【分享】“双碳”政策加持，气凝胶会是一门大生意吗？盘点有“钱”力的应用领域
【分享】“双碳”政策加持，气凝胶会是一门大生意吗？盘点有“钱”力的应用领域
气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构、并在孔隙中充满气态分散介质的固体材料，气凝胶比传统保温材料隔热性好、使用寿命长、防水性与耐燃性能优异，是目前最高效的隔热材料，契合节能减排大趋势。气凝胶目前主要的应用领域包括石化油管和高温反应装置保温、锂电池Pack外保温、锂电池电芯间隔热、建筑保温外墙保温、户外体育用品等。
相对于传统材料，气凝胶节能效果显著，行业需求将在双碳政策的推动下快速提升。与传统保温材料相比，有以下优点：
1）其保温性能是传统材料的2-8倍，因此在同等保温效果下气凝胶用量更少；
2）气凝胶更换周期在20年左右，而传统保温材料的更换周期在5年左右，因此全生命周期的使用成本更低。
双碳政策加持，气凝胶的未来会怎么样？哪些应用领域会成为"造富机"？我们一起来看看吧！
01 气凝胶是当前最高效节能隔热材料
气凝胶是新一代高效节能隔热材料。气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构、并在孔隙中充满气态分散介质的固体材料，是世界上最轻的固体。由于独特的结构，气凝胶在热学、声学、光学、电学、力学等多个领域都展示出优异的性能。目前商业化应用的气凝胶主要围绕其高效的阻热能力展开，下游用于石油化工、热力管网、锂电池、建筑建材、户外服饰、航天、军工等多个领域。
气凝胶参数
气凝胶的阻热原理是其独立的结构带来的无对流效应、无穷多遮挡板效应、无穷长路径效应。气凝胶的导热系数在 0.012~0.024W/(m·K)，比传统的隔热材料低 2~3 个数量级，其隔热的原理在于均匀致密的纳米孔及多级分形孔道微结构可以有效阻止空气对流，降低热辐射和热传导：1）无对流效应：气凝胶气孔为纳米级，内部空气失去自由流动能力；2）无穷多遮挡板效应：纳米级气孔，气孔壁无穷多，辐射传热降至最低；3）无穷长路径效应：热传导沿着气孔壁进行，而纳米级气孔壁无限长。
与传统保温材料相比，二氧化硅气凝胶绝热毡的保温性能是传统材料的 2-8 倍，因此在同等保温效果下气凝胶用量更少。以管道为例，直径为 150mm 的管道如果需要达到相同的保温效果，对应使用的保温材料膨胀珍珠岩、硅酸钙、岩棉、气凝胶毡的厚度分别为 90mm、76mm、64mm、20mm。根据中石化塔河炼化的测算，将常压焦化装置从传统保温材料改造成"二氧化硅气凝胶保温毛毡+单面铝箔玻纤布保温材料"组合保温的方式后，热损失降低了 34.7%，保温层厚度较传统保温材料降低 50%以上。
相同保温性能情况下，气凝胶毡用量最少
此外，气凝胶的使用寿命较长，约为传统保温材料的 4 倍左右。传统保温材料如岩棉、聚氨酯等在长期使用过程中容易吸水，一方面影响保温效果，另一方面在吸水后由于重力作用导致保温材料分布不均匀，尤其是在管道保温的使用场景下，容易造成保温材料在管道下部堆积，最终影响使用寿命。气凝胶则具有优异的防水效果，其憎水率达 99%以上，在长期使用过程中仍能保持稳定的结构和隔热效果。
目前商用的气凝胶通常为复合材料制品，且具有多种形态。气凝胶存在强度低、韧性差等缺点，因此需要通过添加颗粒、纤维等增强体提高强度和韧性，也可以通过添加炭黑、陶瓷纤维等遮光剂提高遮挡辐射能力。因此当前在售气凝胶制品往往是由气凝胶材料与基材复合制得。根据制品形态，气凝胶制品可以分为气凝胶毡、气凝胶纸、气凝胶布、气凝胶板材、气凝胶粉末、气凝胶浆料、气凝胶涂料等。
气凝胶材料种类繁多，其中 SiO2 气凝胶的商业化应用最成熟。气凝胶按照前驱体可分为氧化物、碳化物、聚合物、生物质、半导体、非氧化物、金属七大类。众多不同的前驱体可制备出具有不同性能的气凝胶，极大丰富了气凝胶品种的多样性，拓展了气凝胶的应用范围，目前市场上SiO2气凝胶的应用最成熟。
二氧化硅气凝胶前驱体可分为有机硅源和无机硅源。常用的有机硅源是正硅酸甲酯、正硅酸乙酯等功能性硅烷，无机硅源包括四氯化硅和水玻璃等。与无机硅源相比，有机硅源价格较为昂贵，但是纯度高，工艺适应性好，可以适应超临界干燥和常压干燥。无机硅源水玻璃价格虽然较低，但是杂质较多，目前主要用于常压干燥中。
气凝胶的制备过程主要包括溶胶-凝胶、老化、改性、湿凝胶的干燥处理过程。溶胶-凝胶过程指前驱体溶胶聚集缩合形成凝胶的过程。但由于刚形成的湿凝胶三维强度不够而容易破碎坍塌，因此需要在母体溶液中老化一段时间提高强度或者利用表面改性减小或消除干燥应力。干燥过程即用空气取代湿凝胶孔隙中的溶液并排出。
干燥工艺是合成步骤的关键。湿凝胶在干燥过程中需要承受高达100Mpa-200MPa 的干燥应力，该应力会使凝胶结构持续收缩和开裂，容易导致结构塌陷。目前主流干燥工艺路线有超临界干燥、常压干燥。
超临界干燥的原理是当温度和压力达到或超过液体溶剂介质的超临界值时，湿凝胶孔洞中的液体直接转化为无气液相区的流体，孔洞表面气液界面消失，表面张力变得很小甚至消失。当超临界流体从凝胶排出时，不会导致其网络股价的收缩及结构坍塌，从而得到具有凝胶原有结构的块状纳米多孔气凝胶材料。早期的干燥介质主要采用甲醇、乙醇、异丙醇、苯等，但是该技术具备一定危险，且设备复杂，因此近年来又开发出以二氧化碳为干燥介质的低温环境超临界干燥工艺，通过降低干燥时的 临界温度和压力，来改善干燥条件，降低危险性。
常压干燥的原理是利用低表面张力的干燥介质和相关改性剂来置换湿凝胶中的溶剂，以减小干燥时产生的毛细管作用力，避免在去除溶剂时凝胶结构发生破坏，从而实现常压干燥。常压干燥前通常需要对湿凝胶进行长时间的透析和溶剂置换处理。常压干燥设备成本与能耗成本相对较低、设备简单，但是对配方设计和流程组合优化要求高，而且在制备非二氧化硅气凝胶时尚不成熟。
02 过去5年国内气凝胶市场已经初具规模
气凝胶发展至今近 90 年，国内于 2012 年将其产业化。气凝胶诞生于 1931 年，但直到20 世纪 90 年代国外才开始将其产业化。但由于干燥过程成本较高，早期气凝胶只能用于航天军工和石化领域。国内气凝胶行业起步于 21 世纪 10 年代。2012 年国内首套 1000L超临界二氧化碳气凝胶干燥设备投产，标志着气凝胶的规模化生产，随后经过多次技术迭代，生产成本逐步降低。
过去 5 年国内气凝胶市场通过技术进步实现产量的快速跃升。中国气凝胶市场目前还处于起步阶段，但过去 5 年的技术进步已经实现了较大比例的降本，2015-2020 国内气凝胶材料产量年均复合增速为 38.5%、气凝胶制品产量年均复合增速为 38.8%。
气凝胶具有非常好的隔热性能、透光性、隔音性以及绝缘性，但目前工业界主要对其隔热性能开展一系列应用。目前成熟的下游市场主要有石油化工行业、工业隔热行业、建筑建材行业、航空航天、锂电池行业等，其中石油化工占比 56%、工业隔热占比 26%。
目前气凝胶行业已经初具规模，我们认为当前时点将是气凝胶行业起飞的拐点期，原因在于：
1）随着二氧化碳超临界技术的成熟以及行业的快速扩产，其成本相比 10 年前已经下降约 80%，经济性逐步提升；
2）减少高温油气管道热量流失以及提升高温反应釜的保温效率契合碳减排大趋势，气凝胶凭借优异的阻热性能，将逐步替代传统保温材料，市场空间广阔；
3）新能源车与储能锂电池系统对锂电池安全性有较高要求，因此需要使用阻热性能优异的气凝胶作为锂电池的隔热材料，锂电装机的快速提升将快速拉动气凝胶需求。
而且，生产方面已经有了长足的进步。
2022年2月27日，伴随着年产5万方硅基纳米气凝胶复合材料项目在中化学华陆新材料有限公司一次性开车成功，产出第一批合格硅基纳米气凝胶复合绝热毡产品，标志着中国化学工程以实业强国为己任，迈出了加快打造原创技术策源地、现代产业链链长的重要步伐。
03 未来5年年均增速将达63.6%
2015-2020年国内气凝胶材料产量年均复合增速为38.5%，过去5年国内气凝胶市场通过技术进步实现产量的快速跃升及成本的快速下降，当前成本相比10年前已经下降超80%。
在当前双碳政策下，节能将成为化工、能源、建筑行业未来的发展的主旋律，气凝胶行业处于拐点向上的飞速发展阶段。目前，气凝胶在石化管道、高温反应釜、热网管道、锂电池方面具有极具竞争力的性价比，中石油、宁德时代等龙头企业已经从传统隔热材料切换至气凝胶，头部企业的标杆效应将带来气凝胶行业量的起飞。
根据Aspen预测，未来10年全球市场空间合计在7000亿元。估算到2025年国内石化管道和集中供热管道对气凝胶的需求将达155亿元，锂电池对气凝胶的需求将达20亿元，建筑建材对气凝胶的需求将达7.3亿元，合计需求在185亿。而2020年国内气凝胶产值约16亿元，未来5年年均增速将达63.6%。
多家企业入局气凝胶行业，推动行业产能加速扩充。当前多家上市公司于近两年开始通过股权投资形式布局气凝胶产能，根据我们的统计，国内现有气凝胶产能约15.7万方，而主流企业的扩产合计约16万方，以2年的投产周期来算，预计2023年全行业产能将在2021年的基础上翻倍，供应端年均增速在50%。
04 有"钱"力的多场景应用
1. 管道保温材料：到2025年，国内管道用气凝胶的需求空间将达155亿元
我国于 2020 年提出"30·60"双碳目标，减少高温管道的热量流失是契合碳减排大趋势的重要一环。炼化企业的高温管道外侧通常包覆较厚的保温材料，对管道保温可以有效降低企业能源消耗，减少碳排放。而使用硅酸钙、复合硅酸盐、岩棉、矿渣棉等常规保温材料的管道在长周期的运行后，一方面热损失增加导致装置能耗上升，另一方面管道外表面的高温增加了烫伤事故的可能性，此外，岩棉、硅酸铝等材料容易吸水导致保温失效，聚氨酯等有机绝热材料阻燃性差，影响项目正常运行。虽然气凝胶相对于其他保温材料而言价格仍相对较贵，但是从长周期经济性考虑，气凝胶使用寿命更长、使用量更少、不易吸水、阻燃性能好，更契合节能减排大趋势。
以 350℃、4.5Mpa、流量 80t/h、外径为 325mm 的长输蒸汽管道项目为例，将传统保温方案与气凝胶复合保温方案对比可以发现，方案 1 和方案 2 比方案 3 每公里每年分别节能3127.6GJ、1937.0GJ，以热价 53.89 元/GJ 进行测算，折算后将节省 16.9 万、10.4 万元。同时，管线的每公里温降由原来的 6.9℃降至 4.8℃，可以大大降低热损。
由于气凝胶毡生产成本高，气凝胶复合保温方案的初始投资成本较高。以 1km 蒸汽管道施工测算，方案 1、2、3 的总造价分别在 99.3、70.4、44.9 万元，方案 1、2 分别比方案3 贵 54.4、25.5 万元，对应于上述的每年节省 16.9 万、10.4 万的能源成本，则方案 1、2分别将于 3、2 年后收回增加的初始投资成本。
气凝胶保温材料的替换周期长，经济性进一步提升。以长度为 100m（管道平均外径 D0=0.60 m，冷油管道与热油管道的长度各为 50 m）的地上保温管道为例，气凝胶保温材料与传统保温材料的投资施工成本来看，单次人工材料总费用分别是 3.44 万、1.15 万，而两种方案的使用年限分别为 10-15 年、3-4 年，即在 12年内，气凝胶保温材料无需更换，而传统保温材料需要更换三次。此外，在保温层均为 2cm，冷油温度 20℃，热油温度 50℃的前提下，全年节约热量 23746kWh，按 0.16 元/kWh（煤炭价格为 900 元/吨时对应的热价）的热价折算，全年节约总能量费用为 3692 元。
继续以上述案例为例探讨能源价格对气凝胶方案经济性的影响：在上述案例中，气凝胶方案将比传统方案节省热量 23.746MWh/年，我们分别将煤炭价格在 300-1500 元/吨、天然气价格在 2-8 美元/mmbtu、原油价格在 50-110 美元/桶之间波动的情景下测算气凝胶方案相对于传统方案的经济性，得出的结论是气凝胶方案大概率在 4-7 年的时间内比传统方案更具经济性。考虑到双碳背景下能源价格持续上涨，我们认为气凝胶方案的经济性拐点已经来临。
到 2025 年，国内油气管道和集中供热管道对气凝胶的需求空间将达 120 亿元。当前国内约有油气管道 14.5 万千米，集中供热管道 50.73 万千米，假设存量保温管道的保温材料替换周期为 4 年，油气管道半径 30cm、集中供热管道半径 85cm，同时根据 2020 年气凝胶制品产值 15.9 亿及石化与工业领域 80%的市场占比锚定，预计 2021-2025 年存量管道的替代比例分别为 1%/2%/3%/5%/8%，增量管道的替代比例为10%/15%/30%/50%/80%，2021-2025年油气管道和集中供热管道对气凝胶的需求空间分别为18.57/32.82/58.40/100.03/154.83亿元。
2. 新能源汽车领域
新能源汽车是交通领域实现"双碳"目标的重要抓手。据预测，2026年中国新能源汽车销售量将达到280万辆。实现新能源汽车产业稳定持续发展，动力电池系统的安全性能是重要的考量。气凝胶兼具阻燃性能高、体积轻及用量少的特点，成为动力电池电芯隔热材料的最佳选择，目前已经被电池企业和新能源汽车厂家所采用，正逐步成为行业标准和规范。
热失控是动力电池安全事故的主要原因，碰撞、针刺、过充过放等都会引起锂电池热失控，如何控制热失控是衡量锂电池企业制造水平的关键因素。锂电池企业通常从两种思路解决锂电池热失控问题：
1）通过优化电池制造过程控制遏制热失控诱因的发生；
2）在电芯热失控已经发生的情况下，通过系统层面的手段将热失控遏制在模组、Pack 层面或延缓蔓延时间。其中第一条思路较为考验电池企业的综合制造能力，目前大多数电池企业的安全制造能力均不过关，第二条解决思路主要依赖隔热材料的选择，对电池企业的制造门槛要求相对较低，因此将是多数电池企业解决热失控的主要选择。
国家自 2021 年开始从系统层面考核锂电池安全性，第二条思路成为大多数车企和电池长的主流选择。《电动汽车用动力蓄电池安全性要求》于 2021年 1月1日起正式实施，该文件将锂电池系统安全作为考核重点，并新增系统热扩散测试，要求电池单体发生热失控后，电池系统在 5 分钟内不起火不爆炸。而要实现"5min 的安全逃逸时间"，则需要对电池包的隔热材料多做改进，延缓故障电池包的爆炸时间。
锂电池系统对隔热材料的要求是隔热性能优异的同时需要具备优异的阻燃性能，常规隔热材料聚氨酯由于在环境温度超过 140 摄氏度后容易燃烧，因此不适合作为锂电池的阻燃材料。此外，出于对体积能量密度的追求，锂电池厂在 Pack 设计时给电芯之间隔热层预留的空间并不大，气凝胶兼具阻燃性能好及用量少的特点，成为锂电池电芯隔热材料的最佳选择。根据宁德时代和上汽集团等专利显示，目前较为主流的隔热方案是在电芯之间放置气凝胶插片，同时在模组和上盖之间设置云母片。
由于气凝胶目前相对于普通隔热材料价格相对较贵，因此目前气凝胶主要用于更易发生热失控的高镍三元锂电池。展望未来，为提升电池包能量密度，普通三元及磷酸铁锂电池有望使用更薄的气凝胶隔热垫以提升电池包的成组效率，因此气凝胶在锂电池的渗透率将进一步提升。根据鑫椤锂电数据，2021 年高镍三元锂电池占比约 17%左右，则以气凝胶的单车价值量 500 元测算，预计到 2025 年，全球锂电池用气凝胶市场空间为 35 亿元。
3. 建筑保温市场：当前需求增速慢，远期市场空间广阔
根据《2020 年中国统计年鉴》，我国建筑业能源消耗占国内能源消耗总量超过 25%，因此在双碳目标的大背景下，建筑节能成为亟待解决的问题。在建筑物保温中墙体承担整个建筑物节能保温的 50%以上的认为，因此开发合适的墙体保温材料成为重要课题。
传统保温材料一般分为两类：以珍珠岩、岩棉类为代表的无机保温材料、以聚苯乙烯、聚氨酯为代表的有机保温材料。无机材料保温隔热性能差，且吸水率高，因此逐渐被隔热性能更好、抗冲击性能更高的有机保温材料取代。但是几乎所有的有机保温材料都易燃，在遇到明火后开始燃烧，并且在燃烧过程中会分解出苯、甲苯、甲醛等，即使在聚氨酯材料中添加阻燃剂，也只能达到国标 GB8624-2012 中的 B 级不燃标准。气凝胶具有优异隔热性能、不易燃烧、不易吸水，是建筑保温材料的最佳选择之一。
气凝胶价格较贵，目前在建筑节能市场渗透率相对降低，但远期空间广阔。根据 2020年国内气凝胶行业合计 15.9 亿元的产值及建筑建造行业约占7%的需求来推算，2020 年建筑建材用气凝胶的销售额约在 1亿左右。根据我们对建筑外墙保温材料的测算，则 2020年气凝胶在建筑保温材料的渗透率仅为 0.02%，我们假设 2025 年气凝胶渗透率提升至0.12%，则到 2025 年国内建筑保温外墙市场对气凝胶的需求量为 13.7 万方。相比石化、热网及锂电行业，其需求相对较小。但远期来看，整个建筑建材市场空间广阔。
综合来看，在双碳政策的催化下，气凝胶在节能保温材料市场的渗透率将有显著提升。预计2021-2025 年国内气凝胶行业的需求空间合计为22.6/38.7/67.6/115.7/184.7 亿元，同比增速分别为 43%/71%/75%/71%/60%。
本文来源：贤集网
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