【分享】“雙碳”政策加持，氣凝膠會是一門大生意嗎？盤點有“錢”力的應用領域
【分享】“雙碳”政策加持，氣凝膠會是一門大生意嗎？盤點有“錢”力的應用領域
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(tài)分散介質的固體材料，氣凝膠比傳統(tǒng)保溫材料隔熱性好、使用壽命長、防水性與耐燃性能優(yōu)異，是目前最高效的隔熱材料，契合節(jié)能減排大趨勢。氣凝膠目前主要的應用領域包括石化油管和高溫反應裝置保溫、鋰電池Pack外保溫、鋰電池電芯間隔熱、建筑保溫外墻保溫、戶外體育用品等。
相對于傳統(tǒng)材料，氣凝膠節(jié)能效果顯著，行業(yè)需求將在雙碳政策的推動下快速提升。與傳統(tǒng)保溫材料相比，有以下優(yōu)點：
1）其保溫性能是傳統(tǒng)材料的2-8倍，因此在同等保溫效果下氣凝膠用量更少；
2）氣凝膠更換周期在20年左右，而傳統(tǒng)保溫材料的更換周期在5年左右，因此全生命周期的使用成本更低。
雙碳政策加持，氣凝膠的未來會怎么樣？哪些應用領域會成為"造富機"？我們一起來看看吧！
01 氣凝膠是當前最高效節(jié)能隔熱材料
氣凝膠是新一代高效節(jié)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(tài)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(yōu)異的性能。目前商業(yè)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。
氣凝膠參數(shù)
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(shù)在 0.012~0.024W/(m·K)，比傳統(tǒng)的隔熱材料低 2~3 個數(shù)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(tǒng)保溫材料相比，二氧化硅氣凝膠絕熱氈的保溫性能是傳統(tǒng)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(jù)中石化塔河煉化的測算，將常壓焦化裝置從傳統(tǒng)保溫材料改造成"二氧化硅氣凝膠保溫毛氈+單面鋁箔玻纖布保溫材料"組合保溫的方式后，熱損失降低了 34.7%，保溫層厚度較傳統(tǒng)保溫材料降低 50%以上。
相同保溫性能情況下，氣凝膠氈用量最少
此外，氣凝膠的使用壽命較長，約為傳統(tǒng)保溫材料的 4 倍左右。傳統(tǒng)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(yōu)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(wěn)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(tài)。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(jù)制品形態(tài)，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(yè)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。
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。
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(xù)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(qū)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，不會導致其網絡股價的收縮及結構坍塌，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、苯等，但是該技術具備一定危險，且設備復雜，因此近年來又開發(fā)出以二氧化碳為干燥介質的低溫環(huán)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(fā)生破壞，從而實現(xiàn)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(yōu)化要求高，而且在制備非二氧化硅氣凝膠時尚不成熟。
02 過去5年國內氣凝膠市場已經初具規(guī)模
氣凝膠發(fā)展至今近 90 年，國內于 2012 年將其產業(yè)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(yè)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(yè)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(guī)?；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(xiàn)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(xiàn)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(yè)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(yè)、工業(yè)隔熱行業(yè)、建筑建材行業(yè)、航空航天、鋰電池行業(yè)等，其中石油化工占比 56%、工業(yè)隔熱占比 26%。
目前氣凝膠行業(yè)已經初具規(guī)模，我們認為當前時點將是氣凝膠行業(yè)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(yè)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(yōu)異的阻熱性能，將逐步替代傳統(tǒng)保溫材料，市場空間廣闊；
3）新能源車與儲能鋰電池系統(tǒng)對鋰電池安全性有較高要求，因此需要使用阻熱性能優(yōu)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。
而且，生產方面已經有了長足的進步。
2022年2月27日，伴隨著年產5萬方硅基納米氣凝膠復合材料項目在中化學華陸新材料有限公司一次性開車成功，產出第一批合格硅基納米氣凝膠復合絕熱氈產品，標志著中國化學工程以實業(yè)強國為己任，邁出了加快打造原創(chuàng)技術策源地、現(xiàn)代產業(yè)鏈鏈長的重要步伐。
03 未來5年年均增速將達63.6%
2015-2020年國內氣凝膠材料產量年均復合增速為38.5%，過去5年國內氣凝膠市場通過技術進步實現(xiàn)產量的快速躍升及成本的快速下降，當前成本相比10年前已經下降超80%。
在當前雙碳政策下，節(jié)能將成為化工、能源、建筑行業(yè)未來的發(fā)展的主旋律，氣凝膠行業(yè)處于拐點向上的飛速發(fā)展階段。目前，氣凝膠在石化管道、高溫反應釜、熱網管道、鋰電池方面具有極具競爭力的性價比，中石油、寧德時代等龍頭企業(yè)已經從傳統(tǒng)隔熱材料切換至氣凝膠，頭部企業(yè)的標桿效應將帶來氣凝膠行業(yè)量的起飛。
根據(jù)Aspen預測，未來10年全球市場空間合計在7000億元。估算到2025年國內石化管道和集中供熱管道對氣凝膠的需求將達155億元，鋰電池對氣凝膠的需求將達20億元，建筑建材對氣凝膠的需求將達7.3億元，合計需求在185億。而2020年國內氣凝膠產值約16億元，未來5年年均增速將達63.6%。
多家企業(yè)入局氣凝膠行業(yè)，推動行業(yè)產能加速擴充。當前多家上市公司于近兩年開始通過股權投資形式布局氣凝膠產能，根據(jù)我們的統(tǒng)計，國內現(xiàn)有氣凝膠產能約15.7萬方，而主流企業(yè)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(yè)產能將在2021年的基礎上翻倍，供應端年均增速在50%。
04 有"錢"力的多場景應用
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(huán)。煉化企業(yè)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(yè)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(guī)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(jié)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(tǒng)保溫方案與氣凝膠復合保溫方案對比可以發(fā)現(xiàn)，方案 1 和方案 2 比方案 3 每公里每年分別節(jié)能3127.6GJ、1937.0GJ，以熱價 53.89 元/GJ 進行測算，折算后將節(jié)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(jié)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=0.60 m，冷油管道與熱油管道的長度各為 50 m）的地上保溫管道為例，氣凝膠保溫材料與傳統(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(jié)約總能量費用為 3692 元。
繼續(xù)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(tǒng)方案節(jié)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(tǒng)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(tǒng)方案更具經濟性?？紤]到雙碳背景下能源價格持續(xù)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(jù) 2020 年氣凝膠制品產值 15.9 億及石化與工業(yè)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. 新能源汽車領域
新能源汽車是交通領域實現(xiàn)"雙碳"目標的重要抓手。據(jù)預測，2026年中國新能源汽車銷售量將達到280萬輛。實現(xiàn)新能源汽車產業(yè)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展，動力電池系統(tǒng)的安全性能是重要的考量。氣凝膠兼具阻燃性能高、體積輕及用量少的特點，成為動力電池電芯隔熱材料的最佳選擇，目前已經被電池企業(yè)和新能源汽車廠家所采用，正逐步成為行業(yè)標準和規(guī)范。
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(yè)制造水平的關鍵因素。鋰電池企業(yè)通常從兩種思路解決鋰電池熱失控問題：
1）通過優(yōu)化電池制造過程控制遏制熱失控誘因的發(fā)生；
2）在電芯熱失控已經發(fā)生的情況下，通過系統(tǒng)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(yè)的綜合制造能力，目前大多數(shù)電池企業(yè)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(yè)的制造門檻要求相對較低，因此將是多數(shù)電池企業(yè)解決熱失控的主要選擇。
國家自 2021 年開始從系統(tǒng)層面考核鋰電池安全性，第二條思路成為大多數(shù)車企和電池長的主流選擇?！峨妱悠囉脛恿π铍姵匕踩砸蟆酚?2021年 1月1日起正式實施，該文件將鋰電池系統(tǒng)安全作為考核重點，并新增系統(tǒng)熱擴散測試，要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在 5 分鐘內不起火不爆炸。而要實現(xiàn)"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。
鋰電池系統(tǒng)對隔熱材料的要求是隔熱性能優(yōu)異的同時需要具備優(yōu)異的阻燃性能，常規(guī)隔熱材料聚氨酯由于在環(huán)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(jù)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(fā)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(jù)鑫欏鋰電數(shù)據(jù)，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。
3. 建筑保溫市場：當前需求增速慢，遠期市場空間廣闊
根據(jù)《2020 年中國統(tǒng)計年鑒》，我國建筑業(yè)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(jié)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(jié)能保溫的 50%以上的認為，因此開發(fā)合適的墻體保溫材料成為重要課題。
傳統(tǒng)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(yōu)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。
氣凝膠價格較貴，目前在建筑節(jié)能市場滲透率相對降低，但遠期空間廣闊。根據(jù) 2020年國內氣凝膠行業(yè)合計 15.9 億元的產值及建筑建造行業(yè)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(jù)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(yè)，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(jié)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(yè)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%。
本文來源：賢集網
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