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    氣凝膠行業分析:最高效隔熱材料,契合碳中和節能大趨勢

    來源:報告研究所 2022-03-21 11:52

    慧正資訊:

    氣凝膠是當前最高效節能隔熱材料

    氣凝膠是新一代高效節能隔熱材料。氣凝膠是一種具有納米多孔網絡結構、并在孔隙中充滿氣態分散介質的固體材料,是世界上最輕的固體。由于獨特的結構,氣凝膠在熱學、聲學、光學、電學、力學等多個領域都展示出優異的性能。目前商業化應用的氣凝膠主要圍繞其高效的阻熱能力展開,下游用于石油化工、熱力管網、鋰電池、建筑建材、戶外服飾、航天、軍工等多個領域。

    氣凝膠的阻熱原理是其獨立的結構帶來的無對流效應、無窮多遮擋板效應、無窮長路徑效應。氣凝膠的導熱系數在0.012~0.024W/(m·K),比傳統的隔熱材料低2~3個數量級,其隔熱的原理在于均勻致密的納米孔及多級分形孔道微結構可以有效阻止空氣對流,降低熱輻射和熱傳導:1)無對流效應:氣凝膠氣孔為納米級,內部空氣失去自由流動能力;2)無窮多遮擋板效應:納米級氣孔,氣孔壁無窮多,輻射傳熱降至最低;3)無窮長路徑效應:熱傳導沿著氣孔壁進行,而納米級氣孔壁無限長。

    與傳統保溫材料相比,二氧化硅氣凝膠絕熱氈的保溫性能是傳統材料的2-8倍,因此在同等保溫效果下氣凝膠用量更少。以管道為例,直徑為150mm的管道如果需要達到相同的保溫效果,對應使用的保溫材料膨脹珍珠巖、硅酸鈣、巖棉、氣凝膠氈的厚度分別為90mm、76mm、64mm、20mm。根據中石化塔河煉化的測算,將常壓焦化裝置從傳統保溫材料改造成“二氧化硅氣凝膠保溫毛氈+單面箔玻纖布保溫材料”組合保溫的方式后,熱損失降低了34.7%,保溫層厚度較傳統保溫材料降低50%以上。

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    此外,氣凝膠具備較長的使用壽命的優勢,其使用壽命約為傳統保溫材料的4倍左右。傳統保溫材料如巖棉、聚氨酯等在長期使用過程中容易吸水,一方面影響保溫效果,另一方面在吸水后由于重力作用導致保溫材料分布不均勻,尤其是在管道保溫的使用場景下,容易造成保溫材料在管道下部堆積,最終影響使用壽命。氣凝膠則具有優異的防水效果,其憎水率達99%以上,在長期使用過程中仍能保持穩定的結構和隔熱效果。

    目前商用的氣凝膠通常為復合材料制品,且具有多種形態。氣凝膠存在強度低、韌性差等缺點,因此需要通過添加顆粒、纖維等增強體提高強度和韌性,也可以通過添加炭黑、陶瓷纖維等遮光劑提高遮擋輻射能力。因此當前在售氣凝膠制品往往是由氣凝膠材料與基材復合制得。根據制品形態,氣凝膠制品可以分為氣凝膠氈、氣凝膠紙、氣凝膠布、氣凝膠板材、氣凝膠粉末、氣凝膠漿料、氣凝膠涂料等。

    氣凝膠材料種類繁多,其中SiO2氣凝膠的商業化應用最成熟。氣凝膠按照前驅體可分為氧化物、碳化物、聚合物、生物質、半導體、非氧化物、金屬七大類。眾多不同的前驅體可制備出具有不同性能的氣凝膠,極大豐富了氣凝膠品種的多樣性,拓展了氣凝膠的應用范圍。目前市場上SiO2氣凝膠的應用最成熟,2019年全球二氧化硅氣凝膠占比高達69%。

    二氧化硅氣凝膠前驅體可分為有機硅源和無機硅源。常用的有機硅源是正硅酸甲酯、正硅酸乙酯等功能性硅烷,無機硅源包括四氯化硅和水玻璃等。與無機硅源相比,有機硅源價格較為昂貴,但是純度高,工藝適應性好,可以適應超臨界干燥和常壓干燥。無機硅源水玻璃價格雖然較低,但是雜質較多,目前主要用于常壓干燥中。

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    氣凝膠的制備過程主要包括溶膠-凝膠、老化、改性、濕凝膠的干燥處理過程。溶膠-凝膠過程指前驅體溶膠聚集縮合形成凝膠的過程。但由于剛形成的濕凝膠三維強度不夠而容易破碎坍塌,因此需要在母體溶液中老化一段時間提高強度或者利用表面改性減小或消除干燥應力。干燥過程即用空氣取代濕凝膠孔隙中的溶液并排出。

    干燥工藝是合成步驟的關鍵。濕凝膠在干燥過程中需要承受高達100MPa-200MPa的干燥應力,該應力會使凝膠結構持續收縮和開裂,容易導致結構塌陷。目前主流干燥工藝路線有超臨界干燥、常壓干燥。

    超臨界干燥的原理是當溫度和壓力達到或超過液體溶劑介質的超臨界值時,濕凝膠孔洞中的液體直接轉化為無氣液相區的流體,孔洞表面氣液界面消失,表面張力變得很小甚至消失。當超臨界流體從凝膠排出時,不會導致其網絡骨架的收縮及結構坍塌,從而得到具有凝膠原有結構的塊狀納米多孔氣凝膠材料。早期的干燥介質主要采用甲醇、乙醇、異丙醇、等,但是該技術具備一定危險,且設備復雜,因此近年來又開發出以二氧化為干燥介質的低溫環境超臨界干燥工藝,通過降低干燥時的臨界溫度和壓力,來改善干燥條件,降低危險性。

    常壓干燥的原理是利用低表面張力的干燥介質和相關改性劑來置換濕凝膠中的溶劑,以減小干燥時產生的毛細管作用力,避免在去除溶劑時凝膠結構發生破壞,從而實現常壓干燥。常壓干燥前通常需要對濕凝膠進行長時間的透析和溶劑置換處理。常壓干燥設備成本與能耗成本相對較低、設備簡單,但是對配方設計和流程組合優化要求高,而且在制備非二氧化硅氣凝膠時尚不成熟。

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    氣凝膠行業需求拐點向上發展期來臨

    2.1過去5年國內氣凝膠市場已經初具規模

    氣凝膠發展至今近90年,國內于2012年將其產業化。氣凝膠誕生于1931年,但直到20世紀90年代國外才開始將其產業化。但由于干燥過程成本較高,早期氣凝膠只能用于航天軍工和石化領域。國內氣凝膠行業起步于21世紀10年代。2012年國內首套1000L超臨界二氧化碳氣凝膠干燥設備投產,標志著氣凝膠的規?;a,隨后經過多次技術迭代,生產成本逐步降低。

    過去5年國內氣凝膠市場通過技術進步實現產量的快速躍升。中國氣凝膠市場目前還處于起步階段,但過去5年的技術進步已經實現了較大比例的降本,2015-2020國內氣凝膠材料產量年均復合增速為38.5%、氣凝膠制品產量年均復合增速為38.8%。

    氣凝膠具有非常好的隔熱性能、透光性、隔音性以及絕緣性,但目前工業界主要對其隔熱性能開展一系列應用。目前成熟的下游市場主要有石油化工行業、工業隔熱行業、建筑建材行業、航空航天、鋰電池行業等,其中石油化工占比56%、工業隔熱占比26%。

    2.2碳中和背景下氣凝膠需求將快速提升

    目前氣凝膠行業已經初具規模,我們認為當前時點將是氣凝膠行業起飛的拐點期,原因在于:1)隨著二氧化碳超臨界技術的成熟以及行業的快速擴產,其成本相比10年前已經下降約80%,經濟性逐步提升;2)減少高溫油氣管道熱量流失以及提升高溫反應釜的保溫效率契合碳減排大趨勢,氣凝膠憑借優異的阻熱性能,將逐步替代傳統保溫材料,市場空間廣闊;3)新能源車與儲能鋰電池系統對鋰電池安全性有較高要求,因此需要使用阻熱性能優異的氣凝膠作為鋰電池的隔熱材料,鋰電裝機的快速提升將快速拉動氣凝膠需求。

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    2.2.1管道保溫材料:到2025年,國內管道用氣凝膠的需求空間將達155億元

    我國于2020年提出“30·60”雙碳目標,減少高溫管道的熱量流失是契合碳減排大趨勢的重要一環。煉化企業的高溫管道外側通常包覆較厚的保溫材料,對管道保溫可以有效降低企業能源消耗,減少碳排放。而使用硅酸鈣、復合硅酸鹽、巖棉、礦渣棉等常規保溫材料的管道在長周期的運行后,一方面熱損失增加導致裝置能耗上升,另一方面管道外表面的高溫增加了燙傷事故的可能性,此外,巖棉、硅酸鋁等材料容易吸水導致保溫失效,聚氨酯等有機絕熱材料阻燃性差,影響項目正常運行。雖然氣凝膠相對于其他保溫材料而言價格仍相對較貴,但是從長周期經濟性考慮,氣凝膠使用壽命更長、使用量更少、不易吸水、阻燃性能好,更契合節能減排大趨勢。

    以350℃、4.5MPa、流量80t/h、外徑為325mm的長輸蒸汽管道項目為例,將傳統保溫方案與氣凝膠復合保溫方案對比可以發現,方案1和方案2比方案3每公里每年分別節能3127.6GJ、1937.0GJ,以熱價53.89元/GJ進行測算,折算后將節省16.9萬、10.4萬元。同時,管線的每公里溫降由原來的6.9℃降至4.8℃,可以大大降低熱損。

    由于氣凝膠氈生產成本高,氣凝膠復合保溫方案的初始投資成本較高。以1km蒸汽管道施工測算,方案1、2、3的總造價分別在99.3、70.4、44.9萬元,方案1、2分別比方案3貴54.4、25.5萬元,對應于上述的每年節省16.9萬、10.4萬的能源成本,則方案1、2分別將于3、2年后收回增加的初始投資成本。

    氣凝膠保溫材料的替換周期長,經濟性進一步提升。以長度為100m(管道平均外徑D0=0.60m,冷油管道與熱油管道的長度各為50m)的地上保溫管道為例,氣凝膠保溫材料與傳統保溫材料的投資施工成本來看,單次人工材料總費用分別是3.44萬、1.15萬,而兩種方案的使用年限分別為10-15年、3-4年,即在12年內,氣凝膠保溫材料無需更換,而傳統保溫材料需要更換三次。此外,在保溫層均為2cm,冷油溫度20℃,熱油溫度50℃的前提下,全年節約熱量23746kWh,按0.16元/kWh(煤炭價格為900元/噸時對應的熱價)的熱價折算,全年節約總能量費用為3692元。

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    繼續以上述案例為例探討能源價格對氣凝膠方案經濟性的影響:在上述案例中,氣凝膠方案將比傳統方案節省熱量23.746MWh/年,我們分別將煤炭價格在300-1500元/噸、天然氣價格在2-8美元/mmbtu、原油價格在50-110美元/桶之間波動的情景下測算氣凝膠方案相對于傳統方案的經濟性,得出的結論是氣凝膠方案大概率在4-7年的時間內比傳統方案更具經濟性??紤]到雙碳背景下能源價格持續上漲,我們認為氣凝膠方案的經濟性拐點已經來臨。

    到2025年,國內油氣管道和集中供熱管道對氣凝膠的需求空間將達120億元。當前國內約有油氣管道14.5萬千米,集中供熱管道50.73萬千米,假設存量保溫管道的保溫材料替換周期為4年,油氣管道半徑30cm、集中供熱管道半徑85cm,同時根據2020年氣凝膠制品產值15.9億及石化與工業領域80%的市場占比錨定,預計2021-2025年存量管道的替代比例分別為 1%/2%/3%/5%/8%,增量管道的替代比例為10%/15%/30%/50%/80%, 2021-2025年油氣管道和集中供熱管道對氣凝膠的需求空間分別為18.57/32.82/58.40/100.03/154.83億元。

    2.2.2鋰電池:系統安全考核加嚴提升氣凝膠滲透率

    熱失控是動力電池安全事故的主要原因,碰撞、針刺、過充過放等都會引起鋰電池熱失控,如何控制熱失控是衡量鋰電池企業制造水平的關鍵因素。鋰電池企業通常從兩種思路解決鋰電池熱失控問題:1)通過優化電池制造過程控制遏制熱失控誘因的發生;2)在電芯熱失控已經發生的情況下,通過系統層面的手段將熱失控遏制在模組、Pack層面或延緩蔓延時間。其中第一條思路較為考驗電池企業的綜合制造能力,目前大多數電池企業的安全制造能力均不過關,第二條解決思路主要依賴隔熱材料的選擇,對電池企業的制造門檻要求相對較低,因此將是多數電池企業解決熱失控的主要選擇。

    國家自2021年開始從系統層面考核鋰電池安全性,第二條思路成為大多數車企和電池廠的主流選擇?!峨妱悠囉脛恿π铍姵匕踩砸蟆酚?021年1月1日起正式實施,該文件將鋰電池系統安全作為考核重點,并新增系統熱擴散測試,要求電池單體發生熱失控后,電池系統在5分鐘內不起火不爆炸。而要實現“5min的安全逃逸時間”,則需要對電池包的隔熱材料多做改進,延緩故障電池包的爆炸時間。

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    鋰電池系統對隔熱材料的要求是隔熱性能優異的同時需要具備優異的阻燃性能,常規隔熱材料聚氨酯由于在環境溫度超過140攝氏度后容易燃燒,因此不適合作為鋰電池的阻燃材料。此外,出于對體積能量密度的追求,鋰電池廠在Pack設計時給電芯之間隔熱層預留的空間并不大,氣凝膠兼具阻燃性能好及用量少的特點,成為鋰電池電芯隔熱材料的最佳選擇。根據寧德時代和上汽集團等專利顯示,目前較為主流的隔熱方案是在電芯之間放置氣凝膠插片,同時在模組和上蓋之間設置云母片。

    由于氣凝膠目前相對于普通隔熱材料價格相對較貴,因此目前氣凝膠主要用于更易發生熱失控的高鎳三元鋰電池。展望未來,為提升電池包能量密度,普通三元及磷酸鐵鋰電池有望使用更薄的氣凝膠隔熱墊以提升電池包的成組效率,因此氣凝膠在鋰電池的滲透率將進一步提升。根據鑫欏鋰電數據,2021年高鎳三元鋰電池占比約17%左右,則以氣凝膠的單車價值量500元測算,預計到2025年,全球鋰電池用氣凝膠市場空間為35億元。

    2.2.3建筑保溫市場:當前需求增速慢,遠期市場空間廣闊

    根據《2020年中國統計年鑒》,我國建筑業能源消耗占國內能源消耗總量超過25%,因此在雙碳目標的大背景下,建筑節能成為亟待解決的問題。在建筑物保溫中墻體承擔整個建筑物節能保溫的50%以上的認為,因此開發合適的墻體保溫材料成為重要課題。

    傳統保溫材料一般分為兩類:以珍珠巖、巖棉類為代表的無機保溫材料、以聚苯乙烯、聚氨酯為代表的有機保溫材料。無機材料保溫隔熱性能差,且吸水率高,因此逐漸被隔熱性能更好、抗沖擊性能更高的有機保溫材料取代。但是幾乎所有的有機保溫材料都易燃,在遇到明火后開始燃燒,并且在燃燒過程中會分解出苯、甲苯、甲醛等,即使在聚氨酯材料中添加阻燃劑,也只能達到國標GB8624-2012中的B級不燃標準。氣凝膠具有優異隔熱性能、不易燃燒、不易吸水,是建筑保溫材料的最佳選擇之一。

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    氣凝膠價格較貴,目前在建筑節能市場滲透率相對降低,但遠期空間廣闊。根據2020年國內氣凝膠行業合計15.9億元的產值及建筑建造行業約占7%的需求來推算,2020年建筑建材用氣凝膠的銷售額約在1億左右。根據我們對建筑外墻保溫材料的測算,則2020年氣凝膠在建筑保溫材料的滲透率僅為0.02%,我們假設2025年氣凝膠滲透率提升至0.12%,則到2025年國內建筑保溫外墻市場對氣凝膠的需求量為13.7萬方。相比石化、熱網及鋰電行業,其需求相對較小。但遠期來看,整個建筑建材市場空間廣闊。

    綜合來看,在雙碳政策的催化下,氣凝膠在節能保溫材料市場的滲透率將有顯著提升。預計2021-2025年國內氣凝膠行業的需求空間合計為22.6/38.7/67.6/115.7/184.7億元,同比增速分別為43%/71%/75%/71%/60%。(報告來源:報告研究所)

    多方企業入局氣凝膠材料,推動氣凝膠規?;当?/strong>

    3.1多方企業入局氣凝膠材料,行業擴產加速

    多家企業入局氣凝膠行業,推動行業產能加速擴充。根據各企業目前披露的數據,目前國內約有15.7萬方氣凝膠產能。隨著下游需求的快速提升,多種背景的企業開始入局氣凝膠行業:目前新進的企業的背景包括工程裝備企業中國化學、傳統煤化工企業華陽新材、化肥企業華昌化工、汽車制品企業泛亞微透、有機硅企業晨光新材和宏柏新材等。目前生產1萬方的氣凝膠約需投資1.6億元,新入局企業大多為上市公司,均有一定的資金實力,加速了氣凝膠行業產能擴張速度,根據我們的統計,目前主流企業的擴產合計約16萬方,以2年的投產周期來算,預計2023年全行業產能將在2021年的基礎上翻倍。

    由于氣凝膠材料具有較強的技術壁壘,目前大多數的新入局者均采用股權投資的形式進入氣凝膠行業。中國化學子公司華陸工程于2015年開始便與中國航天科工十院航天烏江公司開展戰略合作協議,作為化學工程EPC企業,中國化學通過布局氣凝膠保溫材料,可以同時為客戶提供EPC方案及關鍵材料。陽煤集團(現更名為華陽新材)于2018年參股氣凝膠企業深圳中凝、華昌化工于2021年參股氣凝膠企業愛彼愛和、泛亞微透于2021年收購氣凝膠企業大音希聲60%股權。

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    3.2各玩家競爭力分析

    (1)短期看干燥技術的突破與優勢競爭

    在氣凝膠的合成過程中,干燥步驟具有較強的技術壁壘,干燥技術路線的選擇直接影響氣凝膠性能。國內氣凝膠企業也根據干燥技術路線的不同而被劃分為多個派別。由于國內企業大多以與學校合作的方式引入干燥技術而起家,因此也根據各家技術來源進行劃分。國內最早的氣凝膠企業納諾科技在2004年通過引入清華大學的二氧化碳超臨界技術起家,隨后又在2007年與同濟大學合作開發常壓干燥技術。目前最大的氣凝膠廠商廣東埃力生的技術來源于國防科技大學,以二氧化碳超臨界技術為主。中國化學參股的貴州航天烏江以設備起家,2011年開始從氣凝膠設備提供商轉向氣凝膠生產,其二氧化碳超臨界技術來自于航天三院,華陸新材的工藝技術也由航天烏江提供。廈門納美特、安徽弘輝、華夏特材等一些中小企業則使用廈門大學的酒精超臨界技術。

    當前國內三種干燥路線并行發展,由于二氧化碳超臨界干燥技術綜合性能最佳,目前大多數產能以二氧化碳超臨界干燥為主,采用二氧化碳超臨界干燥路線的企業在當前階段具有一定優勢。當前常用的三種干燥工藝有二氧化碳超臨界干燥、乙醇超臨界干燥和常壓干燥。從設備投資來看,常壓干燥的成本最低,從安全性來看,常壓干燥的安全性最高,而從生產效率來看,乙醇超臨界的生產效率最高,從產品性能來看,乙醇超臨界的產品性能稍弱于二氧化碳超臨界和常壓干燥。

    (2)中期看產業鏈分工

    在全行業大多數玩家突破干燥過程中的壁壘并產出相對均質化的產品后,我們認為屆時產業鏈分工決定企業競爭力。氣凝膠細分環節分為生產企業、加工企業以及生產加工一體化企業,目前國內除了納諾科技和愛彼愛和既可以生產又可以加工氣凝膠制品外,埃力生等企業則只提供氣凝膠材料給加工廠,通過加工企業進一步加工成制品。加工企業通常外購氣凝膠材料,再根據下游客戶的定制化需求加工成特定形狀。在氣凝膠行業發展初期,各廠商的產品具有較大差異,產業鏈話語權掌握在生產企業手中,即為當前氣凝膠行業現狀。而在生產環節技術取得突破即全行業大多數企業產出相對均質化的產品后,客戶資源將成為各個企業角逐的重點。生產和加工環節一體化布局的企業一方面掌握生產環節,另一方面直接與下游客戶對接,具有較強的渠道壁壘,該類企業將在氣凝膠行業發展中期最具優勢。

    (3)長期看原料自給優勢

    由于原料成本占比超過50%,當氣凝膠行業產能開始過剩時,原料自給能力成為氣凝膠企業競爭力的重要考量。我們根據納諾科技1萬方氣凝膠超級絕熱材料項目對二氧化硅氣凝膠的合成成本進行拆分。該項目采用乙醇超臨界干燥技術,根據我們的測算,單方總成本為9067元,其中原材料成本占比66%、能源成本占比11%、人工成本占比5%、折舊成本占比19%。從氣凝膠成本結構中可以看出,原材料占較大比例,對于二氧化硅氣凝膠而言,原材料一般為無機硅源和有機硅源,硅化工企業在這一階段的成本優勢凸顯。

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    重點公司分析

    晨光新材:公司主營功能性硅烷,擁有“三氯氫硅-氯硅烷-中間體-功能性硅烷”產業鏈。公司于2021年11月宣布建設“年產2.3萬噸特種有機硅材料”項目,其中包括2000噸氣凝膠,預計將于2022年投產。

    宏柏新材:公司主營功能性硅烷,具有“硅塊-氯硅烷-中間體-功能性硅烷”的完整產業鏈布局。公司于2020年上市之時募投項目之一為1萬方功能性氣凝膠項目,項目建設周期為18個月,預計將于2022年投產。

    泛亞微透:公司是汽車制品供應商,主要產品包括透氣栓與透氣膜、耐水壓透聲膜、ePTFE膜復合吸音棉和氣體管理產品。2021年收購大音希聲60%股權,開始進軍氣凝膠行業,目前規劃建設1604萬方氣凝膠項目。大音希聲此前在軍工用氣凝膠領域深耕多年,公司或憑借其成熟的技術快速切入氣凝膠市場。

    中國化學:公司是化工建設項目EPC總包企業。旗下華陸工程分別持股華陸新材51%、航天烏江6.8%股權。由于公司是化工項目EPC承包商,在部分建設項目中需要使用氣凝膠,因此華陸新材在建5萬方氣凝膠項目預計大多數為自用。航天烏江以超臨界設備起家,目前擁有1.2萬方、在建1.2萬方氣凝膠產能。

    華昌化工:公司為化肥企業,參股7%的愛彼愛和為氣凝膠行業龍頭,擁有1萬方、在建2.5萬方氣凝膠產能。愛彼愛和已經進入鋰電池頭部企業供應鏈,并擁有從生產到加工的完整布局,競爭力較為凸顯。

    華陽新材:公司為山西省煤化工頭部企業,通過與深圳中凝合作成立子陽中新材進入氣凝膠領域(深圳中凝目前持有陽中新材51%股權),陽中新材目前2萬方產能已于2019年投產,其工藝路線為常壓干燥法。

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