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建材行业专题报告:灌浆料,潜海寻风

2022-08-21 07:00:07 点击:26 来自:极致娱乐

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1 什么是风电灌浆料?

什么是风电灌浆料?以海风为例,海上风机的立柱和叶片位于海平面以上,海平面以下的支撑柱则 多采用套筒灌浆工艺,起到支撑叶片旋转、稳固海床的作用。根据《Design of Offshore Wind Turbine Structures》的定义:灌浆连接是由两个同心管状部分组 成的结构连接件,外部和内部管之间的环形区域被填充灌浆。风电灌浆料是一种高 性能聚合物改性的水泥基灌浆材料,采用多种无机添加剂,常被用于海上风机灌浆 连接施工。陆上风机灌浆料生产厂家较多,竞争较为激烈。与海上风机相比,陆上风电机 组所处的自然环境较为温和,对材料的性能要求、用量不高,技术门槛较低,竞争 较为充分,产品单价较低,约为 2000 元/吨左右。根据《一种高性能风电机组基 础灌浆料配制试验研究》,目前国内生产灌浆料的商家达几百家,年产量近百万吨。

海上风机主要形式可分为桩基础、重力式基础、吸力桶基础和浮式基础等,其 中,单桩、多桩导管架、高桩承台基础等是桩基础最常用的形式。导管架基础,由于重量轻、海床地质条件适应性好、稳定性好、适合较深海域, 广泛应用于欧洲海上风电场,是海上风机塔筒与水下桩基的重要连接段。灌浆连接是导管架结构的关键部分,决定导管架整体的稳定性。灌浆连接可以 减少焊接结构带来的应力集中和疲劳,起调平作用,是海上风机支撑结构与桩基础 连接的典型方法,灌浆连接段是海风导管架基础结构承上启下的关键部位。因此, 灌浆质量直接影响到导管架的整体稳定性能、安全性能。

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海上风电导管架基础,多采用先桩法导管架基础,步骤分为沉桩作业→安装导 管架→灌浆连接,采用泵送压浆的方式将灌浆料自下而上灌注到海平面以下的连 接段。对于灌浆材料而言,则需要具备较强的可靠性、安全性和耐久性,在保证较 高强度的同时,还要维持较高的流动黏稠性和高度稳定性。

2 风电灌浆料的市场空间

2.1 风电前景是决定性因素

全球风电装机容量持续提升,海上风电结构性优化。2011-2021 年全球风电 装机容量从 40.9GW 提升至 93.6GW,10 年 CAGR 达 8.62%;其中,海上风电 装机容量占比从 1.4%提升 21.1pct 至 22.5%。根据 GWEC 预测,2021-2026 年, 全球风电装机容量 CAGR 将保持在 6.6%,到 2026 年提升至 128.8GW,其中海 上风电占比将达到 24.4%。

欧洲新增风电装机创历史新高。2021 年,欧洲新增风电装机 17.4GW,同比 7.6%,创年度新增纪录,风电累计装机容量 207GW。其中,海上风电 2021 年 新增装机 3.3GW,占比 19.5%,累计装机容量为 28GW,占比 13.5%。

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欧洲各国加速布局海风装机进程。由于天然气、电价的急剧上涨,欧洲各国为 摆脱对俄罗斯的能源制约,计划上规模建设海上风场。2022 年 5 月,丹麦、德国、 比利时与荷兰的政府在“北海海上风电峰会”共同签署联合声明文件,计划将北海 打造成欧洲的“绿电中心”,承诺到 2050 年,四国的海上风电装机增加 10 倍,从 目前的 16GW 提高至 150GW,其中,到 2030 年达到 65GW。

未来 5 年欧洲海风装机年复合增长率预计达 14.8%。根据欧洲风能协会 发布的《欧洲风能:2021 年统计与 2022―2026 年展望》,2022- 2026 年,欧洲预计新增风电装机 116GW,其中,海上风电合计新增装机 27.9GW ,对应 5 年分别新增海上风电装机容量 3.5GW、4.4GW、4.1GW、 5.4GW、10.4GW,年均新增 5.6GW,较 2021 年的海上风电年新增装机量提升 65%。按国家来看,2022-2026 年海风装机新增方面,英国增装机容量 10.8GW、 德国、荷兰、法国、丹麦、波兰、 爱尔兰、意大利和比利时。

2013-2021 年,国内风电新增装机容量从 14.5GW 增长至 47.6GW,8 年 CAGR 达 16.02%,其中新增海风占比从 0.3%提升至 35.5%,增速超过全球。陆风“抢装潮”:新增海风装机量占比呈现稳步提升,但 2020 年大幅下降, 主因 2020 年是陆风最后的补贴年限,带来陆风抢装潮,2020 年同比增长 189%, 2021 年高位回落。海风“抢装潮”:2021 年是海风补贴电价最后一年,全年海风新增装机量达 16.9GW,同比增长 452.3%,海风累计装机规模 26.4GW,居世界第一。

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2.2 海风灌浆料市场空间测算

根据我们的测算,到 2026 年全球海风灌浆料需求量达到 59 万吨,对应 29.4 亿元市场空间,中国市场空间为 14.7 亿元。假设 2026 年全球海风装机量 31.4GW,中国装机量按占比 50%测算为 15.7GW;考虑自然环境及施工类型不同,单个海上风电机组使用灌浆料 50-100 吨,取平均值 75 吨/个;假设单个海风机组装机量平均值 4MW,每 GW 海风装机量对应 250 个 机组;国产厂家海风灌浆料价格为外资企业的 80%左右, 测算得到 2026 年全球、中国海风灌浆料市场空间分别为 29.4 亿元、14.7 亿元。

3 风电灌浆料的行业格局

3.1 第一个阶段:外资主导

海上复杂环境带来更严格的灌浆料要求。灌浆连接部分不仅要承担风机自身 叶片、风机自身旋转以及塔筒造成的负载,还要承受来自环境的波浪力、潮流力、 船舶撞击力,需要解决防潮水、防海浪、软弱地基、海水腐蚀、快速施工等问题, 因此,在材料选择、制备工艺、设备要求、施工质量方面,都具备更严格的要求。技术壁垒高,供应较为集中。灌浆料的特点包括:大流动性、抗离析可靠性和 稳定性、高早期强度、高最终强度、高弹性模量、高体积稳定性、高抗疲劳性能、 低水化热等。由于国外技术封锁,导管架灌浆连接技术无法直接引入中国,主要市 场份额由外资龙头德国巴斯夫(Basf)、瑞士西卡(Sika)、丹麦迪西脱(Densit)占据。

2020 年 10 月,巴斯夫化学建材被 Lone Star收购后,正式变 更为迈伯仕集团,总部位于德国曼海姆,旗下的主品牌包括 Master Builders Solutions®, PCI®, Thermotek®, Wolman®, Colorbiotics® 和 Watson Bowman Acme®,业务聚焦建筑系统、外加剂系统领域,覆盖 60 多个国家,在全球建立 130 多个生产工厂。其中,Master Builders Solutions 主要提供高性能地板、混凝土修复和保护、高性能灌浆等产品,为建筑施工、 地下工程,地坪、维护、修复和翻新项目提供材料和解决方案。

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西卡成立于 1910 年,聚焦特殊化学品领域,产品涵盖混凝土外加剂、防水卷 材、防水涂料、涂料、加固与修补材料、密封胶以等,广泛应用于建筑、汽车 等领域。2021 年 11 月,西卡以 52 亿欧元收购前巴斯夫建筑化工公司迈伯 仕集团,提升西卡在建筑领域的地位,预计在 2022H2 正式接管 MBCC 集团。

丹麦 Densit 成立于 1983 年,专注于近海和陆上基础灌浆,主要产品包括高 性能灌浆料,广泛用于风能、船舶、石油和天然气等多个行业。2007 年,Densit 品牌被美国 ITW Performance Polymers 收购。公司的 Ducorit 产品是一种 可泵送的超高性能胶凝材料,专为海上灌浆而开发,通过添加石英砂或铝土矿等,产品被分为五个种类:S1、S2、S5R、S5 和 D4,具备较高的强度和 出色的疲劳性能、快速固化能力、有限收缩特性。

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根据全国能源信息平台数据,2021 年国内海上风电典型造价约为 16000 元 /KW-18000 元/kW,其中,海上风电机组及塔筒的造价占比最高,达到 51%;其 次是风机基础及施工,占比达到 19%,约为 3040 元/kW-3420 元/kW。

与陆上风电相比,海上风电运维难度较高、成本更高。海上风电机组运行条件 较为恶劣,设备故障率较陆风更高,发生故障后需要进行海上作业,包括运维人员 布置、设备补充、船只供应等,不但需要支付昂贵费用,还受海上风速、风向、潮 汐等气候条件影响。此外,海风机组发生故障甚至停机后,必须等待适合的气候条 件才能进行海上作业维修,被迫延长风电机组的停机时间,造成更大的发电量损失。根据 2020 年发布的《浅谈海上风电场运维成本管控》中对海风运维数据的统计分 析,海风运维成本是陆上风电的 2 倍,在度电成本中占比高达 25%-40%。

3.2 第二个阶段:国产替代具备潜质

与陆风相比,海风基础灌浆的材料要求更高、施工特殊,例如,要求海风灌浆 料无粗骨料、无纤维增强和常温养护,并且风机基础灌浆材料需要具备大流动性、 高早期强度、高最终强度、水下不分散、高耐久性高抗疲劳等性能。根据 2021 年发布的《超高强水泥基灌浆材料力学性能尺寸效应》,国内海风 项目起步较晚,灌浆材料市场被少数国外大的厂家垄断,材料采购、技术支持、售 后服务均受限,风机基础灌浆料仍主要依赖进口,成本较高。对大部分国内企业而 言,海上风机基础高强灌浆料研发和制备尚处在起步阶段,适用于海上海洋工程的 超高强灌浆料寥寥无几,有相关工程应用经验的更少,研发设计大多参照国外品牌 材料的性能、标准,而国内外关注灌浆料的要求规范存在差异,力学性能试验方法 及试件尺寸均有所不同。

但近年来,国内企业技术突破、产品开始投入应用,目前已有部分国产产品, 具备较高性价比、较为完善的售后服务网络,可对标进口产品性能。例如,中交港 湾、苏博特是国产灌浆料的代表性企业。海风灌浆料供应商一般需要获得技术认证,例如苏博特是国内首家,通过中国 船级社 CCSC 认证的海风灌浆料供应商。CCSC 标志认证,是中国船级社质量认证有限公司开展的产品认证业务之一,用加施 CCSC 标志的方式,表明产品符合相 关的质量、安全、性能等认证要求,认证范围涉及新能源设施设备、交通设施设备、机械设备、 电力设备、电器、电子产品、纺织品、建材等 100 多种产品。CCSC 标志认证重点 关注:安全、性能等直接反映产品质量和影响消费者人身和财产安全的指标,旨在 保护消费者利益,促进提高产品质量,降低国际贸易壁垒。

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船检认证/认可/检验是指船级社根据国际惯例和其船舶入级与建造规范,对于 船舶,海上设施和集装箱所用的产品,实施在认可的基础上进行检验发证的制度。中国船级社认证根据船级社 2018 年《产品检验规则》,有关程序和要求包括一个 途径,两个原则,两种认可,四种检验,四种证书。

3.3 苏博特、中交港湾,填补国产空白

苏博特积极拓展风电灌浆领域。2019 年 5 月,苏博特“高强风电灌浆 料的开发及应用”科技成果顺利通过鉴定,公司研发出下落高度 1.5m 条件下、28 天水陆强度比≥70%的水 下抗分散高强灌浆料,常温下 28 天抗压强度大于 140MPa 超高强风电灌浆料, 具有低粘度、自密实、高弹模、无收缩、高抗疲劳和高耐久的技术特性。苏博特自主研发的 JGM-SP 风电基础灌浆料系列产品,解决流动性调控、力 学性能提升、变形性能调控、耐久性提升、水下抗分散等技术难题,形成自 80MPa~200MPa 的完善产品系列,具有自流找平、高强耐久、微膨胀填充、对钢 材无锈蚀等特点,可广泛用于陆地、潮间带及海上风电场风机、升压站等具有高强、 高耐久要求的设备基础安装工程的灌浆和调平。

苏博特是国内首家,通过中国船级社 CCSC 认证的海风灌浆料供应商,产品 应用于福建南日岛、福建平海湾、中水电如东等海上风电项目,西华豫能陆上风电, 南海某油气平台等大型项目建设,公司已与三峡新能源、中广核新能源、国家能源 龙源集团等央企建立长期的战略合作关系。

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苏博特的风机基础灌浆料,被广泛应用于国内众多有代表性的海风工程。例如, 2017 年苏博特完成,福建南日岛 400MW 大型海上风电工程的全球首台Ⅲ型单桩 嵌岩桩水下灌浆;2020 年苏博特完成 30 米水深福能三川平海湾 F 区 200MW 海 上风电场项目中的、全球最大直径嵌岩单桩首桩灌浆工作。

中交港湾科技有限公司,创立于 2016 年,是中交上海三航科 学研究院有限公司的全资子公司。公司以海上风电导管架灌浆连接技术为基础,创 立优固特®品牌的 UHPG、SKG、SPG 和 KLG 等多个系列专利产品,提供海上风 电灌浆系列及其配套专业设备、特种施工,是国内海上风电灌浆行业的专业服务商。公司拥有十余套海上风电灌浆专用设备,掌握负压筒基础回填灌浆、高桩承台 锚栓高强灌浆、植入桩嵌岩水下灌浆,以及各类风电基础导管架水下灌浆等专业技 术。2019 年,中交港湾发布“海上风电导管架灌浆料产品开发与导管架灌浆施工 技术”,在“2019 中国海上风电工程技术大会”中获得优秀工程施工奖。目前,中 交港湾掌握十余项灌浆料相关专利。

中交港湾 UHPG-120 型导管架灌浆料产品打破国外垄断,填补国内空白。2020 年 12 月 3 日,优固特品牌 UHPG-125、UHPG-130、UHPG-140、KLGX、SPG-II 系列产品,获得中国船级社 CCSC 产品认证,获得专利 5 项,参编标 准 3 项,获得交通部一级工法 1 项。截至 2021 年 9 月,优固特产品累计销量超 过 5 万吨。

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