發佈日期:2016-01-29

台灣碳纖維產業發展分析及研究

作者:羅濟威

前瞻研究碳纖維鑽石模型Carbon FiberDiamond Theory

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圖一 全球碳纖維需求預測

資料來源:Carbon Composites e.V., 2015

全球碳纖維產業概況

就全球碳纖維產業來說,日本在碳纖維製造的領域上,無論是技術或是生產力皆領先於世界各國,因此像東麗集團(Toray)、東邦(Toho)、三菱(Mitsubishi)這前三大碳纖維供應商皆為日本廠商(圖二),其中東麗的生產規模占全球的33%,為全球最大的碳纖維供應商,此外該公司也掌握最高強度以及最高模量碳纖維生產技術(永虹先進材料,2015)。東麗產品早期以小絲束的碳纖維產品為主,但2013年併購以生產大絲束的美商Zeltek後,產品線趨於完整,目前產品規格已成為同業產品之標準。該公司也與波音公司於2014年簽訂新的供應協定,在未來的十年內將獨家供應波音新型777X客機「TORAYCA Prepreg」碳纖維複合材料,訂單總值高達86億美元。該公司也積極擴大碳纖維產能,除了擴大位於韓國以及美國分公司產能外,2015年宣布墨西哥廠的產線擴大,意味著該公司除了以往以高價的航太碳纖維供應外,現階段更積極的開拓使用大絲束碳纖維為主的汽車市場。在汽車市場部分,東麗主要之策略為鞏固高架超跑市場後再以此為基礎進入一般汽車市場(Toray, 2015)。

而東邦公司產品則以供應民航機所使用的高階碳纖維為主,在2015年碳纖供應市場佔了8%,該公司著眼於汽車市場需求日益擴大,積極與美國通用公司(GM)合作參予熱塑性CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)的發展,並於2011年確立了製造量產車部件的1分鐘內成型技術,此外於2014年更宣布熱可塑碳纖維增強樹脂基複合材料(CFRP)「Sereebo」的汽車部件「進入量產的最終階段」(高田憲一,2015)。

三菱於2015宣佈合併旗下的三菱麗陽(聚丙烯晴(PAN))及三菱樹脂(瀝青類)碳纖維業務,以因應未來日漸成長的汽車市場以及熱固化CFRP的市場,該公司認為未來汽車業之需求主要在歐洲的汽車廠商,其原因在於日益嚴格的燃放規定,目前該公司已成為德國寶馬的純電動汽車「i3」主要的碳纖維供應廠商,同時該公司也積極投入熱可塑性CFRP之研發上。

除了上述廠商外,美國的Hexcel則以開發及製造航空用高強度碳纖維為主要產品,該公司也為空中巴士(Airbus) A350XWB以及波音787型客機的碳纖維供應商,此公司為擴大產能,預計於2015年在法國設立新廠,並於2018年運轉,以供應日益龐大的市場需求(Hexcel, 2015)。而德國的SGL的產品以大絲束碳纖維產品為主,近來則與BMW及Volkswagen合作積極推動汽車相關業務。觀察這些廠商的發展後發現,目前碳纖維的產品已由早期運動類產品轉而進入汽車、能源、工業及建築相關應用,而各廠產品皆積極投入擴廠以因應日益龐大的需求,其中汽車與工業所需使用之大絲束碳纖維需求量也日益增加,為此東麗在2013年對Zoltek併購動作,更是將原有只生產小紗束的產品擴展的更為全面,就2015年而言大紗束產品占當年碳纖維生產的27%,並持續增加中。

圖二 2015年全球碳纖維產業產能

資料來源:永虹先進材料, 2015;本研究整理

台灣碳纖維產業概況

台灣碳纖維產業在結構上相當完整(圖三),位於上游的台塑企業具有完整的垂直整合生產優勢,不僅具有碳纖維製備技術且也掌握PAN原絲技術,其所屬之碳纖維業務佔全球第四大產出,該公司自1986年設立以來,經不斷的進行去瓶頸以及製程改良,產品品質逐漸與碳纖大廠趨於同一水準,到了2012年,年產量已可達8,750噸,但台塑企業所生產的產品仍以普通碳纖維為主,僅TC-42S以及TC-55產品為中模數碳纖維,近來受到使用端需求的影響,也逐漸開發相關大絲數的產品。在中游以預浸料以及編織材相關產業為主,其中,長興、南亞、巨翰、上緯等廠商主要出產各種預浸料,不僅生產用於民生工業的預浸料產品,同時也生產特殊規格產品,如航太以及能源用途。另外碳纖編織工業則將碳纖維絲編織成各種規格的布,主要的廠商為福懋,台灣電緣、協技、勝鵬等廠商,而下游端的相關廠家為數眾多,包含建築-巨翰、航太-漢翔及拓凱、3C產品-塑茂、自行車-偉而達等,各種碳纖維相關產品均有相對應的廠家,依靠上、中及下游的連結,這使得台灣的碳纖維產業鍊強健且完整(逢甲大學碳纖維產業研究中心,2015)。

圖三 臺灣碳纖維產業鏈結構

資料來源:逢甲大學碳纖維研究中心,2015;本研究整理

台灣碳纖維在2014年主要的出口前三大國家為中國大陸、英國以及南韓,其中中國大陸一直為我國出口大宗,歷年的平均出口比例往往佔當年出口比例的60%左右,2014年則佔了碳纖維總出口的62%,總金額為3,000萬美元,這顯示我國碳纖維出口對於中國大陸的依存度高。更值得注意的是,近年中國大陸積極推動碳纖維相關技術以及產業的發展並供給於國內的需求,事實上,由表一可看出,中國大陸雖然仍在我國出口國家的首位,但輸出量卻逐年減少,雖然目前中國大陸碳纖維與我國在技術以及品質上仍有一段差異,但仍不可輕忽其可能帶來的影響。而在碳纖維進口方面,日本為我國碳纖維進口的主要國家,在2014年由日本進口碳纖維的金額為748萬美元,其中大部分屬於高階碳纖維產品。

表一 2010-2014年台灣碳纖維進出口值

資料來源:財政部關務署,2015

台灣碳纖維鑽石模型分析

本文依Michael E. Porter提出的鑽石模型分析 台灣於碳纖維的國家競爭優勢(圖四),作者認為國家一個國家的產業要在國際競爭中脫穎而出,須具備鑽石模型的中的(a)生產要素(Factor Conditions)、(b)需求條件(Demand Conditions)、(c)相關與支援產業(Related and Supporting Industries)、(d)企業策略、結構與競爭對手(Firm Strategy, Structure&Rivalry),四個要素的優勢,而當產業具備某項要素的優勢時,往往也會影響並改善其餘要素,此外(e)機會(Chance)以及(f)政府(Government)因素的交互作用下,則能更進一步的刺激企業的調整以及升級。

圖四 鑽石模型

資料來源:Wikipedia, 2015

a.生產要素:

(1) 人力

由於教育的普及,台灣勞動力素質良好,雖勞動力成本相較大陸、東南亞等新興領域為高,但仍低於歐美等先進國家。但面臨的問題則是專業技術以及研發上人才的斷層,此外還有基層勞動力不足之問題。

(2) 原料

製造碳纖維所需之丙烯睛是由台塑自行生產製造,並具備生產丙烯睛原絲的能力,但最前端之石油原料則需仰賴進口,此為不利之因素。

(3) 技術

已具備普通型碳纖維生產技術,但高階碳纖維生產技術較為落後。

(4) 基礎建設

交通建設發達,高速道路、捷運、鐵路、高鐵、飛航發展完善。

b.需求條件:

全球碳纖維市場需求目前仍以每年年複合成長率14.8%穩定成長,目前碳纖維市場需求主要受到以下幾項因素影響而帶動:

(1) 順應當前節能省碳潮流,輕量化以及高效能相關技術以及產品日益受到重視,也帶動碳纖維市場需求。

(2) 各國對汽車廢氣排放的限制將趨嚴峻,可望帶動車體輕量化的碳纖維需求持續擴大,推估2020年車用碳纖維需求將達2014年度(約7,000噸)的3倍以上水準,台塑集團碳纖維事業也可望受惠。

(3) 碳纖維應用範圍逐漸增大,從早期的用於航太以及運動方面的應用,逐漸擴增到汽車、消費性電子產品以及建築方面的應用,使得需求增加。

(4) 隨著運動休閒習慣的推廣,帶動自行車、護具等運動相關市場需求。

(5) 風力再生能源的發展,尤以需要質輕且堅固的離岸風力發電扇葉,將在未來大量被製造。

(6) 工業使用之大型機懸臂的發展,在未來將會選擇碳纖維材料取代金屬,以減少耗能及負擔。

c.相關與支援產業

(1) 台灣碳纖維產業鏈完整,從上游的丙烯睛原絲以及碳纖維製造、中游的編織、預浸(材)布製造以至於下游端汽車、航太、運動產品的各項應用,已形成一完整聚落。

(2) 台灣運動休閒風氣盛行,帶動自行車、登山等器材之需求,進而促成下游碳纖維產業之活絡,並帶動整個碳纖維產業鏈。

(3) 台灣具產業群聚優勢,能夠快速支援相關產業,達到具備快速反應能力。

d.企業策略、結構與競爭對手

(1) 國際

全球研究的發展策略上,則隨著區域不同而有不同的策略。美國作為碳纖為使用量最大的國家,一直致力於碳纖維的研發,研發模式以各研究單位與業界合作案為主,就整體來看,研發項目主要以汽車工業相關應用以及低價碳纖維生產技術為主;在歐洲,則專注於汽車相關應用及能源議題的應用,因此各大車廠皆有碳纖維相關開發案的執行,其目的為增加燃油效率,輕量化車體,嘗試將碳纖維用於車廂、外殼等主要的結構,此外各研究機構也與產業連結,共同推動各種汽車工業輕量化相關研究。

在亞洲,則以碳纖維大廠如東麗、東邦以及三菱的研究為主,其項目包括熱塑產品以及奈米碳纖維的研究,而在澳洲,則以低成本碳纖維製造以及生質基碳纖維製造為主。而在全球碳纖維的應用上,航太以及國防的應用以歐洲銷售最高其次為美國,而在能源方面,碳纖維在風力發電的應用研究,歐洲相關技術領先各區域,這與歐洲一直以來致力於可再生能源以及環保相關議題的研究有觀,而在亞洲,運動產品相關技術則在全球占居領導地位,至於汽車產業,受到歐洲各大車廠皆投入碳纖維相關技術影響,在加上在歐洲以有具規模的碳纖維供應商,使其領先於其他區域。

(2) 國內

反觀國內台塑為最大之碳纖維製造商,雖無同業競爭的問題,但當前產品仍以普通碳纖維產品為主,而相關高階碳纖維製造技術仍在發展中,目前此公司則與上緯合作發展風力發電相關產品,並在未來計畫進入汽車市場中,但相較於國際大廠進度仍然還須加緊腳步跟上。永虹先進材料則為一新興的碳纖維製造商,其產品主要為中高階碳纖維,其品質已達國際大廠之標準,惟目前產量較少,但後續的發展值得注意。

e.機會

(1) 輕量、節能政策的推動

有鑑於全球資源的枯竭以及碳排放量的增加,各國紛紛制定相關的規定以抑制此問題的惡化,在歐洲,能源使用效率相關政策日益嚴格,在美國,新的車輛平均油耗標準(Corporate Average Fuel Economy Standards, CAFE)規格也越來越高。 而汽車及相關運輸工具的輕量化能有效的解決此問題。有鑑於此,各大車廠皆進行碳纖維用於汽車構建的研究,此外各大車廠為了確保碳纖維供應穩定以及共同改善量產技術(如:RTM樹脂轉注成形),也開始與碳纖維供應商合作設立專門供應汽車零組件的工廠,如東麗與戴姆勒汽車於2011年合資成立EuroAadvanced Carbon Fiber Composites,SGL與BMW於2010年成立Automotive Carbon Fibers,而東邦則在2011年底與通用汽車簽訂協定,在台灣,則與上偉合資成立公司,初期將產品放在能源產業相關產品,而最終也希望能夠跨足汽車市場。

(2) 永續能源的使用

永續能源的使用及相關研究一直為各國所重視,其中離岸風力發電是種較為可行的方式,但發電效率一直是個待解決之問題,為解決此問題,機具的大型化將是必然之結果,這使得扇葉尺寸也隨之變大,一般來說,用於建置7MW級的大型化離場風力發電機組,葉片長度將長達70米長,這表示扇葉需要使用更輕且更堅固的材料才可抵抗風扇運轉時巨大的應力,因此舊有的玻纖材料將會被碳纖所取代。

f.政府

政府在產業環境的塑造方面,積極推動經濟合作協議,在兩岸方面有海峽兩岸經濟合作架構協議(ECFA),將碳纖維納入早收清單項目,而WTO的簽訂對於碳纖維輸出中國有著極佳關稅優勢,有助於大量輸出碳纖維的我們,另外我國也與星、韓、菲、日、馬來西亞、越南、紐、澳洲、歐盟、南非、美及瑞士等國簽訂了貨品暫准通關證協定或執行議定書,以便利業者從事商業往來、參加商展及爭取商機,在碳纖維技術研發上,政府於98年9月共同成立「碳纖維複合材料研發聯盟」,其目的在鍵結國內台灣碳纖維產業與國際接軌,而在2015年產業技術白皮書 則將碳纖維納入「高性能纖維與紡織基礎技術」項目中,使一般模數碳纖維進入至中高模數的高附加價值市場,提升產品附加價值率達30%以上。此外小型企業創新研發計畫(SBIR)、在石化產業高值化的推動都有助於帶動碳纖維產業的升級並提升其競爭力。

結論

在全球節能議題以及綠色替代能源的持續發酵下,全球對碳纖維及其複合材料需求大增,而台灣具備了全球規模第四大的台塑企業,製造上游PAN原料、原絲以及碳纖維,並結合中游之預浸布、預浸材廠以及編織廠,下游的成型廠、加工廠以及末端的品牌應用形成完整的碳纖聚落,此外優良的勞動素質,以及自主性的研發,加上各種經濟合作協議的推動,都使得台灣在碳纖維的發展上具有一定的優勢,然而隨著中國大陸強勢的推動碳纖維的發展,雖品質還未臻一流,但仍使我國碳纖對其出口逐年減少,隨之而來的還有南韓、土耳其、俄羅斯以及印度等國家皆投入其中,這將影響我國在碳纖維的輸出。

面對這逐漸逼近的挑戰,我國碳纖維在發展上建議可朝向(1)低價碳纖製程技術以及(2)高階碳纖維產品發展,在低價碳纖製程方面,由於碳纖維售價昂貴,使得在應用上受到限制,而大絲束碳纖的發展則可有效的降低碳纖維生產成本,此外大絲束碳纖維適用於汽車、能源機件以及各種工業應用之領域,也恰巧符合碳纖維應用自以往的運動以及國防領域轉為汽車以及民生工業領域的演進趨勢。另外低成本木質素基碳纖維製程技術的發展也日趨成熟,此項技術的發展則可大幅減少因PAN碳纖維原料之成本造成售價偏高的問題,在未來碳纖維的發展上,是項值得關注的技術。

在高階碳纖維的製造上,則建議發展高附加價值之中高模數碳纖維製造技術。由於高模數碳纖維因具有輕量化以及高性能的特性,其應用廣泛,包含航太產業、風力發電、自行車、工程用途、電子產業等,均逐漸提升產品的設計比例,而使得需求增加了,但相對的供應方面則受到少數幾家廠商所壟斷。此外,高階碳纖維相較於一般碳纖維價格差異甚大,以中模數碳纖維產品為例,其價格約為低模數碳纖維價格的兩倍以上,而高模數的差異就更大。若能及早投入相關技術研究,則可使台灣在未來高階碳纖維市場競爭中,佔有一席之地,並能增加產業的高值化。而在應用領域上,台灣現階段在技術層次及利潤都最高的航空領域中尚嫌不足,因此建議除了鎖定將市場定位在龐大商機的風力發電扇葉以及汽車及工業用途產業,此外可結合台灣既有且揚名國際的電子通訊、消費性電子產品、船舶等相關的應用。而在人才的培育上,因碳纖維的生產技術壁壘較高研發費時,若能夠成立專案計畫以及促成產學合作案件,若能藉由設立研究中心協助推廣以及培養技術研發人才,將有望解決碳纖維人口斷層的問題。

參考文獻

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  4. Wikipedia. (2015). Diamond model. In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Diamond_model&oldid=660907884
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  6. 逢甲大學碳纖維產業研究中心(2015)。台灣碳纖維產業的現況。檢自http://www.ccfi.fcu.edu.tw/wSite/ct?xItem=186381&ctNode=37413&mp=398401&idPath=17661_37410
  7. 高田憲一(2015)。熱可塑性CFRP能否在汽車領域開花結果?日本三大碳纖維廠商戰略各不相同。檢自https://big5.nikkeibp.com.cn/news/neve/73509.html?start=1