海通國際: 風(fēng)電與光伏領(lǐng)域的金屬用量梳理

未來風(fēng)能和太陽能主導(dǎo)可再生能源

據(jù)國際可再生能源機構(gòu)(IRENA)，要在能源轉(zhuǎn)型中實現(xiàn)能源和氣候變化目標(biāo)，到2050年可再生能源將需要提供全球能源供應(yīng)的三分之二。到2050年，可再生能源的比例將增長到85%，主要是通過風(fēng)能和太陽能光伏發(fā)電的增長。預(yù)計2050年風(fēng)能發(fā)電約20000TWh/yr,占全球發(fā)電量36%;光伏發(fā)電約10000 TWh/yr，占全球發(fā)電量22%。

永磁體電機的市場份額保持高位

陸上和海上應(yīng)用的風(fēng)力渦輪機主要有兩種技術(shù):直接驅(qū)動和變速箱。

變速箱配置提供中速(> 80 rpm)和高速(> 900 rpm)兩種選擇的驅(qū)動器。由于變速箱很重，且需要維護(hù)，所以其市場競爭力較弱。

直驅(qū)式渦輪機分為：永磁電機(PMSG)（例如，西門子和通用電氣(GE.US)），和勵磁同步發(fā)電機(EESG)(例如， Enercon直驅(qū)式渦輪機)。其中，勵磁同步發(fā)電機(EESG)是在沒有永磁體的情況下工作的。直驅(qū)永磁體渦輪機通過消除齒輪箱，減小尺寸，從而減小渦輪機的整體重量，提高發(fā)電效率。降低維護(hù)成本。未來，直接驅(qū)動渦輪機還可能基于高溫超導(dǎo)體(HTS)。此技術(shù)可以減少重量而提高性能，也能節(jié)省釹和鏑的消耗，不過該技術(shù)還在研發(fā)中。

市場份額看，永磁直驅(qū)電機的市場份額會逐漸擴大。盡管永磁體價格昂貴且金屬密集，但它們非常適合海上環(huán)境。并且大多數(shù)替代品效率較低且性能不佳。海上風(fēng)電方面，預(yù)計永磁直驅(qū)電機市場份額會繼續(xù)擴大，未來穩(wěn)定在60%的市占率;齒輪箱永磁體市場份額稍有減少，未來穩(wěn)定在10%的市占率。即海上風(fēng)電的永磁體電機未來都會保持在70%左右的市占率，進(jìn)而帶動稀土磁材的需求。

陸上風(fēng)電方面，永磁體的滲透率會從目前30%提升至2050年50%。因此，無論海上風(fēng)電或陸上風(fēng)電，永磁體技術(shù)的市占率都相對較高。

風(fēng)力渦輪機中使用的材料和未來需求

據(jù)世界鋼鐵協(xié)會(World Steel Association)的數(shù)據(jù)，全世界大約85%的風(fēng)力渦輪機主要由鋼制造。在渦輪機自身中，鋼平均占總質(zhì)量的80%。除了主要由鋼板制成的塔架之外，變速箱，發(fā)電機和渦輪變壓器也主要由鋼和不銹鋼組成。

鋁用于生產(chǎn)耐久但重量輕的部件，例如渦輪機塔架，機艙，和電纜。銅主要用于發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子部分的線圈繞組，高壓電力電纜導(dǎo)體，和變壓器線圈。

鉛用于海上輸電中的電纜護(hù)套。

稀土和硼用于永磁體渦輪機。大多數(shù)直驅(qū)渦輪機，以及部分帶有齒輪箱的技術(shù)設(shè)計，都配備了永磁發(fā)電機，這種發(fā)電機通常含有釹和少量鏑。平均而言，一個永磁體含有28.5%的釹，4.4%的鏑，1%的硼和66%的鐵，重量達(dá)4噸。在渦輪塔內(nèi)的磁鐵中也有少量稀土元素，用于固定內(nèi)部裝置。

在過去的30年中，風(fēng)力渦輪機的裝機量顯著增長。風(fēng)能產(chǎn)生的能量在很大程度上取決于渦輪機的尺寸。產(chǎn)能的增長基本上是通過更高的旋翼，更高的塔架和更長的葉片實現(xiàn)的。增加風(fēng)能系統(tǒng)的尺寸會導(dǎo)致原材料消耗的增加，在鋼，鋁和聚合物材料中更加明顯。例如，將轉(zhuǎn)子尺寸從90 m增加到150 m，鋼的總消耗量從200 t增加到620t，這相當(dāng)于增加了200%。鋁和聚合物材料的消費量也分別增長了約150%和250%。

據(jù)IRENA，2020年全球風(fēng)電裝機量約為1000GW。樂觀預(yù)計，到2050年陸上風(fēng)電全球裝機量為6000GW，海上風(fēng)電全球裝機量為1400GW，總計風(fēng)電裝機量為7400GW。即未來30年，年均裝機量增速約7%。假設(shè)DD-PMSG直驅(qū)永磁同步電機市占率為60%，GB-PMSG變速永磁同步電機市占率為40%。那么自2021年到2050年，風(fēng)電裝機共耗銅1395萬噸，耗鋁600萬噸，耗鐠釹97萬噸，耗鋱3萬噸，耗鎳25萬噸。

光伏以晶體硅(c-Si)技術(shù)為主導(dǎo)

太陽能光伏目前基于4個技術(shù)：基于晶片的晶體硅(c-Si)，即單晶硅或多晶硅;碲化鎘(CdTe);銅銦鎵二硒化物(CIGS);非晶硅(a-Si)。后三種技術(shù)統(tǒng)稱為薄膜技術(shù)，薄膜技術(shù)中使用的材料吸收光的效率是c-Si的10-100倍。當(dāng)前光伏技術(shù)的市場份額為：硅 95.4%，碲化鎘 2.4%，銅銦鎵二硒化物 1.9%，非晶硅0.3%。薄膜技術(shù)占當(dāng)前市場份額的4.6%。據(jù)JRC樂觀預(yù)計，到2050年薄膜技術(shù)的市占率近25%。

光伏中使用的材料和未來需求

據(jù)IEA，2020年光伏新增裝機量為107GW，預(yù)計2021年為117GW，2022年為150GW。據(jù)IRENA樂觀預(yù)計，到2050年全球太陽能光伏裝機量為13000GW。到2023年風(fēng)電+光伏的裝機量將超越天然氣，2024年超越煤炭。

隨著光伏技術(shù)發(fā)展，材料消耗會稍有降低。預(yù)計到2050年，1GW光伏新增裝機消耗銅4200噸，鋁6800噸，硅2000噸。那么自2021年到2050年，光伏裝機共耗銅5418萬噸，耗鋁8772萬噸，耗硅2580萬噸。

風(fēng)險提示：光伏、風(fēng)電裝機量低于預(yù)期。

本文選編自“海通國際研究部 HAI”，作者：海通國際研究部；智通財經(jīng)編輯：韓永昌。