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【行业报告5】从光伏、风能到氢能,塑料在新能源领域创新应用大盘点

来源:雅式橡塑网 日期 :2024-04-07 作者 :郑丰俊
版权声明: 本文由“雅式橡塑网(AdsaleCPRJ.com)”原创/编辑首发,未经许可,禁止转载与摘选。对任何侵权行为,本司将依法追究法律责任。

新能源是指除化石燃料以外的可再生能源,如太阳能、风能、氢气、水等,不仅来源丰富且取之不尽,而且有助减少碳排放,为环境气候带来许多好处。只要能够有效储起这些清洁能源,便能更广泛地应用。


Technavio预计,在2022年至2027年间,可再生能源市场的复合年增长率可达8.91%。(来源:Pixabay)


Technavio预计,在2022年至2027年间,可再生能源市场的复合年增长率可达8.91%,当中73%的升幅来自不断扩张的亚太市场。


值得注意的是,塑料工业不断创新,开发了新型轻量、高性能、低成本、低碳材料,助力新能源行业的蓬勃发展。利用塑料的独特性能,设计更先进和性能更优异的部件,以及更高效的加工技术相继涌现。


提升太阳能电池板的可持续性


根据国际能源署(IEA)的最新资料,预计2023年全球可再生能源新增产能将飙升107 GW,达到440 GW以上,增长创有史以来最大,其中占三分之二的增长来自光伏(PV)发电。


现时越来越多太阳能电池板部件都采用塑料制造,如封装膜、背板、面板、结构件和其他部件,在光伏系统的发展中担当重要角色。


以塑料取代玻璃和铝,不但有一系列优势,包括轻身、制造成本低、效率高及性能优良,还可以防潮、耐高低温和防紫外线。


由于塑料比玻璃和铝轻,因此所制成的太阳能电池板可以安装在更多屋顶上。多家太阳能电池板制造商都开发了有利环保的轻质产品,提高了应用光伏的可持续优势。


Solarge和SABIC联合开发了可循环再用的轻质太阳能电池板。(来源:SABIC)


太阳能电池板制造商Solarge与沙特基础工业公司(SABIC)合作开发了轻质低碳太阳能电池板。采用SABIC特种聚丙烯(PP)混合物生产太阳能电池板,可减轻50%以上的重量,以及减少超过25%的碳排放。



Solarge和SABIC联合开发了可循环再用的轻质太阳能电池板。(来源:SABIC)


另一家制造商Merlin Solar也推出了结构更坚固的太阳能电池板,由于采用塑料前挡板,而非玻璃,所以重量远低于标准产品。


韩国LG化学公司的LUPOY EU5201,是一种以丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(ASA)和聚碳酸酯(PC)为基体,并利用玻璃纤维增强的工程塑料。这种坚固而轻身的材料适合代替铝材,应用于太阳能电池板框架。此外,这种材料也可利用消费后回收(PCR)的聚碳酸酯来生产。


利用塑料来制造的太阳能电池板,还可节省生产时间和成本,而不影响产品的功能和耐用性。博禄(Borouge)的Quentys封装薄膜和用于背板的PP混合物,不但具有优异的抗紫外线性能、高防水性,而且其层合过程也毋须任何化学反应。


博禄为漂浮光伏(FPV)系统提供高密度聚乙烯(HDPE)材料。(来源:Borouge)


博禄还为FPV系统提供食品级高密度聚乙烯(HDPE)材料。耐环境应力开裂(ESCR)的HDPE具有优异的机械性能,提高了耐用性和可回收性。


风电叶片制造的技术突破


虽然风能作为可再生能源具有优势,但制造成本高仍是一大挑战。由于风力涡轮机叶片占风力涡轮机成本的20%-25%,经过优化设计的轻量叶片可令风能更具竞争力,有利普及。


先进聚合物材料具有轻身、性能优良的特点,为新型风力涡轮机叶片设计创造机会。长叶片已成为新兴趋势。采用轻质材料可制造更长的叶片,以进一步减少静态和动态负载,不但有助减少维修需求,更可延长叶片的使用寿命。


聚氨酯(PU)树脂和涂料在风力涡轮机叶片制造方面,具有性能优良、成本低的优势。与传统玻璃纤维增强环氧树脂叶片相比,PU叶片具有更佳的机械性能、制造工艺更具成本效益,称得上是技术的跃进。


与传统环氧树脂复合材料相比,PU复合材料与PU浸渍工艺相结合,可提升纤维基质比,从而增强其机械性能。


为风力涡轮机叶片生产特大纤维复合材料时,由于PU树脂的黏度低,所以浸渍速度较快。此外,PU树脂还具有固化速度快的优点。同时,PU前缘保护(LEP)涂层具有极高的耐用性,侵蚀保护能力极强,可降低维修频率和成本。


在科思创(Covestro)与风电工程顾问公司bewind联合进行的一项研究及发现,与典型海上风力发电场使用的标准代替产品相比,其PU解决方案能有效将制造成本降低8%。


由科思创(Covestro)、金风科技(Goldwind)和LZ Blades开发的全球首款64.2米PU风力涡轮机叶片。(来源:Covestro)


科思创PU树脂具有黏度低、固化时间短的特点,可大幅缩短叶片生产周期,从而缩短占用的模具时间,降低每个叶片的材料和劳工成本,以及减少相关的能源消耗。采用可回收材料更可进一步带领风能行业走向循环经济发展。


零废叶片研究联盟(Zero wastE Blade ReseArch,ZEBRA)最近成功完成首个可回收风力涡轮机叶片的全尺寸验证测试,并生产了第二个可回收热塑性塑料叶片。


零废叶片研究联盟(Zero wastE Blade ReseArch,ZEBRA)的领袖与第二个ZEBRA叶片合影。(来源:Arkema)


第二个叶片长77米,是世界上首个使用阿科玛(Arkema)回收热塑性塑料液体树脂Elium制造抗剪腹板的风力涡轮机叶片。抗剪腹板是叶片的重要结构部件。


Elium复合材料部件可以使用先进的化学回收方法进行回收。化学方法可完全解聚树脂,并将纤维与树脂分离,再生成为全新的原始树脂和高性能玻璃纤维,以备重复使用。


加速氢技术工业化


氢气在燃烧时几乎不产生温室气体,是新兴的低排放能源模式,可减少重工业和交通运输的碳排放,如燃料电池汽车(FCV)和飞机等。


为了加快氢和燃料电池技术的工业化,需要轻量、防泄漏的安全储罐系统,用于运输和储存。对于高性能车辆和飞机而言,部件的轻量化尤其重要。塑料和纤维是生产油箱的首选材料,非常轻身,适合安装在车辆和飞机上。


用于储存氢气的复合材料压力容器(CPV),如碳纤维增强塑料(CFRP)压力容器,一般都有一层热塑性塑料内衬,周围被纤维包覆。CPC可耐腐蚀,能代替钢制储罐。


日本材料供货商东丽(Toray)提供具有高抗拉强度的超高强度碳纤维TORAYCA。这种材料可增强氢气储罐的强度,能够耐受压缩氢气的极高爆裂压力。


超高强度TORAYCA碳纤维。(来源:Toray)



氢气分子小,会通过塑料扩散开去。为克服此挑战,考特斯(Kautex)采用特种聚酰胺(PA)开发了具有高阻隔性能的氢气储罐。氢气储罐由热塑性塑料内衬和纤维缠绕层组成,可提升机械强度,以确保安全。内衬层可承受较高的机械应力,耐受温度范围为-60 °C到+120 °C。


该塑料加工技术供货商还开发了特殊挤出吹塑技术,成功制造用于氢气储罐的特大容量PA内衬。


氢气储罐由热塑性塑料内衬和纤维缠绕层组成,安全性高。(来源:Kautex)


值得一提的众是,新型生物基材料有助提高氢气储罐的可持续性。在欧洲推行的新项目CUBIC,将利用从木质素和植物油提取的100%可回收中间体,开发适用于氢储罐制造的材料。


提高管材和薄膜的柔软度和安全性


发展氢能和水电网络需要可靠的气、水管材,而塑料电缆保护管则可发挥保护电线和电缆的作用。与金属或混凝土相比,塑料管材更耐用、更耐化学品、耐腐蚀,而且轻身和易于安装。


钢管很难适应地形或其他崎岖的环境。塑料管材,如PE和HDPE管材,不但柔软度高、适应能力较强,而且不易裂开。交联聚乙烯(PEX)具有极高的柔软度和耐久性,可承受极端压力,广泛应用于管道。



HDPE是压力和非压力管道的绝佳材料。(来源:AGRU America)


对于离网可再生能源,锂离子电池是主要储能装置,而集流膜更是连接电池和外部电路不可或缺的部件。


传统的集流器使用铝箔和铜箔制造,而新式“金属-聚合物-金属”三层结构的复合集流器膜,安全性较高。


这种复合集流器膜的结构超薄,可提高电池的能量密度,分别节省66%的铜材和85%的铝材用量,有助减少生产过程中的碳排放。

经过验证,双轴拉伸技术非常适合复合集流器膜,不论顺序拉伸或同时拉伸工艺,都可满足制造要求。


德国机械制造商布鲁克纳(Brückner)在旗下的技术中心进行了一系列测试,确定了最佳工艺条件范围和薄膜性能。其薄膜拉伸生产线(包括连续拉伸和同时拉伸生产线)已获亚洲薄膜制造商订购,以进一步验证此技术概念的实用性。


复合集流器膜可提高电池的安全性,同时减少生产过程中的碳排放。(来源:Brückner)


中国走在能源转型最前沿


国际能源署表示,全球可再生能源新增产能将飙升,2024年中国装机容量更可超越其他国家,巩固其在全球能源转型中的领先地位。与此同时,印度新增产能预计在2024年也将增加。


总括而言,随着更多新能源项目的推出,市场对创新塑料和加工技术的需求将与日俱增。


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