隨著綠色、可持續(xù)發(fā)展成為全球共識(shí)，新能源領(lǐng)域的多樣化需求持續(xù)釋放。這給碳纖維打開了廣闊的應(yīng)用空間，也給碳纖維產(chǎn)業(yè)帶來長(zhǎng)遠(yuǎn)前景。
風(fēng)電葉片是碳纖維的一大應(yīng)用領(lǐng)域。《2023年全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱《報(bào)告》）顯示，2024、2025年，碳纖維在風(fēng)電行業(yè)的滲透率預(yù)計(jì)分別為25%、40%，對(duì)碳纖維的需求量預(yù)計(jì)分別為1.96萬噸、3.7萬噸。
近些年，隨著大型風(fēng)電葉片進(jìn)入“無人區(qū)”和設(shè)計(jì)的“極限化”，風(fēng)電葉片在使用高模量玻璃纖維開發(fā)中所面臨的瓶頸問題日益突出。葉片長(zhǎng)度和重量，會(huì)隨著風(fēng)機(jī)的大型化增加，因此對(duì)原材料比剛度要求不斷提升，這使玻璃纖維已難以滿足風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)需求。而碳纖維材料因其優(yōu)異的性能，正在被大量應(yīng)用于風(fēng)電葉片，尤其是海上大風(fēng)機(jī)葉型。
碳纖維風(fēng)電葉片的應(yīng)用，包括單向預(yù)浸料、單向織物、單向碳玻混編織物，以及拉擠板材。目前，海上120米以上葉型基本都采用碳纖維拉擠板材作主梁。
制圖 | 鐘燕京
《報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2023年，全球風(fēng)電葉片對(duì)碳纖維的用量為2萬噸，占比為17.4%，排名第二。2020-2023年，碳纖維在風(fēng)電行業(yè)的滲透率分別為3%、6%、7%、25%。
新創(chuàng)碳谷集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“新創(chuàng)碳谷”）實(shí)行“材料體系-復(fù)材體系-裝備體系”一體化發(fā)展模式。在上游原材料環(huán)節(jié)，新創(chuàng)碳谷擁有6條碳纖維生產(chǎn)線，碳纖維總產(chǎn)能為1.8萬噸/年。同時(shí)，新創(chuàng)碳谷的碳纖維拉擠板等多種產(chǎn)品廣泛用于風(fēng)電領(lǐng)域。新創(chuàng)碳谷技術(shù)研發(fā)中心副主任兼研發(fā)部長(zhǎng)周培銳介紹，集團(tuán)的碳纖維拉擠板材很暢銷。同時(shí)，集團(tuán)較早開發(fā)風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用的碳纖維導(dǎo)流織物。目前，集團(tuán)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、批量銷售的具有不同編織方式和規(guī)格的織物共有10余種，其中3K纖維的年需求量達(dá)400噸。
相比此前，近幾年風(fēng)電葉片應(yīng)用雖然一直是驅(qū)動(dòng)碳纖維需求增長(zhǎng)的重要?jiǎng)恿?，但是需求增速有所放緩。但如果從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，風(fēng)電葉片領(lǐng)域的需求仍存在一定潛力。
全球風(fēng)能理事會(huì)發(fā)布的報(bào)告預(yù)計(jì)，2023-2027年，全球新增裝機(jī)達(dá)680GW（吉瓦），每年的裝機(jī)量預(yù)計(jì)為136GW。
以高壓儲(chǔ)氫瓶為典型代表的壓力容器是國產(chǎn)碳纖維的又一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，需求量近幾年大幅增長(zhǎng)。
高壓儲(chǔ)氫瓶目前主要包括I型瓶、II型瓶、III型瓶和IV型瓶。碳纖維是制造儲(chǔ)氫瓶的關(guān)鍵原材料，其本身的成本和性能，對(duì)儲(chǔ)氫瓶的成本和使用性能有著很大影響。
根據(jù)相關(guān)研究，碳纖維復(fù)合材料的成本約占到儲(chǔ)氫瓶整體成本的60%以上。與燃油汽車相比，搭載碳纖維復(fù)合材料儲(chǔ)氫瓶的汽車，燃油效率改善效果顯著。通常情況下，1臺(tái)燃料電池汽車平均載有6只氣瓶，1只氣瓶大約需要40千克碳纖維。
江蘇國富氫能技術(shù)裝備股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“國富氫能”）是國內(nèi)生產(chǎn)儲(chǔ)氫瓶的龍頭企業(yè)之一。“在2019年之前，國富氫能所用的碳纖維全部進(jìn)口自日本和韓國。”國富氫能氫瓶事業(yè)部總經(jīng)理成志鋼介紹，“隨著國產(chǎn)碳纖維技術(shù)的快速發(fā)展，目前，我國復(fù)合氣瓶領(lǐng)域使用的碳纖維已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化替代。”
“2019年，我們公司與中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司簽定了戰(zhàn)略合作開發(fā)協(xié)議。由國富氫能給出儲(chǔ)氫瓶用T700級(jí)碳纖維的強(qiáng)度、模量指標(biāo)，中復(fù)神鷹進(jìn)行專項(xiàng)開發(fā)，該項(xiàng)工作取得成功。中復(fù)神鷹研發(fā)的SYT 49S-24K碳纖維的性能，在當(dāng)時(shí)就已經(jīng)超過了日本企業(yè)的產(chǎn)品水平。我們用中復(fù)神鷹的碳纖維做出來的儲(chǔ)氫瓶，輕于用日本企業(yè)的碳纖維做出來的儲(chǔ)氫瓶。我們還使用中復(fù)神鷹的SYT49S-24K碳纖維成功開發(fā)出70MPA三型儲(chǔ)氫瓶，這突破了三型儲(chǔ)氫瓶必須用T800級(jí)碳纖維才能達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)的限制，還突破了國產(chǎn)碳纖維在70MPA儲(chǔ)氫瓶上的應(yīng)用。”成志鋼說。
談及復(fù)合氣瓶用碳纖維的發(fā)展方向，成志鋼認(rèn)為，主要包括強(qiáng)度更高、模量更高，提升低值，提高纏繞工藝性和線密度穩(wěn)定性，更多聚焦干噴濕紡產(chǎn)品和T700級(jí)產(chǎn)品等。
在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下，發(fā)展氫能已經(jīng)成為全球共識(shí)?？梢灶A(yù)見，未來，隨著高壓儲(chǔ)氫瓶的應(yīng)用更加廣泛，碳纖維在該領(lǐng)域的需求仍具增長(zhǎng)潛力。