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《马一峰 能源前沿报告》14 碳纤维:怎样提高风力发电的效率?

在技术这一模块,我带你关注了光伏、储能的新技术。和光伏一样,风电也是新能源中的主力,发展很快。这一讲,我就带你关注风电的重大技术进展,它跟风机叶片有关。

说起风机,现在已经很常见。你不用去西北,只是在河南、河北、山东、山西这些北方省份也能看见。风机叶片的材料,技术含量很高。很早以前有用钢材的、铝合金的,基本都被淘汰了。现在主要用的是复合材料,有些还是用石油为原料加工成的,比如碳纤维。它是一些细细的黑色丝线,看起来像头发。

碳纤维的用途有很多,可以造航天飞机的外壳,汽车的底盘,还能用来做钓鱼竿。不过,做风机叶片是目前它最大的应用场景。在2022年,碳纤维技术有一个重大进展。

这其实跟上海石化一个新的碳纤维项目有关。这个项目叫48K大丝束碳纤维制造。一根碳纤维丝直径只有1根头发的五十分之一,1K就是1千,48K的意思是每一束碳纤维中的纤维根数有4.8万根。 大于等于这个数的,叫大丝束。少于这个数的,就叫小丝束。

在2022年年初,上海石化这个项目开始安装生产设备。我了解到,如果不是因为疫情,6月就能投产。这是我国第一个大丝束碳纤维制造项目,产能可以达到每年1.2万吨。这个规模,在全球都数得上。更重要的是,长期以来,我国能生产小丝束碳纤维,但是生产不了大丝束。因为48K大丝束的核心技术,一直被美国、日本等少数国家把持,技术壁垒很高。这次大丝束项目的国产化,扭转了我们“卡脖子”的局面。

那么这项技术突破对风电到底意味着什么呢?下面我就来讲讲。

我们知道,任何行业都想降本增效,风电行业也不例外。不过,与之前相比,现在风电提升发电效率的需求就更迫切了。一个很大原因就是,风电开发越来越难了。

在过去10年,风电发展很快,装机量不断上升。那些风力资源丰富,地理位置又靠近城市,风电容易被输送的地区,已经被第一波企业占上了,比如一些沿海城市的陆地、中东部地区的高山等。所以,剩下的好地方越来越少。

从资源上看,未来风电会逐步转向两个领域,一个是低风速风能的开发,比如湖北、安徽、福建等中东部省份的低海拔地区。还有一个是从陆地向海上扩张。我注意到在2021年,中国新增的海上风电装机量,比之前累计的总和都还要高,增长迅速。

不过,这两个地方的风能开发都不容易,投入成本要更高。拿低风速地区来说,风的能量少,能发出的电就少,而且风速很低的话,风电机压根转不起来。

去海上装风机也一样,挑战很大。即便是小一些的风机,重量也达到上百吨,高度超过100米。要把它们立在海上是很难的。你要在海底打桩,并且还要用昂贵的起重船去作业。安好之后,还要在海水中铺电缆,才能把电输送到岸上。我了解的一些数据,典型的海上风电的成本,每千瓦要超过1.5万元,这比陆地要高一倍。如果是远海,成本就更高了。

总之,无论是低风速区还是海上,要想降低成本,就必须要提高发电效率。

该怎么解决呢?一个最主要方法就是使用更大型的风机,也就是叶片的尺寸要更大。“树大招风”,反过来一样,“招风也要树大”。

在理论上,风机吸收的能量和叶片长度的平方成正比。也就是说,假如一个叶片从20米变成40米长,可利用的能量就会增加4倍。叶片越大,风机就越容易在低风速下启动,能捕获的风能就更多,发电效率就更高。

道理不难理解,风电企业都想要大叶片,问题是要造出来并不容易。

现在常见的50米长风机叶片,一个叶片重量就有10吨重。风机一般有三个叶片,一旦旋转起来,相当于3只大象在天上跳舞。如果增加叶片长度,重量不是线性增加,而是成倍增加。比如要从50米增加到100米,理论上重量就要从10吨增加到80吨。3只大象就会变成3只恐龙,这很考验叶片的性能和风机的承重能力。

你想,重量大了,叶片自身的重力就更大。叶片长了,要承受的风力也更大。重力和风力双双提高,叶片材料就更容易劳损、变形,甚至断裂。

什么样的材料能经受住这种考验呢?就是那些强度和模量大的材料。强度和模量是衡量材料力学性能的两个指标。强度越高,材料就越不容易被折断,而模量越高,就越不容易变形。这两个指标越高,说明材料越结实。

现在用的最多的风机材料叫玻璃纤维,就是一种能提高叶片强度和模量的材料。听到玻璃二字,你可别误以为它很脆弱,实际上,它能用来做防弹防爆用品,很结实。我专门去查了一下,2020年全球风叶的平均长度在60米左右,而用纯玻璃纤维造出的风机叶片,最长可以达到90米长。性能还是相当不错的。

但90米就够用了吗?不,叶片当然越大越好。现在全球最长的风机叶片能达到115米,还有很多研究预测,未来能超过200米。看来只要材料允许,没人会拒绝大叶片。

问题就是玻璃纤维的力学性能已经很难成倍增长。要想让叶片从90米增长到200米,只靠玻璃纤维很难。

估计你猜到了,我开头提到的碳纤维能做到。

我们还是先看强度和模量。碳纤维的强度,要比玻璃纤维高出40%,模量更是高出3-8倍。也就是说,用碳纤维做叶片,可以做得更长。因为它更结实,能承受更大的重力和风力。

不仅如此,碳纤维密度还更小,能比玻璃纤维小30-35%。不仅结实,重量反而更轻。这就非常合适了。

但有一个问题,碳纤维实在是太贵了。以前虽然也用,都只是在一些受力较大的关键部位用,有的是和玻璃纤维混合使用。

它比玻璃纤维贵多少呢?像高性能的碳纤维,价格是玻璃纤维的20多倍。假如一个叶片是玻璃纤维的,玻纤的成本占原料总成本的28%。如果要全部用碳纤维,成本就太高了。

碳纤维这么贵,除了工艺复杂,更重要原因是它的原料来自石油。玻璃纤维的原料是什么呢?各种石头,比如石英砂,也就是二氧化硅。这可比石油便宜多了。

碳纤维的贵还跟我们需要进口有关。以前大丝束碳纤维的技术被国外把持,我们必须要进口。如果供应不足,有的叶片中还会用到小丝束碳纤维。小丝束碳纤维比大丝束还贵,有时价格是大丝束的2倍,甚至4倍。

因为小丝束的性能更高,原料要更贵,生产工艺也不一样。比如,全球最领先的碳纤维制造公司日本东丽公司,在小丝束上一直是龙头,但在大丝束上,它探索了很多年都没啥大突破,最后靠收购一家美国公司才占领这个市场。

中国也一样,之前大丝束技术也没有突破,这其实限制了我国去制造更大的风机叶片。这也是为什么说大丝束碳纤维的国产化,对风电产业意义很大了。

当然,现在大丝束的价格,还是要比玻璃纤维价格要高出不少。不过,如果未来我们能自主生产了,成本肯定能降,因为市场对它的需求增长很快。

这里有一个数据,2021年全球风电行业对碳纤维的用量,是2014年的5倍多。如今,风电已成为了碳纤维消费的第一大行业。未来肯定还会增长,这也会倒推碳纤维的降本。对风电行业来说,就能用更便宜的材料去造大叶片,来提升发电效率了。

我注意到,上海石化已经在开始涉足风机叶片制造了。早在2021年4月,上海石化就和上海电气、陶氏化学就开启了战略合作,其中一项就是推进碳纤维在风机叶片上的应用。当时,大丝束碳纤维还没有投产,不过,进入风电领域已经是计划中的事了。

这里我还想跟你提一下,碳纤维对能源行业的改变还有很多。比如用来做储氢的高压储罐,最初是用钢材料制造的,以后就可以用高强度的碳纤维来制造了。这可以让储罐变得更轻、抗压能力更强。这对氢能汽车是个利好。还有之前讲的液流电池里面的电堆,它的核心部件电极板,也可以用碳纤维制造。

你看,大丝束碳纤维的国产化,是我国在材料基础科学上的突破。乍一听和新能源关系不大,它却解决了风电的瓶颈问题。所以,一些底层科学的水平,能决定了能源的天花板在哪里。

好,最后,留给你一个问题,你还知道哪些基础科学的突破改变了产业难题?欢迎留言告诉我。

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