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氢能源新材料行业深度报告:质子交换膜及碳纤维

发布时间:2022-04-18 19:43:39 来源:欧宝手机注册 作者:欧宝官方网址下载

 

  在“碳中和”的背景下,世界各国政府做出了 NZE(近零排放)的承诺。氢能作为零碳燃 料,具有储量丰富、热值高、零污染、可存储、来源广泛等优点,逐渐被人们关注。在全球各 国政府相继出台政策扶持氢能产业的背景下,政策端的利好有望带动需求量的井喷,进而推 动氢能产业链相关企业充分受益;

  制氢:目前世界上最常见的制氢方法是化石能源制氢,包括焦煤气重整制氢、工业副 产氢以及天然气制氢(也被成为灰氢或蓝氢)等,而与之相对的则是在制氢过程中无 排放无污染的电解水制氢,因其对环境友好的特点,故被人们称为绿氢;

  储运:由于目前我国制氢产地较为分散,同时氢气的储存和运输面临“氢脆现象”的 考验(指金属材料因为长时间在富氢环境中发生吸氢、氢渗等现象造成机械性能下降 从而发生脆断的现象),氢气的储运也自然而然成为了人们关注的话题。目前主要有 四种氢气储运方式:高压气体储运、低温液态储运、固态稀土储运以及有机液体储运;

  加氢:加氢站加氢是目前燃料电池汽车最主要的加氢途径。加氢站以自身的氢燃料储 备服务周围区域,而充足的加氢站覆盖范围亦能加速燃料电池汽车的推广应用。氢气 压缩机是加氢站的核心装备之一,是通过压缩空气实现气体输送的设备,目前氢气压 缩机主要分为液体活塞式氢气压缩机、隔膜式氢气压缩机以及离子压缩机。

  目前氢能产业链路线众多,尚处于产业发展前期,仍存在制氢成本较高、储氢运氢困难 以及加氢站覆盖少等问题。因此,为了扶持氢能产业的发展,我国出台了一系列氢能相关的 产业政策来扶持相关领域的发展。

  目前世界主要发达国家和地区,如美国、日本、韩国和欧盟等均出台了相关政策促进氢 能产业的发展。日本高度重视氢能产业的发展,提出了“成为全球第一个实现氢能社会的国 家”的目标,并先后发布了《日本复兴战略》、《能源战略计划》、《氢能源基本战略》和 《氢能及燃料电池战略路线图》等政策条例,详细规划了实现氢能社会战略的技术路线;

  中央重视氢能产业发展,出台政策推进产业发展:目前氢能战略规划已被归为我国重要 的能源战略,并将成为我国优化能源消费结构和保障国家能源供应安全的战略选择。尽管氢 能及燃料电池技术早在 2006 年就被写入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006- 2020)》中,但 2014 年以前氢能都处于试验推广阶段。2014 年,我国发布了《能源发展战 略行动(2014-2020 年)》,氢能与燃料电池被归为能源科技创新战略方向,标志着氢能正 式进入产业化阶段。2016 年,我国氢能产业总产值达到 1,800 亿元。2019 年 3 月,“推动 充电、加氢等基础设施建设”被写入《政府工作报告》,这是氢能源首次被列入《政府工作报告》,氢燃料电池的发展自此迈入了新的阶段。2020 年 9 月,我国在联合国一般性辩论及相关产业、技术被多次提及。

  随后,财政部、发改委等五部门联合印发燃料电池示范应 用通知,进一步明晰了燃料电池汽车及氢能供应的奖励条件。021 年 9 月,《2030 年前碳达峰行动方案的通知》以及《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意 见》发布,其中提到了“统筹推进氢能‘制储输用’全链条发展”、“推动加氢站建设”以 及“推进可再生能源制氢等低碳前沿技术攻关”等重要举措。2021 年 9 月、2022 年 1 月, 财政部十五个部门联合发布了《关于启动燃料电池汽车示范应用工作的通知》,将广东、 北京、上海列为首批示范城市,郑州、张家口列为第二批示范城市,氢能应用进入提速阶 段。2021 年 10 月以来,国家密集出台“

  双碳”相关政策,包括《关于完整准确全面贯彻新 发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》、《2030 年前达到碳达峰行动方案的通知》、 《综合运输服务“十四五”发展规划》和《“十四五”工业绿色发展规划》等,加速推动氢 能、加氢站以及燃料电池汽车的发展;2022 年 3 月,发改委出台了《氢能产业发展中长期 规划(2021-2035 年)》,我国氢能产业发展进入了新阶段。

  地方政府氢能产业发展行动规划密集出台。产业规划方面,江苏、浙江、天津、四川、上 海等省市发布了推进氢能产业的专项规划。江苏省于 2019 年发布了《江苏省氢燃料电池汽车 产业规划》,计划在 2025 年之前完成 50 个加氢站,氢燃料电池汽车 4,000 座,固定发电站500 座。浙江省 2021 年发布了《浙江省能源发展“十四五”规划(征求意见稿)》,提出到 2022 年完成建设加氢站 50 座,推广氢燃料电池车 1,000 辆,实现产值 100 亿元的目标。天 津、四川等省市提出到 2025 年,实现加氢站 60-70 座,氢燃料电池 6,000、10,000 座,产值 1,000 亿元的目标。

  另外,值得注意的是,随着北京冬奥会的临近,北京政府出台了一系列氢 能相关的产业政策鼓励氢能发展。2017 年北京发布了《北京市加快科技创新培育新能源智能 汽车产业的指导意见》,着力在整车耐久性、续驶里程和燃料电池使用寿命等领域取得突破。此外,北京市围绕燃料电池汽车开展规模化示范应用,在冬奥会和冬残奥会的各项赛事上推 进制氢、加氢等环节核心技术的运用。冬奥会期间,绿色环保的氢燃料电池汽车将承担接驳 等赛事保障服务,延庆区也将开发氢燃料电池公共交通线路;

  目前我国在氢能产业发展上存在着缺乏体系和标准、主管部门缺位、法律法规不健全等 问题。因此要大力发展氢能,必须对相关标准体系、法律法规以及示范试点区域进行统一规 划管理;加快建立全面系统的氢能产业标准;有效的对企业、高校和科研院所在制氢、纯化、 储运、使用等技术领域的研究给予支持,为氢能技术的应用和发展奠定质量基础;

  氢能源产业规划和补贴政策相较于锂电池产业更加理性克制,体现出我国在运用产业鼓 励政策的方法上更加的娴熟。此外,虽然氢能在补能时间、重量等方面相较于锂电有较大优 势,但囿于成本、氢气体积等因素,无法真正取代锂电池在乘用车领域的地位;尽管如此, 在特定场景下,氢能在商用车上的 TCO(全周期成本)一样可以持平燃油车。因此通过合理的 产业政策,氢能产业将更为有序健康的发展。

  氢能的传统需求情况:全球氢能需求自 2000 年以来强劲增长,2020 年全球氢气需求大 约为 9000 万吨,自 2000 年以来增长 50%。目前大部分的需求几乎都来自于精炼环节和工业 用途;其中 2020 年精炼环节消耗 3,840 万吨的氢气作为原料,在这过程中氢气也承担了部分 燃料的需求。在工业合成领域,氢气的需求同样十分旺盛,2020 年氢气在工业合成领域的消 耗超过 3,000 万吨,大部分都用作原料。而氢能在其他领域的应用进展则相对缓慢;

  氢能需求结构即将迎来调整:根据 IEA 的预测,燃料电池、能源发电和合成燃料的需求 将成为未来氢能应用的重要领域,这些改变正将氢气从一个工业生产的原材料转变为新能源 社会中必不可少的组成部分。根据 IEA 统计,目前用于燃料电池的氢能大约占全球氢能需求 的 0.02%,而用于能源发电和合成燃料的氢能需求同样占比很低,而在 2050 年,IEA 预计用 于燃料电池、能源发电以及合成燃料的氢能消耗将分别占到全球氢能总需求的 23.2%,19.2% 和 14.2%。而与之相对的则是氢能的传统使用场景,如精炼和工业合成领域,在 2050 年将下 滑至 5.9%、21.9%。随着氢能使用结构的调整,相关产业将迎来更大的发展机遇;

  未来氢能需求预测:根据 IEA 预测分析,考虑全球共同宣言承诺的场景下(悲观情况), 全球氢能总需求将在 2030 年达到 1.28 亿吨,在 2050 年达到 2.57 亿吨。而在考虑全球净零 排放(NZE)的场景下(乐观情况),全球氢能总需求将在 2030 年达到 2.29 亿吨,2050 年达 到 5.31 亿吨。具体到我国,根据中国氢能联盟的估计,到 2030 年,我国氢气需求量将达到3,500 万吨,在终端能源体系中占比 5%。到 2050 年,氢能在我国终端能源体系中的占比将至 少达到 10%,届时氢气需求量将接近 6,000 万吨;

  总结:氢能尚处于产业化刚刚落地的阶段,具有较大的想象空间和发展空间;但我国氢 能产业未来具体技术路线、生产工艺和应用场景尚未敲定,因此也存在较大的不确定性。而 通过国家和地方的氢能产业政策的正向扶持,行业需求得以快速增长,内部需求结构发生调 整,进而牵动了产业链中新材料的应用。而相关新材料,如上游制氢环节以及下游用氢环节 使用的质子交换膜、中游环节的储氢用高强度碳纤维等,也将迎来快速发展的机遇期。(报告来源:未来智库)

  从氢能行业层面来看,质子交换膜主要用途为燃料电池和电解制氢。燃料电池本质上就 是水电解的逆反应装置,其中核心部件双极板的原材料就是质子交换膜。而电解制氢路线中, 有质子交换膜(PEM)和碱性电解槽两种方法,两种方案各有优劣。据 2020 年我国各制氢路 线占比数据显示,水电解法制氢的产量占比不高(仅占 0.03%)。具体到水电解,2015 年以 来,质子交换膜法制氢的比例增速明显高于其他电解方式,但其产能占总电解水制氢产能比 例仍不高(31%)。

  根据产业界反馈,目前质子交换膜的国内供给仍然不足,大部分需求方仍旧使用进口膜, 这与国产化替代节奏较慢有关。随着下游需求的井喷和上游原材料生产企业突破技术瓶颈, 国产质子交换膜的生产成本降低,预计质子交换膜的国产化率将进一步提升。

  质子交换膜主要特性:质子交换膜按照含氟量分为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新 型非氟聚合物膜、复合膜等。目前全氟质子交换膜(全氟磺酸膜)由于其优秀的热稳定性、 化学稳定性、较高的力学强度以及较高的产业化程度而得到广泛应用。全氟质子交换膜主要 应用在氯碱工业、燃料电池、电解水制氢、储能电池等领域。目前全氟质子交换膜是主流的 技术,产业化程度较高;

  质子交换膜产业链梳理:质子交换膜由于其工艺流程复杂而具有了极高的技术壁垒,全 氟质子交换膜的制备需要以带有磺酸基的全氟乙烯基醚单体、四氟乙烯为原材料,通过共聚 获得全氟磺酸树脂,然后进一步制备生成全氟质子交换膜。用于制作质子交换膜的全氟磺酸 树脂技术壁垒较高,需要企业在原料选择、合成工艺等方面有较好的技术与经验积累。全氟 磺酸树脂的主要玩家有:美国杜邦、美国 3M、美国戈尔、比利时索尔维、日本旭化成等。目 前国内全氟磺酸树脂市场的主要生产厂家为东岳集团、科润,有项目在研的厂家有:上海三 爱富、巨化集团等少数企业,但产能较小,无法批量供应市场。截至 2020 年,科慕(原主体 为美国杜邦)、索尔维、旭化成三家占据了全球 90%以上的产能,国内对全氟磺酸树脂进口依 赖度高达 99%;

  比对海内外企业质子交换膜的售价,可以发现质子交换膜的价格有较大的下降空间。目 前国产质子交换膜主要通过主动压低价格来获得竞争优势,如果实现国产化替代,预计将降 低质子交换膜的价格 30%-40%。同时近年来随着技术突破,国产质子交换膜的寿命逐年递增, 单位时间的质子交换膜的成本也随之下降。通过拆解科慕 Nafion 质子交换膜成本结构可以发 现,技术工艺占总生产成本的 85%。我们相信,随着大规模的生产,质子交换膜的平均成本可 以有效降低;

  受景气度反转影响,国内老牌企业开始全产业链布局,新入局玩家纷纷发布扩产计划。根据国内外主要质子交换膜公司的主要产品特性来看,国内公司中,东岳集团进展最快。2004 年东岳集团联合上海交通大学研发出质子交换膜,性能对标同类产品;2014 年至 2016 年,东 岳集团质子交换膜寿命从 800 小时增长到 6,000 小时,其研发的 DF260 膜已经成熟并量产。

  东岳未来规划的 150 万平方米燃料电池膜和配套化学品产业化项目正在建设,同时配套建成 年产 50 吨离子膜的全氟磺酸树脂生产装置,一期项目(50 万平米)已于 2021 年投产;江苏 科润目前已经能够实现质子交换膜的小批量供货,目前科润集团拥有两条全氟离子膜生产线 万平米;国家电投旗下的武汉绿动氢能目前已经完成 30 万平米的质子交 换膜生产线 微米的质子交换膜;此外,浙江汉丞、东材科技等公司均有年产 30 万平米以上的质子交换膜项目或计划落地。上述企业通过研发投入,率先实现质子交换膜的国产化,预计将在产业竞争中获得先发优势;

  综上分析,我们认为,以下几点有助于质子交换膜行业保持较好的竞争生态,利好先行 者:

  技术壁垒:原材料制备难度大,要实现大规模制备全氟磺酸树脂,使其满足工业生产标准 具有较大难度。其中主要难点包括树脂的链结构、交换容量、分子量的调控;成本可控的 同时保证化学稳定性、机械强度、电化学性能等条件均满足下游应用需求;(以东岳未来 为例,历经多年研究,东岳未来生产的质子交换膜寿命从 2014 年的 800 小时提升到 2020 年 6,000 小时,大大降低了使用的综合成本,具有较高的技术壁垒)

  资质壁垒:质子交换膜下游应用厂家对交换膜性能要求严格,由于膜电极的质子传导率、 厚度和稳定性直接影响燃料电池的综合性能,因此下游厂家对供应商有严格的准入认证。例如 AFCC 公司的认证,对于所有应用于燃料电池汽车的元器件都有严格的规定和要求, 尤其是燃料电池膜,更是有几十项鉴定指标,因此具有较高的资质壁垒;

  环保壁垒:由于氟化工是重污染、高能耗的行业,因此全氟磺酸树脂和全氟质子交换膜的 生产加工需要严格的环保审核,政府对高能耗的氟化工企业限制政策较多,在双控政策的 影响下,后发者要进入行业需要经过复杂的环境评测;

  资金壁垒:由于质子交换膜的车间生产条件要求严格,全程需要严格无尘无水,对设备需 求较高,需要配备全自动的连续成膜设备,因此对整体资金投入要求较高。(2018 年东岳未来立项建设氢燃料电池产业项目,投资近 10 亿元建设氢燃料电池质子交换膜的基地, 用于购买质子交换膜生产、检验以及配套的研发、试验设备,建设时间约 5 年)

  技术、资质、环保和资金所构筑的综合性壁垒将有效阻挡新玩家入场,有利于行业整体 竞争环境,且国内企业面对的是海外企业的竞争,国内厂商更多是竞合关系,相关企业完成 预研后可以通过产能扩张快速降低成本,进一步提高自身竞争力。

  目前质子交换膜的下游应用领域主要包括燃料电池、质子交换膜制氢(PEM 制氢)、全 钒液流电池以及氯碱工业等领域。其中,氯碱工业使用的是全氟羧酸树脂,与另外三类不同, 因此下面将就除氯碱工业以外的其他三块业务(燃料电池、PEM 制氢、全钒液流储能)分析质 子交换膜的需求:

  燃料电池是下游核心消费领域:质子交换膜在燃料电池中主要用于双极板的制作,按照 Mairai 公司每年生产 3000 套系统时的成本估算,单车质子交换膜成本可达到电堆总成本的 15%以上。截至 2021 年年底,燃料电池汽车销售量不到 2,000 辆(1,852 辆),但国家产业政 策明确指出要使用燃料电池汽车替代传统燃油重卡等车型,并通过以奖代补的方式给予相关 车型补贴。根据中国氢能联盟给出的总体目标路线图,将来燃料电池汽车发展分三步走:近期目标(2020-2025 年)达到 5 万辆/年,中期目标(2026-2035 年)达到 130 万辆/年,远期 目标(2036-2050 年)达到 500 万辆/年。到 2025 年,中国 氢燃料电池汽车保有量将达到 10 万辆,2030 年氢燃料电池汽车保有量将达到 100 万辆,2050 年氢燃料电池汽车保有量将达到 3000 万辆;

  根据上述分析,我们预计,到 2025 年,燃料电池用质子交换膜的国内总市场空间将达到 9 亿元,到 2030 年国内总市场空间将达到 67 亿元,到 2050 年燃料电池用质子交换膜的总市 场空间将达到 2400 亿元。

  电解制氢潜力十足:目前氢能的主要生产方式是灰氢(焦煤气净化和工业副产氢)和蓝 氢(天然气制氢),但由于灰氢对环境造成较大程度的污染,各国政策都在大力扶持绿氢(电 解制氢),预计未来氢能的制取将完成从灰氢到绿氢的过渡。而在过渡过程中,制氢成本始 终是人们考虑的重要问题,目前电解制氢主要分为碱性电解法和质子交换膜法,下面将通过已有的三种装置(NEL 公司碱性电解槽、Mcphy 公司碱性电解槽,GINER 公司 PEM 槽)就如何 降低制氢成本进行探讨;

  电解氢成本结构分析:电力支出占到了电解制氢 50%的成本,因此要降低电解制氢的成 本,首先就要降低电力支出的成本。在恒定的电力输出 情况下,度电价格在 0.6 元左右时,碱性电解成本为 40 元/kg,PEM 电解制氢成本在 48.5 元 /kg,电解制氢的单位成本较高。而度电成本下降至0.1元时,碱性电解成本下降到9.2元/kg, PEM 电解制氢成本下降到 20.5 元/kg。通过拆解三种不同装置制氢成本结构,可以发现不管 是碱性电解还是 PEM 电解,电力成本都占比超过 50%。因此,控制度电成本,将有效降低制氢 成本;

  考虑到电力成本是决定电解制氢成本的关键因素,下面将从常规电力电解制氢以及可再 生能源电解制氢两种情形下分析碱性电解法和质子交换膜法的经济性:

  常规电力情况下的经济性分析:小规模情况下,质子交换膜与碱性电解槽成本差距较 大;大规模情况下,差距缩小,但质子交换膜的成本始终高于碱性电解槽。这是因为虽然规 模效应摊平了固定投资,但 PEM 制氢的过程催化剂铂的价格过高导致整体制氢成本偏高,从 而在电源平稳输出的情况下经济性一般。

  使用可再生能源进行储氢的情况下的成本:PEM 电解制氢的优点是响应速度快、在电 力输出极端条件下(低于 20%负载或 150%最大负载以内)仍可正常使用。考虑到可再生能源 的输出功率变化较大、处于低负载和高负载区间的时间较长的特点,因此在实际使用中使用 PEM 作为可再生能源电解储氢的经济性在现有技术条件下反而可以超过碱性电解法制氢;

  电解氢市场规模预测:到 2025 年中国电解制氢装 机量将达到 10GW,到 2050 年将达到 500GW。其中 PEM 电解氢在市场中占比将于 2050 年达到 40%,届时 PEM 制氢的总装机量将超过 200GW;

  根据上述分析,我们预计,到 2025 年,PEM 制氢用质子交换膜的国内市场空间将达到 2 亿元,2030 年国内市场空间将达到 8 亿元,2050 年 PEM 制氢用质子交换膜的市场空间将达 到 305 亿元。

  全钒液流电池未来可期:全钒液流电池是一种安全高效、富有潜力的储能装置,且由于其 安全可靠的液流系统,较之目前主流的储能电池——锂离子电池的使用寿命更长(全钒液流电池一般具有 20 年生命周期、6 万次充放电次数)。随着其应用场景逐渐增多,成本逐渐下 降,相信全钒液流电池在未来将会有更多的应用空间。目前大部分的全钒液流电池正负极电 解液之间使用的薄膜正是杜邦公司开发的 Nafion 系列质子交换膜。未来随着全钒液流电池的 推广,质子交换膜在全钒液流电池上的应用规模也会不断增长;

  目前储能方式中,液流电池储能占比较小,未来需求增长较快。目前主流的储能技术包括 抽水蓄能、锂离子储能技术等,液流电池储能技术占比不高。根据统计,我国 2020 年全钒液 流电池储能项目规模在 100MW 左右。此外,根据《关于加快推动新型储能发展的指导意见》 提出的发展新型储能电池的目标,GGII 预计到 2025 年液流电池装机量将超过 1000MW;

  根据上述分析,2020 年全钒液流电池用质子交换膜的国内市场空间0.4 亿元,我们预计,到 2025 年,全钒液流电池用质子交换膜的国内市场空间将达到 2 亿元。

  质子交换膜由于其优良的特性,成为了燃料电池、PEM 电解法以及全钒液流电池的重要组 件,而由于其制备过程具有较高的门槛导致质子交换膜的供给有限,行业竞争格局良好。随 着质子交换膜的成本伴随国产化替代和规模效应而不断下降,下游应用的不断拓展导致需求 抬升,增量市场下,行业内有相关技术储备和产能规划的企业将获得更大的发展机遇;

  燃料电池汽车 2020 年销量 1,177 辆,2025 年燃料电 池汽车保有量 10 万辆,2030 年 100 万辆,2050 年 3000 万辆,考虑燃料电池汽车平均功率每 5 年增加 40kw,同时根据橡树国家实验室数据,质子交换膜单位功率膜用量在 0.1~0.22 /, 推算出燃料电池汽车在 2025 年质子交换膜总需求为 180 万平米。电解氢比例将在 2025 年达到 3%,其中 PEM 电解制氢比例为 5%,假设平均电耗为 53kWh/kg,假设质子交换膜的寿命为 6,000 小时,那么年 PEM 电解制氢中的关键材料——质子 交换膜到2025年的总需求将达到37万平米。

  此外根据工信部下发的新型储能电池目标指引, 全钒液流电池装机量将在 2025 年达到 1GWh,按照平均功率 5kW/平米计算,所需的液流电池 用质子交换膜面积在 33 万平米左右。根据目前东岳未来、科润新材等国内头部质子交换膜生 产商的产能扩张进度,其中东岳未来的市场份额最高,我国质子交换膜进口依赖度将进一步 下降。到 2025 年,我国的质子交换膜总需求将达到 250 万平米,CAGR 为 63.5%,按照 IEA 预 测,2025 年质子交换膜价格下降至 500 元/平,潜在总市场空间 13 亿元,未来发展前景广阔。(报告来源:未来智库)

  随着氢气需求的不断提高,氢气的储存成为了很大的问题,而氢气储运面临的难题是氢 气自身的特点导致的,氢气易燃易爆炸,在空气中的体积浓度一旦介于 4.0%到 75.6%之间,遇火就会发生爆炸,因此目前氢气在中国属于受管制的危化品。而要保障氢气在储藏和运输 之间的安全性,工程师给出了三个解决方案:即液态储氢、气态储氢以及固体氧化物储氢。目前液态储氢和固态储氢存在成本较高,且尚未形成产业化的问题,因此本文重点考虑气态 储氢的情形;

  高压氢气瓶储氢是目前最主要的气态储氢方式:目前高压气态储氢瓶有四种类型,Ⅰ型 是传统的纯钢制金属瓶,Ⅱ型是钢制内胆碳纤维缠绕瓶,Ⅲ型是铝内胆碳纤维缠绕瓶,Ⅳ型 是塑料内胆碳纤维缠绕瓶。其中Ⅰ型、Ⅱ型价格相对便宜,但储氢密度低,重量重且容易发 生氢脆问题,目前 20MPa 的Ⅰ型瓶在国内得到广泛的工业应用,并与 45MPa 钢制氢瓶、98MPa 钢带缠绕式压力容器组合应用于加氢站中。而Ⅲ型、Ⅳ型车载应用已经非常广泛,国外多是 70MPa 的碳纤维缠绕Ⅳ型瓶,而国内由于高强度碳纤维工艺尚不成熟,Ⅳ型储氢瓶的大规模 商用化尚待时日,目前主要是 35MPa 碳纤维缠绕Ⅲ瓶;

  储氢瓶产业链梳理:近年来,随着储氢瓶需求的不断增长,国内涌现出一批储氢瓶的制 造企业。储氢瓶的制备过程为:上游将原材料运输至储氢瓶制造企业,储氢瓶制造企业通过 冲压、拉伸、热处理制造内胆原胚,然后使用树脂溶液附着碳纤维缠绕内胆,通过固化、自 紧的方式将碳纤维固定在内胆上,最后通过气压、水压测试完成制作;

  根据碳谱科技拆解分析,以 35Mpa 储氢系统为例,年产量在 50 万套的情况下,碳纤维的 成本占储氢系统总成本的比例达到了 62%。由于储氢瓶用碳纤维的价格显著影响到储氢瓶的 制作成本,而储氢瓶用碳纤维的供求关系将决定未来几年储氢瓶用碳纤维的价格,因此有必 要对其进行分析。

  储氢用碳纤维壁垒高。由于高压氢气具有较大的危险性,在浓度较高的情况下容易引起 爆炸,属于特种装备,因此国家对储氢瓶用碳纤维的质量要求较高,大部分储氢瓶使用的碳 纤维复合材料原材料为 T700 及以上的碳纤维原丝,属于高性能碳纤维,具有较高的行业壁垒:

  技术壁垒高、护城河深。碳 纤维原丝以及复合材料的生产企业技术壁垒高、护城河深,主要体现在三个方面:配方壁垒、 工艺壁垒和工程壁垒。尽管可以通过直接购买和挖角技术人员等方式获取配方,配方调和仍 需要反复的校对调试和大量的经验积累,通常配方壁垒的突破时间需 1-2 年;若想突破工艺 壁垒,企业还要在拥有配方的技术上调试磨合,通常需要 3-5 年时间;最后,企业需要投入 大量资本设计改造、调整装备和训练人员,以达到各生产工艺之间的协调配合,通常这个环节需要 5 年以上。总体来说,高性能碳纤维牌号从研发到正式投产大约需要十年的时间,因 此已掌握成熟技术的企业先发优势极大,护城河深厚。就碳纤维制件的研发来说,行业内的 相关公司均保持较高的研发投入占比;

  特种装备认证,资质壁垒高:国家对压力容器有完善的特种装备认证流程,必须经过中 国特种装备检验研究院(CSEI)等官方研究机构认证,并通过客户的资质认证以及多年的实 践检验。(例如中复神鹰于 2018 年完成中材科技 CNG 气瓶产品型式认证,于 2019 年完成江 苏国富氢能、沈阳斯林达安科等公司的产品型式认证,大大提高了公司在相关公司的产品销 售业绩,根据招股书显示,其在压力容器领域的销售收入相比 2018 年增长 150.6%,销量较 2018 年增加 142.8%,销售单价较 2018 年增加 3.23%);

  高性能碳纤维投产周期较长,资金壁垒较高:恒神股份公告中提到碳纤维行业不同于传 统行业,必须建设多条单线千吨级产能生产线和完整生产链,因此建设周期长于传统产业 2- 3 倍,且高性能碳纤维万吨级投资额普遍资金需求 20 亿元以上,较高的资金壁垒使得大量企 业难以进入。在前期核心技术尚未突破时,碳纤维产线投资额高但投资回报率低,同时还面 临海外企业低价倾销的压力。以行业龙头中复神鹰为例,2020 年碳纤维单吨净利润为 2.3 万 元,投资回报期约 10 年左右。(2020 年中复神鹰产量 3,777 吨,净利润 8,500 万)

  高壁垒导致高性能碳纤维产能向头部集中:2021 年国内前四大高性能碳纤维生产商共拥 有等同东丽 T700 性能的碳纤维产能 20,076 吨(考虑国泰大成一期项目 3,000 吨产能),其中中复神鹰万吨级 T700 性能碳纤维项目产能于 2022 年 3 月达产,达产后 T700 级碳纤维总产 能达到 12,500 吨/年。2020 年国内 T700 产能为 9,076 吨,2021 年新增产能 11,000 吨,同比 增长 121.2%,增速较快。预计 2022 年国内 T700级碳纤维产能增加 7,000 吨,同比增加 34.9%。

  碳纤维行业集中度较高,其中江苏地区,连云港中复神鹰、常州中简科技、镇江恒神股份三家碳纤维生产商,2020 年产能占到全国高端碳纤维产能的 90%以上,近年来随着各企业扩产 进度的加快,有进一步向头部企业集中的趋势。而地域产能来看,碳纤维产能正在从东部沿海向西部地区转移,例如中复神鹰从 2019 年启动的两万吨高性能碳纤维项目,选址在西宁地 区的可能原因包括当地优惠政策、电力费用以及劳动力成本等综合因素等;

  此外,中复神鹰的毛利率近几年快速提升,主要原因包括:前期市场开拓阶段主动压低价格、因供不应求带来的碳纤维市场价格提升、2018~2021 年原油 价格下跌和下游晴纶需求萎靡等因素影响,原材料丙烯晴价格下降、规模效应带来综合成本 下降、西宁生产基地水电费较低、产品结构改善等。恒神股份在 2021年上半年实现了业绩扭亏为盈且毛利率有所提升,主要受益于产品结构改善(公司升级产线 系列产品比例降 低,T700,T800 占比提升)、产能利用率提升带来的规模化效应等因素;

  小结:技术研发、资质认证和资金投入三大因素构筑的综合性壁垒将有效维系行业整体 竞争格局。近年来,虽然有化工行业的公司切入碳纤维产业链,但几乎都聚焦于普通碳纤维;而目前国内生产 T700 及以上级别碳纤维的企业较少,相关上市公司往往会通过上市平台募集资金来进行产能扩张,以加深其在行业内的竞争优势。

  由于我国高性能碳纤维市场中原有玩家因规模化效应,在单位成本方面较新入场玩家具有优势;同时碳纤维生产线的建设周期较长、 难度较高,因此该行业将在中长期维持相对稳定的竞争格局。在近年来我国先进材料强调国 产化替代的大背景下,相关上市公司多为竞合关系,相互合作共同提升碳纤维的国产化替代 水平。由此可见,行业竞争格局在未来的 2-3 年内会继续向头部集中,而光威复材、中复神 鹰和中简科技等龙头企业通过产能扩张,将进一步保持并突出自身的竞争优势。

  压力容器是现代工业中不可缺少的重要设备,传统的压力容器多是以金属或合金为容器 壁制造,成本和质量较低,结构简单,但存在应力分布不集中、高温高压耐受性差、耐腐蚀 性差等缺陷,难以满足特种装备的需求;而以碳纤维复合材料压力容器为代表的新型复合材 料以其高安全可靠性、长使用寿命以及较大的承压能力获得了人们的关注。近年来,碳纤维 在压力容器中的应用不断增长,尤其是以航空航天、医疗、燃料电池汽车等领域增长迅速, 包括:座椅弹射器、医疗呼吸器以及储氢瓶。而储氢瓶作为氢能产业链的重要组成部分,随 着 2021 年下半年各省市开始陆续落地氢能示范应用,储氢瓶用碳纤维的需求迅速提高;

  储氢瓶用碳纤维主要应用领域包括燃料电池汽车车载储氢瓶、可再生能源制氢用储氢瓶 以及加氢站用储氢瓶等:

  燃料电池汽车快速增长,带动车用储氢瓶市场扩大:2019 年清洁能源部长级会议中提出 了在 2020 年到 2030 年这十年间全球生产 1,000 万辆燃料电池汽车的目标;2030 年全球销售 的汽车中,氢燃料电池汽车的渗透率需达 3%;到 2050 年这一数字需达到 36%。未来我国氢燃料电池汽车 2025 年保有量 10 万辆,2030 年保有量 100 万辆,2050 年保有量 3000 万辆,按照其中 90%为四瓶商用车,10%为两瓶乘用车来估算,2025 年车用储氢瓶总需求将达到 38 万只,2030 年总需求将达到 380 万只;

  可再生能源催生储能需求,氢储能成为最后一块拼图:随着风能、太阳能装机规模的上升,传统电力系统调峰调频能力已无法满足可再生能源发电波动性储能需求。当全国非抽水可再生能源装机规模达到 1,500GW 到 2,000GW 以上时,传统 的电力系统调节和优化手段将遇到天花板,在极端情况下,即使全国煤电机组全部用于为可 再生能源发电调峰,也难以满足电力系统安全可靠运行的要求,即意味着传统调峰方式失效。

  随着可再生能源发电规模的扩大,为平滑波动性产生的二次调峰储能需求也将提高,到 2030年可再生能源功率缺口将达到 1,200GW,到 2050 年缺口将扩大至 2,600GW。在此情形下,可 再生能源必须寻求新的储能方式,而氢能兼具清洁二次能源和高效储能载体的角色,可以实现大规模跨季节存储,逐渐被人们关注。我国对可再生能源储能的需要,将有效带动储氢瓶 在氢气储存层面的需求;

  加氢站加速布局或将掀起储氢瓶部署热潮:到 2020 年年底,我国国内累计建成加氢站 118 座,建成并运营加氢站 101 座,代运营 17 座,建设中和规划建设的加氢站 170 座。我国的加氢站将于 2050 年达到 1.2 万座,单座加氢站成本为 800 万元。虽然目前大部分加氢站使用的储氢瓶为较为便宜的钢制储氢瓶,但相信随着碳纤 维的成本降低和大规模运用,碳纤维储氢瓶的梯次利用也会成为可能;

  封锁加速国产化替代节奏:2021 年以来,受到新冠疫情封锁以及日本东丽对中国高端碳 纤维市场供应限制的影响,我国压力容器用碳纤维进口供应比例下降。目前我国储氢瓶使用 的碳纤维一般是由国外厂商供应,日本东丽、日本东邦、韩国 SK 等是我国高端碳纤维主要供 应商,日韩企业占据我国进口储氢瓶用碳纤维 70%以上的市场份额。由于海外供应量下降,下 游氢气瓶制造商纷纷选择国产碳纤维。目前储氢瓶制造商主要有京城股份、中材科技、国富 氢能、科泰克、斯林达以及中集安瑞科等,储氢瓶的平均扩产周期大约在 12 个月左右,相较 于碳纤维厂商 24~48 个月的扩产周期要短;

  在大规模推广储氢瓶的过程中,产品价格成为制约需求的关键因素。目前有三大因素促使储氢瓶的生产成本下降:1)国产化替代节奏。根据高工氢电的调研,目前国产储氢用碳纤维价格比国外便宜 30%。2)大规模产能扩张促进了储氢瓶生产成本的降低。根据美国国家橡树实验室的分析,在大规模(万吨级)生产条件下,储氢用碳纤维生产成本从原先的 9.88 美 元/公斤下降至 7.86 美元/公斤,下降幅度约 20%。而储氢瓶生产成本在大规模生产条件下会 下降的更快——在 1 万套储氢系统的情况下,单位成本为 4,289 元/套,而到储氢瓶系统数量 达到 50 万套以后,单位成本为 2,630 元/套,下降约 38.7%。

  碳谱科技则指出,在储氢瓶系统 中,62%的成本为碳纤维,因此在大规模生产中降低碳纤维的成本是产业界最关心的线)通过优化碳纤维生产工艺,同样有助于碳纤维生产成本的下降。此前的碳纤维生产多 使用湿喷湿纺的工艺,根据中复神鹰招股书说明,传统工艺纺速约 80 米/分钟,使用改进后 的干喷湿纺工艺,纺速可提高 4 倍,达到 300 米/分钟,未来 2 到 3 年内,纺速可达到 400~500 米/分钟。此外,原丝聚合(一步法、二步法)等工艺的改善也是有效降低成本的重要方式。

  储氢瓶用碳纤维需求维持高增:由于目前加氢站在建设过程中更重视成本,主要使用钢 瓶储氢,碳纤维的使用量较少,因此对于近五年储氢瓶碳纤维的市场预测,暂不考虑加氢站 应用的影响。根据上述分析,碳纤维储氢瓶未来市场主要分为两个方面:

  (1)车用储氢瓶方 面,2020 年汽车销量1,177 辆,2025 年中国氢能源汽车保有量 10 万辆。按照商用车销量占比最终 90%,乘用车销量占比 10%计算。根据宁波材料所数据,其 中商用车单车 4 个储氢瓶,单储氢瓶 80kg 碳纤维,乘用车单车 2 个储氢瓶,单储氢瓶碳纤维 重量 37.5kg,到 2025年燃料电池电车的累计储氢瓶用碳纤维需求约为 30,050 吨。

  (2)可 再生能源制氢方面,假设 2025年氢气调峰调频渗透率最终达到 50%,总调峰需求氢气 926 吨,假设其中Ⅱ型瓶渗透率 15%,Ⅲ型瓶渗透率 5%,根据《车用压缩 氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》标准,计算可得Ⅱ型瓶碳纤维总用量为 4,633 吨,Ⅲ型瓶碳 纤维总用量为 24 吨,因此到 2025年可再生能源制氢累计需要的储氢瓶用碳纤维需求量约为 4,657 吨。

  此外,燃料电池的核心材料之一是碳纸为基础的气态扩散层 GDL,碳纸碳纤维含量在 10%~50%不等,每辆汽车大约使用碳纸用碳纤维 5kg,如果按照 2025 年的 10 万台燃料电池 汽车来估算,大约总共需要 500 吨碳纸用碳纤维,数量不如氢气瓶庞大,但技术密集度高, 价值斐然,亦属于燃料电池汽车的核心技术之一,也值得关注。到 2025 年,国内储氢瓶碳纤维总累计需求量达到 34,707 吨,市场空间达到 48.6 亿元,CAGR 为 60.3%。下游储氢用碳纤维需求将随着氢能产业的快速发展而快速释放;

  储氢瓶用碳纤维供给依然有限:储氢瓶供给国内供给端来看,除中复神鹰以外,其余有 能力生产 T700 及以上碳纤维原丝的企业此前鲜有涉足压力容器用碳纤维领域,光威复材、恒 神股份在 2021 年才宣布进军储氢用碳纤维行业;而海外供应端,2020 年以前,海外供应了国 内超过 70%的储氢用碳纤维,2020 年 9 月后,受到日本政府端压力,东丽东邦等公司对中国 碳纤维进口减少。我们预测随着中日关系改善以及东丽等公司库存压力加大等因素,日本东 丽通过子公司向中国出口 T700 及以上碳纤维量可能性提高,进口依赖度或出现小幅反弹。随 后随着国内碳纤维生产企业竞争力提高,进口依赖度进一步下降;

  结论:大规模高端碳纤维制造能力弥足珍贵,整体来看未来几年储氢用碳纤维的紧缺情 况将继续维持。目前,很多氢气瓶企业对碳纤维的战略意义认识不足,各储氢瓶制造商对碳 纤维需求量小,仅数百吨,通过市场采购而无需签订协议便可满足当前的生产需求;但当碳 纤维需求达到万吨级别时,上游碳纤维生产商保障大规模交付的能力,将在下游储氢瓶企业 的扩产中起到重要作用。同时,我们认为,随着氢能产业的景气度不断抬升,对于储氢瓶扩 产项目的投资热情日益高涨,对储氢瓶用碳纤维的需求将继续提升;然而储氢用碳纤维的供 给能力在国内和海外两端增长有限;因此,整体来看储氢用碳纤维的紧缺情况将继续维持。

  在碳中和的背景下,氢能示范应用将加速落地;同时强调自主可控的基础上,进口依赖 强度较高的相关氢能源新材料国产化替代进程加速,氢能产业链相关的新材料将迎来景气度 的抬升。尽管同类产品相较于日本、欧美等国在材料的经济性、稳定性以及成材率方面仍有 一定的差距。但是在政策倾斜、国外封锁以及大规模的建设带来的成本下降等带来的供给缺口刺激下,将有一批企业涌现,国内相关企业将迎来技术发展和业务拓展,正向循环有望开 启;

  质子交换膜:2021 年随着各国做出近零排放的承诺,相关领域的需求出现了爆发式的增 长,尤其是氢能源领域,尽管有疫情影响,相较于 2019 年全球氢能相关项目数仍增加了一倍, 下游燃料电池汽车的增长有效拉动了质子交换膜的需求,同时全球在建和计划的 PEM 水电解 项目也在不断增长。氢能源以外的储能领域,质子交换膜也有新的进展,随着国家对新型储 能电池的支持不断升级,全钒液流电池装机量也在提升,液流电池用质子交换膜的用量相较 于 2020 年也有较大增长。与此同时,国内质子交换膜严重依赖进口的情况得到一定程度的改 善,相关上市公司大力扩展产能,但日益增长的市场需求仍未能得到满足,行业竞争环境较 为健康,供求缺口的扩大对现有玩家更为有利。

  碳纤维:随着 2021 年氢能示范应用城市的落地,储氢瓶的需求也随着快速增长。目前储 氢瓶主要用于燃料电池汽车以及可再生能源制氢领域。同时由于高性能碳纤维参与难度大, 竞争壁垒高,扩产周期长,因此 T700 级别的储氢用碳纤维产能供给有限。目前在日本东丽对 国内高端碳纤维出口限制尚未解除的情况下,下游扩产快,上游扩产慢,供给缺口将持续存 在,行业景气度持续向好,有能力提供大规模高性能碳纤维的厂商将获得更多的议价能力。

  东岳集团是国内领先的氟硅材料老牌龙头化工企业,公司多项产品在行业内处于领先地 位,包括含氟高分子材料、氯碱离子膜、有机硅以及质子交换膜等。公司产品在全球竞争力 强,应用行业广泛,受到下游供应商的认可;

  产能扩张,龙头地位进一步凸显。东岳集团是亚洲产能最大的氟硅生产商,氟树脂积极 投入研发,目前公司市占率达到 40%,随着新产能投放,公司继续领跑行业。子公司东岳硅材 募投项目建成后,公司产能将翻倍,有助于进一步加深产品竞争护城河,获取良好的利润回 报;

  东岳未来分拆上市,现已进入上市辅导期。集团多年前布局氢能源领域,子公司未来氢 能在氢能燃料电池核心技术——质子交换膜上取得突破,大规模生产质子交换膜能力领先行 业,随着下游氢能的不断拓展,子公司将发力中国最大的氢能质子交换膜制造商。公司 2020年 4 月发布公告宣布子公司已进入上市辅导期,若能上市拓宽融资渠道,将进一步巩固其在 行业中的领导者地位。

  新材料巨头,重点布局光学膜、电子树脂业务。公司是平台型功能膜企业,业务包括新 型绝缘材料、光学膜、电子材料和环保阻燃材料等,其中公司重点发力光学材料和电子材料 领域,公司光学基膜主要应用与智能手机、高端 MLCC 制程配套等领域。公司近几年对外扩张 步伐稳健,于 2015 年收购太湖金张、2018 年投资建设 2 万吨 OLLED 光学基膜项目和 1.5 万 吨特种聚酯薄膜项目。2020 年公司收购胜通光科,整合产业资源,建立起从光学聚酯切片、 光学级聚酯基膜到光学膜的完整产业链。同时公司也着力电子材料业务的发展,公司重点聚 焦 PCB 板的高性能覆铜板方向,先后入股埃蒙特,投资建设特种树脂产业化项目,手握多项 专利和在建产能,公司将享受 PCB 板需求快速增长的市场红利;

  绝缘材料、环保阻燃业务保持稳定。公司主要的绝缘材料产品下游客户为光伏及特高压 行业,光伏和特高压领域景气度持续向好,公司将受益于整体行业的景气度抬升。同时,公 司生产的阻燃材料为环保材阻燃聚酯纤维的原材料,随着环保阻燃产品的增长,公司的环保 业务也将保持稳健增长;

  发挥优势建设质子交换膜项目和高性能树脂项目。公司 2021 年 9 月发布公告,布局质子 交换膜与树脂项目,进一步完善产品结构,公司拟投资 5,320 万元建设年产 50 万平米的质子 交换膜生产线,项目建成后将形成一条质子交换膜生产线、一条交换膜试验线及配套工艺。此外公司拟投资 4.8 亿元建设年产 16 万吨高性能树脂及甲醛项目。项目建成后将形成 14 套 树脂合成生产装置、1 套配套甲醛生产装置,有助于弥补高性能树脂在国内的供应缺口,完善 公司在电子材料领域的布局。

  军民两用碳纤维龙头,协同发力打开增长空间。公司是军工航空航天领头羊,前身是威 海碳素鱼竿厂,目前主要从事原丝、碳纤维、碳纤维织物、碳纤维预浸料等碳纤维相关行业, 也是目前国内碳纤维生产批中品种最齐全、生产技术最先进、产业链最完备的龙头企业。

  深度绑定优质客户,产业链协同促使民品业务延续高增。公司与下游航空航天业务客户 深度绑定,航空用碳纤维的验证采用累进式积木验证法,想要成为合格供应商至少需要十年 时间,因此具有认证资格的企业拥有较高的资质壁垒。公司凭借在 T300 及 T800 级产品上的 布局,取得了大量优质的订单,毛利率较高。同时公司在风电业务上深度绑定欧洲核心客户 Vestas,帮助其开拓国内市场,同时在民用航空上,公司已经通过商飞适航认证。

  布局氢能储氢瓶业务,高性能碳纤维产能即将爆发。公司积极参与下游储氢瓶厂家的试 制,并通过了多家客户的认证,通过布局 2,000t 高性能压力容器用碳纤维,公司预计在两年 内将现有 T700 产能扩大几倍,从而形成规模化效应,将本增效的同时刺激压力容器用碳纤维 的平价时代到来。

  中建旗下碳纤维龙头企业,打破垄断。中复神鹰是由中国建材集团控股的,集原丝、碳 丝及复合材料研发生产销售为一体的高新技术企业。中复神鹰同时掌握湿法纺丝、干喷湿纺 的核心工艺,实现了国产 T700、T800、M30 碳纤维批量供应。在日本东丽禁止对中国出口高 性能碳纤维的情况,中复神鹰承担了国产化替代的领军者的职责,带领国内企业不断优化工艺、降低成本,最终成功突破了 T700 及以上干湿透纺的技术工艺。

  干法湿纺工艺提升效率,西宁项目如期落地。2009 年到 2012 年,公司专心研发 T700 以 上高性能碳纤维的干喷湿纺的工艺,干喷湿纺的技术不仅可以提高碳纤维的强度,自身的编 织速度也比传统湿喷湿纺工艺快 2-6 倍。2019 年公司在西宁启动 2 万吨高性能碳纤维项目的 建设,目前一期项目已经基本建成,预计于 2022 年 3 月完成项目的满产运营。同时,由于国 内需求尚未释放,目前二期项目暂缓实行。

  压力容器业务协同效应初现,进军高性能碳纤维领导者。中国建材集团下属企业相互之 间协同效应明显,公司下游主要客户是兄弟单位中材科技。中材科技是中复神鹰实控人中国 建材集团控制的上市公司平台中材科技的全资子公司,因此中复神鹰财报中有较多的关联客户交易。通过产业链协同,公司可以更加专注于产能扩张和新市场拓展,从而加强高性能碳 纤维行业领军者的身份。

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