超級電容:儲能黑科技,加速而來
                      發布時間:2022-10-27 來源:中國無機鹽工業協會     分享到:

                      1. 超級電容是功率型儲能器件,行業迎來向上加速拐點

                      前言:東吳電子團隊長期持續跟蹤江海股份,也持續關注類似元力股份、GMCC、 上海奧威等企業的功率型儲能業務——超級電容。對于江海超級電容業務,一個明顯的 感受是該業務持續高速增長(2021 年營收 2.4 億元,17-21 年營收 CAGR 為 62%),但 是這個行業天花板在哪,以及其背后快速增長的原因一直沒有很清楚的回答,主要難點 在于超級電容行業處于產業生命初期,需要超級電容的應用場景很多,但是具體哪個應 用場景具備百億以上的容量,或者超級電容行業需要突破哪些條件才能創造巨大的需求 市場,這是我們東吳電子團隊一直思考的問題。通過資料收集與整理、產業鏈上下游的 調研,我們認為超級電容在電網調頻、混合儲能和汽車領域前景廣闊,行業的加速需要 1)技術進步:提升超級電容能量密度;2)成本降低:規模化量產&產業鏈國產化;3) 政策驅動:需求場景更加明確。2022 年是超級電容在電力調頻、混合儲能領域規模落地的元年!2022 年以來,超 級電容在國內首次應用于火儲一體化調峰調頻、首次應用于一次調頻、首次應用于岸儲 一體化項目。超級電容行業正在迎來加速拐點。

                      1.png

                      1.1. 超級電容是功率型儲能器件,與能量型鋰電池互補、協同

                      超級電容是功率型儲能器件,技術、成本、政策三重利好助力打開百億市場空間。超級電容相較傳統電容器具有更高的能量密度,相較電池具有更高的功率密度,是一種 新型功率型儲能器件,具備充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、綠色環保等特性。超級電容已作為備用電源、功率電源、能量回收系統被廣泛應用于消費電子、工業、國防軍工等領域,能量密度較低、儲能成本較高是過去限制其應用范圍的兩大因素。目 前,混合型超容能量密度大幅提升,原材料國產化帶動超容成本持續降低,同時各部委 相繼出臺多項政策,支持包括功率型儲能在內的新型儲能產業發展,技術進步、成本降 低、政策驅動三重利好有望共同推動超級電容打開應用天花板。超級電容在立足智能表、 軌道交通等成熟市場的同時,在港口機械、采掘裝備、電網調頻、油改電、儲能、電動 大巴等領域打開市場,尤其儲能、電網調頻、乘用車用等市場潛力較大,百億市場空間 正在打開。超級電容主要由正負電極、電解液、隔膜構成。超級電容屬于電化學儲能器件,主 要由正負電極、電解液及防止發生短路的隔膜構成,電極材料具備高比表面積的特性, 隔膜一般為纖維結構的電子絕緣材料,電解液根據電極材料的性質進行選擇。以市場主 流的雙電層電容為例,充電時,電解液中的正、負離子在電場的作用下迅速向兩極運動, 通過在電極與電解液界面形成雙電層來儲存電荷。

                      按工作原理超級電容可分為三類,雙電層電容(EDLC)是目前市場主流的超級電 容類型,混合型超級電容(HUC)具備更高的能量密度,正在成為重要研究與發展方向。1) 雙電層電容:EDLC 的充放電過程通過離子的物理移動完成,不存在化學反應, 充電時,雙電層電容電解液中的正、負離子在電場的作用下迅速向兩極運動, 并分別在兩個電極的表面形成緊密的電荷層,即雙電層,造成電極間的電勢差, 從而實現能量的存儲;放電時,陰陽離子離開固體電極表面,返回電解液本體。2) 法拉第贗電容:在電極表面或體相中的二維或準二維空間上,電活性物質進行 欠電位沉積,發生高度可逆的化學吸附/脫附或氧化還原反應,因贗電容可在整 個電極內部產生,因此可獲得比雙電層電容更高的能量密度,但因電極材料貴 金屬價格較高、充放電循環穩定性有限等因素而難以商用;3) 混合型超級電容:以雙電層材料作為正極,以贗電容或電池類材料作為負極,融合了超級電容與贗電容或電池的優勢。鋰離子超級電容(LIC)是混合型超級 電容的典型代表,在充放電過程中,電容電極發生非法拉第反應,離子在電極 表面進行吸附/脫附,電池電極發生法拉第反應,鋰離子嵌入/脫出。

                      2.png

                      受益獨特的結構與工作原理,超級電容具備高功率密度、高可靠、環保等優良特性。

                      高功率特性:區別于鋰電池充電時,鋰離子需要與電荷結合并嵌入到負極碳層 的微孔中,放電時需要從負極碳層脫嵌,超級電容充放電時的電荷移動發生在 電極表面,因此超級電容功率密度顯著更高、充放電速度顯著更快。對比來看, 功率密度方面,雙電層超容最高可達 40 kW/kg、鋰電池在 1 ~ 3kW/kg;充放電 時間方面,EDLC 可達秒級、HUC 在分鐘級別、鋰電池在小時級別。

                      高可靠特性:工作溫度方面,鋰電池工作溫度范圍為?20 ~ +60 °C,超級電容可 寬至?40 ~ +85 °C;工作壽命方面,由于充放電過程中的電荷移動完全可逆,充 放電次數可達 100 萬次,工作壽命可達 15 年。且超級電容短路、刺破均不會燃 燒,相較短路、刺破時易自燃甚至爆炸的鋰電池,超級電容安全性更高。

                      環保特性:超級電容不含重金屬和有害化學物質,其生產、使用、儲存以及拆解過程均不會對環境產生污染,是理想的環保能源,而鋰電池無法分解,易對 環境產生嚴重污染。

                      超級電容作為功率型儲能器件,憑借高功率、長循環壽命特性,與能量型鋰電池互 補、協同。鋰電池作為能量型儲能器件,已被廣泛應用于各類長時儲能場景,超級電容 則可以憑借高功率、長循環壽命特性,應用于短時大功率、多次循環放電的單獨儲能場 景,或與鋰電池組成混合能源系統,實現與能量型鋰電池的互補、協同。

                      1)單獨儲能場景下,超級電容在短時大功率、多次循環放電場景下更具經濟性

                      僅考慮一次投資成本,假設 EDLC、混合超容、鋰電池功率密度為 30、5、2kW/kg, 能量密度為 5、50、200Wh/kg,儲能系統成本為 10、1、0.15 萬元/度電,通過繪制不同 放電時間下的一次投資成本曲線,可見 EDLC 在 s 級市場、混合型超容在 min 級市場更 具成本優勢,因此超級電容在短時大功率放電場景下具備經濟性。同時考慮不同電源的可循環充放電壽命,假設 EDLC、混合超容、鋰電池循環壽命 為 100、10、0.4 萬次,則計算得對應的生命周期成本分別為 0.1、0.1、0.375 元/度電/次, 可見超級電容生命周期成本低于鋰電池,在多次循環放電場景下具備經濟性。

                      2)混合能源系統中,超級電容負責短時高功率峰值,鋰電池負責長時低功率輸出

                      混合能源系統中,由鋰電池等主能源提供長期低功率能量輸出,超級電容負責高功 率峰值和快速響應,超級電容可從主能源處充電,或收集系統回饋的能量。在能源系統 中引入超級電容,可實現高功率瞬時響應,并降低主電源的功率輸出以延長其使用壽命, 從而降低能源系統的生命周期成本。

                      1.2. 技術進步、成本降低、政策驅動三重利好,超級電容迎向上加速拐點

                      技術、成本、政策三重利好,超級電容產業迎向上加速拐點。根據超級電容產業聯 盟數據,2021 年全球超級電容市場規模達 15.9 億美元,預計 2027 年將達 37 億美元, 21-27 年市場規模 CAGR 約 18%;2021 年中國超級電容市場規模達 25.3 億元,預計 2027 年將超 60 億元,21-27 年市場規模 CAGR 將超 20%。未來,技術進步、成本降低、政 策驅動三重利好有望共同推動超級電容打開應用天花板,超級電容正在向新能源公交、 電網調頻、儲能、汽車啟停等新興應用領域滲透,百億市場空間正在打開。

                      1)技術進步:混合型超級電容能量密度顯著提升,打開行業應用天花板

                      混合型超級電容在保持較高功率密度的基礎上,顯著提升能量密度,不斷拓展下游 應用邊界。因混合型超級電容的贗電容或電池電極通過發生法拉第反應進行充放電,因 此其能量密度顯著高于 EDLC,根據海內外超級電容廠商披露,目前混合型超級電容單 體能量密度可達 80~160Wh/kg,系統能量密度已經突破 40Wh/kg。混合超級電容憑借更 高的能量密度屬性和較低的成本,在分鐘級別的儲能、大巴車等領域成功打開應用天花板,不斷拓展行業邊界。

                      超級電容能量密度有望進一步提升。超級電容的能量密度主要取決于其比電容和電 壓窗口,因此進一步提升能量密度的方法包括提高電極比電容、開發高電化學電位區間 電解質、優化超級電容結構、減少器件對電解液的消耗等。隨著技術的不斷進步,NASA 于 2019 年預測,2025 年超級電容系統能量密度有望提升至 50-100Wh/kg,2030 年有望 達到 100-200Wh/kg。

                      4.jpg

                      超級電容應用干法電極工藝,實現循環壽命延長、能量密度提升、成本降低。原有 濕法電極工藝下,需要將負極、正極粉末與有粘合劑材料的溶劑混合,再涂覆至集流體 上干燥形成電極;干法電極工藝下則無需使用溶劑,直接將少量粘合劑與電極粉末混合, 通過擠壓機形成電極材料薄膜,再將電極材料薄膜層壓到集流體上形成電極。干法電極工藝主要有三點優勢,第一,粘結劑用量少,提升鋰離子電池良品率和使 用壽命,第二,不使用溶劑,減少充放電循環過程中的能量損失,提升能量密度,第三, 工藝簡化,制造成本可降低 10-20%。但目前干法電極技術仍存在電池倍率較低的問題, 即大電流放電性能較差,有待工藝優化解決。產業端,特斯拉于 2019 年收購超級電容 企業 Maxwell,旨在將 Maxwell 的干法電極技術應用于鋰電池生產中,國內烯晶碳能、 力容新能源等超級電容廠商也已具備干法電極技術。

                      2)成本降低:上游材料國產化,超容成本持續下降

                      超級電容電極材料國產替代進行中,成本持續下降成必然趨勢。超級電容上游材料 主要包括電極、電解液、隔膜、引線等,電極、電解液、隔膜占成本比例分別約 35%、30%、20%。其中電解液國產化配套相對成熟,本土廠商新宙邦占據我國超級電容電解 液 50%以上市場份額,而電極與隔膜則因技術壁壘較高而長期依賴進口,電極材料中用 量最大、最經濟的材料—超級電容炭 70-80%從日本可樂麗進口,隔膜主要從美國、日本 等國進口,日本 NKK 占據全球超級電容隔膜 60%以上市場份額。元力股份、北海星石、 凱恩股份等本土廠商正大力推動電極、隔膜材料國產化,在原材料國產替代趨勢下,超 容材料成本下降成為必然趨勢。

                      3)政策驅動:政策重視多元化新型儲能技術發展,助推試點示范項目大規模落地

                      政策推動新型儲能技術多元化發展。近幾年來,隨著風電和光伏發電加入并網,電 網消納成為了電力系統的痛點之一,在負荷側,居民用電占比提升使得電網負荷波動更 加劇烈,在這種情況下,電網調節能力必須提升以適應未來更為復雜的源荷波動,具有 快速調節速率、配置方式靈活的儲能能夠勝任此任務。儲能技術的應用場景可分為容量 型、能量型、功率型和備用型四類,目前暫無任何一種技術可以同時滿足所有儲能場景 的需求,因此需要多元化的儲能技術在各自使用場景中發揮獨特的性能優勢。“十一五”到“十四五”期間,各部委相繼出臺多項政策以在技術創新、應用拓展、 產業培育等方面支持超級電容產業發展。其中,超級電容作為新型儲能核心技術,在國 家能源局 2022 年 1 月發布的《“十四五”新型儲能發展實施方案》中,被作為“十四五” 新型儲能核心技術裝備攻關重點方向列示,政策同時要求積極推動各新型儲能示范區項目建設。

                      5.png

                      2022 年以來,超級電容在電力調頻、混合儲能領域加速落地。伴隨超級電容能量密 度提升、價格降低,其在電網各環節調頻應用中的經濟性開始凸顯,22 年以來,超級電 容在電網調頻和混合儲能系統密集落地,包括岸儲一體化、一次調頻、火儲聯調、混合 儲能等領域。2022 年是超級電容在電網調頻、混合儲能領域規模落地的元年,行業正在 迎來加速拐點。

                      2. 需求端:超級電容在多應用領域具備廣闊空間,靜待市場爆發

                      2.1. 電力能源:新能源并網增加調頻需求,超級電容參與電網調頻全環節

                      新能源裝機規模、發電量占比快速提升。截至 2021 年,我國風電、光伏裝機規模 328GW、307GW,合計占全國電力總裝機規模比例為 27%;2021 年風電、光伏發電量 6556 億千瓦時、3270 億千瓦時,合計占全國總發電量比例 12%。根據國家能源局網站, 風電、光伏發電量占全社會用電量比重將持續提升,2025 年將達到 16.5%左右。

                      新型電力系統下,電網調頻需求顯著增加。發電側,傳統發電系統的發電機與電力 系統強耦合,能夠提供慣量、維持電網頻率,當電力系統出現故障時,同步發電機的機 械慣量可以提供足夠的旋轉備用容量以彌補系統功率缺失,避免觸及系統低頻減載保護。而光伏、風電通過電力電子設備連接至電網,暫態響應速度較快,不具備根據機端頻率 和電壓信號進行自主調節的能力,即慣量支撐、一次調頻、主動調壓、阻尼能力缺失, 因此導致電網頻率面臨挑戰。用電側,分布式光伏逐步接入電網,新能源車充換電、計 算機、通信等新型產業用電量超預期,均導致用電側功率預測的難度提升,進而導致電 網頻率波動加劇。根據國家能源局統計,2019 年上半年,全國調頻服務補償費用達 27 億元,占全國電力輔助服務補償費用比例為 21%,僅次于調峰 38%和備用 36%。

                      6.jpg

                      一次調頻、二次調頻在頻率調整范圍、能力方面有所差異。一次調頻是各并網機組 的調節系統根據電網頻率變化,自發的進行機組調整以恢復電網頻率,但只能做到有差 控制,二次調頻是人為地根據電網頻率變化調整機組負荷,能夠做到無差調節,一次、 二次調頻動作時間一般在 30 秒以內、30 秒至 15 分鐘時段。1) 一次調頻:21 年以來政策開始發力一次調頻市場建設。2021 年 12 月山西省能 源監管辦發布全國首個一次調頻市場交易實施細則,2022 年 5 月國家標準《并網電源一次調頻技術規定及試驗導則》正式實施,文件明確要求接入 35kV 及 以上電壓等級電力系統的火電、水電、核電、儲能電站、風電、光伏等并網電 源均應配置一次調頻功能,一次調頻機制開始逐漸明確。2) 二次調頻:目前市場化調頻的主要環節,價格機制已比較成熟。二次調頻是當 前市場化調頻的主要環節,價格機制比較成熟,電網輔助服務主體通過市場化 競標方式執行電網調頻指令,綜合調頻能力決定項目盈利,衡量綜合調頻能力 的指標 K 值主要受響應速度(K1)、調節速率(K2)、調節精度(K3)影響。

                      現有火電、水電機組調頻存在多方面局限性,火電廠加裝儲能方案備受青睞。目前 我國各大區域電網中,主要以大型水電和火電機組作為電網調頻電源,通過調整調頻電 源出力來響應系統頻率變化,但水電、火電機組調頻存在一定局限性,例如,火電機組 響應時滯長、參與調頻損害機組壽命,水電機組的應用存在地理位置、季節變化的限制。火電+儲能系統聯合調頻方案能夠顯著縮短火電機組響應時間,提高火電機組調節 速率及調節精度,以廣東某電站加裝儲能前后的調頻數據為例,調頻綜合性能指標 K 值 在加裝儲能后由 0.73 提升至 2.96,調頻效果顯著改善。

                      超級電容適配電網短時高頻、高功率調頻需求,發電側、輸配電側、用電側應用逐 步落地。儲能調頻正以快速、精準的功率響應能力成為新型調頻輔助手段,但受限于鋰 電池標稱 5000 次左右的循環壽命,現有儲能調頻項目大多僅響應 AGC 二次調頻,而不 響應一次調頻,超級電容則憑借高功率、長壽命特性適配電網短時高頻、高功率調頻需 求。根據 GMCC,其 EDLC、LIC 產品分別推薦應用于 15~30s 一次調頻系統、15 分鐘 級的二次調頻系統,能夠彌補超短時、短時的儲能短板。新型電力系統下,電網頻率穩定性挑戰升級,發電側風光儲平滑入網、混合儲能系 統中響應調頻指令,輸配電側變電站調頻、配電終端后備電源,用電側后備電源、功率 電源(于 2.4 介紹),均需使用功率型儲能器件以提供短時、高功率峰值脈沖,超級電容 在發電側、輸配電側、用電側多環節的應用已開始落地。

                      7.png

                      1) 發電側:支持風光平滑入網,在電池+超容混合儲能系統中負責響應調頻指令

                      針對光伏、風電并網在慣量響應方面的缺失,可采用超級電容作為短時儲能裝置以 平抑風光并網帶來的功率波動。以引入超級電容的風電系統為例,將超級電容并聯于直 流母線,與雙向 DC/DC 變換器構成功率調節系統,當功率大于指定的輸出功率時,超 級電容充電,當功率小于指定功率時,功率差值由儲能裝置補充,超級電容放電。超級 電容能夠基于大功率特性為光伏、風電機組提供額外虛擬慣量,使其平滑輸出接入電網, 減少新能源發電的隨機性、間歇性、波動性給電網帶來的沖擊。

                      鋰離子電池、超級電容以互補形式組成混合儲能系統,支持調峰、調頻模式切換。鋰離子電池具有能量密度高、儲/釋能時間長等特點,可用于實現削峰填谷;超級電容具 有功率密度高、響應速度快、壽命長等特點,可參與電力系統一次調頻,同時延長電池 使用壽命。二者可以互補形式組成混合儲能系統,響應園區能量管理系統下發的削峰填 谷或調頻調度指令,最大限度發揮儲能作用。以三峽烏蘭察布“源網荷儲”技術研發試驗基地的混合儲能系統為例,整套系統由 3 個預制艙體組成,分別為 0.5MW/1MWh 鋰離子電池儲能系統艙、1MW/0.1MWh 超級 電容儲能系統艙、1.5MW 儲能變流器艙,各儲能系統通過直流匯流柜接入相應的儲能變 流器,再分別接入功率路由器±750V 直流母線。鋰離子電池負責削峰填谷及響應調頻 持續分量,超級電容負責響應調頻隨機分量與脈動分量,盡可能減少電池介入調頻響應 的次數,延長電池使用壽命。

                      8.png

                      2) 輸配電側:用于變電站調頻、配電終端后備電源,保證輸配電線路電能質量

                      超級電容應用于變電站,將一次調頻滯后時間縮短至毫秒級別。以南京江北新區 110kV 虎橋變電站投運的超級電容微儲能裝置為例,該裝置主要由超級電容模塊、電力 電子變流器和快速功率控制器三部分組成,快速功率控制器可在 10 毫秒內完成頻率檢 測,電力電子變流器可在 2 毫秒內實現有功功率的快速、精準支撐,因此若電網發生大 波動引起頻率跌落時,該微儲能裝置可以在 12 毫秒內進入一次調頻模式,對比傳統發 電機組10秒以上的一次調頻響應延遲,超級電容微儲能裝置使一次調頻過程明顯提速。市場規模方面,根據國網江蘇電力測算,江蘇省內變電站的可利用空間具有新增 200 萬 千瓦超級電容微儲能裝機規模的潛力。

                      超級電容用作配電終端后備電源,可提高電網自愈可靠性、降低維護成本。配電自 動化終端后備電源由蓄電池、鋰電池轉向超級電容,超級電容大功率、長壽命、免維護 的特性使配電自動化終端電網自愈可靠性提高、維護成本降低。當電力線路發生故障時, 超級電容可為配電自動化終端和開關柜提供不間斷電源,使配電終端在線路故障情況下 仍能維持一段時間的工作,為完成故障檢測、保護跳閘、重合閘自愈以及狀態上報主站 等一系列操作爭取時間,從而將故障區間隔離,并恢復非故障區間的供電,使故障停電 區域最小化。根據山西煤化所,目前廣州供電配電網 6242 條公用饋線已實現自愈全覆 蓋,配網線路故障處理時間由原本的 30 分鐘下降至 120 秒。市場規模方面,根據中科 院山西煤化所測算,配電終端用超級電容電源僅廣州地區的存量市場就達到約 1 億元, 每年以 16%的增速增長,南網地區市場規模預計為廣州地區的 5 倍以上。

                      2.2. 汽車領域:適用于啟停、安全冗余電源等場景,助力汽車性能、安全雙提升

                      汽車領域內,超級電容憑借高功率密度、高安全性、使用壽命長、寬溫域等特性, 可在 12V 電氣系統下被用作主電源、安全冗余電源,在 48V 電氣系統下被用作線控電 源,在 HEV 車型中被用作主電池電芯,助力汽車性能、安全雙提升。

                      9.png

                      1)12V 主電源:替代鉛蓄電池,實現汽車高功率啟動、制動能量回收、電壓穩定

                      12V 電氣系統下,通常采用鉛蓄電池作為 12V 電源,用于汽油機、柴油機的啟動, 但鉛蓄電池存在生產及回收環節污染、充放電速度慢、暫態功率響應能力較差等問題, 環保政策方面,全球限鉛令以歐洲為重心,汽車 12V 鉛蓄電池被替代趨勢凸顯;使用性 能方面,使用鉛蓄電池可能在汽車起步、剎車、加減速、爬坡、顛簸等復雜工況下,產 生暫態功率不易被蓄電池吸收,母線電壓波動頻繁,因此影響車輛電能質量等問題。以 超級電容替代鉛蓄電池作為 12V 主電源,能夠高質量實現汽車高功率啟動、制動能量回收、電壓穩定三大功能。

                      2)12V 安全冗余電源:受益于智能駕駛滲透對電氣設備安全要求提升

                      超級電容同時可用作激光雷達、域控制器、電控轉向、電控制動、智能座艙、電動 門鎖等關鍵電子電氣設備的安全冗余電源,減少因為電子器件失效造成的交通事故和降 低潛在召回風險。2011 年發布的 ISO 26262 即強調通過開發階段的測試及驗證,來保證 安全相關的電子產品的功能性失效不會造成危險,未來伴隨自動駕駛等級提升、汽車電 動化升級,超級電容有望實現在車用安全冗余電源領域的滲透。

                      3)48V 線控電源:線控底盤加速滲透,超級電容適配其大功率需求

                      逐步升級的自動駕駛需求要求汽車底盤執行層能夠按照決策層指令進行精確執行, 底盤線控化是以電信號傳遞取代傳統機械連接的操縱技術,是 L2+以上自動駕駛實現執 行層響應速度、精度提升的關鍵技術。線控底盤包括線控轉向、線控制動、線控換擋、 線控油門和線控懸架五大核心系統,其中,線控油門技術已較成熟,線控制動、線控轉 向、線控懸架的滲透率開始快速提升。線控系統的執行器主要是大功率的電動機、伺服電機,例如,單個轉向電動機的功 率范圍在 550~800W,電機盤式制動器的功率可達 1000W,因此需應用 48V 供電系統, 通過提高供電電壓來滿足大功率需求。超級電容可用作 48V 線控電源,憑借高功率密 度、長壽命、寬溫域、響應速度快的優質性能,保證線控系統的安全、可靠運行。

                      10.jpg

                      4)HEV 電芯:超級電容適配 HEV 主電源高功率、長循環壽命需求

                      HEV 電池只接受汽車自身動力系統的發電或動能回收帶來的能量,無法從外部獲 得電能,因此 HEV 車型電池容量較小,通常在 0.8~2.1kWh,采用功率型電芯以滿足快 充快放要求,對電芯能量密度要求不高,但對電池循環壽命、充放電次數有較高要求。目前 HEV 主電源的兩大主流路線為三元鋰電池、鎳氫電池,現行技術路線存在能量超配、功率不足的問題,超級電容高功率密度、耐低溫、長壽命的優良特性則與 HEV 應 用高度適配,有望成為 HEV 主電源的新選擇。新能源汽車處于市場滲透階段,購車成本較高、充電樁建設不完善都是一定程度上 阻礙純電動汽車滲透的因素,根據工信部預測,至 2030 年我國汽車保有量中燃油車將 依然占據 80%份額,而 HEV 作為替代傳統燃油車的車型,目前已憑借減排優勢成功吸 引了眾多消費者與汽車廠商的消費與布局,根據 GGII 數據,2022 年上半年國內 HEV 節 能乘用車銷量合計約 37.1 萬輛,同比增長 50%,對應配套的電池裝機量約 0.54GWh, 同比增長 64%,伴隨節能減排政策的持續推進,未來 HEV 市場有望延續增長,為超級 電容在 HEV 主電源領域的應用創造增量空間。

                      應用端,超級電容汽車啟停解決方案陸續上車。早在 2014 年 Maxwell 即披露,其 超級電容產品已配置到超過 100 萬輛乘用車上,如雪鐵龍 C4、標致 308 等,后續也有 凱迪拉克、奧迪、大眾、寶馬等多車型應用。國內市場方面,2019 年 4 月國內首個搭載 超級電容的乘用車量產車型紅旗 H5 正式上市,根據烯晶碳能,其車規級超級電容已在 紅旗 H5/H9、Volvo-XC40 等品牌車型實現批量化應用,截至 2021 年底已批量供貨累計 300 萬只單體,配套近 10 萬輛車,截至 2022 年 6 月烯晶碳能已經收到汽車用超級電容 定點項目超 20 億元。

                      2.3. 交通運輸:LIC 技術路線下,超級電容公交實現充電 5 分鐘、行駛 30 公里

                      交通運輸領域與汽車領域類似,超級電容主要可在軌道交通、公交車、卡車、船舶 等應用場景下實現儲能/備用電源、發動機啟動、能量回收三大功能,同時可用于實現特 定場景下,如船舶發電機控制梯度與升沉補償、軌道交通無接觸網運行等功能。

                      軌道交通車輛應用超級電容,實現制動能量回收、啟停瞬間高功率充放電。以超級 電容并聯蓄電池組成軌道交通車輛的制動能量回收利用系統,實現列車制動時回收電能, 非制動時釋放電能,制動能量的回收以列車原有電制動的再生制動回饋為基礎,對車載 逆變器回饋到牽引網的制動能量中引起觸網電壓升高部分進行回收,非制動狀態下,本 車為主要負載,同時可為同一供電區間內的其他相鄰列車進行功率補償。伴隨 LIC 能量密度提升,超級電容公交實現充電 5 分鐘、行駛 30 公里。鋰電池純 電公交車需要建立配套的封閉集中充電場所,結合公交車行駛路線固定、啟停次數多等 特點,以超級電容為主電源,公交車可在停靠站時間通過智能柔性充電弓進行迅速充電, LIC 能量密度提升帶動超級電容公交儲電量提升,單次充電可行駛里程由 5 公里提升至 30 公里。據久事公交集團披露,2020 年底,上海 930 路、17 路、18 路、隧道 8 線、146 路新增 89 輛超級電容車,加上已經投運的 11 路、26 路,上海超級電容公交車超過百 輛,配套的 6 個超級電容快充站也已完成外線送電。與新能源公交應用類似,LIC 技術未來有望切入到高爾夫球車、旅游觀光車、機場 擺渡車、擺渡船等閉環線路運行的場景,增量市場廣闊。

                      2.4. 工業領域:作為備用電源、能量回收系統,廣泛應用于多領域

                      智能電表場景下,超級電容用作內部 RTC 電路后備電源,實現簡化充放電電路設 計、保障智能電表長期可靠運行。智能電表相較傳統的電子式電表具備電能計量、實時 監控、自動控制、信息交互、數據處理等功能,是智能電網建設發展的重要組成部分, 2021 年疫情導致智能電表鋪設進度放緩的負面影響消除后,我國智能電表招標量開始 回升,2021 年招標量 6674 萬只,同比增長 28.2%。超級電容作為智能電表內部 RTC 電路后備電源的優勢在于,其可滿足智能電表-40℃ ~+85℃的嚴苛工作溫度要求,超長工作壽命能夠保障智能電表長期可靠運行,超級電容 相對間接的充放電管理電路設計能夠簡化 RTC 后備電源設計。目前,國網智能單相表 已明確提出使用超級電容作為 RTC 保持后補后備電源,保持 RTC 電路準確運行 48 小 時以上,以實現內置電池可更換的目的。

                      風電變槳場景下,備用電源需在極端惡劣情況下提供緊急電力,應用超級電容相較 鉛酸電池更具成本優勢。風電變槳備用電源需要在遭遇大風惡劣天氣或電網掉電等極端 情況下提供電力、使槳葉緊急順槳,其所需電能總量不大,但需在短時間內提供足夠的 電壓和電流,對備用電源的功率密度、惡劣環境耐受能力要求極高;且備用電源直接并聯在直流母線上、長期處于荷電待機狀態,對備用電源的長期荷電壽命要求較高。根據 Skeleton,使用鉛酸電池作為風電變槳備用電源需每年維護、4 年更換一次,而使用超級 電容無需維護、15 年更換一次,超級電容作為風電變槳備用電源使用成本顯著更低。

                      12.jpg

                      港口起重機場景下,電動機工作功率高達 200kW,使用超級電容彌補發動機過載 狀態下的系統動力不足。港口起重機電動機的工作功率高達 200kW,通常采用柴油發動 機組作為動力源,在起重機集中作業情況下,發動機處于過載狀態將導致轉速下降、電 壓降低,短時需要足夠的瞬時功率,超級電容可以利用其高功率密度的特性,快速提供 大電流以彌補系統動力不足,避免電壓、頻率波動導致停機風險。同時,超級電容在起重機處于輕載上行或重載下行兩種狀態下,收集系統回饋的能 量,起重機處于負載狀態下時,再將收集的能量送至主電網,達到節能環保的目的。根 據 Skeleton 案例分析,在起重機系統中添加超級電容后相較添加前,系統可實現節能 30%、減少二氧化碳排放 10%。超級電容同樣可在電梯、地鐵輕軌等系統中發揮制動能 量回收的作用,實現節能環保、降低運行成本的目標。

                      不間斷電源場景下,超級電容可在幾秒內提供兆瓦級的 UPS 解決方案,防止生產 損失與系統故障。不間斷電源(UPS)用于給對電源穩定性要求較高的設備提供不間斷 的電源,該應用可以避免電壓暫降、暫升、中斷等電能質量問題造成的產品損失、生產 時間損失、設備損壞等嚴重后果。在數據中心、智能制造、數據信息化管理、安全生產、 電力電子制造等領域,連接電網和負載的超級電容 UPS 解決方案可在幾秒內提供兆瓦 級的脈沖,同時具備零維護、長壽命、寬工作溫度范圍等優勢。

                      3. 供給端:產業鏈各環節攜手成長,本土廠商迎增長機遇

                      中國超級電容市場規模快速增長。2021 年全球超級電容市場規模分地區來看,亞太 地區份額占 39%位列第一,中國是亞太地區超級電容市場規模排名第一的國家,2021 年 市場規模達 25.3 億元,占全球 24%份額,且中國市場規模同比增速達 32%,遠高于全 球市場 15%的同比增速,伴隨中國本土超級電容產業鏈各環節廠商的共同努力,中國有 望引領全球超級電容產業的發展。

                      13.jpg

                      產業鏈各環節廠商齊發力,加速推進超級電容國產化進程。上游原材料環節,電解 液國產化配套已相對成熟,電極、隔膜等高技術壁壘領域的國產化正在加速推進,元力 股份、凱恩股份已實現對國內超級電容廠商配套供貨,超級電容核心技術自主可控趨勢 凸顯。中游超級電容制造環節,本土超級電容廠商新建、擴產項目穩步推進。下游終端 應用環節,電力能源、汽車是超級電容最主要的兩大增量市場,本土新能源市場的快速 增長將帶動超級電容產業鏈向國內遷移,且有中國中車、新筑股份等終端廠商通過參控 股方式,為本土超級電容廠商創造合作研發、協同成長機遇。

                      超級電容國產化率持續提升,本土廠商迎來高增長拐點。2019 年,美國超級電容龍 頭 Maxwell 被特斯拉收購,其超級電容業務增速逐步放緩,國內市場份額逐漸被本土廠 商搶占。目前,多家超級電容本土廠商已初具規模,其中,寧波中車憑借中車集團在交 通領域及風力發電的渠道優勢及技術研發支持,已成為國內領先的超級電容廠商;錦州 凱美專精中小型超級電容,產品以單體為主,在消費類超級電容和智能儀表領域形成競 爭優勢;江海股份憑借在工業電容領域的深厚積累,實現超級電容產品應用場景全覆蓋;上海奧威與烯晶碳能則主要聚焦電車領域。受限于超級電容項目投入周期較長,本土廠 商收入體量目前仍較小,未來,伴隨電網調頻、混合儲能、車用等新興領域市場的快速 起量,本土廠商有望迎來高增長拐點。

                      4. 投資分析

                      4.1. 江海股份:工業電容龍頭,鋁電解電容穩增、薄膜&超級電容迎業績拐點

                      江海股份布局鋁電解電容、薄膜電容、超級電容三大業務,2021 年公司營收、歸母 凈利為 35.5 億元、4.4 億元,同增 35%、17%,22H1 營收、歸母凈利為 21.7 億元,3.0 億元,同增 30%、46%。業務結構方面,2021 年鋁電解電容、薄膜電容、超級電容三大 產品營收占比 80.2%、6.3%、6.8%,超級電容實現 2.4 億元營收,同增 47%。

                      14.jpg

                      超級電容 EDLC、LIC 技術路線并行,多領域發力助力公司超級電容營收持續高增 長。江海股份持續推進 EDLC、LIC 兩大技術路線,目前擁有 3 條 EDLC 和 5 條 LIC 完整產線,2016 年定增建設“超級電容器產業化項目”,截至 2021 年底投資進度達 73%, 項目達產將實現產能雙電層電容 300 萬 Wh/年、鋰離子電容產能 2500 萬 Wh/年。市場 方面,2020 年,風電領域超級電容營收占比約 54%,客戶包括德國 SSB、華電等企業, 軌道交通領域占比約 20%。2021 年,公司與國內領先新能源客車企業蘇州金龍合作開 發的首臺鋰離子超級電容純電動客車正式下線,充電五分鐘可實現續航 30 公里,適合 公交線路運營。2021 年,公司持續發力智能表、軌道交通、電網調頻、油改電等應用領 域。隨著多領域同時開花,公司超級電容業務呈現持續高增長,2021 年公司超級電容營 收達到 2.4 億元,17-21 年營收 CAGR 為 62%。展望未來,超級電容業務有望成為公司 新的業績引擎,打開公司長期成長天花板。

                      4.2. 元力股份:國內木質活性炭龍頭,超級電容炭助力業績增長

                      元力股份自成立以來即專注于活性炭的研發、生產與銷售,2021 年實現硅酸鈉、白 炭黑、硅膠產業鏈整合。活性炭產銷持續向好,2021 年產量、銷量達 11.3 萬噸、11.4 萬 噸,同增 12%、20%,帶動公司整體營收和歸母凈利分別為 16.1 億元和 1.5 億元,分別 同比增長 42%和 21%,22H1 公司營收和歸母凈利分別達 9.9 億元和 1.1 億元,分別同比 增長 37%和 73%。公司積極布局超級電容炭產業,正在引領超級電容炭國產替代。元力股份目前已建 成 300 噸/年超級電容炭產能,預計 2024 年擴產到 1000 噸/年。客戶端,公司已與多家 超級電容廠商建立良好合作關系,包括已與中國林科院產業化工研究所南京開發總公司、 中國科學院重慶綠色智能技術研究院、錦州凱美能源有限公司等多家企業達成合作, 2019 年成為寧波中車超級電容炭產品指定戰略合作供應商。超級電容炭市場目前主要 被日本可樂麗所占據,公司正在引領超級電容炭國產替代,未來前景十分廣闊。

                      4.3. 風華高科:國內被動元件領軍企業,已突破能量型鋰離子超級電容產品

                      風華高科是國內被動元件領軍企業,主營產品包括 MLCC、片式電阻器、電感器、 超級電容、陶瓷濾波器等多種電子元器件,是目前國內被動元件行業規模最大、元器件 產品系列生產配套最齊全的企業。根據公司消息,其鋰離子超級電容產品已實現量產, 在相同規格尺寸下,容量比碳基超級電容大 10 倍,技術處于國內領先水平。公司超級 電容全資子公司已于 2021 年 6 月投產,超級電容研發生產基地技術改造項目在持續推 進過程中,未來公司有望受益超級電容下游需求起量。

                      15.jpg


                      來源:未來智庫

                      報告出品方/作者:東吳證券,馬天翼、唐權喜


                      你知道你的Internet Explorer是過時了嗎?

                      為了得到我們網站最好的體驗效果,我們建議您升級到最新版本的Internet Explorer或選擇另一個web瀏覽器.一個列表最流行的web瀏覽器在下面可以找到.

                      国彩网