我國高端石化材料在新能源領域的應用及市場研究

楊惠馨，呂曉東，隋謹伊，李超，趙睿，李雪

（中國石化集團經濟技術研究院有限公司，北京 100029）

“十四五”時期，我國新能源產業預計將以年均19%的速度增長。目前，新能源行業涉及的高端石化材料自給率僅為60%～70%，仍具有較大的國產化潛力。在碳達峰、碳中和背景下，我國能源結構處于由化石能源向風、光、氫等新能源轉變的關鍵時期，高端石化材料也將成為傳統石化企業轉型升級的重要抓手，助力我國新能源產業發展。

2022年，我國風能、太陽能和氫能領域高端石化材料消費規模約230萬噸。其中，80%以上需求來自光伏產業，需求量最大的是光伏行業封裝膠膜和背板材料，約占三個行業高端石化材料需求總量的三分之二；氫能產業石化材料需求最少但增速最快。預計2030年，我國風能、太陽能和氫能領域高端石化材料消費規模將達450萬噸左右。

1 風能產業鏈

1.1 風能產業整體情況

2022年全球新增風電裝機量約78 GW，其中陸上風電約69 GW，海上裝機約9 GW；預計2025年全球新增風電裝機量將達135 GW[1]。

隨著全球能源轉型的加速推進，我國風電行業發展前景廣闊。據中國可再生能源學會風能專業委員會數據，2022年我國風電新增裝機量約49.8 GW[2]；預計“十四五”期間，國內風電裝機量年均增加70 GW左右，2025年達到650 GW；；2025—2030年年均新增約100 GW，2030年達到1 200 GW左右。我國風電裝機規模及預測見圖1。

圖1 我國風電裝機規?，F狀及預測

風能產業主要包括上游原料生產、中游部件制造和整機組裝、下游運營三大環節[3]。石化材料主要應用于中游的風機制造，風機主要由葉片、機艙、塔筒、電纜等組成[4]。2022年我國風能材料高端消費規模約45萬噸，涉及30余種材料產品。預計隨著裝機量大幅提升，“十四五”期間相關材料消費年均增速約為12%；“十五五”期間，風能行業整體材料消費年均增速有望達9%左右。風能產業鏈主要石化材料需求及預測見表1。

表1 風能主要石化材料需求 萬噸

1.2 風能產業鏈主要石化材料應用及市場情況

1.2.1 葉片材料

風機葉片主要由外殼、主梁、腹板、芯材和涂層等構成，如圖2所示。

圖2 風機葉片示意結構及材料

通常90米以上葉片的梁、梁帽、腹板全部使用碳纖維材料；但部分小尺寸或超大尺寸葉片也有局部使用碳纖維增強、其余部分使用玻纖的設計[5]。由于碳纖維成本較高，隨著高強玻璃纖維性能不斷提升，碳纖維市場滲透率增長放緩。目前90%以上的風電葉片使用環氧樹脂作基體；灌注成型中還需使用脫模布、導流網隔離膜、真空袋等大量過程用料。結構膠作為粘合葉片、主梁和腹板的重要材料，主要為環氧樹脂體系。

芯材約占葉片重量的4%～7%，材料主要包括巴沙木、聚氯乙烯（PVC）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）以及聚醚酰亞胺（PEI）、苯乙烯–丙烯腈共聚物（SAN）等。目前市面主流風機葉片廠商廣泛采用巴沙木作為主夾芯材料，PVC泡沫作為輔助材料[6]。由于巴沙木價格快速上漲且PVC泡沫供應緊張，PET泡沫成為新的發展趨勢。

目前，風機葉片涂層結構主要分為膩子、底漆和面漆。聚氨酯涂層體系因具較強的附著力和耐油耐磨性而應用最為廣泛。目前溶劑型聚氨酯體系占據絕對主流，隨環保要求提高，未來將逐漸向水性聚氨酯體系發展。

1.2.2 機艙材料

風力發電機機艙主要由機械元件和設備構成，石化材料相關部件主要集中在外殼部分；同時，由于涉及到密封和機械運行，還有合成潤滑油脂、密封膠以及涂料的使用。風力發電機機艙結構見圖3。

圖3 風力發電機機艙結構

風力發電機機艙典型外殼主要由環氧樹脂和玻纖組成；成型工藝與葉片相似，也需要過程用材。此外，機艙內部一般以“預埋–樹脂灌注”方式用加強筋加強，近年也有采用PVC芯材進行加強的方式。據測算，機艙用環氧樹脂基料約19萬噸，芯材3.2萬噸，預計2030年將分別提升至1.5萬噸和7.3萬噸左右。

由于風機多處于環境惡劣地區，對潤滑油的品質要求很高，多為PAO潤滑油。機艙中主齒輪箱需潤滑油最多，但隨著無齒輪箱風機以及磁浮軸承的增多，單機潤滑油用量有減少趨勢。目前，國內風機用PAO潤滑油需求規模約為2萬噸左右，隨著風能行業快速發展以及裝機規模擴大，預計2030年將增至4萬噸左右。

1.2.3 塔筒和基礎材料

風電塔筒和基礎結構多樣，特別是海上基礎結構，包括單樁、導管架、多樁以及漂浮式等多種類型。塔筒和基礎結構主要為金屬，石化產品的消費主要集中在內外層涂料和灌漿料上。多樁海上風機結構見圖4。

圖4 多樁海上風機示例

風電塔筒和樁基內外涂料體系多樣，以環氧樹脂漆為主。根據估算，我國風電塔筒基礎涂料用樹脂約1萬噸左右。

導管架與基礎樁之間通過高強度灌漿料連接固定，目前海上風機基礎主要采用水泥基材料灌漿連接。單個風力發電機組灌漿料的使用量根據套筒直徑、海洋環境和海床條件的不同而有所不同。2022年，海上風電用灌漿料市場約8～10萬噸，2030年或增至20萬噸以上。

1.2.4 電纜材料

風能產業電纜主要分為陸上電纜和海上電纜。目前陸上電纜相關絕緣料原料國內均可滿足，海上電纜對于絕緣性能要求更高，該文僅關注高壓及超高壓海纜所需高端材料。

海上風電電纜分為塔間電纜、集電電纜和外送電纜等，不同電纜對應不同的電壓、冗余以及材料要求。目前我國海上風電項目以離岸距離小于50千米、裝機容量20～40萬千瓦的近海項目為主；海纜高端材料消費主要以XLPE為主，110 KV以上消費規模約為1～2萬噸，2030年將增至2萬噸以上，其中高壓及超高壓XLPE國內多數依賴進口，進口產品主要來自北歐化工。

2 光伏產業鏈

2.1 光伏產業整體情況

2022年，全球光伏新增裝機量191.5 GW[7]，其中，增量主要來自亞洲地區，占新增裝機總量的58.5%。2022年，我國光伏新增裝機量87.4 GW，裝機總量增至392.6 GW。其中，集中式光伏新增36.3 GW，同比增長41.8%；分布式光伏新增51.1 GW，同比增長74.5%。2017—2022年年均增速24.6%。據中國光伏行業協會預測，“十四五”期間，國內光伏裝機量年均增長94 GW，2025年光伏累計裝機量將達720 GW；2025—2030年，年均新增裝機規模將在120 GW左右。全球及中國光伏新增裝機量及預測見圖5和圖6。

圖5 全球光伏新增裝機量現狀及預測

圖6 中國光伏新增裝機量及預測

光伏產業鏈主要包括上游原料及設備制造、中游封裝以及下游電場建設與維護三個部分。原料主要包括光伏硅料、光伏膠膜料、背板料和設備材料等；封裝組件主要由電池片、封裝膠膜、背板構成；光伏電站主要分為集中式和分布式。光伏產業鏈見圖7。

圖7 光伏產業鏈

石化材料主要用于封裝膠膜、背板以及其他組件零部件的制造。目前，我國是全球最主要的組件出口國[8]，光伏產業較為成熟，市場規模約3 500余億元，其中材料環節市場空間最大。據測算，2022年我國光伏產業鏈石化材料需求近190萬噸；隨著光伏行業快速發展，預計2030年將增長至350萬噸左右。我國光伏產業鏈高端石化材料需求及預測見表2。

表2 光伏產業主要石化材料需求 萬噸

2.2 光伏產業鏈主要石化材料應用及市場情況

光伏產業鏈中，膠膜、背板及建筑光伏對石化材料的需求量最大。

2.2.1 光伏級膠膜材料

目前，市場上封裝材料主要有透明EVA膠膜、白色EVA膠膜、聚烯烴（POE）膠膜、EPE（EVAPOE-EVA）膠膜及其他封裝膠膜（包括PDMS/Silicon、PVB、TPU膠膜等）。其中，EVA膠膜是主流封裝用材，2022年EVA膠膜約占總封裝膠膜64%，其次是EPE膠膜和POE膠膜，分別約占12%和24%。光伏膠膜封裝結構見圖8。

圖8 光伏膠膜封裝結構

“十四五”期間，光伏膠膜材料需求總量將持續快速增加。雖然后疫情時代全球經濟面臨增速放緩、高通貨膨脹等風險，但全球能源結構向多元化、清潔化、低碳化轉型的趨勢不可逆轉。預計“十四五”期間，全球光伏行業仍具較高的發展潛力，新增裝機量和替換裝機量將在未來幾年持續支撐光伏行業需求。

2022年光伏膠膜市場占有率見圖9。從膠膜材料結構來看，隨著雙玻組件市場占比逐漸增加，透明EVA膠膜、POE膠膜和EPE膠膜的需求占比將逐漸提高。

圖9 2022年我國光伏膠膜市場結構

2022年，我國EVA產能持續擴張，同比增長21%至202.2萬噸/年；產量約156萬噸，同比增長59.5%。2022年我國光伏料產量在28萬噸左右。受生產技術限制，近年我國新增裝置中能實際生產光伏料的企業較少。短期內光伏料市場依然以斯爾邦為龍頭，其次是聯泓和寧波臺塑。目前，全球POE產能基本被國外企業壟斷，我國POE完全依賴進口。但國內已有多家企業攻關POE技術，其中萬華化學已完成中試，預計2024年年產20萬噸POE裝置投產；此外，茂名石化、斯爾邦、衛星石化、惠生工程都提出規劃POE項目或已處于中試階段，POE國產化進程有望加快。

據國家能源局統計，2022年我國光伏行業需求持續旺盛，新增裝機規模87.41 GW，同比增長59.27%。光伏行業正進行新一輪大規模產能投放。2022年我國光伏級EVA和POE樹脂需求分別約為130萬噸和22萬噸；據光伏行業協會預測，2025—2030年年均新增光伏裝機在120 GW左右，預計2030年光伏級EVA、POE需求將分別增至220萬噸和50萬噸。

2.2.2 光伏背板材料

光伏背板是光伏組件背面的封裝材料，處于光伏組件最底層，主要用于單玻組件。光伏背板主要作用是對電池片形成保護支撐，抵抗濕熱等環境對電池片、EVA膠膜等材料的侵蝕。背板的絕緣、阻水、耐老化等質量性能對光伏電池板產品耐用度、發電效率方面有較大影響。

目前市場上背板主要分為有機高分子類和無機物類，有機高分子類包括雙面含氟、單面含氟和不含氟三類，無機物類主要為玻璃[9]。目前，高品質太陽能電池組件的背板基本都使用含氟材料來保護PET基膜，按照氟材料的形態和成分不同可分為以下幾類：氟材料以氟膜的形式通過膠粘劑雙面復合在PET基膜上，為雙面復合型背板；以含氟樹脂的形式通過特殊工藝直接雙面涂覆在PET基膜上，為雙面涂覆型背板；基膜一面復合一面涂覆的為涂覆/復合型背板。光伏背板結構見圖10。

圖10 光伏背板結構示例

2022年，按目前背板及氟膜涂覆厚度測算光伏背板基膜PET樹脂需求量約26.4萬噸，PVF和PVDF需求均約為1萬噸。預計2030年，背板用PET、PVF和PVDF材料需求分別增至約60，1.8，2.3萬噸。我國背板類型市場結構及預測見圖11。

圖11 我國背板類型市場結構及預測

2.2.3 建筑光伏材料

光伏建筑組合（BAPV，Building Attached Photovoltaic）指將光伏設備附著在建筑上的技術，為目前主流的光伏建筑類型。光伏建筑一體化（BIPV，Building Integrated Photovoltaic）指將光伏產品集成到建筑上[10]的方案，既是發電裝置也是建筑外部結構的一部分，可以有效降低成本又兼顧美觀。目前BIPV行業處于起步階段。

光伏幕墻是用特殊的樹脂將太陽電池粘貼在玻璃上，鑲嵌于兩片玻璃之間，通過電池可將光能轉化成電能。除發電外，光伏幕墻還具有明顯的隔熱、隔音、安全、裝飾等功能，是一種綠色產品，與環境有很好的相容性。光伏幕墻的基本結構見圖12。

圖12 光伏玻璃幕墻結構

光伏建筑一體化對功能膜的要求較高，因為除了利用建筑體發電外，還要考慮建筑物的安全。由于EVA膜片制作的組件受紫外線照射容易老化、發黃、抗張強度及粘結力下降，其安全性能遠達不到要求，越來越多的國家禁止EVA膜片制作的層壓玻璃應用在建筑幕墻上。因此，性能更好的PVB膜片逐步應用于太陽能光伏建筑一體化。2022年，我國PVB薄膜需求約2.7萬噸，預計到2030年，PVB薄膜需求量將增至5.8萬噸。

3 氫能產業鏈

3.1 氫能產業整體情況

氫能是一種清潔的二次能源，是我國能源轉型的重要載體，已正式納入我國能源戰略體系[11]。氫能產業鏈主要分為上游制氫、中游儲運分銷和下游應用三大環節。每個環節涉及工藝路線繁多，如圖13所示，大量技術仍處于商業化初期階段。

圖13 氫能示意產業鏈

3.2 氫能產業鏈主要石化材料應用及市場情況

2022年，我國氫能產業鏈整體材料需求量約6 741噸；其中氫儲運環節所需的石化材料最多，約占材料需求總量的99%。氫能產業鏈中的關鍵石化材料主要包括質子交換膜和碳纖維，如表3所示。

表3 氫能產業鏈高端石化材料需求及預測 噸

3.2.1 生產環節石化材料

目前，我國約80%以上的氫氣由各類化石原料制得，電解水制氫不足1%，其余均來自工業副產氫氣；遠期，化石原料制氫仍將存在，并將與CCUS等結合成為藍氫主要來源，同時電解水制氫份額將大幅提升；而傳統工業副產氫份額將略有下降。

電解水制氫主要有堿性電解（AWE）、質子交換膜（PEM）電解、固體氧化物（SOEC）電解三種技術路線[12]。此外陰離子交換膜（AEM）技術憑借低成本和簡單、高效，成為新興研發技術之一。近年來，全球新增電解槽裝機以PEM電解槽裝機為主。

PEM水電解電池的主要組件是膜電極（MEA）、集電器（氣體擴散層）和隔板。最常用的膜是全氟磺酸聚合物膜，密封墊一般以EPDM為主體，采用氟樹脂復合等方式作為外殼，且需用特殊膠黏劑粘結密封墊。2022年，我國電解槽質子交換膜需求量約為0.3噸，EPDM密封墊需求量約0.2噸；預計2030年兩者將分別增至106噸和47噸。

除用于工業產氫分離外，大量氫氣/天然氣混輸管道終端需要進行氫氣分離才可以使用。除無機膜材料外，目前工業應用的氫氣分離膜基礎材料主要為聚酰胺、聚酰亞胺以及聚砜膜，多數需要二次改性或者涂覆。全球氫氣分離技術供應商主要有三家，包括空氣產品、液態空氣和宇部化學，其多數產品據稱壽命可以長達10年以上，如表4所示。

表4 主要工業化聚合物膜材料

2022年，我國氫能產業在分離環節需要的化工材料約10噸，其中PSF膜3噸、PI膜6噸、PA膜約1噸。預計2030年，氫氣分離環節膜材料需求將增至15噸。

3.2.2 儲運環節石化材料

目前，氫能最主要的存儲方式包括高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和固態儲氫，其中應用廣泛、技術最為成熟的存儲方式是高壓氣態儲氫[13]，因此輕質、耐高壓的儲氫罐是關鍵。車載儲氫瓶的市場需求受應用車型、儲氫瓶容積、儲氫瓶壓力、單套系統瓶數等因素影響。2022年，我國儲氫瓶需求量約7.4萬個，以35 MPa/140 L為主，約占市場份額的85%左右；未來，國內儲氫瓶有向大容積、多瓶組和高壓轉變的趨勢；預計2030年前后，我國90%以上的儲氫瓶將轉換為70 MPa IV型瓶。

目前，我國儲氫瓶高端材料需求規模不及萬噸，其中70%的碳纖維依賴進口，主要來自日本東麗、日本東邦、韓國SK等企業；國內碳纖維廠家T700型號產品性能較為穩定，已逐步在國內儲氫瓶上使用。據測算，2022年，我國車載儲氫瓶材料需求約6 716噸；預計2030年將增長至78 883噸。

目前，國內加氫站加氫機多為35 MPa，70 MPa產品核心部件多來自進口，加氫槍及管路也基本為進口產品[14]。加氫機使用的石化材料除少量密封件外（多為FKM），主要用于加氫管路。其中，加氫槍管路一般由6～8層構成，內層多為POM材料，也可以使用EVOH、PEN、PA6、PA66等材料，外層多為PA材料，也可以使用馬來酸改性PP和PE、PPS、PA6T等材料。87.5 MPa加氫槍管結構見圖14。

圖14 87.5 MPa加氫槍管示意結構

截止2022年底，我國建成運營加氫站358座，按照規劃到2025年將形成1 000座左右的規模，2030年將達5 000座；2022年，我國加氫槍管用非金屬材料約0.4噸，預計2030年將增至3噸。

3.2.3 氫燃料電池石化材料

氫燃料電池一般分為六大類，如表5所示以PEMFC為絕對主流，約占出貨量的80%以上，SOFC和PAFC各約占10%左右。燃料電池主要用于車載、固定電站以及便攜電源等應用場景，其中車載需求約占PEMFC總需求量的80%左右。

表5 氫燃料電池種類

氫燃料電池工作原理是氫氣通過燃料電池的負極當中的催化劑（鉑）分解成電子和氫離子（質子）。其中，質子通過質子交換膜（Proton Exchange Membrane）到達正極和氧氣反應生成水并放熱，電子則從負極通過外電路流向正極產生電流[15]。膜電極組件（MEA）是氫燃料電池電堆的重要組成部分，主要由碳紙、催化層和質子交換膜構成。

碳紙是一種在高溫下經熱處理的多孔碳纖維和碳的復合材料，一般以短切纖維為主。目前，國內無法生產碳纖維含量60%以上的碳紙。按市場主流厚度及碳紙密度測算，2022年我國MEA碳紙用材約6噸，預計2030年將增長至89噸。

全氟磺酸膜（PFSA）是最常用的商業化質子交換膜。車載氫燃料電池所用質子交換膜目前主要是來自Gore公司的Gore-Select系列膜，厚度在5～12 μm。質子交換膜出廠時是一種三層結構，即上保護膜、下保護膜和中間的質子交換膜，如圖15所示。上下兩層保護膜均為特殊處理過的低灰分一次性聚酯保護膜，兩層保護膜在使用時需要剝離。按照目前市場主流厚度計算，2022年我國質子交換膜和保護膜材料需求量分別約為4噸和26噸，預計2030年將分別增至59噸和414噸。

圖15 質子交換膜保護用膜結構

4 結論

到2030年，我國以風、光、氫為代表的新能源產業將以年均20%左右的速度增長，對高端石化材料的需求規模將從2022年的230余萬噸增長至450余萬噸。光伏行業是最大的消費領域，約占材料總需求的八成以上；分產品看，EVA膠膜和PET背板膜需求量最大，其次是PVF膜、POE膜、EMC和環氧樹脂。整體來看，目前我國新能源高端石化材料自給率60%～70%，仍有較大的國產替代空間，石化企業應加大相關材料研發，特別是需求潛力大、制約行業發展的關鍵材料，為我國能源向多元化、清潔化、綠色化發展積蓄力量。