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超级电容行业深度研究:功率型储能黑科技行业迎来加速拐点

发布时间:2022-11-26 11:28:37 | 作者:米乐买足彩

  前言:东吴电子团队长期持续跟踪江海股份,也持续关注类似元力股份、GMCC、 上海奥威等企业的功率型储能业务——超级电容。对于江海超级电容业务,一个明显的 感受是该业务持续高速增长(2021 年营收 2.4 亿元,17-21 年营收 CAGR 为 62%),但 是这个行业天花板在哪,以及其背后快速增长的原因一直没有很清楚的回答,主要难点 在于超级电容行业处于产业生命初期,需要超级电容的应用场景很多,但是具体哪个应 用场景具备百亿以上的容量,或者超级电容行业需要突破哪些条件才能创造巨大的需求 市场,这是我们东吴电子团队一直思考的问题。通过资料收集与整理、产业链上下游的 调研,我们认为超级电容在电网调频、混合储能和汽车领域前景广阔,行业的加速需要 1)技术进步:提升超级电容能量密度;2)成本降低:规模化量产&产业链国产化;3) 政策驱动:需求场景更加明确。 2022 年是超级电容在电力调频、混合储能领域规模落地的元年!2022 年以来,超 级电容在国内首次应用于火储一体化调峰调频、首次应用于一次调频、首次应用于岸储 一体化项目。超级电容行业正在迎来加速拐点。

  超级电容是功率型储能器件,技术、成本、政策三重利好助力打开百亿市场空间。 超级电容相较传统电容器具有更高的能量密度,相较电池具有更高的功率密度,是一种 新型功率型储能器件,具备充电时间短、使用寿命长、温度特性好、绿色环保等特性。 超级电容已作为备用电源、功率电源、能量回收系统被广泛应用于消费电子、工业、国防军工等领域,能量密度较低、储能成本较高是过去限制其应用范围的两大因素。目 前,混合型超容能量密度大幅提升,原材料国产化带动超容成本持续降低,同时各部委 相继出台多项政策,支持包括功率型储能在内的新型储能产业发展,技术进步、成本降 低、政策驱动三重利好有望共同推动超级电容打开应用天花板。超级电容在立足智能表、 轨道交通等成熟市场的同时,在港口机械、采掘装备、电网调频、油改电、储能、电动 大巴等领域打开市场,尤其储能、电网调频、乘用车用等市场潜力较大,百亿市场空间 正在打开。 超级电容主要由正负电极、电解液、隔膜构成。超级电容属于电化学储能器件,主 要由正负电极、电解液及防止发生短路的隔膜构成,电极材料具备高比表面积的特性, 隔膜一般为纤维结构的电子绝缘材料,电解液根据电极材料的性质进行选择。以市场主 流的双电层电容为例,充电时,电解液中的正、负离子在电场的作用下迅速向两极运动, 通过在电极与电解液界面形成双电层来储存电荷。

  按工作原理超级电容可分为三类,双电层电容(EDLC)是目前市场主流的超级电 容类型,混合型超级电容(HUC)具备更高的能量密度,正在成为重要研究与发展方向。 1) 双电层电容:EDLC 的充放电过程通过离子的物理移动完成,不存在化学反应, 充电时,双电层电容电解液中的正、负离子在电场的作用下迅速向两极运动, 并分别在两个电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层,造成电极间的电势差, 从而实现能量的存储;放电时,阴阳离子离开固体电极表面,返回电解液本体。 2) 法拉第赝电容:在电极表面或体相中的二维或准二维空间上,电活性物质进行 欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化还原反应,因赝电容可在整 个电极内部产生,因此可获得比双电层电容更高的能量密度,但因电极材料贵 金属价格较高、充放电循环稳定性有限等因素而难以商用; 3) 混合型超级电容:以双电层材料作为正极,以赝电容或电池类材料作为负极,融合了超级电容与赝电容或电池的优势。锂离子超级电容(LIC)是混合型超级 电容的典型代表,在充放电过程中,电容电极发生非法拉第反应,离子在电极 表面进行吸附/脱附,电池电极发生法拉第反应,锂离子嵌入/脱出。

  受益独特的结构与工作原理,超级电容具备高功率密度、高可靠、环保等优良特性。

  高功率特性:区别于锂电池充电时,锂离子需要与电荷结合并嵌入到负极碳层 的微孔中,放电时需要从负极碳层脱嵌,超级电容充放电时的电荷移动发生在 电极表面,因此超级电容功率密度显著更高、充放电速度显著更快。对比来看, 功率密度方面,双电层超容最高可达 40 kW/kg、锂电池在 1 ~ 3kW/kg;充放电 时间方面,EDLC 可达秒级、HUC 在分钟级别、锂电池在小时级别。

  高可靠特性:工作温度方面,锂电池工作温度范围为-20 ~ +60 °C,超级电容可 宽至-40 ~ +85 °C;工作寿命方面,由于充放电过程中的电荷移动完全可逆,充 放电次数可达 100 万次,工作寿命可达 15 年。且超级电容短路、刺破均不会燃 烧,相较短路、刺破时易自燃甚至爆炸的锂电池,超级电容安全性更高。

  环保特性:超级电容不含重金属和有害化学物质,其生产、使用、储存以及拆解过程均不会对环境产生污染,是理想的环保能源,而锂电池无法分解,易对 环境产生严重污染。

  超级电容作为功率型储能器件,凭借高功率、长循环寿命特性,与能量型锂电池互 补、协同。锂电池作为能量型储能器件,已被广泛应用于各类长时储能场景,超级电容 则可以凭借高功率、长循环寿命特性,应用于短时大功率、多次循环放电的单独储能场 景,或与锂电池组成混合能源系统,实现与能量型锂电池的互补、协同。

  仅考虑一次投资成本,假设 EDLC、混合超容、锂电池功率密度为 30、5、2kW/kg, 能量密度为 5、50、200Wh/kg,储能系统成本为 10、1、0.15 万元/度电,通过绘制不同 放电时间下的一次投资成本曲线,可见 EDLC 在 s 级市场、混合型超容在 min 级市场更 具成本优势,因此超级电容在短时大功率放电场景下具备经济性。 同时考虑不同电源的可循环充放电寿命,假设 EDLC、混合超容、锂电池循环寿命 为 100、10、0.4 万次,则计算得对应的生命周期成本分别为 0.1、0.1、0.375 元/度电/次, 可见超级电容生命周期成本低于锂电池,在多次循环放电场景下具备经济性。

  2)混合能源系统中,超级电容负责短时高功率峰值,锂电池负责长时低功率输出

  混合能源系统中,由锂电池等主能源提供长期低功率能量输出,超级电容负责高功 率峰值和快速响应,超级电容可从主能源处充电,或收集系统回馈的能量。在能源系统 中引入超级电容,可实现高功率瞬时响应,并降低主电源的功率输出以延长其使用寿命, 从而降低能源系统的生命周期成本。

  技术、成本、政策三重利好,超级电容产业迎向上加速拐点。根据超级电容产业联 盟数据,2021 年全球超级电容市场规模达 15.9 亿美元,预计 2027 年将达 37 亿美元, 21-27 年市场规模 CAGR 约 18%;2021 年中国超级电容市场规模达 25.3 亿元,预计 2027 年将超 60 亿元,21-27 年市场规模 CAGR 将超 20%。未来,技术进步、成本降低、政 策驱动三重利好有望共同推动超级电容打开应用天花板,超级电容正在向新能源公交、 电网调频、储能、汽车启停等新兴应用领域渗透,百亿市场空间正在打开。

  混合型超级电容在保持较高功率密度的基础上,显著提升能量密度,不断拓展下游 应用边界。因混合型超级电容的赝电容或电池电极通过发生法拉第反应进行充放电,因 此其能量密度显著高于 EDLC,根据海内外超级电容厂商披露,目前混合型超级电容单 体能量密度可达 80~160Wh/kg,系统能量密度已经突破 40Wh/kg。混合超级电容凭借更 高的能量密度属性和较低的成本,在分钟级别的储能、大巴车等领域成功打开应用天花板,不断拓展行业边界。

  超级电容能量密度有望进一步提升。超级电容的能量密度主要取决于其比电容和电 压窗口,因此进一步提升能量密度的方法包括提高电极比电容、开发高电化学电位区间 电解质、优化超级电容结构、减少器件对电解液的消耗等。随着技术的不断进步,NASA 于 2019 年预测,2025 年超级电容系统能量密度有望提升至 50-100Wh/kg,2030 年有望 达到 100-200Wh/kg。

  超级电容应用干法电极工艺,实现循环寿命延长、能量密度提升、成本降低。原有 湿法电极工艺下,需要将负极、正极粉末与有粘合剂材料的溶剂混合,再涂覆至集流体 上干燥形成电极;干法电极工艺下则无需使用溶剂,直接将少量粘合剂与电极粉末混合, 通过挤压机形成电极材料薄膜,再将电极材料薄膜层压到集流体上形成电极。 干法电极工艺主要有三点优势,第一,粘结剂用量少,提升锂离子电池良品率和使 用寿命,第二,不使用溶剂,减少充放电循环过程中的能量损失,提升能量密度,第三, 工艺简化,制造成本可降低 10-20%。但目前干法电极技术仍存在电池倍率较低的问题, 即大电流放电性能较差,有待工艺优化解决。产业端,特斯拉于 2019 年收购超级电容 企业 Maxwell,旨在将 Maxwell 的干法电极技术应用于锂电池生产中,国内烯晶碳能、 力容新能源等超级电容厂商也已具备干法电极技术。

  超级电容电极材料国产替代进行中,成本持续下降成必然趋势。超级电容上游材料 主要包括电极、电解液、隔膜、引线等,电极、电解液、隔膜占成本比例分别约 35%、30%、20%。其中电解液国产化配套相对成熟,本土厂商新宙邦占据我国超级电容电解 液 50%以上市场份额,而电极与隔膜则因技术壁垒较高而长期依赖进口,电极材料中用 量最大、最经济的材料—超级电容炭 70-80%从日本可乐丽进口,隔膜主要从美国、日本 等国进口,日本 NKK 占据全球超级电容隔膜 60%以上市场份额。元力股份、北海星石、 凯恩股份等本土厂商正大力推动电极、隔膜材料国产化,在原材料国产替代趋势下,超 容材料成本下降成为必然趋势。

  3)政策驱动:政策重视多元化新型储能技术发展,助推试点示范项目大规模落地

  政策推动新型储能技术多元化发展。近几年来,随着风电和光伏发电加入并网,电 网消纳成为了电力系统的痛点之一,在负荷侧,居民用电占比提升使得电网负荷波动更 加剧烈,在这种情况下,电网调节能力必须提升以适应未来更为复杂的源荷波动,具有 快速调节速率、配置方式灵活的储能能够胜任此任务。储能技术的应用场景可分为容量 型、能量型、功率型和备用型四类,目前暂无任何一种技术可以同时满足所有储能场景 的需求,因此需要多元化的储能技术在各自使用场景中发挥独特的性能优势。 “十一五”到“十四五”期间,各部委相继出台多项政策以在技术创新、应用拓展、 产业培育等方面支持超级电容产业发展。其中,超级电容作为新型储能核心技术,在国 家能源局 2022 年 1 月发布的《“十四五”新型储能发展实施方案》中,被作为“十四五” 新型储能核心技术装备攻关重点方向列示,政策同时要求积极推动各新型储能示范区项 目建设。

  2022 年以来,超级电容在电力调频、混合储能领域加速落地。伴随超级电容能量密 度提升、价格降低,其在电网各环节调频应用中的经济性开始凸显,22 年以来,超级电 容在电网调频和混合储能系统密集落地,包括岸储一体化、一次调频、火储联调、混合 储能等领域。2022 年是超级电容在电网调频、混合储能领域规模落地的元年,行业正在 迎来加速拐点。

  新能源装机规模、发电量占比快速提升。截至 2021 年,我国风电、光伏装机规模 328GW、307GW,合计占全国电力总装机规模比例为 27%;2021 年风电、光伏发电量 6556 亿千瓦时、3270 亿千瓦时,合计占全国总发电量比例 12%。根据国家能源局网站, 风电、光伏发电量占全社会用电量比重将持续提升,2025 年将达到 16.5%左右。

  新型电力系统下,电网调频需求显著增加。发电侧,传统发电系统的发电机与电力 系统强耦合,能够提供惯量、维持电网频率,当电力系统出现故障时,同步发电机的机 械惯量可以提供足够的旋转备用容量以弥补系统功率缺失,避免触及系统低频减载保护。 而光伏、风电通过电力电子设备连接至电网,暂态响应速度较快,不具备根据机端频率 和电压信号进行自主调节的能力,即惯量支撑、一次调频、主动调压、阻尼能力缺失, 因此导致电网频率面临挑战。用电侧,分布式光伏逐步接入电网,新能源车充换电、计 算机、通信等新型产业用电量超预期,均导致用电侧功率预测的难度提升,进而导致电 网频率波动加剧。根据国家能源局统计,2019 年上半年,全国调频服务补偿费用达 27 亿元,占全国电力辅助服务补偿费用比例为 21%,仅次于调峰 38%和备用 36%。

  一次调频、二次调频在频率调整范围、能力方面有所差异。一次调频是各并网机组 的调节系统根据电网频率变化,自发的进行机组调整以恢复电网频率,但只能做到有差 控制,二次调频是人为地根据电网频率变化调整机组负荷,能够做到无差调节,一次、 二次调频动作时间一般在 30 秒以内、30 秒至 15 分钟时段。 1) 一次调频:21 年以来政策开始发力一次调频市场建设。2021 年 12 月山西省能 源监管办发布全国首个一次调频市场交易实施细则,2022 年 5 月国家标准《并网电源一次调频技术规定及试验导则》正式实施,文件明确要求接入 35kV 及 以上电压等级电力系统的火电、水电、核电、储能电站、风电、光伏等并网电 源均应配置一次调频功能,一次调频机制开始逐渐明确。 2) 二次调频:目前市场化调频的主要环节,价格机制已比较成熟。二次调频是当 前市场化调频的主要环节,价格机制比较成熟,电网辅助服务主体通过市场化 竞标方式执行电网调频指令,综合调频能力决定项目盈利,衡量综合调频能力 的指标 K 值主要受响应速度(K1)、调节速率(K2)、调节精度(K3)影响。

  现有火电、水电机组调频存在多方面局限性,火电厂加装储能方案备受青睐。目前 我国各大区域电网中,主要以大型水电和火电机组作为电网调频电源,通过调整调频电 源出力来响应系统频率变化,但水电、火电机组调频存在一定局限性,例如,火电机组 响应时滞长、参与调频损害机组寿命,水电机组的应用存在地理位置、季节变化的限制。 火电+储能系统联合调频方案能够显著缩短火电机组响应时间,提高火电机组调节 速率及调节精度,以广东某电站加装储能前后的调频数据为例,调频综合性能指标 K 值 在加装储能后由 0.73 提升至 2.96,调频效果显著改善。

  超级电容适配电网短时高频、高功率调频需求,发电侧、输配电侧、用电侧应用逐 步落地。储能调频正以快速、精准的功率响应能力成为新型调频辅助手段,但受限于锂 电池标称 5000 次左右的循环寿命,现有储能调频项目大多仅响应 AGC 二次调频,而不 响应一次调频,超级电容则凭借高功率、长寿命特性适配电网短时高频、高功率调频需 求。根据 GMCC,其 EDLC、LIC 产品分别推荐应用于 15~30s 一次调频系统、15 分钟 级的二次调频系统,能够弥补超短时、短时的储能短板。 新型电力系统下,电网频率稳定性挑战升级,发电侧风光储平滑入网、混合储能系 统中响应调频指令,输配电侧变电站调频、配电终端后备电源,用电侧后备电源、功率 电源(于 2.4 介绍),均需使用功率型储能器件以提供短时、高功率峰值脉冲,超级电容 在发电侧、输配电侧、用电侧多环节的应用已开始落地。

  1) 发电侧:支持风光平滑入网,在电池+超容混合储能系统中负责响应调频指令

  针对光伏、风电并网在惯量响应方面的缺失,可采用超级电容作为短时储能装置以 平抑风光并网带来的功率波动。以引入超级电容的风电系统为例,将超级电容并联于直 流母线,与双向 DC/DC 变换器构成功率调节系统,当功率大于指定的输出功率时,超 级电容充电,当功率小于指定功率时,功率差值由储能装置补充,超级电容放电。超级 电容能够基于大功率特性为光伏、风电机组提供额外虚拟惯量,使其平滑输出接入电网, 减少新能源发电的随机性、间歇性、波动性给电网带来的冲击。

  锂离子电池、超级电容以互补形式组成混合储能系统,支持调峰、调频模式切换。 锂离子电池具有能量密度高、储/释能时间长等特点,可用于实现削峰填谷;超级电容具 有功率密度高、响应速度快、寿命长等特点,可参与电力系统一次调频,同时延长电池 使用寿命。二者可以互补形式组成混合储能系统,响应园区能量管理系统下发的削峰填 谷或调频调度指令,最大限度发挥储能作用。 以三峡乌兰察布“源网荷储”技术研发试验基地的混合储能系统为例,整套系统由 3 个预制舱体组成,分别为 0.5MW/1MWh 锂离子电池储能系统舱、1MW/0.1MWh 超级 电容储能系统舱、1.5MW 储能变流器舱,各储能系统通过直流汇流柜接入相应的储能变 流器,再分别接入功率路由器±750V 直流母线。锂离子电池负责削峰填谷及响应调频 持续分量,超级电容负责响应调频随机分量与脉动分量,尽可能减少电池介入调频响应 的次数,延长电池使用寿命。

  2) 输配电侧:用于变电站调频、配电终端后备电源,保证输配电线路电能质量

  超级电容应用于变电站,将一次调频滞后时间缩短至毫秒级别。以南京江北新区 110kV 虎桥变电站投运的超级电容微储能装置为例,该装置主要由超级电容模块、电力 电子变流器和快速功率控制器三部分组成,快速功率控制器可在 10 毫秒内完成频率检 测,电力电子变流器可在 2 毫秒内实现有功功率的快速、精准支撑,因此若电网发生大 波动引起频率跌落时,该微储能装置可以在 12 毫秒内进入一次调频模式,对比传统发 电机组10秒以上的一次调频响应延迟,超级电容微储能装置使一次调频过程明显提速。 市场规模方面,根据国网江苏电力测算,江苏省内变电站的可利用空间具有新增 200 万 千瓦超级电容微储能装机规模的潜力。

  超级电容用作配电终端后备电源,可提高电网自愈可靠性、降低维护成本。配电自 动化终端后备电源由蓄电池、锂电池转向超级电容,超级电容大功率、长寿命、免维护 的特性使配电自动化终端电网自愈可靠性提高、维护成本降低。当电力线路发生故障时, 超级电容可为配电自动化终端和开关柜提供不间断电源,使配电终端在线路故障情况下 仍能维持一段时间的工作,为完成故障检测、保护跳闸、重合闸自愈以及状态上报主站 等一系列操作争取时间,从而将故障区间隔离,并恢复非故障区间的供电,使故障停电 区域最小化。根据山西煤化所,目前广州供电配电网 6242 条公用馈线已实现自愈全覆 盖,配网线路故障处理时间由原本的 30 分钟下降至 120 秒。市场规模方面,根据中科 院山西煤化所测算,配电终端用超级电容电源仅广州地区的存量市场就达到约 1 亿元, 每年以 16%的增速增长,南网地区市场规模预计为广州地区的 5 倍以上。

  2.2. 汽车领域:适用于启停、安全冗余电源等场景,助力汽车性能、安全双提升

  汽车领域内,超级电容凭借高功率密度、高安全性、使用寿命长、宽温域等特性, 可在 12V 电气系统下被用作主电源、安全冗余电源,在 48V 电气系统下被用作线控电 源,在 HEV 车型中被用作主电池电芯,助力汽车性能、安全双提升。

  1)12V 主电源:替代铅蓄电池,实现汽车高功率启动、制动能量回收、电压稳定

  12V 电气系统下,通常采用铅蓄电池作为 12V 电源,用于汽油机、柴油机的启动, 但铅蓄电池存在生产及回收环节污染、充放电速度慢、暂态功率响应能力较差等问题, 环保政策方面,全球限铅令以欧洲为重心,汽车 12V 铅蓄电池被替代趋势凸显;使用性 能方面,使用铅蓄电池可能在汽车起步、刹车、加减速、爬坡、颠簸等复杂工况下,产 生暂态功率不易被蓄电池吸收,母线电压波动频繁,因此影响车辆电能质量等问题。以 超级电容替代铅蓄电池作为 12V 主电源,能够高质量实现汽车高功率启动、制动能量回收、电压稳定三大功能。

  超级电容同时可用作激光雷达、域控制器、电控转向、电控制动、智能座舱、电动 门锁等关键电子电气设备的安全冗余电源,减少因为电子器件失效造成的交通事故和降 低潜在召回风险。2011 年发布的 ISO 26262 即强调通过开发阶段的测试及验证,来保证 安全相关的电子产品的功能性失效不会造成危险,未来伴随自动驾驶等级提升、汽车电 动化升级,超级电容有望实现在车用安全冗余电源领域的渗透。

  逐步升级的自动驾驶需求要求汽车底盘执行层能够按照决策层指令进行精确执行, 底盘线控化是以电信号传递取代传统机械连接的操纵技术,是 L2+以上自动驾驶实现执 行层响应速度、精度提升的关键技术。线控底盘包括线控转向、线控制动、线控换挡、 线控油门和线控悬架五大核心系统,其中,线控油门技术已较成熟,线控制动、线控转 向、线控悬架的渗透率开始快速提升。 线控系统的执行器主要是大功率的电动机、伺服电机,例如,单个转向电动机的功 率范围在 550~800W,电机盘式制动器的功率可达 1000W,因此需应用 48V 供电系统, 通过提高供电电压来满足大功率需求。超级电容可用作 48V 线控电源,凭借高功率密 度、长寿命、宽温域、响应速度快的优质性能,保证线控系统的安全、可靠运行。

  HEV 电池只接受汽车自身动力系统的发电或动能回收带来的能量,无法从外部获 得电能,因此 HEV 车型电池容量较小,通常在 0.8~2.1kWh,采用功率型电芯以满足快 充快放要求,对电芯能量密度要求不高,但对电池循环寿命、充放电次数有较高要求。 目前 HEV 主电源的两大主流路线为三元锂电池、镍氢电池,现行技术路线存在能量超配、功率不足的问题,超级电容高功率密度、耐低温、长寿命的优良特性则与 HEV 应 用高度适配,有望成为 HEV 主电源的新选择。 新能源汽车处于市场渗透阶段,购车成本较高、充电桩建设不完善都是一定程度上 阻碍纯电动汽车渗透的因素,根据工信部预测,至 2030 年我国汽车保有量中燃油车将 依然占据 80%份额,而 HEV 作为替代传统燃油车的车型,目前已凭借减排优势成功吸 引了众多消费者与汽车厂商的消费与布局,根据 GGII 数据,2022 年上半年国内 HEV 节 能乘用车销量合计约 37.1 万辆,同比增长 50%,对应配套的电池装机量约 0.54GWh, 同比增长 64%,伴随节能减排政策的持续推进,未来 HEV 市场有望延续增长,为超级 电容在 HEV 主电源领域的应用创造增量空间。

  应用端,超级电容汽车启停解决方案陆续上车。早在 2014 年 Maxwell 即披露,其 超级电容产品已配置到超过 100 万辆乘用车上,如雪铁龙 C4、标致 308 等,后续也有 凯迪拉克、奥迪、大众、宝马等多车型应用。国内市场方面,2019 年 4 月国内首个搭载 超级电容的乘用车量产车型红旗 H5 正式上市,根据烯晶碳能,其车规级超级电容已在 红旗 H5/H9、Volvo-XC40 等品牌车型实现批量化应用,截至 2021 年底已批量供货累计 300 万只单体,配套近 10 万辆车,截至 2022 年 6 月烯晶碳能已经收到汽车用超级电容 定点项目超 20 亿元。

  2.3. 交通运输:LIC 技术路线下,超级电容公交实现充电 5 分钟、行驶 30 公里

  交通运输领域与汽车领域类似,超级电容主要可在轨道交通、公交车、卡车、船舶 等应用场景下实现储能/备用电源、发动机启动、能量回收三大功能,同时可用于实现特 定场景下,如船舶发电机控制梯度与升沉补偿、轨道交通无接触网运行等功能。

  轨道交通车辆应用超级电容,实现制动能量回收、启停瞬间高功率充放电。以超级 电容并联蓄电池组成轨道交通车辆的制动能量回收利用系统,实现列车制动时回收电能, 非制动时释放电能,制动能量的回收以列车原有电制动的再生制动回馈为基础,对车载 逆变器回馈到牵引网的制动能量中引起触网电压升高部分进行回收,非制动状态下,本 车为主要负载,同时可为同一供电区间内的其他相邻列车进行功率补偿。 伴随 LIC 能量密度提升,超级电容公交实现充电 5 分钟、行驶 30 公里。锂电池纯 电公交车需要建立配套的封闭集中充电场所,结合公交车行驶路线固定、启停次数多等 特点,以超级电容为主电源,公交车可在停靠站时间通过智能柔性充电弓进行迅速充电, LIC 能量密度提升带动超级电容公交储电量提升,单次充电可行驶里程由 5 公里提升至 30 公里。据久事公交集团披露,2020 年底,上海 930 路、17 路、18 路、隧道 8 线 辆超级电容车,加上已经投运的 11 路、26 路,上海超级电容公交车超过百 辆,配套的 6 个超级电容快充站也已完成外线送电。 与新能源公交应用类似,LIC 技术未来有望切入到高尔夫球车、旅游观光车、机场 摆渡车、摆渡船等闭环线路运行的场景,增量市场广阔。

  智能电表场景下,超级电容用作内部 RTC 电路后备电源,实现简化充放电电路设 计、保障智能电表长期可靠运行。智能电表相较传统的电子式电表具备电能计量、实时 监控、自动控制、信息交互、数据处理等功能,是智能电网建设发展的重要组成部分, 2021 年疫情导致智能电表铺设进度放缓的负面影响消除后,我国智能电表招标量开始 回升,2021 年招标量 6674 万只,同比增长 28.2%。 超级电容作为智能电表内部 RTC 电路后备电源的优势在于,其可满足智能电表-40℃ ~+85℃的严苛工作温度要求,超长工作寿命能够保障智能电表长期可靠运行,超级电容 相对间接的充放电管理电路设计能够简化 RTC 后备电源设计。目前,国网智能单相表 已明确提出使用超级电容作为 RTC 保持后补后备电源,保持 RTC 电路准确运行 48 小 时以上,以实现内置电池可更换的目的。

  风电变桨场景下,备用电源需在极端恶劣情况下提供紧急电力,应用超级电容相较 铅酸电池更具成本优势。风电变桨备用电源需要在遭遇大风恶劣天气或电网掉电等极端 情况下提供电力、使桨叶紧急顺桨,其所需电能总量不大,但需在短时间内提供足够的 电压和电流,对备用电源的功率密度、恶劣环境耐受能力要求极高;且备用电源直接并联在直流母线上、长期处于荷电待机状态,对备用电源的长期荷电寿命要求较高。根据 Skeleton,使用铅酸电池作为风电变桨备用电源需每年维护、4 年更换一次,而使用超级 电容无需维护、15 年更换一次,超级电容作为风电变桨备用电源使用成本显著更低。

  港口起重机场景下,电动机工作功率高达 200kW,使用超级电容弥补发动机过载 状态下的系统动力不足。港口起重机电动机的工作功率高达 200kW,通常采用柴油发动 机组作为动力源,在起重机集中作业情况下,发动机处于过载状态将导致转速下降、电 压降低,短时需要足够的瞬时功率,超级电容可以利用其高功率密度的特性,快速提供 大电流以弥补系统动力不足,避免电压、频率波动导致停机风险。 同时,超级电容在起重机处于轻载上行或重载下行两种状态下,收集系统回馈的能 量,起重机处于负载状态下时,再将收集的能量送至主电网,达到节能环保的目的。根 据 Skeleton 案例分析,在起重机系统中添加超级电容后相较添加前,系统可实现节能 30%、减少二氧化碳排放 10%。超级电容同样可在电梯、地铁轻轨等系统中发挥制动能 量回收的作用,实现节能环保、降低运行成本的目标。

  不间断电源场景下,超级电容可在几秒内提供兆瓦级的 UPS 解决方案,防止生产 损失与系统故障。不间断电源(UPS)用于给对电源稳定性要求较高的设备提供不间断 的电源,该应用可以避免电压暂降、暂升、中断等电能质量问题造成的产品损失、生产 时间损失、设备损坏等严重后果。在数据中心、智能制造、数据信息化管理、安全生产、 电力电子制造等领域,连接电网和负载的超级电容 UPS 解决方案可在几秒内提供兆瓦 级的脉冲,同时具备零维护、长寿命、宽工作温度范围等优势。

  中国超级电容市场规模快速增长。2021 年全球超级电容市场规模分地区来看,亚太 地区份额占 39%位列第一,中国是亚太地区超级电容市场规模排名第一的国家,2021 年 市场规模达 25.3 亿元,占全球 24%份额,且中国市场规模同比增速达 32%,远高于全 球市场 15%的同比增速,伴随中国本土超级电容产业链各环节厂商的共同努力,中国有 望引领全球超级电容产业的发展。

  产业链各环节厂商齐发力,加速推进超级电容国产化进程。上游原材料环节,电解 液国产化配套已相对成熟,电极、隔膜等高技术壁垒领域的国产化正在加速推进,元力 股份、凯恩股份已实现对国内超级电容厂商配套供货,超级电容核心技术自主可控趋势 凸显。中游超级电容制造环节,本土超级电容厂商新建、扩产项目稳步推进。下游终端 应用环节,电力能源、汽车是超级电容最主要的两大增量市场,本土新能源市场的快速 增长将带动超级电容产业链向国内迁移,且有中国中车、新筑股份等终端厂商通过参控 股方式,为本土超级电容厂商创造合作研发、协同成长机遇。

  超级电容国产化率持续提升,本土厂商迎来高增长拐点。2019 年,美国超级电容龙 头 Maxwell 被特斯拉收购,其超级电容业务增速逐步放缓,国内市场份额逐渐被本土厂 商抢占。目前,多家超级电容本土厂商已初具规模,其中,宁波中车凭借中车集团在交 通领域及风力发电的渠道优势及技术研发支持,已成为国内领先的超级电容厂商;锦州 凯美专精中小型超级电容,产品以单体为主,在消费类超级电容和智能仪表领域形成竞 争优势;江海股份凭借在工业电容领域的深厚积累,实现超级电容产品应用场景全覆盖; 上海奥威与烯晶碳能则主要聚焦电车领域。受限于超级电容项目投入周期较长,本土厂 商收入体量目前仍较小,未来,伴随电网调频、混合储能、车用等新兴领域市场的快速 起量,本土厂商有望迎来高增长拐点。

  4.1. 江海股份:工业电容龙头,铝电解电容稳增、薄膜&超级电容迎业绩拐点

  江海股份布局铝电解电容、薄膜电容、超级电容三大业务,2021 年公司营收、归母 净利为 35.5 亿元、4.4 亿元,同增 35%、17%,22H1 营收、归母净利为 21.7 亿元,3.0 亿元,同增 30%、46%。业务结构方面,2021 年铝电解电容、薄膜电容、超级电容三大 产品营收占比 80.2%、6.3%、6.8%,超级电容实现 2.4 亿元营收,同增 47%。

  超级电容 EDLC、LIC 技术路线并行,多领域发力助力公司超级电容营收持续高增 长。江海股份持续推进 EDLC、LIC 两大技术路线 条 LIC 完整产线 年定增建设“超级电容器产业化项目”,截至 2021 年底投资进度达 73%, 项目达产将实现产能双电层电容 300 万 Wh/年、锂离子电容产能 2500 万 Wh/年。市场 方面,2020 年,风电领域超级电容营收占比约 54%,客户包括德国 SSB、华电等企业, 轨道交通领域占比约 20%。2021 年,公司与国内领先新能源客车企业苏州金龙合作开 发的首台锂离子超级电容纯电动客车正式下线,充电五分钟可实现续航 30 公里,适合 公交线 年,公司持续发力智能表、轨道交通、电网调频、油改电等应用领 域。随着多领域同时开花,公司超级电容业务呈现持续高增长,2021 年公司超级电容营 收达到 2.4 亿元,17-21 年营收 CAGR 为 62%。展望未来,超级电容业务有望成为公司 新的业绩引擎,打开公司长期成长天花板。

  元力股份自成立以来即专注于活性炭的研发、生产与销售,2021 年实现硅酸钠、白 炭黑、硅胶产业链整合。活性炭产销持续向好,2021 年产量、销量达 11.3 万吨、11.4 万 吨,同增 12%、20%,带动公司整体营收和归母净利分别为 16.1 亿元和 1.5 亿元,分别 同比增长 42%和 21%,22H1 公司营收和归母净利分别达 9.9 亿元和 1.1 亿元,分别同比 增长 37%和 73%。

  公司积极布局超级电容炭产业,正在引领超级电容炭国产替代。元力股份目前已建 成 300 吨/年超级电容炭产能,预计 2024 年扩产到 1000 吨/年。客户端,公司已与多家 超级电容厂商建立良好合作关系,包括已与中国林科院产业化工研究所南京开发总公司、 中国科学院重庆绿色智能技术研究院、锦州凯美能源有限公司等多家企业达成合作, 2019 年成为宁波中车超级电容炭产品指定战略合作供应商。超级电容炭市场目前主要 被日本可乐丽所占据,公司正在引领超级电容炭国产替代,未来前景十分广阔。

  4.3. 风华高科:国内被动元件领军企业,已突破能量型锂离子超级电容产品

  风华高科是国内被动元件领军企业,主营产品包括 MLCC、片式电阻器、电感器、 超级电容、陶瓷滤波器等多种电子元器件,是目前国内被动元件行业规模最大、元器件 产品系列生产配套最齐全的企业。根据公司消息,其锂离子超级电容产品已实现量产, 在相同规格尺寸下,容量比碳基超级电容大 10 倍,技术处于国内领先水平。公司超级 电容全资子公司已于 2021 年 6 月投产,超级电容研发生产基地技术改造项目在持续推 进过程中,未来公司有望受益超级电容下游需求起量。

  (本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)