M!anyagipari stratégia
A globális szénszálas m!anyag (CFK) piac 2013-ban* Jahn, Bernhard** projekt m$építész
A szénszál piac megítélését a CARBON COMPOSITES (CCeV) és az INDUSTRIEVEREINIGUNG VERSTÄRKTE KUNSTSTOFFE E.V. (AVK) közös piaci jelentése alapozta meg, melyet az olvasók és a szervezetek tagjai pozitívan és elégedetten fogadtak. A jelentés szénszálas részében szerepl! információkat és számokat a CCeV tagok bocsátották rendelkezésre. Ez összességében 44"ezer"tonna/év szénszál kapacitást jelent, ami a világ 2012. évi szénszál termelésének kb. 40%-a. E.V.
1. A globális szénszál piac A 2013. évi piaci jelentéshez további információkat használtunk fel, ezzel az el!z! évi számokat pontosítottuk. Az adatok ezért térnek el a korábbiaktól. Visszatekintve, a 2012 el!tti években nagyobb volt az igény, mint 2012-ben. 2015-ig valamivel kisebb kereslet várható, ami valójában nagyobb, 13% feletti növekedési arányt jelent (1. ábra).
1. ábra. Globális szénszál kereslet tonnában 2008-2020 között (*becslés)
A 2011-ben és 2012-ben bejelentett kapacitásnövelések, az általunk rendelkezésre álló számok szerint, nagy részben megvalósultak, illetve a cégek megkezdték piaci pozícióik meger!sítését (2. ábra): –#a TORAY 2013-ban 21 100 tonna saját szénszál kapacitást épített ki, –#az orosz ARGON LTD. és az ALABUGA 1500 tonna/év kapacitást épít ki, mindkét cég kezd!nek számít ezen a területen,
2. ábra. Szénszál kapacitások gyártók szerint tonnában 2012ben [1–3]
–#a TACKWANG INDUSTRIAL CO. Ltd. (Ulsan, Dél-Korea) 2012 márciusában kezdte a szénszálgyártást, és ezt 2013-ban 1500 tonna/év kapacitással üzemeltette, –#a HYOSUNG kb. 2000 tonna/év kapacitású gyárat indított a dél-koreai Jeonju városában, –#a KEMROK INDUSTRIES AND EXPORTS LTD. kapacitása id!közben 650 tonna/év mértékben b!vült, –#a ZOLTEK CORPORATION bejelentett beruházási terve szintén teljesült, a 2013. évi összkapacitás 17 600 tonna/év, –#a kínai gyártók id!közben 12 000 tonna/év szénszál kapacitással rendelkeznek, ami 2020-ra kb. 22 000 tonnára fog n!ni. A f! szerepl!k: JIANGSU FIBERS MATERIALS CO. LTD. (3500 tonna), ZHONGFU SHENYING CARBON FIBERS Co. LTD. (3200 tonna), DALIAN XINGKE CARBON FIBERS CO. LTD (1670 tonna), WEIHAI TUOZHAN FIBERS CO. LTD. (2150 tonna), –#az SLG csoport átvette a FISIPE portugál szálgyártó 86%-os részesedését. Ezzel a szénszál- és a szénszállal er!sített m$anyagok (CFK) gyártása pótlólagos nyersanyagforrással egészül ki, –#az MRC, a MITSUBISHI CHEMICAL HOLDING 100%os leányvállalata befejezte a TK INDUSTRIES szervezését, mely egy Németországban letelepült szénszál multiaxiális szövet gyártó. 2013-ban 111 500 tonna elméleti szénszál összkapacitás adódik. „Diverz” alatt az orosz, a dél-koreai és az in-
*A
www.avk-tv.de honlapon található 2013. évi kompozit piaci jelentést fordította és sajtó alá rendezte dr. Macskási Levente okleveles vegyészmérnök **Carbon Composites e.V., 86159 Augsburg, Alter Postweg 101., Deutschland
2014. 51. évfolyam 4. szám
147
M!anyagipari stratégia
3. ábra. PAN alapú szénszál kapacitások megoszlása régiók szerint 2013-ban [4]
5. ábra. Szénszálas m!anyag gyártó eljárások/félkésztermékek megoszlása 2012-ben [1, 4]
diai új kapacitásokat foglaljuk össze. Ezekhez Japánban, az USA-ban és Kínában kereken 4000 tonna/év Pitschalapú szénszál kapacitás járul. A legnagyobb szénszál kapacitások egyenként 23–24%-kal az USA-ban, Európában (Törökországot is beleértve) és Japánban találhatók. Ezek jelentik a világ kapacitásának 70%-át. Kína id!közben részesedését 11%-ra növeli. A maradék 19% Tajvan, Dél-Korea, Oroszország, India és Mexikó között oszlik meg (3. ábra).
gek dominálnak. Az összes gyártott szénszál 54%-át prepreggé dolgozzák fel, ebb!l 42% uniaxiális és 12% szövet. A karbon/szénszálak 5%-ából fonal készül, melyekb!l impregnálással (pl. RTM) CFK alkatrészeket gyártanak. A szálakat fonal/háló formájában alkalmazzák. A rendelkezésünkre álló adatok és információk lehet!vé teszik, hogy az ez évi piaci jelentésben az alkalmazási területeket részletesen elemezzük, azaz itt a forgalmat ennek viszonylatában mutatjuk be. Továbbá, a legfontosabb alkalmazásoknál a regionális megoszlást is tárgyaljuk. Összességében szemlélve, a szénszálak legnagyobb mennyiségét (23%), azaz 43 500 tonnát, ahogy korábban is, a széler!m$vek lapátjaihoz használják. Szorosan ezt követi a repülés és védelem 18%-kal, majd a sport és szabadid! 17%-kal. Az öntés és kompaundálás terület 12%-ot tesz ki (6. ábra).
2. A globális szénszál kompozit piac A gyártott szénszál mennyiség dönt! részét (>97%) a legkülönböz!bb fajtájú er!sít! anyagokká dolgozzák fel, ezért a szénszál kompozit piac a szénszál piaccal párhuzamosan fejl!dik. A tonnában megadott adatok, a mátrixrészesedés miatt, a szénszál er!sítés$ m$anyagoknál természetesen nagyobbak. A szénszál mennyiség 95%-át szénszállal er!sített m$anyaggá (CFK) dolgozzák fel. A további er!sít!anyagok szén, kerámia vagy fém alapúak. Ezeket az anyagokat speciális területen alkalmazzák, pl. repül!gépek vagy járm$vek fékberendezéseinél (4. ábra).
6. ábra. Globális szénszál felhasználás megoszlása 2012-ben [1]
4. ábra. Globális szénszálas m!anyag igény tonnában 2008– 2020 között (*becslés)
A szénszállal er!sített m$anyag nyersanyagok/gépelemek el!állításnál különböz! gyártási eljárásokat alkalmaznak, melyek különböz! szálas anyag félkésztermékekhez szükségesek (5. ábra). A 2012. évi helyzethez képest csak lényegtelen a változás. Ahogy korábban is, a szénszál er!sítés$ m$anyag elemek gyártásánál a prepre148
Az ezeken a területeken használt szénszálak forgalma, 2,034 milliárd dollár, nem egyenletesen oszlik el a különböz! alkalmazásban. A repülés és védelem területén a mindössze 18%-os mennyiség a forgalom 40%-át jelenti. Ez a magas költségekre és a rendkívüli min!ségi követelményekre, egyedi engedélyekre és vizsgálatokra vezethet! vissza. A legnagyobb mennyiséget a széler!m$veknél való felhasználás (23%) jelenti, kb. 13%-os forgalommal. A harmadik legnagyobb piaci szegmens a sport/szabadid! (17%) 11%-os forgalommal (7. ábra). A felhasznált szénszál mennyiség területi megoszlása az egyes gazdasági régiók szénszálas m$anyag aktivitását és fejl!dését tükrözi. A diverz szénszálas m$anyag projektek alapján, a repül!gépiparban, melyek a legna2014. 51. évfolyam 4. szám
7. ábra. Globális szénszál forgalom (dollár %-ban) alkalmazások szerint 2012-ben [1]
gyobb repül!gépgyártóktól kapnak lendületet, a világszerte felhasznált szénszál mennyiségb!l a repülés és védelem területén Európában 46%-ot, az USA-ban pedig 33%-ot alkalmaznak (1. táblázat). 1. táblázat. Szénszál felhasználás területi megoszlása a különböz! szegmensekben 2012-ben százalékban [1] Földrész/ Repülés és Sport és Széler!m" ország védelem szabadid! Európa 74 46 4 Észak-Amerika 15 33 6 Ázsia 11 6 86 Japán 10 3 Egyéb 5 1
Autóipar 56 26 4 14
A sport/szabadid! szegmensben, az árnyomás miatt, valamint, hogy ezen a területen tömegtermelés folyik, a szénszál mennyiség 86%-át dolgozzák fel (1. táblázat). A mennyiségileg legnagyobb széler!m$ berendezések piaci szegmensben a szénszál mennyiség dönt! részét Európában dolgozzák fel. A széler!m$vek f! gyártói ugyanis ide települtek, ami a 74%-os szénszál felhasználásban is szembet$nik (1. táblázat). A második legnagyobb régió itt az USA 15%-kal. Az ázsiai hányad a jelenlegi 11%-ról 2020-ig 15%-ra b!vül, ami dönt!en az európai termelés áttelepítését jelenti. A globális szénszál mennyiség az autóiparban a nagy autógyártó nemzetekre/régiókra, mint Európa (56%), Észak-Amerika (26%) és Japán (14%) oszlik meg (1. táblázat). 3. Trendek, kilátások és kockázatok Az elemz!k a szénszál piacot, mint korábban is, nagy növekedési potenciállal rendelkez!, szolid piacnak jósolják. Legalább 13%-os, optimista becslés szerint pedig 17%-os éves növekedésb!l indulnak ki. 2012-ben kb. 65 000 tonna szénszál er!sítés$ m$anyagot értékesítettek a diverz piaci szegmensekben. Ez az els! szemléletmód alapján 10,3 milliárd dolláros, az optimista becslés 2014. 51. évfolyam 4. szám
szerint pedig 14,6 milliárd dolláros forgalomnak felel meg. Aszerint, hogy miként fejl!dik a piaci szegmens, az elemz!k 2020-ra 25,2 milliárd dolláros, illetve 36 milliárd dolláros forgalmat várnak. A nagy különbség a piac nagyságában azon alapul, hogy az ár- és a mennyiségi növekedést az egyes piaci szegmensekben csak különböz!képpen lehet megbecsülni. A szénszál- és a szénszállal er!sített m$anyag piac növekedési potenciálja pillanatnyilag a négy nagy szegmensen, a széler!m$ berendezések, a repülés és védelem, a sport/szabadid!, valamint az autógyártás szegmenseken alapul. A mennyiségileg legnagyobb széler!m$ berendezéseknél 2020-ig négyszeres mennyiséggel lehet számolni, míg a forgalom a költségnyomás és a feltétezett költségcsökkentési lehet!ségek miatt „csak” megháromszorozódik. A 2012. évi 9500 tonnára alapozva (a 2012-ben világon beépített szélenergia teljesítmény 280 GW, ebb!l Európa 110 GW), 2020-ra 36 000 tonna összmennyiséggel számolhatunk (8. ábra). A növekedés ebben a szegmensben területenként eltér!en alakul. Európa, mint a legjobban növekv! régió számára (az összmennyiség 74%-a, 2012-ben kb. 7000 tonna), az éves növekedést 17%-nak prognosztizáljuk. USA és Ázsia együtt 26%-ot tesz ki, ami 2012-ben kb. 2500 tonna szénszál mennyiségnek felelt meg. Ezekben a régiókban nagyobb éves növekedés is lehetséges, azaz 20%-os (USA) és 24%-os (Ázsia) értéket feltételezhetünk (2. táblázat). A repülés és védelem piaci szegmenst a repül!gépipar formálja nagyon er!sen. A következ! 20 évben pl. szignifikáns növekedéssel számolunk az új repül!gépek rendelésállománya alapján. 2011 és 2030 között az AIRBUS
8. ábra. Kisméret! szélturbina rotorja 100%-ban UV-álló szénszálas m!anyagból (Forrás: All Small Wind Turbines)
149
M!anyagipari stratégia 2. táblázat. Szénszál felhasználás tonnában különböz! alkalmazási területeken [1] Év 2010 2011 2012 2013* 2015* 2020* *becslés
Széler!m" 7 000 8 000 9 000 11 500 16 000 36 000
Repülés és védelem 6 000 7 000 8 000 9 000 13 000 23 000
Sport és szabadid! 6 600 7 400 7 700 8 200 9 400 12 200
Autóipar 2 000 2 200 2 400 2 600 4 600 22 500
27 800 új repül!géppel, míg a BOEING 33 500 géppel számol (9. és 10. ábra). Ezen a piaci területen 2012-ben 8100 tonna szénszálat használtak fel. Évi 14%-os növekedést feltételezve, 2020-ig mintegy 23 000 tonna lesz az igény. Az Európa/USA régió 2012-ben 6400 tonna szénszálat használt fel, azaz a mennyiség 79%-át. Ennek megoszlásában 2020-ig nem lesz említésre méltó változás (2. táblázat).
9. ábra. Szénszál és alumínium alkalmazása repül"gép motorban (Forrás: Indy Transponder)
A harmadik tartópillér a globális szénszáler!sített m$anyag üzletben a sport/szabadid! piaci szegmens. Egy olyan területr!l van szó, ami a szénszál- és a szénszáler!-
10. ábra. Véd"felszerelés szénszálas poliamidból (Forrás: EMS-GRIVORY)
150
11. ábra. Szénszálas „veloszipéd”
sített m$anyag iparnak éveken keresztül elegend! lehet!séget kínál (11. ábra). Végül ez is oka volt annak, hogy ez az ipar a válságos éveket túl tudta élni. 2012-ben mintegy 7800 tonna anyagot használtak fel, ami a két említett piaci szegmenshez viszonyítva egyenérték$nek tekinthet!. A következ! években, más f! alkalmazási területekkel összehasonlítva, jóval kisebb mennyiségi növekedéssel (6%) számolhatunk. 2020-ra kb. 12 000 tonnás igényt prognosztizálunk, ami a negyedik helyezést jelenti. A forgalom ezen a területen kétségkívül nem a mennyiségekkel arányosan változik. Mivel a sport/szabadid! szegmens er!s árnyomás alatt áll, az éves forgalomnövekedés 2020-ig csak 3%-ra tehet! (2. táblázat). A korábbi adatokkal szemben, a szénszál mennyiségre az autógyártás területen az el!z! évben jóval kisebb értékek adódtak. Ennek oka valószín$leg az, hogy a nagy OEM-ekt!l terhelt számadatokat kaptunk. Mivel ez a terület mennyiségileg még ma is nagyon kicsinek számít, csak néhány száz tonnás változások tekinthet!k jelent!snek, ahogy az a másik három szegmensnél fennáll. Az általános súlycsökkentés, a CO2 flottakibocsátásbüntet!számok, a könny$építés, az E-mobilitás, a nyomásálló edények (Audi-projekt: Power to Gas) témák motiválják jelenleg az autógyártás területét. Ezek, ahogy korábban is, a legnagyobb hajtóer!k voltak, és jöv!beli piacoknak tekinthet!k a szénszálak és a szénszálas m$anyagok számára (12. ábra). 2012-ben ebben a szegmensben 2150 tonna szénszálat használtak fel. Az elemz!k kb. 34%-os éves növekedéssel számolnak. Ez a növekedés már csak azért is lehetséges, mivel viszonylag alacsony szintr!l indul ki. 2020-ra mintegy 23 000 tonna szénszálat fognak felhasználni ezen a területen. Ez azt is jelentené, hogy 2020-ig ez a piaci szegmens a kis mennyiség$b!l a top háromba ke2014. 51. évfolyam 4. szám
12. ábra. Szénszálas m!anyagból készül a Continental GT lökhárítója (Forrás: Extravaganzi)
rülne. A CNG autótankhoz felhasznált szénszál mennyiséget még nem vettük figyelembe. A szakma valójában egyetért abban, hogy ez a forgatókönyv csak akkor jut érvényre, ha az autóipari területen a szénszállal er!sített alkatrészek költsége 20–30 euró/kg alkatrész értékre csökken. A költségcsökkentési potenciált az anyagfelhasználás (max. 5% 2010-hez képest) és az alkatrészgyártási folyamat (max. 90% 2010-hez képest) jelenti. Ha a feltételezett költségcsökkentési potenciált növelni lehetne, az OEM-ek árelképzelése elérhet!vé válna. A szénszáler!sített m$anyag nyersanyagok nagyüzemi szériagyártásának akkor már semmi sem állhat az útjában (2. táblázat). 4. Következtetések A globális kompozit piacnál, mely 2012-ben kb. 76 milliárd eurót jelentett, 6%-os éves növekedésb!l indulunk ki. A szénszáler!sített m$anyagok piacánál, mely a kompozit piacnak csak egy kis része, ezzel szemben 13–17%-os növekedéssel számolunk. A társadalmi konszenzushoz régóta hozzátartozik, hogy a rendelkezésre álló nyersanyagokkal er!forrás-kímél! módon kell bánni. Kulcskérdés, hogy ebbe az energiával való bánásmódotot bevonják. Azaz, hogy az energiát termeljük, felhasználjuk vagy tároljuk, a nagyteljesítmény$ száler!sített nyersanyagok könny$szerkezet$ potenciálja minden esetben a lehet!ségek sokféleségét kínálja, és ezért jelent!s a hozzájárulása az energiahatékonyság növeléséhez. A szénszáler!sített m$anyagok hosszú élettartama, valamint ezek kombinációja a hagyományos könny$szerkezet$ nyersanyagokkal további alkalmazási területeket nyit meg. A könny$szerkezetre törekv! intelligens kombináció, és az acél szénszáler!sített m$anyaggal való integrálása tekintetében, ökológiailag és ökonómiailag ésszer$ anyagkombinációkat lehet megadni. Az elkövetkez! évek egyik megatrendje az er!forráskímél! városi mobilitás/közlekedés, hangzott el a CCeV autóipari fórumán 2012-ben. A könny$ építési mód a leg-
2014. 51. évfolyam 4. szám
több közlekedési eszköznél az id! parancsa. A súlycsökkentés hozzájárul mind a költségcsökkentéshez, mind az üzemben tartás hatékonyságának növeléséhez. A szénszál er!sítés$ m$anyag itt is egy kiváló lehet!ség, minden más nyersanyaggal szemben kerül a mérleg serpeny!jébe. Az alkatrészek optimális szénszáler!sített m$anyaggal történ! tervezése az acéllal szemben 70%, az alumíniummal szemben 30%-os súlycsökkenést eredményez [2]. Érezhet! ökológiai és ökonómiai hatást azonban csak akkor lehet elérni, ha a könny$szerkezetes építésmódot kiterjedten fogják alkalmazni. Ehhez a szénszál er!sítés$ alkatrészek ipari szériagyártásra alkalmas gyártási folyamata, és ezzel a gyártás automatizálása elengedhetetlenül szükséges. Ezek a feltételezések arra, hogy a szénszál er!sítés$ m$anyagokat kiterjedten használjuk az autógyártásban. A termoplasztikus mátrixot tartalmazó szénszál er!sítés$ m$anyag nagyon fontos szerepet vesz át. Az akarat és a szükségesség, hogy ezekkel a m$anyagokkal intenzíven dolgozzunk, a neves gépkocsigyártókat (AUDI, BMW, DAIMLER, TOYOTA és VW) arra ösztönözte, hogy kooperációkat és leányvállalatokat hozzanak létre a szénszál iparral [4]. Az ár/teljesítmény arány dönti el, hogy milyen nyersanyag vagy anyagkombináció, milyen alkalmazási területen érvényesül. Itt a jöv!ben dönt! jelent!ség$ek lesznek az ökológiai szempontok a tisztán gazdaságiakkal szemben. A pozitív piaci kilátások visszatükröz!dnek az els! piacélénkülés eredményében, melyet a német kompozit ipar négy nagy szervezete – AVK, CCeV, CFK VALLEY STADE és VDMA FORUM COMPOSITE TECHNOLOGIE – 2013 februárjában tagjaival végrehajtott. A saját üzleti fejl!désüket pozitívnak vagy nagyon pozitívnak ítélik meg. Anyagoldalról lényeges növekedési impulzus várható a szénszál er!sítés$ m$anyagoknál, követve az üvegszál er!sítés$ m$anyagokat és az anyagon átnyúló területeket. Alkalmazási oldalról lényeges növekedési impulzus látszik a gépkocsigyártás részér!l, a légiközlekedési és a szélenergia iparág mellett. Források
[1] Carbon Fibers & Carbon Reinforced Plastics (CFRP) – A Global Market Overview, Industry Experts – Ausgabe 2013. [2] Carbon Fibers & Composites-Ascent to Industrial Engineering Materials – Bayern Innovativ, SGL Group, 05.05.2011. [3] Kohlestofffaserverstärkte Thermoplaste für Strukturbauteile in der Luftfahrtindustrie – thermocomp, TohoTenax Europe GmbH, 06.2011. [4] The Carbon Fiber Industry worldwide 2011–2020, Materials Technology Publications, Ausgabe, 2012.
151
