大幅提高了国产SOFC的制造成本

  新闻资讯     |      2024-01-21 21:34

  绿色新材料是各行业实现碳达峰、碳中和宏伟目标的重要基础。本文总结了国外各国新材料发展战略计划中低碳、节能材料的重点方向和发展布局,梳理了自十二五以来我国在新材料规划中关于绿色新材料的相关政策和部署,研究总结了能源新材料、绿色建筑材料、先进化工材料在我国实现“双碳”目标过程中将发挥重要作用的重点方向的产业链结构和发展现状,并根据各重点方向发展难点和痛点提出发展建议。

  哥本哈根世界气候大会的召开,让碳排放成为全球关注的焦点问题,低碳经济时代随之拉开序章。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式,主要从激发新能源产业的活力和对传统产业的低碳化转型升级两个方面带动实体经济发展。新材料的基础研发和产业化不仅是制约能源产业快速发展“卡脖子”关键问题,还是传统产业提升能效和降低排放的基础。在第七十五届联合国大会上,中国向世界作出庄严承诺,力争在2030年前实现碳排放达峰,在2060年前实现碳中和。实现“双碳”伟大目标为我国新材料产业发展提供了内在动力,新材料产业创新发展是我国实现“双碳”目标的基础和先导。

  新材料指新近研究成功或正在研制中的高性能结构材料和具有特殊性质的功能材料。新材料是材料科技发展最为活跃的产业领域之一,新材料产业是我国新兴产业发展的重要基础,同时也是决定国家先进制造水平及国防实力的关键因素。从2010年到2019年,全球新材料产业规模从4000亿美元增加到2.8万亿美元,平均增长率达到近10%[1],保持着稳中有升的发展态势。长期以来,产业的创新主体主要是美国、日本和欧洲众发达国家,各地区大型跨国公司在研发经费、核心技术储备、产品成熟度等优势让其在全球市场具有垄断地位;中国、韩国、俄罗斯等国家位列第二梯度,我国的半导体照明、稀土永磁材料等在全球具有一定的市场。大多数发展中国家的新材料产业仍处于起步阶段,且地区产业发展差距日益加大。

  全球各国高度重视新材料与资源、环境和能源的协调发展,都在积极将新材料的发展与绿色发展、低碳经济结合起来,大力推进与绿色发展密切相关的新材料、技术、产品开发与应用。美国在新能源材料、轻合金、氢燃料电池、纳米材料、生物材料、节能材料等新材料领域进行了规划和布局,欧盟将催化剂、光学材料、光电材料、生物医学材料等列为10大重点领域;德国和英国在清洁能源和产业低碳化方面卓有成效,在新材料发展也从新能源材料研发和满足低碳产业化的需求等制定战略。

  2019年,中国新材料产业总产值达到4.5万亿人民币,年复合增长率超过20%[2]。近年来,国内培育了若干具有研发创新能力、核心技术出发、年销售收入过百亿元的新材料龙头企业,建成了一批主业突出、配套齐全、产值超过300亿元的新材料产业集群。在信息显示、运载工具、能源动力、高档数控机场和机器人五大领域所常用的244种电子信息材料中关键材料中,中国仅有13项材料国际领先、39项国际先进[3],电子信息材料中还存在大量短板。中国已经成为材料大国,材料体系完整,产业集群效应明显;但中国还不是材料强国,基础研发能力和技术储备不足,新材料核心技术、原材料国产化等瓶颈问题尚需解决。

  低碳经济是可持续发展的内在需求,中国对绿色、低碳新材料的需求会愈加强烈。“十二五”以来,政府高度重视新材料产业发展,出台了一系列新材料发展规划。我国早期的冶金、化工等行业是以牺牲生态环境为代价实现高速发展,能耗高、污染大,生态欠账多。从2014年发改委、财政部和工信部发布的《关键材料升级换代工程实施方案》,中国开始在新材料发展规划中针对节约能耗和绿色发展提出明确的目标和方向。我国将新材料定义为先进基础材料、关键战略材料和前沿基础材料。根据规划指示,与节能、减排、绿色相关的新材料领域主要包括绿色建筑材料、生物材料、先进化工材料、新能源材料、耐热材料等。

  新能源材料是新能源产业发展的基础,当前我国新能源发展面临基础原材料供应紧张、进口材料封锁断供、关键材料国产化率低等问题,快速突破新能源材料关键技术是当务之急;建筑业在与能源相关二氧化碳总排放量中的占比超过三分之一[4],建筑领域是实现整体碳达峰的关键一环;在低能耗和低碳排放的约束条件下,“双碳”战略为化工新材料产业带来技术驱动力,压缩落后产能,鼓励新型工艺,倒逼环保和低碳放新材料取代高排放、高能耗旧材料,扩大了现有化工新材料应用需求。

  全球碳中和大背景下,能源格局从化石能源绝对主导朝着低碳多能融合发生转变。随着我国承诺“双碳”目标,我国对可再生能源发电和储能技术开发日益重视,先后出台了一系列政策,启动重大研发项目开展技术研究,并部署了一大批可再生能源发电、分布式能源、储能等类型的示范工程。新能源材料根据应用领域可分为储能材料、光伏材料、风电材料、电池材料、新能源汽车材料等。

  新能源汽车是低碳经济中最基本的消费品,同时也很有潜力在“能源互联网”时代成为基本的能源传输单位。近年来,我国新能源汽车得到了快速发展,2020年我国新能源汽车销量达到136.7万量,全年汽车销量占比达到5.4%的新高[5]。新能源汽车推动了整个汽车行业使用轻合金替代传统钢材实现轻量化,汽车使用1千克铝替代钢铁可带来2.25千克车重降低和20千克全生命周期尾气排放。相比传统交通工具,新能源汽车使用的铜线],铜线组在光伏、海上风电等新能源基础设中的用量也十分可观;受限于产能、成本和技术条件,2020年我国单车用镁不到2千克,距离我国轻量化发展目标的15千克还有很大的差距。拥有高于钐钴永磁材料的磁性能和低于稀土永磁材料的价格,钕铁硼永磁材料被应用于更轻、更小、更高效的新能源汽车永磁同步电机和其他零件中,单车消耗量达到2.5千克以上,2020年全国新能源汽车累计消耗钕铁硼超过3400吨[7],钕铁硼永磁材料在节能电梯、风力发电等能源领域也有应用。

  当前我国风电机组中,叶片芯材、电力电器件(IGBT)、主轴承等部分零件主要依赖国外进口。2020年我国新增风电装机容量达到创纪录的52吉瓦[8],中国每年新增装机规模巨大。由于国外疫情停工以及进口封锁等原因,巴沙轻木和PVC等常用芯材供应紧张,PET作为其替代材料从2017年开始已实现国产化并进入产能扩张期新足球直播,2020年中国PET产能达到1196万吨,但国内PET供应仍无法满足快速增长的风电装机需求。国内轴承产能主要为3兆瓦一下风电设备配套轴承,匹配6兆瓦以上如海上风电主轴轴承和增速器轴承严重依赖进口,进口产能难以满足需求,且国内尚无替代选项。IGBT模块是风力发电,同时也是光伏发电、新能源汽车、变频空调等新能源产品的核心器件,一个1.5兆瓦风电设备变流器中IGBT用量约21个,2020年国内风机IGBT市场超过200亿元,十四五期间预计年复合增长率超过15%[9]。

  能量的存储和转化是解决可再生能源不稳定性的关键技术。储能技术分为物理储能和化学储能,物理储能的技术相对成熟,相变储能材料也是未来发展的重点方向之一;化学储能包含电池储能和超级电容储热,电池储能相较于其他技术,受地理环境影响小,电能储存、释放、调度调控更灵活。2020年,中国锂离子电池产量达到188.5亿只,动力锂电池和消费性锂电池占比远高于储能用锂离子电池,超过95%[10]。主流锂离子电池技术的能量密度水平尚无法支撑未来数百GWh的储能需求,开发来源丰富、可循环使用的燃料电池储能技术,作为传统电池更加绿色、持久、安全的补充或替代方案是非常必要的。据统计,国内燃料电池行业生产企业主要有亿华通、上海重塑、国鸿氢能、东方电气等,2019年共出货2737台燃料电池,用于燃料电池公交车和卡车等领域[11]。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、启动速度快、环境友好等优点,是当前应用最广的燃料电池;目前PEMFC的研究重点为具有更高催化活性、更低成本的新膜电极材料,包括低铂系和非铂系电极。对比PEMFC的高成本、低能量密度的不足,固体氧化物燃料电池(SOFC)具有发电效率高,燃料适应性强,几乎没有颗粒物、NOx、SOx排放,可实现热点连供等优点;SOFC工作温度在600℃-850℃,可使用廉价的氧化物电极代替昂贵的贵金属催化剂,但较高的工作温度对电池结构材料的综合性能提出了很大的挑战,国产连接体材料在使用寿命合综合性能较德国、日本进口材料都有不小的差距,价格更是相差数十倍,大幅提高了国产SOFC的制造成本。

  新型绿色建筑材料可定义为采用清洁生产技术,大量使用工业、农业、城市固态废弃物生产的,无毒、无污染、低排放、易回收的环境和人体健康友好型建筑材料。据统计,全球每年环境污染物中固体废弃物污染占到 50%以上,“双碳”目标对高能耗、高排放的建筑行业节能环保工作提出了更高的要求,进一步提升建筑材料绿色化水平是建筑材料领域科学研究和产业发展的重要方向。新型绿色建筑材料主要包括水泥、混凝土、绿色墙体材料、保温隔热材料以及绿色装饰材料等。

  水泥是土木工程中最重要的建筑材料,其生产过程排放温室气体占全产业总排放量的6%[12],属于温室气体排放重点监控行业之一,降低单位水泥生产碳排放是目前降低水泥产业温室气体总排放的唯一路径。在水泥中掺入粉煤灰、矿渣、硅灰等辅助性胶凝材料取代部分熟料,能够有效降低水泥碳排放,2019年我国粉煤灰产能近6.6亿吨(约40%用于水泥掺和),矿渣1.02亿吨,硅灰产57万吨(约10%用于水泥掺和),同时还具有一定规模的出口量。面对即将到来的因钢铁煤炭产业大幅减产导致辅助性凝胶材料产能告急的困境,国内外正在加快探索入脱硫石膏、建筑垃圾细粉、赤泥等固废,天然火山灰、石灰石粉、钢铜渣等替代辅料的可行性。硫铝酸盐生产中碳排放较硅酸盐水泥更低,高贝利特硫铝酸盐水泥等特种水泥有望取代或部分取代硅酸盐水泥熟料的胶凝材料体系,2019年我国具备特种水泥生产能力的企业有240家,特种水泥总产能约为3000万吨,占水泥总产能近1.3%[13]。

  降低混泥土生产和服役过程中碳排放的方法主要有减少混泥土中熟料和胶凝材料的使用量、利用固体废弃物原材料、提升混凝土寿命,提高混凝土二氧化碳吸附等。目前,低碳混凝土一般通过提高粉煤灰掺入量(HVFAC),或加入流变调控聚合物外加剂、微纳米降粘材料、无机膨胀材料、有机减缩外加剂等制成超高性能混凝土(UHPC)、超高强度混凝土(UHSC)、自密实混凝土(SCC)、低聚物混凝土(GPC)等技术手段实现。根据CCPA-UHPC提供的部分项目用量信息,2019年中国UHPC用量超过3万立方米,使用超过6.5万吨UHPC预混料;2020年,我国用于桥面、桥梁构建连接、建筑幕墙和维修加固等应用领域使用UHPC预混料超过7万吨[14]。

  墙体、保温隔热、装饰材料等是绿色建筑材料的重点发展方向。新型绿色墙体材料兼具重量、隔音、节能、经济性等优点,一般以粉煤灰、矿渣灰及混凝土空心砌块等为原材料。自2019年产业结构调整以来,超过3.5万家砖瓦轮窑企业因无法达标改造而淘汰出局,我国现存砖瓦企业不到3.2万家,年生产烧结制品8100多亿块。其中黏土实心砖仍高达约2000亿块,各种利废(建筑垃圾、煤矸石、煤粉灰、大宗固体废弃物等)、环保等新型墙体材料年产近6000亿块,占总产能74%以上[15],新型墙体材料产品得到快速发展。气凝胶、复合硅酸盐、天然矿物膨胀物等是低碳绿色的保温隔热材料,气凝胶的多孔结构让其拥有多倍于传统玻璃纤维或泡沫绝缘材料的隔热能力。2019年我国二氧化硅气凝胶材料市场规模达到11.23亿元,气凝胶制品市场规模为15.56亿元[16]。国内主流企业目前包括埃力生高新科技有限公司、中国化学华陆科技有限公司、爱彼爱和新材料有限公司等,我国气凝胶产业以中低端初级产品为主,大部分产品为气凝胶粉体颗粒,气凝胶复合材料产能有限,主要应用于油气、工业管道保温领域,建筑、交通等领域市场潜力巨大。与传统玻璃相比,中空玻璃、LOWE玻璃使用寿命长,且隔热隔音保温效果非常好,可以充分利用太阳光等自然光线来调节室内温度,达到绿色节能效果。2020年,随着加工产品结构升级,LOW-E玻璃和中空玻璃由于其遮光率、遮阳系数、热值性能更符合国家对碳中和的诉求,市场对节能玻璃的需求大增。除此之外,可循环利用、自修复、自监测等类型智能建筑材料,如智能混凝土、智能玻璃等仍处于产业化阶段,也是未来绿色建筑材料的重要发展方向。

  先进化工是国民经济的重要基础性、先导性产业,技术含量和附加值高,是推动我国由石油化工大国向强国跨越的重点关键领域,也是化工行业转型升级的重要方向。我国化工材料产业发展呈现几个特点,一是发展快、需求量高,二是产业配套能力不足,化工基础原材料质量不稳定,三是自主创新能力不足,原材料、高端产品、核心技术装备大量依赖进口。聚碳酸酯、聚氨酯、高端聚烯烃、橡胶、石墨烯等化工材料被大量用于我国制造业,也是诸如光伏、储能、新能源等绿色新兴产业的重要原材料。

  因耐冲击、高耐热、高透明等特性,聚碳酸酯在电子电器、光学薄膜、汽车等主力市场应用持续上升,2019年表观消费量达到230万吨,同比增速超过22%,同时在绿色溶剂、非光气聚碳、非光气聚氨酯、新能源锂电、绿色药物合成等绿色新兴领域还有很大的拓展空间;我国聚碳酸酯对外依存度超过65%[17],其上游苯酚、丙酮、双酚A产业国内产能有待继续扩张。我国聚氨酯主要原材料产能均超过全球产能的1/3,保温材料、涂料、胶黏剂、弹性体等制品产值3200亿元,在建材、氨纶、合成革和汽车等领域聚氨酯下游产品的产量均居世界第一[18]。聚四氟乙烯(PTFE)树脂是介电常数最低的高分子材料,在全球含氟聚合物消费占比超过50%,广泛应用于5G基站覆铜板,未来在输配电和节能环保领域具有很好的应用前景。国内PTFE产能占全球40%以上[19],以注塑型中低端产品为主,高端化、高附加值是我国PTFE产业的发展方向。光伏、储能膜、新能源汽车等新兴市场对我国聚烯烃产业提出了高端化需求,我国聚烯烃产品以中低端通用料为主,高端产品以及生产技术严重依赖进口,产品自给率仅为44%,生产工艺依存度已超过90%,其中超过46%的产能是采用尤尼维讯公司的Unipol气相工艺,超过17%的产能采用利安德巴塞尔公司的淤浆法工艺[20],其他工艺也多采用国外技术生产工艺。“双碳”目标为橡胶产业同样带来了新的机遇,即再生橡胶、天然橡胶和生物基合成橡胶;目前,国外生物基合成橡胶体系已发展到第三代,未来大有所为。

  石墨烯是目前自然界最薄、强度最高,导电导热性能最强,同时兼备很好塑性的一种新型纳米材料,石墨烯、富勒烯、碳纤维等无机化工新材料被广泛用作各类轻量复合材料、绿色建筑材料添加剂,同时还是电池电极、光电元件、污染治理、氢气储存、高性能功能材料等绿色新兴产业的重要原材料。中国在石墨烯科学研究和产业化方面已经走在世界的前列,2020年,中国大陆发表的石墨烯论文数量全球占比超三成,全球石墨烯相关专利申请占比接近七成[21];中国石墨烯企业总数量已经达到 1.2 万家,全国各地建立了 29 个石墨烯产业园、54 个石墨烯研究院、8 个石墨烯创新中心,但重复建设现象严重[22] ,且未能和当地产业充分结合;石墨烯产业化创新主力依靠以材料生产为主的中小企业,高价值应用(光电器件、半导体、集成电路等)研究不足,近八成石墨烯下游产品集中在石墨烯加热器、理疗、可穿戴产品、涂料、导电添加剂等中低端领域,技术门槛低、产品附加值低、高成本等因素导致行业整体亏损,盈利模式尚需进一步探索,全产业链生态体系脆弱,国内外石墨烯产业发展存在明显差距。

  与其他国家相比,我国拥有丰富原材料储备和广阔的新材料国内消费市场。广东、山东、江苏、浙江等地区的新材料产业发展较快,一些方向已经形成一定的产业规模和集群效应。当前,我国新材料产业存在高附加值的产品和技术匮乏,多项“卡脖子”关键技术尚需突破,各领域顶级团队和高端人才储备不足,配套支撑不足,技术成果转化效率低。“双碳”大目标为我国新材料产业的整备前行提供了很好的机会,同时也非常需要政府提供财政、统筹等支持手段。

  以绿色低碳发展为总体原则,基于当地新材料上游产业基础和下游需求制定新材料发展战略,以疏通和补齐全产业链,打造全链条式新材料产业为目标导向,制定绿色新材料产业发展指导目录和投资指南,适度超前布局前沿领域,突出对关键原材料国产化、高附加值材料和产品等重点工作方向和绿色材料重点领域的聚焦支持,既要杜绝产能过剩和重复建设,还要抢占前沿新材料战略制高点。深化产业协同融合发展战略布局,推动政府、企业、研究机构、平台等主体间协同共建新材料发展共同体,强化产业发展的广度和深度。加大长三角、中西部等区域政策与产业互通互动力度,推动技术创新、人才、资金、产业链等资源跨区域共享融合示范先行。

  加快推动新材料产业和信息化技术融合发展,借助先进信息化技术赋能新材料绿色化、数字化、智能化转型,提升材料研发、材料制造、材料加工、产品生产效率和质量。加强新材料及其产品的知识产权保护,推进知识产权试点、风险评估和预警等方面工作。鼓励企业以产业需求为引导,与高效联合开展关键技术攻关和应用型人才定向培养,加快国内外高层次人才引进,建设落实产业创新人才发展战略。加快制定绿色新材料产业投资指南,引导社会资金扩大关键方向的投资力度。遵循“谁投资、谁负责”的原则,建立更加科学的投资效益评价体系,深化考核机制和投资回报监管机制。

  打造一批能力强、水平高的产业公共服务平台,加快建立新材料及产品性能指标数据库,提升绿色新材料产业基础公共服务能力。

  树立新材料企业为投资和成果转化的主体,推进先进绿色新材料产业集群培育试点工作,认定一批绿色新材料领域的先进示范产业集群,引领本区域产业发展。鼓励绿色新材料龙头企业通过跨境并购、投资合作等方式,引进国外高端人才、工艺设备、管理经验等,实现新材料资源整合。构建政-产-学-研协同创新机制,建立新材料专家系统,提供调研评估和咨询服务;鼓励企业加强与新材料研发一线团队交流互惠,充分借助研究机构的研发能力和储备,倚靠企业全面的产业链和落地应用能力,推动新材料研发、新技术产业化和新产品应用,实现科研成果快速转化良性循环,推动绿色新材料关键技术研发攻关。

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  [14] 中国混凝土与水泥制品协会. 2019年中国超高性能混凝土(UHPC) 技术与应用发展报告[J], 2020.

  [15] 生态环境部. 砖瓦工业大气污染物排放标准(GB 29620—2013) 修改单(征求意见稿)编制说明[J]. 砖瓦世界,2017,(10):22-25

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