料需要满足大叶片要求的更 高力学性能,同时需要兼顾轻量化,这也是我们研究叶片材料迭代发展的主线。

  叶片迭代正在加速。在风电各组成部分中,叶片是迭代速度最快的环节。叶片长度 从 40 米增至 60 米花近 10 年的时间,2014 至 2018 的五年间,这个数据升到 80 米, 而随后又在两年内将 80 米增至 90 米,2021 年,风电叶片已进入百米时代。截至 2021 年,海上风电机组风轮直径最大可达 186 米,陆上风电机组风轮直径最大为 175 米,新 增风电机组平均风轮直径达到 151 米,较去年增加 15 米,增速不断提升,达到 11.0%。 可以看到,叶片长度增速在近两年在明显的加速。这也导致叶片换代周期越来越短。根 据《风电叶片创新进行时》,2020 年前,一款新叶片的市场生命周期是 3~5 年;2021 年以来缩至 2 年。这给从研发到模具都带来巨大压力,目前一个型号的模具仅能使用 2 年甚至更短。

  叶片出现结构性短缺,大叶片短期供不应求。以上趋势均加速了叶片行业的结构优 化升级。头部叶片企业不断推陈出新,淘汰小叶型产品,开发配合有原材料轻量化升级 的大叶型产品。由于近两年小叶片向大叶片转型出现加速趋势,今年来,风电叶片市场 上出现大叶片供给短缺,小叶片供给过剩的结构性错配的情况。需求方面,下游整机厂 为了配置更大功率的风电机组,其对大型叶片的需求增加,供给方面,高质量的模具生产商有限,模具生产周期较长,模具的短缺导致叶片制造商产能无法释放。

  风电叶片市场集中度较高,国内厂商市占率不断提升。全球风电叶片市场格局较为 集中,CR5 占比约为 65%,其中我国的中材科技、时代新材和艾朗科技分别占比 13%、 10%和 7%。我国来看,经过自 2010 年以来的行业整合,国内风电叶片制造商由高峰时 期的百余家缩减至目前以中材科技、时代新材为首的 20 多家企业,行业集中度已有明显 提升。2020 年,叶片行业 CR 5 占比约 70%。

  风电机组整机商集中度较高,叶片行业客户壁垒较高。2021 年,全球 15 强风电机 组整机商占比总计 98.1%,其中有 10 家中国企业,占比达到 53.5%,国内厂商市占率 不断提升。国内风机整机制造商同样呈现集中度较高的情形。截至 2021 年底,全国累 计装机市场份额中,CR5 占据 70%。因而,叶片生产行业客户壁垒较高。以 LM 为代表 的企业同时生产叶片及整机,拥有一体化协同效应,而以 TPI、我国的中材科技和时代 新材为代表的企业是独立叶片生产企业,长期与下游整机厂有良好合作关系,供货关系 稳定,新玩家切入困难,整体呈现强者恒强态势。

  模具是叶片生产的关键耗材。大型风机叶片大多采用组装方式制造。在两个阴模上 分别成型叶片壳体,芯材及其他玻璃纤维复合材料部件分别在专用模具上成型,然后在 主模具上把叶片壳体与芯材,以及上、下半叶片壳体互相粘结,并将壳体缝隙填实,合 模加压固化后制成整体叶片。 叶片模具的生产效率大幅降低,模具的需求量大幅增加。叶片产能很大程度上取决 于高质量的模具。需求侧,按照双一科技招股说明书,制作周期为 2~4 天,因此一套模具的年产能为 120 片叶片。一套模具的生命周期大概可以生产 400 至 600 套叶片,完整 的替换周期大约是 2~3 年。

  近几年,叶片模具的生产效率大幅降低,模具的需求量大幅 增加,超过装机并网增速,主要原因有三。一是随着叶片长度迭代加速,大叶片模具需 求不断提高,许多模具未达寿命即被淘汰,寿命大大缩短,模具的数量将增加,每个固 定叶型模具的替换周期缩短至 2 年以内,因此单个模具的最大产能在 240 片叶片。第二, 叶片增大将导致模具生产时间增长,且库存占用也降低生产效率。第三,在抢装过程中, 为了加快叶片生产效率,经常会进一步增加模具的数量。目前每套模具对应的叶片数约 120 套左右。2022 年叶片出现结构性紧缺,模具供应不足是出现紧缺的主要原因。根据 我们的测算,近两年市场需求大约在 250 套左右。

  模具生产集中度较高。供给侧来看,叶片模具生产周期 2 个月左右,由于迭代速度 加快,叶片厂商都会谨慎购置模具,在对应叶型有确定的需求时,才会选择扩张产能, 导致模具的采购和运输周期往往需要半年左右的时间。此外,叶片和模具越大,所需的 厂房面积也更大,厂房的重新布置和扩充也限制叶片产能释放,随着叶片增大,需要的 场地和库存也更大。这些因素均制约了模具的产能。风电模具领域主要玩家有固瑞特(外 资)、双一科技、北京玻璃钢研究院(中材科技旗下)、天顺风能,市场占有率很高, CR4 达到 90%。市场总出货约 200-300 套,基本与目前需求匹配。

  为了减轻模具重量,降低模具成本,大型复合材料叶片的模具逐渐由早期的金属模 具向着复合材料模具转变。复合材料模具基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂 等热固性基体树脂与 E 玻璃纤维、S 玻璃纤维等增强材料、钢结构、翻转结构、加热系 统等重要部分组成。原材料占比超过 70%,成本受钢材、玻纤、树脂等原材料波动影响, 盈利在原材料下行阶段将有所修复。模具的气密性是叶片成型过程中最为关键的技术, 直接影响产品质量。

  风电叶片主要构成包括树脂基体、增强材料以及粘接剂、芯材等,其中增强材料主 要有玻璃纤维和碳纤维两种。1887 年,美国人 Charles F.Brush 建造第一台风力发电机 组,叶片使用木材制成,此后 100 多年,随着应用技术的积累,风电叶片材料经历了木 质材料-金属材料-复合材料的演变过程,目前已完全使用复合材料,而玻纤因为其优异的 性能同时兼顾经济性成为大型风力发电机叶片材料的首选。碳纤维是目前已规模化生产 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,更高的力学性能和轻量化特 点均优于玻纤。

  此前由于国内缺乏生产技术,未能突破量产而成本居高不下,近两年, 碳纤维原丝和碳丝均进入扩产期,成本下降可期,将在大叶片时代有更好的增速。当然, 玻纤也在发展中,目前头部企业推出高模量玻纤,一定程度上弥补了相较于碳纤维的力 学性能的不足,我们认为二者后续将互为补充,共享风电时代增强材料的高增速。 在风电叶片成本结构中,原材料占比达到 75%。在叶片的设计中,根据不同部位的 受力形式与强度需求,选取不同的材料,以达到足够的刚度与强度。叶片中,增强纤维、 基体、芯材及结构胶合计占比为总成本的 87%,其中增强纤维材料成本占比约为 28%。

  风电叶片用增强材料的核心指标是密度、拉伸强度和模量。复合材料性能优异,作 为风电叶片材料具备优异的力学性能、工艺性能和耐环境腐蚀性能。其中最关键的指标 是密度、拉伸强度和模量。材料密度越小单位体积质量越轻,在风电叶片大型化背景, 叶片长度越来越长,低密度的材料可以满足轻量化的需求。同时,叶片必须具备高刚度 和高强度,来满足叶片变截面、曲率大和结构铺层渐变及发电环境艰难的特征要求。随 着风电机组大型化,叶片越长整体柔性变形就越大,控制叶尖挠度变形可以确保叶片与 塔架之间具有足够的安全距离,避免发生扫塔事故。而材料的拉伸模量是影响叶片变形, 增加其刚度的关键因素之一。

  拉挤成型适合大批量生产,适宜风电行业。实现纤维增强复合材料嵌入过程的工艺 主要包括湿法手糊成型(Hand Lay-up)、预浸料成型 (Prepreg)、真空导入成型(RIM)、缠 绕成型工艺(FRTP)、拉挤成型(Pultrusion)等。真空导入成型是目前生产叶片的主 导工艺,主要优势为污染小,品质稳定、生产效率高以及较易商业化。而湿法手糊成型 虽然成型模具简单投入少,但质量差、污染大、效率低。预浸料成型综合性能较优,但 成本较高。缠绕成型通常应用于玻璃钢容器及管式压力容器,如氢气瓶。拉挤成型生产 效率较高,适于大批量生产且制品质量稳定,轴向力学性能佳,比较适宜风电行业领域, 近年来占比快速升高,特别是碳纤维拉挤工艺降低了碳纤维的应用成本,近年来得到快 速发展。

  玻璃纤维性能优异,应用广泛。玻璃纤维是一种性质优异的无机非金属材料,其主 要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。其最大的特征是抗 拉强度大,比同成分的玻璃高几十倍,此外耐热性好,有优良的绝缘性,抗腐蚀能力强。 由于这些优异的性能,玻纤及其向下加工制成的玻纤制品有了广泛的应用空间。尤其是 玻纤经过浸润、粘结、加工等步骤制成的玻纤制品。2000 年以后,随着各种增强型浸润 剂的应用,增强型玻纤制品在复合材料中得到迅猛发展,能够替代钢、铝、木材、水泥、PVC 等多种传统材料。玻纤产品主要包括无碱纱、中碱纱和玻纤制品等,不同产品的市 场针对性很强,通常用作复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料,用于建 筑材料、交通运输、电子电器、环保风电等领域。

  近十年来,我国玻纤的表观消费量持续增长,CAGR 达到 10.8%。2021 年,需求 量约 471 万吨。当前我国玻纤终端需求结构,建筑仍占据最大的份额占比 34%,风电需求占比 7%,但增速较快。

  玻纤作为风电增强材料具备较高性价比。玻璃纤维复合材料由于具有轻质高强度的 特性,在制品轻量化、资源综合利用等减少碳排放方面具有巨大优势。玻纤作为风电增 强材料具有明显优势,主要因为玻纤不仅具备优异的性能,同时兼顾经济性。研究表明, 玻璃纤维的密度比钢低 67%,比铝合金低 10%左右,应用在风电叶片上能大幅降低重量 提升发电效率,降低运输成本。玻纤的拉伸强度比金属材料高 2~6 倍,拉伸模量仅略高 于铝合金,目前市场主流高模量玻纤拉伸模量达到 89Gpa。此外,增强材料成本占风电 叶片总成本的 21%,成本占比较大,因此在增强材料选择上需考虑其经济性。我国玻纤 行业成熟的产业链基础以及多年来降本的努力使得玻纤具有很强的性价比。

  目前,玻纤 的比强度单价仅 7.2 元/吨,仅达到其他材料的 10%。极具性价比使玻纤成为风电叶片增 强材料的主流选择。玻纤在风电领域的运用称为风电纱,应用主要集中使用在叶片上, 少量使用在机舱罩等部位。玻纤在叶片的蒙皮、腹板和主梁上都有广泛的应用,其中拉 挤板主要用于叶片主梁结构上,由玻璃纤维或碳纤维制成。蒙皮提供叶片气动外形并承 担大部分剪切载荷,用于捕获风能,主要材料为多轴向玻纤。

  双碳背景下,风电纱需求稳定增长。根据明阳智能招股说明书披露,单位 GW 风电 装机所需玻纤用量在 1 万吨左右。截至 2021 年,国内累计风电装机量为 329.10GW, 预计 2025 年新增装机量 91GW,对应玻纤需求至少约 91 万吨。我国玻纤产能占全球比例超过 60%,产能集中度高。2021 年,我国玻纤产量突破 600 万吨,占全球总产量的 70%以上,中国已成为世界规模最大的玻纤生产国。通常玻 纤生产线开窑后,需要连续生产 8-10 年,中途难以降低负荷调节产量(因非正常停窑产 生显著额外成本),因而玻纤供给较为刚性,调节余地小。供给侧的影响主要集中在新 增产能和冷修产能。预计目前所有冷修项目及在建产能全部投产后,将提升 300 万吨/年 产能。

  2021 年,我国玻纤增强复合材料制品产量 584 万吨,其中玻纤增强热塑性复合材 料 274 万吨,玻纤增强热固性复合材料 310 万吨,风电用途属于后者。全球玻纤行业主 要有七大生产企业:分别为国内的巨石集团有限公司、重庆国际复合材料有限公司、泰 山玻璃纤维股份有限公司、山东玻璃纤维股份有限公司以及美国欧文斯科宁-维托特克斯 公司(OCV)、日本电气硝子公司(NEG)和美国 Johns Manville 公司(JM)。目前这 7 家 公司占据的全球玻纤总产能的 72%。

  整个行业呈现寡头垄断特点,并在过去十年未有变 化,行业格局非常稳定。按各国企业产能占比进行测算,2021 年中国占全球玻璃纤维产能约 71%,中国已成为全球最大的玻纤生产基地,产业链完善。国内供给同样呈现寡头 垄断的特点,2021 年中国巨石、泰山玻纤、重庆国际占据 60%以上的市场份额。因为玻 纤行业重资产、资本密集、核心技术不易获得这些特点保证了玻纤行业中的龙头能不断 积累规模优势,降低成本,同时加强技术研发,通过技改进一步降低成本。

  叶片大型化的背景下,高模玻纤是玻纤未来发展方向。与普通无碱玻纤相比,高模 高强玻纤具有拉伸强度高、弹性模量高、抗冲击性能好、化学稳定性好、抗疲劳性好、 耐高温等优良性能。随着近十年玻纤企业持续不断的技术创新,每一代玻纤的模量都提 升了 10%左右, 90Gpa 已能满足目前的市场需求,中国巨石最新的超高模量 E9 玻璃纤 维拉伸模量达到 100Gpa,比普通 E 玻纤提高 36%,并且其强度比普通 E玻纤提高 60%, 预计满足至少未来三年的市场需求,有力地促进了叶片大型化的发展。

  碳纤维是一种高强度轻量化材料。碳纤维是由聚丙烯腈等有机纤维在高温环境下裂 解碳化形成的含碳量高于 90%的碳主链无结构无机纤维,是目前已规模化生产的高性能 纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维,其比重不到钢的 1/4,强度却是钢的 7~9 倍。根据文献记载,原子间结合力模型计算可得出碳纤维理论抗拉强度高达 180GPa, 但实验室数据仅达到 9GP,仍有很大的发展空间。

  另外,碳纤维具有耐高温、耐腐蚀以 及其他材料不可替代的耐摩擦、耐承压、导电、导热等优良性能,其中耐高温性能是化 学纤维之最,在 2000℃以上的高温惰性气氛中,唯独碳纤维是强度不下降的材料。碳纤 维原丝本身是丝状的,通常将其经过预氧化、碳化、纺丝后加入树脂、陶瓷等补强材料 并经过工艺成型获得碳纤维复合材料(简称为复材)从而进行终端应用,目前广泛应用 于风力发电、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、航空航天等领域,且有很强的拓展 性。

  叶片大型化后,碳纤维已经成为必要选择。随着叶片长度的增加,对增强材料的强 度和刚度等性能提出了新的要求,玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能 方面的不足,特别是对于超过 100 米的叶片。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架,叶 片必须具有足够的刚度。既减轻叶片的质量,又要满足强度与刚度要求,有效的办法是 采用纤维进行增强,在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时,采用性能更好的 碳纤维复合材料势在必行。全球风能理事会(CWEA)数据显示,2015-2021 年间,全 球风电领域的碳纤维需求迅速从 1.8 万吨增长到了 3.3 万吨,占到了 2021 年全球碳纤 维总需求的约 30%,碳纤维风电叶片成为碳纤维下游的最大市场。

  按照原丝制备中的原料种类,碳纤维可以分为聚丙烯腈基(PAN 基)、沥青基和粘 胶基。其中,由于 PAN 基碳纤维原料来源广、工艺技术成熟、经济性较好而被广泛应用, 当前 PAN 基碳纤维占碳纤维总量的 90%以上,沥青基占 8%,粘胶基不到 1%。因此, 碳纤维一般指 PAN 基碳纤维。力学性能是碳纤维的核心性能指标和分类依据,按照现行聚丙烯腈基碳纤维国家标 准 GB/T 26752-2020 的力学性能分类,PAN 碳纤维分为高强型、高强中模型、高模型、 高强高模型四类。

  一般使用碳纤维中单丝根数与 1,000 的比值对单束碳纤维包含的碳纤维数量进行衡 量, 如 12K 指单束碳纤维中含有 12,000 根单丝的碳纤维。按照每束碳纤维中单丝根数, 碳纤维可以分为小丝束和大丝束两大类别。通常将 48K 以下的称为小丝束,通常包含 1K、 3K、6K、12K、24K,48K 及以上的称为大丝束碳纤维。通常来说,丝束越大,聚集越 容易,但同时展纱效果就越差,浸润胶液的效果也越差,同时单丝中容易发生空隙等问 题。

  同时,大小丝束的稳定程度存在差异,小丝束碳纤维的变异系数控制在 5%以内,抗 拉强度较为稳定,离散型较小,大丝束碳纤维的变异系数则在 15-18%,离散性更高,稳 定度低。离散性低意味着强度更高。但从大规模工业化的角度,大丝束碳纤维在相同的生产条件下,可大幅度提高碳纤维单线产能,实现生产低成本化,打破碳纤维高昂价格 带来的应用局限,因而是一个极有潜力的市场,特别适用于风电这种需要兼顾性能和成 本的应用领域。

  总体而言,小丝束碳纤维性能优异但价格较高,一般用于航天军工等高科技领域, 以及体育用品中产品附加值较高的产品类别,主要下游产品包括航空航天、高尔夫球杆、 网球拍等。大丝束产品性能相对较低但制备成本亦较低,因此往往运用于基础工业领域, 包括风电能源、土木建筑、交通运输等。

  拉挤法逐渐成为主流,为碳纤维在风电上的应用打开空间。早期,尽管碳纤维有着 优越的性能,但其在风电领域的应用十分受限,主要是因为 2015 年之前,碳纤维应用 在风电叶片的工艺主要以预浸料和真空灌注为主,部分采用小丝束碳纤维,平均价格偏 高,经济性差,且此类成型方法操作复杂、生产效率低,限制了其在各领域的普及应用。 2015 年开始,维斯塔斯通过拉挤工艺,大幅提高了碳纤维体积含量,减轻了主体承载部 分的质量,且降低了碳纤维成本。维斯塔斯公司开发出碳纤维拉挤工艺制作的叶片大梁 后,开始大规模推广碳纤维在风电领域的应用。目前,该公司兆瓦级以上风机叶片都使 用碳纤维复合材料,极大地推动了碳纤维在风电领域的应用。2021 年风电的碳纤维用量 3.3 万吨,仅维斯塔斯用量就在 2.5-2.8 万吨左右。

  叶片用碳纤维复合材料大梁的制作方面可以分为预浸料工艺、灌注工艺、拉挤(碳 板)工艺三种。预浸料工艺是碳纤维先制成单向预浸料,然后在模具中铺层,用真空袋 加压,并除去层与层之间的空气,最后升温固化,得到大梁。灌注工艺是碳纤维先编织 成单向布,然后在模具中铺层,用真空袋加压,并除去层与层之间的空气,同时把树脂 导入,最后升温固化,得到大梁。拉挤工艺是先将碳纤维制成拉挤板材,然后在叶片制 作时,在设定位置内,把拉挤板材黏贴在蒙皮上制成大梁。其生产过程简单、工艺成熟 稳定、生产效率高、生产成本可得到很好的控制。成本下降主要体现在可以减少工序, 相应减少模具的投入。

  同时与灌注工艺相比,拉挤的树脂含量更低,可以使叶片重量下 降 3%。根据《赛奥全球碳纤维复合材料市场报告》,缠绕拉挤工艺占碳纤维复材的占比从 2017 年的 26%提升到了 2020 年的 36%。2020 年,缠绕拉挤工艺第一次超越预浸铺放 工艺,成为碳纤维使用最多的工艺,其背后分别是氢气瓶和风电市场对碳纤维的需求提 升。随着大丝束需求的进一步增长,拉挤工艺的渗透率会继续提升。

  这一工艺长期受维斯塔斯专利保护,研发新型主梁结构设计并获得更好的产品性能 较为困难,因此此前国内碳纤维制造商只能通过进入维斯塔斯供应链的方式,因而一定 程度上制约了中国碳纤维叶片及相关产业链的发展。至 2022 年 7 月 19 日,全球风电整 机巨头维斯塔斯碳纤维叶片核心专利拉挤工艺到期,国内拉挤法渗透率有望进一步提升, 从而带动碳纤维在风电叶片上的需求量进一步增加。当前已有较多企业已开始布局碳纤 维拉挤产线,光威复材已实现碳纤维拉挤板供应 Vestas,恒神股份也在拉挤板领域有所 布局。 碳纤维产业链较长,核心环节集中在原丝和碳丝环节。

  碳纤维生产过程,主要分为 PAN 纺丝原液的制备、PAN 原丝的纺制、原丝预氧化及碳化、复材成型几个环节。具体 的,有机聚合物(主要为聚丙烯腈)单体进行聚合并溶解;得到的聚合物按照不同的纺 丝工艺进行纺纱、洗涤、拉伸得到碳纤维原丝;原丝添加化学品稳定后,在厌氧、高温 环境下碳化排出所有非碳材料,形成纯碳网状链,后经表面处理、上浆后形成碳纤维(称 为碳丝);得到的丝束加入树脂、陶瓷等补强材料并经过工艺成型获得碳纤维复合材料。 其中原丝环节是最后产品品质的关键,有学者曾提出:“碳纤维质量 90%在原丝”。如果 在原丝环节出现品质缺陷,如表面孔洞、沉积、刮伤以及单丝间黏结等,在后续加工中 很难消除,从而造成碳纤维力学性能的下降。只有得到高取向、高强度、热稳定性好、 纤度均匀、杂质和缺陷少的原丝,才能有效提高碳纤维质量。

  从产业链角度,我国是原料聚丙烯腈生产大国,但原丝和碳丝环节仍由日美韩主导, 这主要是我国碳纤维产业发展起步较晚导致,但随着我国风电等领域全球影响力的加大 带来国内需求的繁荣,我们能够看到碳纤维的技术工艺产能都在快速进步,进口依赖的 现象也在逐渐改善,近几年将成为高速发展的窗口期。2020 年,我国大陆地区 PAN 基 碳纤维对外依存度 62%,较 2015 年的 85%已降低 22pct。

  原丝环节核心壁垒在于设备、纺丝工艺和过程控制。尽管从碳丝和复材角度上来说, 我国国产化率提升喜人,但原丝国产化的进度较慢,尤其对于大丝束,当前商业化生产 销售的仅吉林碳谷。多年来,原丝质量低于海外是根本问题。我们认为,原丝环节核心 壁垒在于三个环节——设备、纺丝工艺和过程控制。 1)设备:目前原丝核心设备仍主要依赖进口,仅有部分部件来自国产,国产整体设 备和海外差距较大。海外标准设备在工艺适配性上有不足,也较难满足企业自身的参数 要求,因此也需要有改造、调整进口设备的能力。

  2)纺丝工艺:碳纤维原丝纺丝工艺的选择及控制为稳定生产高性能原丝的关键因 素。纺丝工艺主要分为湿法纺丝、干法纺丝和干喷湿纺(亦称干湿法纺丝),主要区别 在于喷丝板与凝固浴的位置关系不同。目前,国内外生产聚丙烯腈原丝的工艺主要为湿 法纺丝和干喷湿纺。干法成型的纤维结构较紧密,但内部形成的原纤多,处于淘汰阶段。 湿法成型的纤维纤度变化小,纤维上残留的溶剂少,容易控制原丝质量,是目前广泛应 用的纺丝工艺,干喷湿纺是纺丝工艺的新发展趋势。(《高浓度 PAN/DMSO 溶液干湿 法纺丝工艺研究》)湿法纺丝是原液经过计量泵,然后从喷丝头挤出,原液细流直接进 入凝固浴,在凝固浴中迅速凝固成丝条,形成初生纤维。

  纺丝原液从喷丝头喷出进入凝 固浴后,原液细流的表层首先与凝固浴接触,进行传质,很快凝固成一薄层,凝固浴中 的水不断通过这一薄皮层扩散至细流内部,而细流中的溶剂也通过皮层扩散至凝固浴中。 干喷湿纺不直接浸入凝固浴,是纺丝原液经过喷丝板喷出之后先经过一段 3-10cm 的空 气层,然后再进入凝固浴。空气层是有效的拉伸区,不仅可提高纺丝速度,而且容易得 到高强度、高取向的原丝,原丝的结构均匀致密,因此要得到高强度的碳纤维,较好的 方法是采用干喷湿纺。同时,由于干喷湿纺工艺要求高压纺丝和高倍牵伸,所以还能够 令生产效率成倍提高。但此方式对纺丝工艺和原液质量要求极高,任何不稳定因素导致 的任何一根原液断流都会最终破坏整个喷丝板的正常生产,因此干喷湿纺技术难度较大, 国内仅少数企业能够掌握成熟工艺技术。

  按照聚合和纺丝工艺是否连续可以分为一步法、两步法。由于溶液聚合可直接获得 聚合物溶液,只要经过脱单、过滤及脱泡后即可用于纺丝,因此被称为一步法;而两步 法使水相聚合,先通过水相沉淀聚合得到 PAN 固体粉料,然后经过粉碎、烘干等供需, 最后利用有机溶剂溶解 PAN 粉末来生产纺丝原液。总的来说,两者各有优劣。

  一步法工 艺相对简单,可控性较好,但由于聚合过程不易散热、消耗的第三单体及溶剂较多、溶 剂不易回收、溶剂的链转移系数大,不易获得高分子量的 PAN 聚合物;两步法的聚合过 程散热较为容易,溶剂几乎没有链转移系数,因此可获得一步法溶液聚合所不能获得的 高分子量的 PAN 聚合物,且纺丝原液通过溶解制备,使得可用于纺丝的 PAN 原液可选 范围广,提高了分子量和浓度上限。但另一方面,两步法工艺复杂,会加大生产成本, 容易引入杂质,且聚合物粒径较大不易制得高性能 PAN 原丝,较少用于小丝束碳纤维 原丝生产。目前“一步法—湿法”纺丝工艺是我国绝大部分碳纤维生产企业采用的工艺路线)过程控制:碳纤维的生产工艺流程复杂精密,全部参数多达 3000 余个,因此整 个碳纤维生产过程中的过程控制要求极高。纺丝原液的制备决定了 PAN 大分子链的微观 结构, 是整个流程的源头和基础,溶液净化程度和溶解的均匀性都可直接决定干喷湿纺 工艺能否生产顺利甚至是否可行;原丝是碳纤维前驱体的成形阶段,原丝的高强度、细 旦化、分纤性能优良、质地均一是制备高性能碳纤维的前提;预氧丝的制备是碳纤维生 产过程中承前启后的桥梁,是组织结构转变的重要过渡阶段;碳化是乱层石墨结构形成、 长大和有序化阶段,是碳纤维拉伸强度大幅度提高的阶段。整个生产流程中的每个环节 都会对最终碳纤维质量造成不可逆转的影响,尤其是工艺中的缺陷,更是会跟随每一级 流程遗传至终并产生连锁甚至扩大缺陷效应,因此,必须控制好每一步的生产质量,才 会最终制得高性能碳纤维。对于大丝束来说,精确控制和生产过程中的调整均是难点, 需要专业团队和长期的技术积累。

  碳丝环节核心壁垒在于设备及调试过程。PAN 原丝先进入预氧化炉(通常在 180~280℃)生产出预氧化纤维,达到让预氧丝在炭化高温下不熔不燃,保持纤维状态, 热力学处于稳定状态;预氧丝再放入低温炭化炉(300~1000℃)和高温炭化炉 (1000~1600℃)制成碳丝。在预氧化和碳化的两个过程中,控制温度和时间是控制反 应速度和结构变化过程的关键,也是核心设备的主要技术点。两个环节主要涉及的专用 设备是预氧化炉和炭化炉,当前国内企业在这两个核心设备环节已基本完成国产化。但 设备之外,厂家还需要根据自己的技术认知和经验对设备进行调试、改造,这个环节同 样重要,需要经年累月的技术积累和投入,因此我们认为这个环节的竞争是存在先发优 势的。

  碳纤维和玻纤将共享风电增长红利。玻纤相较于碳纤维有性价比优势,同时高模玻 纤新型号的出现增加了其未来的发展潜力,高模玻纤拉伸模量等性能能够比肩碳纤维, 同时兼有玻纤的成本优势,在风电渗透率提升过程中仍将扮演重要角色。但当叶片超过 一定尺寸后,碳纤维叶片的优势将更加显现,特别是对于追求极致更大叶片的海上风电 领域。当叶片超过一定程度,碳纤维比玻璃纤维在材料用量、劳动力、运输和安装成本 方面都有显著降低。

  具体在成本端下降有以下的特点:1)质量轻,在满足刚度和强度要 求的条件下,碳纤维叶片比玻璃纤维叶片轻 20%以上 2)低负荷;变桨轴承、偏航系统、 风机轮毂、塔筒变得更轻,更易操作、运输及吊装 3)扰度更小,机翼部分更薄。机翼气 动效率更高,提高风能的利用率和年发电量,动力问题少、预弯少、垂悬部分小,提高 叶片的抗疲劳性能,可制造低风速叶片、自适应叶片,利用导电性能避免雷击,具有振 动阻尼特性。另外,随着碳纤维产能产量的不断释放,碳纤维成本将很快能够大规模匹 配下游可承受范围。总体我们认为,碳纤维和玻纤能够共享风电领域增长红利。

  目前主要用于生产风电叶片的复合材料中,增强材料用于提供结构足够的刚度与强 度,基体树脂则用于提供韧性与耐久性。在风电叶片成本结构中,增强纤维、基体、芯 材及结构胶合计占比为总成本的 87%,其中基体树脂成本占比约为 36%。当前主流的生 产风电叶片基体树脂分为环氧树脂、乙烯基酯树脂和不饱和聚酯树脂。其中环氧树脂由 于良好的力学性能、耐化学腐蚀性和尺寸稳定性是最为常见的基体树脂。出于对力学性 能和生产效率的更高追求,产业界也在持续研究开发新型树脂体系,最有代表性的有聚 氨酯树脂、生物基尼龙 56、尼龙 66 等。

  树脂基体对纤维的浸润性和粘附作用直接影响复合材料的界面性能。目前,风电叶 片的生产主要使用真空灌注技术,液体树脂需要经过真空负压、浸润纤维后通过加热固 化进行叶片成型,因此该工艺的关键在于树脂在工艺操作温度下对纤维要有较好的流动 性和浸润性。树脂在增强材料中流动的难易程度决定了树脂/纤维的界面状态,从而影响 制品的固化过程和最终质量。拉挤成型工艺对树脂体系性能要求较高,在满足物理性能 要求的同时还需满足拉挤成型工艺要求。其工艺要求包括:适用期较长、在固化温度下 凝胶时间短、固化速率快、黏度低、对碳纤维浸润良好、与纤维界面作用力强等,其中 拉挤树脂体系在模具内的温度控制是拉挤成型工艺成败的关键。环氧树脂具有优异的力 学性能、耐热性能、耐腐蚀性能和固化过程稳定等特点,因而环氧体系成为拉挤成型首 选的基体树脂。

  环氧树脂是主流的风电用基体树脂。在基体材料中,环氧树脂是复合材料中应用最 广泛的树脂体系。环氧树脂指分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称,是环 氧氯丙烷与双酚 A 或多元醇的缩聚产物。环氧树脂具有其具有良好的力学性能、耐化学 腐蚀性和尺寸稳定性,更有利于叶片在严苛的环境下保证运作效率和使用寿命,在风电 叶片中普遍应用。但具体应用时需由基础环氧树脂与固化剂、助剂、稀释剂等深加工制 成,形成风电专用环氧树脂体系。通过在基础环氧树脂混入不同类型和比例的固化剂、 稀释剂、助剂等也可以应用于电子电气、新型复合材料等用途。根据聚合科技的招股说 明书,2020 年风电用环氧树脂市场需求约在 35 万吨左右。根据 QYR(恒州博智)的统 计及预测,2021 年全球风电叶片专用环氧树脂市场销售额达到了 26 亿美元。

  风电用环氧树脂根据与增强材料复合工艺不同分为灌注树脂、手糊树脂、模具树脂、 胶粘剂、风电叶片大梁用预浸料树脂、风电叶片大梁用拉挤碳板树脂等。风机叶片用环 氧树脂灌注体系应具备粘度低、适用期长、浸透性好、固化物力学强度高,韧性好等特 点,目前多数风电叶片厂家采用真空灌注环氧树脂。在拉挤成型工艺中,环氧树脂因为 优异的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能和固化过程稳定等特点仍然是首选的基体树脂, 因此短期难以替代。

  国内厂家在专用环氧树脂行业渗透率逐渐提升。全球风电叶片专用环氧树脂核心厂 商主要有瀚森、欧林、道生天合、上纬、亨斯迈、惠柏新材等等。前五大厂商占有约 60% 的市场份额,近年来国内企业道生天合、上玮新材、惠柏新材、康达新材等企业渗透率逐渐提升。大梁用拉挤碳板树脂来看,由于维斯塔斯采购碳纤维拉挤板材时,指定了国 际品牌的基体树脂,虽然风电用拉挤板材有一半以上在中国生产,但碳纤维和树脂等关 键材料仍由国外控制。

  风电专用环氧树脂核心壁垒在于配方。风电专用环氧树脂仍有一定的配方壁垒。原 材料的组成和配比是决定特种配方改性环氧树脂产品的质量、性能以及下游应用广泛性 的最关键因素。

  我国基础环氧树脂产业链成熟,风电领域在下游需求占比逐渐提升。我国是基础环 氧树脂生产和消费大国。从现有情况来看,我国是全球环氧树脂消费第一大国,环氧树 脂产量不足以完全满足消费需求。截至 2021 年,我国环氧树脂产能 225 万吨,产量 140.1 万吨,表观消费量为 161.6 万吨。

  单 GW 配方环氧树脂用量约 6000 吨,其中 65%为纯环氧树脂,即单 GW 消耗基体 树脂用途的环氧树脂 3900 吨。按照康达新材招股说明书,1.5MW 主机每套需 3 片叶片, 每片叶片环氧结构胶 0.35 吨,其中纯环氧树脂用量分别为 50%,合计推算胶粘剂单 GW 用环氧树脂 35 吨左右。再加上塔筒等环氧树脂底漆涂料用量 20 吨左右/GW,合计风电 叶片中纯环氧树脂用量 4500 吨左右。因此,2021 年风电消耗的纯环氧树脂为 21.41 万 吨,占环氧树脂总需求的 13.25%。假设 2022-2023 年装机量 60GW/72GW,2022/2023 年风电消耗的纯环氧树脂约 27/32.4 万吨。到 2025 年,环氧树脂在风电中应用的需求占 比从 2020 年的 12.6%上升到 20%。

  聚氨酯树脂契合叶片轻量化趋势,同时可以加快生产效率。从树脂的发展趋势来看, 降造成本从而达到整个体系的降本也是一个重要方向,聚氨酯树脂被认为是一个比 较有潜力的方向,核心是能够缩短叶片生产时间提升效率,同时降低叶片的重量约 5%。 从力学性能来看,聚氨酯树脂的拉伸强度相比环氧树脂提高了 18%,拉伸模量提高 20%, 断裂伸长率略高于环氧树脂。聚氨酯具有更为优异的机械性能和耐疲劳性能,固化快, 加工性能好,与增强用玻璃纤维和碳纤维有更好的粘接力,有助于提高生产效率和降低 生产成本。据统计,聚氨酯树脂用量低于环氧树脂,固化效率提高 40%,符合树脂技术 的发展趋势。

  性能优势及与环氧树脂价差缩小促使聚氨酯树脂应用加快。此前聚氨酯应用受限于 成本因素,下游应用相对缓慢。2020-2021 年,基础环氧树脂因资本开支减缓下游风电 增速较快而快速上涨,一度上涨至 4 万元/吨以上,叶片专用环氧树脂价格更高。相较而 言,聚氨酯价格相对波动较小,价格位于历史中枢附近,考虑到聚氨酯树脂单 GW 用量 小于环氧树脂,同时生产效率提升有助于降低整体加工成本,加之性能较为优异,近两 年应用方面的研究开发正在加速。2017 年,拜耳宣布开发出含聚氨酯复合材料风力发电 叶片。科思创在 2018 中国尝试使用聚氨酯树脂叶片,并且投入运营。聚氨酯龙头企业 科思创多年来也在不遗余力的推动着聚氨酯风电叶片的产业化进程,其产品也在 2021 年底获全球风机领域权威认证机构 DNV 的认可。2021 年 7 月,时代新材首支 EN156 聚氨酯风电叶片下线。我们认为聚氨酯树脂在未来能够对环氧树脂形成一定的补充。

  万华化学是全球聚氨酯龙头,在聚氨酯树脂复合材料叶片方面也有布局,在 2020 年 报中也公布公司正在开发并推广风力发电大梁树脂这一创新应用。

  高性能纤维与尼龙 66 混杂能制备性能优异的复合材料。尼龙 66(聚酰胺 66)是具 备优异加工性能的工程塑料,针对其干态和低温下抗冲击强度低,吸水率大易影响制品 的稳定性等缺点,通常以高性能纤维与尼龙 66 混杂以制备性能优异的复合材料。 尼龙 56 增强玻纤有着优越性能,未来潜力较大。生物基聚酰胺 56(尼龙 56)由戊 二胺和己二酸聚合而得,两种单体均可利用可再生资源制备。生物基尼龙 56 具有轻量 化、高强度、耐高温、高耐磨、耐腐蚀等特点,可凭借原料可再生、产品可回收、成本 可竞争的优势,产品性能接近通用型聚酰胺 66,可应用于风电领域,是一种较有前景的 新型材料,特别是在碳中和背景下,生物基可回收可再生将是趋势。

  凯赛生物是合成生物学领军企业,风电领域抢先卡位布局。热塑性纤维增强复合材 料将是公司未来发展战略方向之一,公司计划以玻璃纤维和碳纤维增强的耐高温生物基 聚酰胺为开发重点,并于 2020 年完成 E-6300 和 E-3100 两款高温聚酰胺产品研发。 2022 年 6 月 30 日,中材科技拟同在山西转型综合改革示范区投资 36.84 亿元,建设年 产 30 万吨高性能玻璃纤维智能制造生产线项目。凯赛生物重点开发的聚酰胺 56 产品性 能接近通用型聚酰胺 66,在减碳环保政策逐步实施的背景下,有望替代后者应用于玻纤 增强尼龙复合材料。公司在山西综改区规划的 90 万吨聚酰胺产能有望与园区新建的玻 纤等项目实现生产、应用协同,加速带动凯赛生物热塑性纤维增强复合材料的下游应用, 拓展聚酰胺的应用领域,提升装置的经济效益。

  风电芯材主要使用轻木材质。芯材位于夹芯结构复合材料内部,对设备起到保持稳 定性、减轻重量同时增强刚度的作用,其成本占叶片材料总成本的 20%左右。随着风力 发电功率的增大,叶片长度要求不断增加,伴随而来的是强度和刚度要求越来越高、自 身质量越来越大,出于降低整机的成本目的,叶片芯材又占叶片体积的 85%以上,其轻 量化的诉求较高。因此目前全球兆瓦级风机叶片广泛采用结构泡沫芯材。主要的结构泡 沫芯材有三种,轻木(Balsa,或称巴沙木)、PVC 结构芯材及 PET 结构芯材。由于巴 沙木具有竖直纤维结构,并且有良好的抗压抗剪强度,因此是目前主要的芯材原料。

  巴沙木只在赤道生产,长期被海外卡脖子。巴沙木生长周期通常在 4-5 年,由于风 电发展的需要,以及巴沙木的紧缺,全世界对巴沙木的需求普遍较旺盛,我国巴沙木也 是常年依靠进口。位于美洲的厄瓜多尔是巴沙木最大的出口国,但是由于种植利润低下 以及厄瓜多尔当地政策的原因,巴沙木供应波动较大,2020 年,新冠疫情打乱了进口结 构芯材产品的供应节奏,2020 年巴沙木价格达到 15500 元/立方米的高位,相较于上年 同比增长 98.7%,更凸显了结构芯材国产化实现进口替代的必要性和紧迫性。

  PET 芯材是较好的替代巴沙木和 PVC 泡沫的材料。与巴沙木相比,PVC、PET 的 质量轻,不用做防潮处理,依赖人工合成,比巴沙木更容易获取,均是替代巴沙木的良 好材料。根据《PET 泡沫材料在风电叶片中的应用》,当前一个典型设计是把强度较高 的轻木用于承受载荷较大的靠近叶根的部位,交联 PVC 泡沫用于承载较小的靠近叶尖 的部位,从叶根到叶尖,厚度逐渐减小。常用的 PVC 泡沫质量轻、强度高,但制作工艺 复杂,成本较高,耐高温性能较差,成型工艺中存在烧焦可能,另外 PVC 泡沫材料生产 厂家少,供应紧张,存在供应风险。因为近年来 PET 泡沫替代 PVC 泡沫形成趋势。

  根 据权威认证机构 DNV-GL 的要求,对泡沫芯材的主要指标是密度、吸水性、拉伸强度(模 量)、压缩强度(模量)、剪切强度、弯曲强度(模量)、弯曲疲劳性能等。从这些方 面比较,PET 泡沫同样具有强度高质量轻的特点,并且综合性能优于 PVC 泡沫,耐热 性好于 PVC,具有可塑性强、加工方便、生产成本较低的优点,采用热塑性 PET 发泡 材料制造的风电叶片也较好循环回收,利于环保的大方向,近年来已有部分风电叶片厂 家将 PET 应用于风电叶片腹板及壳体中。从成本角度,由于 PET 泡沫吸胶量低,可减 轻叶片的重量,如果使用 PET100(数字代表密度)泡沫替代 PVC60 泡沫,一个叶片大 概可以节省树脂 210kg。

  6.1.1、聚醚胺:聚醚胺经过时间检验成为满足大型发电叶片制造要求的环氧固化剂

  风电专用环氧树脂中,除了环氧单体,还包含固化剂、稀释剂、增塑剂和促进剂等, 其中最重要的组分就是在交联反应中具有重大影响的固化剂,环氧树脂只有在固化剂的 作用下才能交联成热固性材料。如果按固化剂的分子结构分类大致可分胺类、酸酐类、 酚醛类等。其中胺类固化剂用量最大、品种最多,适用于大多数环氧树脂体系。另外, 在环氧胶粘剂体系中,同样需要使用胺类固化剂。

  聚醚胺是风电应用领域最常用的胺类环氧固化剂。聚醚胺(PEA)是一种新型的精细 化工材料,属于脂肪胺大类中的一种,其末端活性官能团为胺基,主链为不同分子量聚 环氧丙烷/环氧乙烷,亦称端氨基聚醚。由于端氨基的反应活性,使其能与多种反应基团 作用,凭借其低粘度、较长适用期、减少能耗、高强度、高韧性、抗老化、优良防水性 能等多方面优异的综合性能,在新能源、建筑、新材料等众多行业领域应用广泛,具体 应用在风电、页岩气开采、环氧地坪等用途。在风电领域,目前所有的工业化胺类固化 剂中,仅有聚醚胺可以满足大型发电叶片制造的性能和工艺性要求。

  风电拉动聚醚胺需求快速增长。根据弗若斯特沙利文报告,全球聚醚胺市场规模从 2016 年 18.4 万吨上升至 2020 年 28.6 万吨,年复合增长率高达 11.4%,到 2025 年, 全球聚醚胺市场规模约 140 亿元(接近 50 万吨)。在中国,聚醚胺销量从 16 年 4.2 万 吨上升至 20 年 10.1 万吨,年复合增长率达 25.7%。中国聚醚胺行业整体市场需求将由 2021 年的约 8.2 万吨增长至 2025 年的约 14.7 万吨,复合年增长率约为 15.7%。在聚 醚胺的下游中,风电是最大的应用领域,2021 年国内占需求比约 47%。十四五期间,风 电需求将带动聚醚胺需求快速增长。1.5 MW 的风电有 3 个叶片,一只叶片使用树脂加 固化剂共约 1.8 吨,聚醚胺使用量占 25%,即 1.35 吨。1GW 对应 900 吨的聚醚胺需 求。预计 2025 新增装机 91GW,每年的需求 8.19 万吨。

  聚醚胺生产壁垒较高,全球范围内只有数家企业掌握成熟的生产工艺。主要的技术 门槛体现在将聚醚多元醇的羟基取代成氨基的工艺环节以及生产流程设计中。目前催化 胺化法是最主流的工业生产技术。另外,聚醚胺的生产分为连续法和间歇法,连续法产 品质量高,产品转化率较高,副反应较少,生产成本有一定降低,但生产工艺和设备相 对较困难。间歇工艺生产设备简单,工艺难度小,但装卸料等辅助操作需要消耗大量时 间和人力,产品的生产成本高,同时产品转化率低,产品质量不及连续化工艺,特别是 在生产低分子量聚醚胺上产品质量与国外的生产技术和产品质量有一定差距。目前,全 球仅有少数企业能够生产聚醚胺,技术壁垒整体较高。

  从客户端来看,风电、页岩气等领域的客户对聚醚胺的性能及稳定性有较高要求。 对于风电领域而言,客户都已形成特定环氧树脂固化体系,如果更换聚醚胺,需要重新 调整配方。因此,聚醚胺厂商与下游客户粘性较强,客户壁垒较高。另外,聚醚胺的主 要原材料环氧丙烷属于甲类危险化学品易受到监管侧的管控影响。 近期由于原材料价格下跌以及需求的减少,聚醚胺整体价格有所下跌,我们认为随 着四季度旺季来临以及上半年疫情影响的装机需求在下半年释放,聚醚胺作为一个供需 格局较好的环节将迎来价格回升。中期维度来看,聚醚胺在 2024 年前供需将保持紧平 衡,价格中枢有望保持较高水平。

  酸酐固化剂属于加热固化剂,更适用于大梁拉挤成型工艺。由于轻量化和强度要求, 拉挤工艺在未来将快速发展。酸酐固化剂更适用于拉挤复合材料,原因有三。其一是由 于拉挤成型工艺要求基体树脂具有适用期长、凝胶时间短、固化速度快等特点,而传统 灌注体系常用的脂肪胺类固化剂属于常温固化剂,拉挤要求的快速固化反应过程中耐温 性不足。相对而言,酸酐固化剂属于加热固化剂(常常加入叔胺促进固化,提高活性与 速度),耐温性更强。其二,除了拉挤工艺所要求的速度外,作为拉挤树脂的粘度也是 重要的考察参数,混合料粘度高,势必影响树脂对纤维的浸润效果。液体酸酐固化剂较 环氧树脂粘度更低。其三,根据拉挤工艺的特点,树脂混合物在常温条件下要有较长的 可使用期,一般要求 6 小时以上,胺类固化剂反应活性过高,而液态酸酐固化剂与环氧 树脂混合即使在促进剂存在下也有较长的可使用期,可满足要求。

  其中,甲基四氢苯酐(Me-THPA)是最为常用的一种酸酐固化剂,较甲基六氢苯酐 或甲基纳迪克酸酐成本更低,甲基四氢苯酐是由间戊二烯和异戊二烯与顺丁烯二酸酐反 应而制得不同异构体液体混合物。由其固化的环氧树脂具有色泽浅、力学性能优、电性 能及热稳定性良好等优点,其需求预计将随着拉挤板材渗透率提升而快速增加。 濮阳惠成是国内顺酐酸酐类产品龙头企业,其产品甲基四氢苯酐已应用于拉挤板材。 目前濮阳惠成酸酐衍生物产能 5.1 万吨/年,在建产能 7 万吨/年。

  胶粘剂是用于叶片组装粘结的重要材料,关系到叶片的刚度和强度。大型风电叶 片组装时,需要在主模具上把叶片壳体与芯材,以及上、下半叶片壳体互相粘结,并将 壳体缝隙填实,合模加压固化后制成整体叶片,其中使用的胶粘剂是叶片的重要结构材 料,其性能直接关系到叶片的刚度和强度。通常风电叶片用的胶粘剂为结构胶粘剂,需 要能够长期承受应力、环境作用。随着单机装机容量的增加,风轮叶片也越来越长,这 就对合模粘接的胶粘剂提出了很严苛的技术要求,特别对于海上风电机组来说,需要承 载周期性负荷以及在运转中遭遇的海上极端气候条件。 按照主要组分,胶粘剂可分为环氧树脂胶粘剂、丙烯酸酯胶粘剂、有机硅胶粘剂, 其中环氧树脂胶粘剂适用于大多数材料的粘接、强度高、耐温介电性能好、耐腐蚀耐老 化,长期以来是主流的叶片结构粘胶剂。其他结构胶在技术上取得突破性进展之前,均 难以大规模替代环氧树脂结构胶。风电叶片用结构胶还将延续以环氧树脂结构胶为主的 态势。

  环氧树脂类胶粘剂占整个胶粘剂的体量很小,根据中国胶粘剂和胶粘带工业协会的统计, 2020 年环氧树脂类粘胶剂销售量 22.5 万吨,占比 3.2%。但从下游市场应用来看,以消 费电子、光伏、风电等为主的装配业市场增长较快,包括环氧树脂在内的结构胶粘剂引 领了行业的增长趋势。叶片强度要求的提升驱动了胶粘剂的需求。根据康达新材招股说 明书,每生产一个叶片需要使用 350 千克的环氧树脂结构胶粘剂计算,每 GW 胶粘剂用 量在 700 吨,到 2025 年,预计风电胶粘剂市场需求将在 6.37 万吨。

  风电用环氧树脂结构胶在生产工艺、设备配方设计上区别于其他环氧树脂结构 胶。风电用环氧树脂结构胶采用膏状产品的生产工艺和生产设备,与液态及固态环氧树 脂结构胶的生产工艺和生产设备有明显差别,主要为双行星搅拌釜,并且需要压机将产 品挤出包装。另一方面,风电叶片具有尺寸大、外形复杂和使用环境苛刻的特点,除了 要求需要具有高强度和高韧性的统一外,对耐候性也有很高的要求,工艺上要求操作时 间长和高触变性,有一定的技术壁垒。产品本身的性能、叶片结构设计和现场施工工艺 都可能直接导致结构胶粘接失效,造成叶片损毁现象。为了满足上述要求,风电叶片用 环氧树脂结构胶需要特殊的配方设计,包括采用特殊环氧树脂种类、配伍及改性,以及 选用端胺基聚醚(聚醚胺)等特殊的固化剂和特殊助剂等技术,使得风电用环氧树脂结 构胶的主要原材料与其他的环氧树脂结构胶有明显差别。

  风电用环氧树脂结构胶实现高度国产化,康达新材占据全球超六成的市场份额。 风电用环氧树脂结构胶生产商大多同时供应叶片基体树脂及胶粘剂,海外有瀚森、亨斯 迈、陶氏等,国内以龙头企业康达新材为代表。康达新材开发出的风电专用环氧胶是一 种双组分、高触变性的环氧胶粘剂,适用于叶片的粘接工艺,并通过了德国 GL 论证, 可替代进口胶粘剂,在风电客户中得到广泛应用。同时,康达也成功开发了叶片用灌注 树脂等系列产品,产品渠道有协同性,绑定下游客户。目前康达在国内已基本完成客户 拓展,海外仍有发展空间。

  碳纤维带动二甲亚砜需求高速增长。PAN 基碳纤维原丝生产中,常用的纺丝溶剂包 括 DMSO(二甲基亚砜)、DMAc(N,N-二甲基乙酰胺)、NaSCN(硫氰酸钠)等不同 的溶剂类别,其中 DMSO(二甲基亚砜)在长期的实践中具有最佳的性能,与其它溶剂 比较二甲基亚砜具有技术成熟、质量稳定、经济性好、无毒性、回收率高、工艺简单等 优点。因而是最常用的纺丝溶剂,且对原丝性能起着极其关键的作用。二甲基亚砜(DMSO) 是一种含硫有机化合物,被广泛应用于医药、农药、电子和碳纤维生产等领域。根据《二 甲基亚砜生产及市场分析》一文,每吨 PAN 碳纤维原丝消耗 0.5~1 吨二甲基亚砜,考虑 到主流厂家均进行溶剂回收,预计实际消耗 0.1 吨二甲基亚砜。假设 DMSO 作溶剂渗透 率 50%,2021 年全球碳纤维消耗 DMSO 1.43 万吨。

  二甲基亚砜生产控制难度较大,新增产能受限。DMSO 一般由二甲基硫醚(DMS)氧 化制得。主要的氧化剂有硝酸、双氧水、氧气和二氧化氮。其中硝酸氧化法设备腐蚀严 重,且精制过程效率很低,不宜工业化;双氧水氧化法成本较高; 氧气氧化法反应过程不 易控制。只有二氧化氮氧化法生产成本较低,适宜工业生产。在实际生产中,主要原料 以及中间产品中的天然气、甲醇、硫化氢、二甲基硫醚、二氧化氮等都是有毒有害并且 易燃易爆的化工产品,并且生产过程中伴有高温、高压,其中二甲基硫醚氧化工序采用 了纯氧作为原料进行生产,反应温度和反应速度控制有一定难度,容易发生爆炸。

  二甲基亚砜竞争格局优异,龙头充分受益。2021 年,二甲基亚砜全球产能 9.4 万吨 /年,我国产能 7 万吨/年,其中兴发集团为绝对龙头,拥有 6 万吨/年相关产能,权益产 能 5 万吨/年,将充分受益于碳纤维产能的高速扩张。近两年二甲基亚砜受益于下游医药 溶剂、反应制剂以及碳纤维等需求的增长,二甲基亚砜价格从 2021 年初的 1.5 万元/吨 涨至 2022 年 3 月的 4.8 万元/吨,目前价格仍在 4.2 万元/吨以上,景 气度较高。

  树脂涂料是风电叶片及塔筒的主要防护方式。风力发电机组在户外运行,会遇到较 多恶劣天气,如温差大、光照强、风砂磨损、酸雨腐蚀以及冰雪侵袭,而叶片在高速运 转时,叶尖速度一般会超过 100 m/s,未经防护的叶片长期暴露在自然环境中,会很快 磨损、老化并产生粉化现象,直至发生断裂。另外,大型叶片的吊装耗时且昂贵,一般 需要其运行 10 年以上才进行一次维护。目前最简单有效的防护方法是采用涂料进行保 护,尽量延长叶片的使用寿命。对于内陆用防护涂料要求有优异的耐候性、耐冲击性、 耐磨性、高低温柔韧性和防浮冰性能,而海上风机用防护涂料除了以上的要求,还需要 极佳的耐腐蚀性能。

  聚氨酯涂料是主要风电防护涂料,有机氟硅和环氧树脂作为补充。目前可应用于风 电叶片的树脂主要有聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、氟碳树脂、有机硅树脂及环氧树脂。其 中,聚氨酯树脂体系是目前风电叶片涂料中使用最多的树脂,主要聚氨酯因为具有高弹 性和耐用性,在受到冲击时能起到吸收能量的作用,而且聚氨酯涂料相比于其他树脂基 体涂料具有优异的附着力、优异的耐磨性、良好的耐高低温性以及低固化温度等优点,且相同固含量下价格较低,具有一定成本优势,是应用最广泛的风电叶片涂料。但是, 单一使用聚氨酯树脂也有一定局限性。聚氨酯树脂(包括丙烯酸聚氨酯)在高低温柔韧 性、耐磨性、防风沙雨蚀方面表面优异,但是在耐候性及防覆冰性能方面不如有机氟硅 树脂,而环氧树脂则可以提供优异的防腐性能及层间附着力。因此通常针对不同树脂的 优缺点合理搭配制成配套涂层体系,从而达到更优异的防护效果。

  目前我国风电用涂料基本被进口品牌垄断。德国的美凯威奇 Mankiewiez、