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本文將為大家介紹該領域的市場現(xiàn)狀、參與者面臨的挑戰(zhàn)，以及最近基于更長復合材料葉片的渦輪機容量的擴張情況。
全球風能產(chǎn)業(yè)面面觀
能源智庫Ember在其一份2023年4月發(fā)布的報告稱，2022年，全球約39%的電力來自可再生能源，其中約4%來自風能。目前有60多個國家利用風能和太陽能發(fā)電，在一些國家，風能是發(fā)電的主要來源。例如，2023年第一季度，海上風電占德國電力生產(chǎn)的32%，成為該國最大的發(fā)電來源。
在最近發(fā)布的2023年年度報告中，全球風能理事會（ Global Wind Energy Council，GWEC）預測到2023年底，全球累計風能裝機容量將達到里程碑式的1太瓦（TW）水平。
實現(xiàn)這一目標花了40年時間，但GWEC預計這一數(shù)字將在短短7年內(nèi)翻一番，到2030年達到2 TW。即使在如此快速的增長速度下，所達到的水平也只有實現(xiàn)《巴黎氣候協(xié)定》“2050年凈零排放”目標所需水平的三分之二左右，這意味著如果供應鏈能夠實現(xiàn)，增長前景可能會更高。
在過去的十年里，中國通過大量投資，以41%的裝機容量占據(jù)了海上和陸上風電裝機容量的領先地位，歐洲約占28%，其次是美國占16%，世界其他地區(qū)（rest of the world，ROW）占其余15%。
2022年全球海上風能發(fā)電量為64吉瓦，不到2022年總裝機容量的10%。然而，未來五年，海上裝機容量的份額預計將增長，從2023年預計的全球新增裝機容量16%增長到2027年的23%左右。在海上容量中，重要的浮動風能容量將于2027年開始安裝，彭博社估計，到2030年將達到5吉瓦，到2035年將達到25吉瓦。
盡管當今三大地區(qū)（中國、歐洲和美國）的風能裝機容量將大幅增長，但GWEC預測，世界其他國家的新增裝機容量份額將從2023年的25%大幅增加到2027年的37%。
GWEC對風能裝機容量的增長預測顯示，年裝機容量從2023年的115吉瓦增長到2027年的157吉瓦，年均復合增長率為8%。如果進一步預測，這將最終達到2030年的1 TW。從歷史上看，風電裝機容量并不是一個平穩(wěn)的曲線。有高峰也有低谷，這取決于許多因素，包括影響補貼和許可證發(fā)放的政府政策。2022年，該行業(yè)還面臨著嚴重的供應鏈中斷，這影響了渦輪機制造商交付正在進行的項目的能力。該行業(yè)還必須面臨一些關鍵挑戰(zhàn)，才能實現(xiàn)預測的產(chǎn)能增長。
供應鏈挑戰(zhàn)
原材料挑戰(zhàn)：風電行業(yè)的大部分原材料和部件來自中國。新冠肺炎期間中國的關閉造成了許多供應問題，這些問題目前正在解決中。但是，在更具戰(zhàn)略意義的層面上，大量原材料如用于風力渦輪機高功率磁體的稀土金屬釹和鐠，主要在中國開采。由于預計全球使用量將增加，預計到2030年將出現(xiàn)短缺。同樣，如果不進行新的玻璃纖維和碳纖維投資，復合材料原材料的可用性可能會面臨壓力。風能葉片的拉擠加固梁現(xiàn)在已成為碳纖維的最大應用，但葉片生產(chǎn)商在一定程度上對歷史上與碳纖維有關的潛在供應問題持謹慎態(tài)度。目前正在進行技術開發(fā)，以保持選擇的開放性，例如通過使用高模量玻璃纖維。
專業(yè)知識和設備挑戰(zhàn)：渦輪機制造商和風電場安裝商在人力和專業(yè)設備方面都面臨著安裝專業(yè)知識的短缺，這限制了他們可以開展的項目數(shù)量。尤其是安裝海上渦輪機所需的專業(yè)海上船只的可用性似乎非常有限。
電價挑戰(zhàn)：當風能以低于或等于電網(wǎng)電價的平準化電力成本（LCOE）發(fā)電時，就會出現(xiàn)“電網(wǎng)平價”。實現(xiàn)電網(wǎng)平價對于該行業(yè)在不需要補貼的情況下自立至關重要。2000年代中期，歐洲部分地區(qū)和美國的風力渦輪機達到了電網(wǎng)平價。根據(jù)國際可再生能源機構（IRENA）最新的電力成本研究，2021年新增陸上風電項目的全球加權平均LCOE同比下降15%，從2020年的0.036歐元/千瓦時（0.039美元）降至0.03歐元/千瓦小時（0.033美元）。在海上風電市場，2021年出現(xiàn)了前所未有的擴張(增加了21吉瓦)，全球加權平均電力成本同比下降13%，從0.78歐元/千瓦時（0.086美元）降至0.068歐元/兆瓦時（0.075美元）。實現(xiàn)海上風電場的成本平價是一個重要目標，也是一個顯而易見的解決方案，即使用更大功率、更長葉片的渦輪機，從而減少給定風電場規(guī)模所需的渦輪機數(shù)量。
風力葉片可回收性挑戰(zhàn)：復合材料風力葉片生產(chǎn)商非常清楚，需要找到一個可持續(xù)的解決方案來處理舊的小型渦輪機退役后產(chǎn)生的大量風力葉片。行業(yè)估計，到2025年，產(chǎn)量可能達到25000噸左右。人們已經(jīng)研究了各種解決方案，例如以巧妙的方式重新調(diào)整葉片的用途，例如建造橋梁或自行車庇護所，但還需要找到一個更穩(wěn)健的解決方案。2023年2月，Vestas和環(huán)氧樹脂生產(chǎn)商Olin以及其他合作伙伴宣布了一項名為CETEC（熱固性環(huán)氧樹脂復合材料循環(huán)經(jīng)濟）的重大開發(fā)計劃，旨在開發(fā)可重復使用風力渦輪機所用材料的新技術。這將允許提取可用于制造環(huán)氧樹脂的原材料。該項目的目標是在3年內(nèi)提供工業(yè)規(guī)模的成熟技術。
西門子歌美颯公司于2021年安裝了第一臺可回收葉片。他們的目標是到2040年實現(xiàn)完全可回收渦輪機的可用性。2022年，通用電氣旗下的LM風力發(fā)電公司在其位于西班牙的Ponferrada工廠生產(chǎn)了一個完全可回收的62米葉片，使用了Arkema的可回收Elium液體聚氨酯熱塑性樹脂和Owens Corning的高性能玻璃織物。
葉片越來越長，復合材料成為可能
2023年1月，明揚智慧能源推出了一款8.5兆瓦的陸上渦輪機，葉片長度為108米。該渦輪機的額定容量超過了維斯塔斯和西門子歌美颯目前提供的7兆瓦渦輪機。業(yè)內(nèi)人士認為，未來有可能開發(fā)10兆瓦或更高容量的陸上渦輪機。海上領域正在進行大量的開發(fā)活動，中國渦輪機生產(chǎn)商再次突破了界限。明陽智能能源也于2023年1月推出了MySE 18.X-28X海上模型，取代了兩周前宣布的中船海裝H260-18MW，位居榜首。MySE 18.X-28X具有140米長的葉片，而CSSC海莊型號的葉片長度為128米。
2023年3月，西門子歌美颯的SG 14 236 DD 14MW海上風力渦輪機原型，是該公司迄今為止最大、最強大的風力渦輪機，開始在丹麥的Österild國家測試中心向電網(wǎng)輸送電力。它的葉片有115米長。2022年12月，維斯塔斯在同一地點安裝了V236-15.0兆瓦的海上渦輪機，該渦輪機也有115米長的葉片。
復合材料仍然是建造更長的風力葉片的首選材料。荷蘭TNO在2021年對2040年前的未來風葉進行的研究中評估了最大葉片長度很可能不是由材料限制決定的，而是由處理產(chǎn)品的能力決定的。他們預計葉片長度增長到145米，并建議從現(xiàn)在起，葉片應分段建造，以解決處理問題。隨著葉片長度的增長，基于碳纖維的翼梁帽顯著增長，許多生產(chǎn)商現(xiàn)在將其用于長度超過70米的葉片。然而，風機葉片的設計者已經(jīng)能夠開發(fā)出僅使用玻璃纖維的所有長度葉片的可行設計。這是由于對碳纖維的成本和可用性的擔憂。Wood Mackenzie的MAKE咨詢公司估計，2021年安裝碳纖維翼梁帽的渦輪機的份額為24%，自2016年以來基本保持不變。開發(fā)工作將繼續(xù)進行葉片的設計以及優(yōu)化樹脂和纖維的選擇，以實現(xiàn)性能和可持續(xù)性。
綜上所述，風能在我們世界的脫碳中發(fā)揮著關鍵作用。隨著時間的推移，該行業(yè)已經(jīng)找到了使其具有成本競爭力的技術解決方案，盡管它面臨著從供應鏈、最大渦輪機的運輸和安裝以及采用可持續(xù)方法等各種挑戰(zhàn)。市場需求肯定存在，未來幾年將展示如何利用海上風電的潛力。該行業(yè)對復合材料行業(yè)將變得越來越重要。