节能提效

对应功率半导体IGBT产业链

     

      节能提效是实现碳达峰碳中和目标的重要战略,是实现“双碳”目标最有效、最直接、最经济的手段。“十一五”以来,我国出台了一系列政策法规,创新性地将节能减污降碳作为重大工程加以实施,并成为生态文明建设、发展方式转变、经济提质增效的重要抓手,在优化产业结构,提高能源效率,促进技术进步,提高公众意识等方面取得积极成效。


       我国一些产品能耗与国际先进水平的差距在缩小,一些高耗能企业拥有了国际先进的技术和设备,进一步节能需要颠覆性技术突破。随着收入水平的提高,人们要“体面”工作和生活,需要冬季采暖或夏季用空调,通风、亮度、湿度、温度、安静等是宜居条件,总不能经常“拉闸限电”来控制能耗。


      必须要强化政府主导,抓紧制定与“碳中和”目标相匹配的能源效率标准,大幅提高能源效率准入要求,尽早使新建建筑和基础设施的能效水平与发达国家“并跑”,甚至“领跑”。推广节能新技术、新模式、新业态,挖掘跨部门、跨行业节能潜力,创新是节能和提高能效的根本动力。近年来,我国政府持续发布节能新技术,推动客户了解并使用新技术。面向“碳中和”目标,应进一步强化科技创新的引领作用,探索节能新工艺、新材料、新设计思路,加快推广节能新技术、新模式、新业态,为深挖行业节能潜力提供更多的解决方案。


      节能提效是传统工业企业转型的主要路径,我国工业领域能耗占比约70%。工业企业是中国能源消费大户,能源消费占全国能源消费总量的70%左右,主要工业品单位能耗比国际先进水平高约30%。除生产工艺落后和产业结构不合理外,工业余热利用率低,能源没有得到充分利用是造成能耗高的重要原因,我国能源利用率仅为33%,较发达国家低10%左右,至少50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。


       对于传统高耗能产业而言,“碳中和”相当于“供给侧改革2.0”。2016年始的供给侧改革使得众多传统行业淘汰了老旧冗余产能,“碳中和”不仅要控制碳排放,而且要求企业通过总量控制,达到进出平衡,产生最终“零排放”的结果。实现这种结果不仅有产能收缩一种渠道,还要通过工艺改进、二氧化碳回收等多重方式进行。因此,对于中国传统高耗能高排放的产业诸如电力、钢铁、煤炭、化工、建筑、交通运输等,“碳中和”相当于供给侧改革的升级版。




       IGBT产业链——当前技术手段相对成熟的节能提效领域主要为家电与工业,核心部件均对应功率半导体,尤其是低能耗IGBT,工控+家电领域合计占IGBT下游需求约47%,未来有望市场规模会继续提升。


      在零碳电力完全渗透前,通过技术手段降低设备运行对电力的消耗,也可达到减排效果。


      功率半导体作为半导体行业的一个重要分支,大量应用于消费类电子、工业控制和国防装备,是节能减排的关键技术和基础技术。


       功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源,从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。而无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,绝大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用,每个电子产品均离不开功率半导体器件。


       功率半导体(分立)器件也称为电力电子器件,包括:功率二极管、功率MOSFET以及LGBT等。当前技术手段相对成熟的节能提效领域主要为家电(变频家电)与工业(工业控制与自动化),两者的核心部件均对应功率半导体,尤其是具备低能耗属性的IGBT,工控+家电领域合计占IGBT下游需求约47%。


       2013年以来三大白电的能效新标陆续出台,推动变频家电渗透率提升,以销量计算,2020Q3变频空调渗透率达到70%左右,变频冰洗渗透率达到50%左右,能效标准趋严的背景下,后续渗透率仍有可观的提升空间,增速高于白电行业整体;工控与自动化领域,根据前瞻产业研究院,2020至2025年,变频器市场规模CAGR有望达10%。


       其次,IGBT产业链的下游需求中,电动车+充电桩占30%,新能源发电占11%,上述两个领域同样是碳中和顶层设计下的高增长赛道。

根据集邦咨询预测,2018-2025年IGBT产业规模CAGR有望达18%。此外,国内IGBT企业仍有较大的国产替代空间。


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       终端电化主题:化工/商用车/建筑等较难电气化的领域脱碳是堵点,对应废钢处理、石墨电极、氢能-燃料电池、生物燃料、装配式建筑产业链


4. 电炉钢-废钢处理产业链——目前国内炼钢仍以长流程为主,短流程炼钢渗透率仅10%,明显低于发达国家,其主要制约因素是电炉炼钢的原料废钢供给不足。


  根据工信部最新发布的《钢铁行业产能置换实施办法》(以下称产能置换办法),钢铁行业产能将继续被压缩,电炉炼钢、氢冶金等低碳技术以及兼并重组将受鼓励。从钢铁上市公司的反馈来看,目前产能置换办法还没产生实质性影响,长流程炼钢依然是最优的现实选项。


  但电炉炼钢的趋势不会改变,废钢在原材料中的地位也会逐渐提高。“十四五”时期,随着“碳达峰”“碳中和”各项措施的逐步实施,钢铁工业炼钢工艺转变、产能结构优化,钢铁行业原料需求将现分化,铁矿石、焦炭需求趋于下降,而废钢需求将持续提升。


   电炉钢-废钢流程,具有流程短,设备布置、工艺衔接紧凑,投入产出快的优势,同时具备环保意识和可持续发展的现实需求。


  废钢铁,是电弧炉炼钢的基本原料,是一种可无限循环使用的节能再生资源,用量约占钢铁料的70%-90%。对氧气转炉而言,废钢既是金属料,又是冷却剂。


  废钢同采用矿石炼铁后再炼钢相比,用废钢直接炼钢可节约能源60%,减少废物排放80%;再通过清除和处理折旧废钢和垃圾废钢改善环境的同时,更重要的是节约了原材料,在炼钢时,每用1吨废钢可节省约1.7吨铁矿石,0.68吨焦炭和0.28吨石灰石,减少4.3吨原矿开采,可减少1.6吨二氧化碳的排放。


  废钢资源的社会积蓄量、 废钢的年产生量、废钢的进口量、废钢市场的价格等极大的制约炼钢生产中废钢使用量及电炉钢与转炉钢的比例。


  充分利用各种废钢铁资源,并使之能适用于炼钢过程以提高效率和降低成本,必须有效地对各种废钢进行加工处理。废钢处理的任务包括,拣选,解体和收集废钢,随后经济地,尽可能地去除各种钢中不要的有色金属和非金属有害杂质,并加工成为易于装运和适合于炼钢条件的具有一定尺寸、形状和致密度的废钢炉料。


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4. 电炉钢-石墨电极产业链——电炉钢中石墨电极的消耗贯穿在整个电炉钢冶炼工艺过程中。


  目前,世界上电炉钢产量的95%以上都是由电弧炉生产的,因此电炉炼钢主要指电弧炉。石墨电极是电炉炼钢的重要高温导电材料,通过石墨电极向电炉输入电能,利用电流通过石墨电极与金属料之间产生电弧的高温,来加热、熔化炉料。


  石墨电极是采用石油焦、针状焦为骨料,煤沥青为粘结剂,经过混捏、成型、焙烧、浸渍、石墨化、机械加工等一系列工艺过程生产出来的一种耐高温石墨质导电材料,值得强调的是:石墨电极的本体生产周期100天,接头生产周期5个月(两个合在一起才能使用,需要连在一起出售)


  石墨电极性能较好:①石墨加热后,直接由固态升华为气态,升华温度高达3800℃;②再温度上升时,石墨的机械强度上升,在2000℃时石墨强度是室温下的1.6倍;③石墨的电阻系数和温度变动的相依关系较复杂。在1400℃下的电阻系数和室温下的相同,而金属的电阻系数却总是随温度升高而增大的;④石墨的导热性能好而热膨胀系数较低,使石墨抗热震性能较好,降低了电极中的热应力;⑤在石墨表面温度大于400℃后会和氧气结合。氧化量与气体中的氧含量、气体流速和暴露时间有关。在温度大于600℃后,氧化过程激烈;⑥石墨易于加工,电极两端螺纹接头有较高的加工精度,接头处接触良好,机械应力分布较好,且价格不贵。


  减少电极消耗的措施:①减少由机械外力和电磁力引起电极折断和破损;②电极应存放在干燥处,严防受潮;③减少电极接头的电损失;④减少电极周界的氧化消耗;⑤降低电极端部的消耗;⑥提高电极调整器自动升降的灵敏度,有利于降低电极消耗;⑦强化管理,严格执行配电、配料、装料等关键操作制度,以减少非正常消耗。


  石墨电极迎来供给和需求双重驱动的景气周期。需求:电炉钢产量大增长推动石墨电极需求放量,供给:环保高压和资金紧张制约石墨电极复产,效益:价格上涨的绝大部分化为了利润。


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