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碳中和系列报告:碳中和背景下的路径指引及行业展望

北极星大气网  来源:长城证券  作者:于夕朦 罗江南等  2021/4/8 8:27:42  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:碳中和 碳排放 CCUS 

技术进步持续推进节能减排,市场低饱和构建成长空间。展望未来,技术端将持续进步响应节能减排,而市场需求端的低饱和将为新能源乘用车的渗透创造良机。技术端主要从轻量化材料、混动推广、锂电池大规模量产三个方向实现进一步节能减排。其中轻量化材料方向将推广铝合金、镁合金、碳纤维材料等的应用;混动技术可避免当前电池技术下存在的续航焦虑从而加速新能源汽车普及,将在电动车全面覆盖前充当节能减排的重要角色,据中国汽车工程学会《节能与新能源汽车技术路线图2.0》预测将在2035年全面替代传统燃油车;锂电池方面将逐步进入大规模量产,一方面持续优化当前电池材料体系,另一方面研发新型电池解决续航焦虑痛点以满足市场需求。市场需求端,得益于庞大的乘用车保有量上升空间,新能源乘用车加速渗透趋势确定性高。以2019年数据为例,我国千人乘用车保有量173辆仅为美国845辆的20.47%、日本575辆的30.09%、欧盟423辆的40.90%,随着技术迭代与政策持续推进,新能源乘用车将加速渗透。

商用车:纯电动为主流动力来源,客车应用相对广泛。我国新能源汽车市场的另一重要成分商用车年销量走势与乘用车相反,近年来持续下滑,2020年完成销量12.10万辆,同比下降16.91%,2017-2020三年复合降低率为15.13%。当前我国商用车市场销量逐年递增,2017-2020三年复合增长率为7.25%,叠加新能源商用车销量持续下滑使得商用车市场中的新能源份额逐年下降,从2017年的4.76%下滑至2020年的2.36%。按动力来源分类,新能源商用车分为纯电动、插电式混动商、燃料电池三类,与乘用车类似,纯电动车占据主要地位,在新能源商用车中份额占比则保持在95%附近,而插电式混动、燃料电池占比分别保持在2%-4%、1%-2%的区间。从用途上看,新能源商用车主要用于运送人员和货品,一般划分为客车与货车两大类,下面我们将分别深入研究。

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客车:侧重落地于城市,公交车为主要应用。客车为新能源商用车主要成分,近年来占比保持在65%附近;同时在整体客车市场中,新能源客车销量份额达到17%-20%,已实现一定程度的渗透。从技术层面看,客车市场已高度实现电气化,2020年纯电动客车已占新能源客车销量中的93.22%,而又由于电池能量密度等技术层面限制与成本因素大部分使用场景局限于市内,2020年售往城市的新能源客车占比达到79.99%。

按用途分类,新能源客车主要分为小型巴士、公交车、大型巴士三种,分别用于特定路线接驳等、市内旅客运输、跨市长途旅客运输,其中小型巴士一般车长6米及以下,公交车与长途巴士一般车长6-12米。从销量看,2020年新能源客车实现销量7.90万辆,其中小型巴士、公交车、长途巴士分别占比22.71%、72.08%、5.34%,公交车占据绝对份额。据城市公交智能化实验室统计,新能源公交车保有量渗透率从15年的15%提升至19年的59%。而新能源公交车快速普及的主因在于政策持续鼓励与运营成本优势。政策端,自2009年“十城千辆”节能与新能源汽车示范推广应用工程试点推广,中国国家层面推广目标、购置和运营补贴在过去的十余年为新能源公交车的普及提供了推力;成本端,根据世界资源研究所,传统柴油公交车燃料成本是纯电动公交车2至3倍,纯电动公交车单车成本低;此外,纯电动公交车由于结构简单,单车定期维护次数和费用均低于传统天然气及燃油公交车。市场扩张方面,政府的大批量采购已使新能源客车达到一定程度的渗透,而随着政策持续利好叠加技术进步,预计新能源客车以公交车为发力点逐步取代传统客车。

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货车:量产新能源技术待突破,叠加多元应用场景取代传统车辆难度较大。货车填补新能源商用车除客运外的多元应用场景,作为新能源商用车重要组成部分近年来占比保持在35%附近;而在2020年整体货车市场中,新能源货车销量份额仅0.90%,在绝大多数场景并未具备取代传统燃油车的能力,主要系技术层面上货车缺乏量产新能源技术,其中锂电池能量密度有限难以支持长时间高能耗,而氢燃料虽可满足运输需求但制氢过程碳排放较高,与节能减排的目的相悖。

按用途分类,新能源货车主要分为轻卡、重卡,其中轻卡主要适用于货物较小且时效性要求较高的需求,如快递运输等,受限于运输规模使用场景较窄;重卡主要适用于货物较大且时效性要求较低的需求,如建筑、仓储、环卫等,较大的运输规模赋予业务上的灵活性,使用场景较为广泛。由于货车整体上使用场景较为多元,当前技术适应各场景的难度相对客车较高、推广难度较大,故销量相对较低,进而难以形成规模降低成本。因此,买家采购与否取决于对成本的敏感程度,如短期内对成本敏感度较高的货车司机等用户更偏好选择传统燃油货车,而相对易于形成规模、考虑长期运营成本的物流公司等用户对新能源货车顾虑较少。

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货运场景为道路节能减排的关键,技术突破与应用场景优化为两大方向。展望未来,由于客运场景电气化发展程度相对较高、改善空间相对较小,货运场景将成为道路节能减排边际改善的关键。从技术层面看,由于锂电池难以满足货运场景需求,货运节能减排技术将集中在燃油与燃料电池两个方向。一方面,燃油效率的提升将在当前技术进步难度较高的时期帮助减少货运途中能耗浪费;另一方面,燃料电池的发电效率、储氢能力等指标存在较大的提升空间,虽技术发展方向明确,但起步阶段突破难度与成本双高,而理想状况下的性能决定燃料电池为高能耗货运场景新能源化的中长期解决方案。应用端,一方面数字化线路、智能驾驶等软件技术等提升可提升公路货运效率,直接减少道路及整体碳排放;另一方面,通过“公转铁”、“公转水”调整货运结构可使货运需求在更绿色的渠道释放,从而间接减少道路及整体碳排放。随着政策推动新能源汽车市场化、创新化,长期看道路场景预计率先实现完全新能源驱动,为实现碳中和奠基。

民航:新能源技术成熟度低,燃油替换与运营优化为减排方向

新能源技术尚未成熟,生物质燃油与运营优化为主要绿色化方向。与相对成熟并已实现量产的新能源汽车不同,民航新能源技术完成度较低,且技术突破难度较高,而除从技术上替换传统航空燃油外仅可在运营过程中寻求减排机会。

技术层面上,航空燃料的替代品主要有生物质燃油、氢能与电能三类,而综合对比下采用生物质燃油可行性最优。各能源品类差异集中在碳排放量情况与技术现状两大方面。对比碳排放量,生物质燃油作为使用如秸秆等有机废物加工而成的燃料无法实现0碳排放,根据联合国粮农组织,生物质燃油依采用的工艺可实现传统航空燃油20%-80%的排放量,相对可实现0排放的氢能与电能在节能减排能力上存在劣势。而对比技术现状,生物质燃油已有可行方案,发展瓶颈在于产能过低且上游原材料采集难度较大;氢能方面,开发氢电飞机动力技术的ZeroAvia公司在2020年9月完成了世界上第一架氢动力商用飞机的短时间飞行,但该飞机采用的ZA-600动力系统仅可支持10-20座飞机飞行500英里,而对于通用客机而言,氢燃料的储存需要体积庞大且重量偏重的储氢罐,故飞机架构需重新设计及测试,在短期内难以落地;电能方面,我国的智能新能源飞机ET480应用“燃料电池+锂电池”电电混合动力系统,目标用于少量载客的市内立体交通,但当前电池技术由于能量密度过低而重量过高,需将电池能量密度提高6-8倍才可支持通用客机的载客量与飞行距离,故短期内电能用于民航亦难以落地。相比之下,生物质燃油虽在减排上存在劣势,但技术实现的可能性更高,具备较高可行性。

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运营层面,当前飞行过程、飞行线路存在一定能耗浪费,而通过优化同样可达到节能减排的目的,且在短期内可由航空公司实现,可行性大幅高于能源替换。在飞行过程中,EUROCONTROL的研究发现可通过连续上升以及利用飞机自重连续下降实现降低少量油耗;而在运营线路上,通过雷达引导直飞或增开临时线路以缩短航行距离等方式亦可减少排放。对航空公司而言,上述措施在当下已存在可行性,可弥补短期技术成熟度低的不足。

铁路:已实现高电气化率,全程电气化确定性高

已实现高电气化率,技术持续进步降低推广门槛。截至2020年末,我国铁路运营里程为14.63万公里,最近三年复合增长率为4.83%,其中电气化运营里程高达10.65万公里,最近三年复合增长率为6.98%,电气化率逐步抬升并以72.8%在各运输方式中居首。在电气化铁路中,列车以电力牵引供电系统为动力来源,主要依靠铁路沿线的变电所和接触网运行。因此,变电所与接触网的建设成为铁路电气化的门槛,而降低此门槛的以锂电池为动力来源的电力列车在技术上已实现可行,未来电气化铁路推广难度预计降低。2016年我国首创的以锂电池动力包为牵引动力的空中悬挂式轨道列车在成都投入试运行,该系统采用新能源、新材料、新设计、集成若干相关成熟技术建造,标志着新能源空铁项目取得巨大突破。由于采用锂电池驱动方式,运行过程中保留无排放的优势且无需高压输变电设备,便于电气化铁路建设,降低投资成本,更利于后期推广。

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未来全程电气化确定性高,吸收公路货运需求间接节能减排。随着电气化铁路逐步渗透,全程电气化具备可行性,未来脱碳在各运输方式中确定性较强。展望未来,得益于较高的电气化率以及远低于公路货运的能耗水平,铁路或将以“公转铁”的形式承担公路的部分货运需求,从而避免部分货车新能源化进程较低导致的高排放,间接实现整体上的节能减排。另一方面,货运过程对时效与覆盖地区存在一定要求,而高铁可实现比公路运输更高的时效,同时复线铁路可实现更高的运营效率以容纳更多需求。2020年我国高铁运营里程以3.79万公里占铁路运营里程的25.91%,且最近三年复合增长率高达14.88%远高于铁路运营里程水平;而复线里程达8.70万公里,最近三年复合增长率高达6.53%略高于铁路运营里程水平,复线率为59.50%。随着高铁网络深入渗透、铁路复线率逐步提升,铁路对货运需求的处理能力预计逐步增强,为交运网络长期节能减排奠基。

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水运:清洁能源技术可行,迭代前“公转水”与能效优化辅助减排

电动技术支持短途轻量运输,长途货运采用液化天然气实现可行。在节能减排的途径上,以清洁能源代替传统燃油为主要方向。航运的清洁能源主要包含电能、氨、氢、液化天然气四种,其中电动船在技术上已实现可行,但受制于当前技术环境下的电池能量密度仅适用于运距较短、运输需求平均吨位较小的内河运输:在2020年1月16日上午,我国首艘通过CCS系统认证的18米级纯电动推进快艇“长江航道电001”正式下水,作为国内第一艘新能源纯电动船,其采用了磷酸铁锂电池电源驱动、双全回转舵桨推进,配置了多种防污染措施,具有零污染、零排放、无噪音、低振动等优点,但仅适用于航道维护;同年12月24日,宁德时代宣布其纯电动邮轮“长江三峡1号”正式开工,作为全球第一艘采用高压充电低压补电方案的电动船舶,解决了大功率港口的充电难题,但仅适用于运输重量较轻的客运场景。另一方面,在跨境等长途运输场景中则液化天然气可行性较高,主要系无硫符合国际海事组织的限硫令要求,同时根据SEA-LNG联盟2020年2月的报告,液化天然气碳排放可较传统高硫燃油降低21%,而氨、氢应用于航运能源的技术仍处于探索阶段成熟度较低。随着技术进一步突破,后续新能源化程度预计逐步提升。

“公转水”与能效优化可在技术迭代前辅助减排。除替代传统燃油外,“公转水”与能效优化为航运节能减排的辅助方向。一方面,水运单位能耗大幅低于公路运输,可通过“公转水”分担部分公路货运,从而间接实现整体减排;另一方面,船舶能效优化方案中的EEDI、SEEMP经CE Delf & UMAS测算可实现最高减少8%的碳排放,在清洁能源替换落地之前可达到部分节能减排的目的。

2.3有色:碳中和目标推动清洁能源市场成长,建议关注光伏硅产业、新能源镍钴锂产业及水电铝企业

光伏产业推动上游硅材需求增长

光伏产业蓬勃发展,推动上游工业硅需求增长:光伏发电是目前国内发展较为迅速的清洁能源,根据CPIA,“十三五”期间光伏发电在我国呈现迅速增长态势,目前我国光伏行业已达到了产业规模全球第一、生产制造全球第一、技术水平全球第一和企业实力全球第一的绝对领先水平。光伏发电的蓬勃发展推动上游工业硅需求增长,根据硅业分会数据,光伏行业已成为工业硅三大主要下游之一,2019年占比达到27.1%。

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硅行业耗能严重,火电硅企未来或受供给侧约束:硅行业属于高耗能行业,工业硅生产单吨耗电达1.3万kWh,成本占比达到34%(合盛硅业)。在碳中和目标确立、各地高碳排放企业管理强度加大的背景下,硅行业未来供给侧限制强度或进一步加大,以火电为主要能源的大部分硅企业或面临无法扩产乃至于减产的情况。

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部分硅企布局水电资源,有望受益于碳中和政策:水电资源丰富的云南省2018年出台了《关于推动水电硅材加工一体化产业发展的实施意见》,着力构建以工业硅和绿色能源为基础的“硅光伏、硅化工、硅电子”产业链。为充分利用水电资源,合盛硅业、隆基股份等硅产业链巨头纷纷布局云南,其中上游硅原料领域中,合盛硅业昭通水电硅循环经济项目计划分两期建设80万吨有机硅单体及硅氧烷下游深加工项目;云南能投在曲靖投资每年40万吨有机硅单体及配套项目。以水电作为能源,云南布局的硅企有望受益于碳中和背景下行业政策变更。

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全球新能源汽车蓬勃发展,钴锂镍需求迎来爆发

根据《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》,2014年我国温室气体排放总量111.86亿吨二氧化碳当量,而能源活动是最主要的温室气体排放活动,占比达77.7%。在能源活动中,交通运输占比9.2%,是第三大温室气体排放活动。随着近年来我国乘用车、商务车、卡车保有量逐年增长,交通运输领域二氧化碳排放量进一步提升,为实现碳中和目标,由电力驱动的新能源汽车成为国家重点推动的方向。

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全球共赴碳中和目标,电动汽车已成趋势:国内新能源车的国家补贴将延续至2022年,补贴温和退坡,同时重视新能源车企产品质量监管,加大僵尸企业重整和退出力度,对行业进行积极引导。国内新能源车市场将从补贴推动下的快速繁荣期,转向优质供给推动的高性价比消费时期。各地政府也更加重视新能源汽车产业的发展,上海率先颁布地方新能源汽车产业发展实施计划。

欧盟推出全球最严排放目标,要求2020年欧盟范围内95%乘用车平均CO2排放降低至95g/km,商用车则降为147g/km,到2021年100%新车要达到此要求,超额部分每辆汽车每超出1g/km罚款95欧元,相比2015年碳排放水平要下降26.92%。美国方面,拜登将电动汽车置于最高优先级,支持推出扶持新能源汽车产业的税收抵免政策。

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新能源汽车需求保持持续高增长:新能源汽车行业总体仍处于成长早期阶段,在政策推动和优质供给的双引领下,中美欧三大新能源汽车市场持续扩大。中汽协数据显示,2020年全国总计销售新能源汽车136.7万辆,占汽车销量的5.4%,渗透率高于2019年0.72%,据EV Sales统计,2020年全球新能源汽车销量312.5万辆,同比增长41%,处于高增长阶段。

过去五年,全球新能源车复合增长率达35%,国内新能源汽车复合增长率达到28%,根据国务院印发的《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》以及各国制定的新能源汽车推动政策,预计2021-2025年全球新能源车复合增长率将维持在35%,国内新能源汽车复合增长率将达到 30%,至2025年全球新能源车销量为1379万辆,国内新能源车销量为515万辆。

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下游新能源汽车迅速成长必然将带动上游原材料需求爆发。目前动力电池中三元电池(NCM/NCA)与磷酸铁锂电池各占半壁江山,磷酸铁锂电池占据成本优势以及安全性优势,而三元电池则在能量密度方面更胜一筹,同时在低温环境下表现更好。目前来看三元电池与磷酸铁锂两条技术路线仍将在未来数年内占据主流,三元电池技术路线内部则存在由523-622-811高镍低钴化演进的情况,因此在新能源汽车产销逐渐增长的背景下,未来数年内镍和锂的用量有望迎来大幅增长,而钴用量或由于单电池用钴量下滑略受影响,但在三元电池总体产销推动下也将保持小幅增长。

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碳中和目标下水电铝企有望受益

有色金属冶炼、精炼过程中,无论是火法还是湿法(电解)均需要消耗大量能量以实现金属还原,如电解铝、工业硅生产过程中电耗超过1万度,海绵钛单吨电耗更达到4.4万度。从耗能总量上来看,电解铝是有色行业中耗能最大的品种:2020年我国电解铝产量达3708万吨,以单吨耗电13500kWh计算总耗电量达5005.8亿kWh,占全社会用电量达6.5%。以火电每度电产生0.87公斤二氧化碳计算,生产单吨电解铝将排放11.7吨二氧化碳,假设电解铝全部依靠火电为能源,则将产生4.36亿吨二氧化碳。

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电费为电解铝最主要成本,电解铝成本对于电价弹性较高:以目前电解铝单吨耗电13500kWh计算,电解铝成本总成本约为13600元/吨,其中35%为电力成本。电解铝企业电价每提高0.01元,单吨成本将提高135元,对于电价的敏感性较高。

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电解铝企火电价格或有所提升,抬高电解铝平均成本:在碳中和目标已确立、各地节能减排压力加大的背景下,内蒙已取消对于电解铝等高耗能行业的电价优惠,开始实施阶梯电价政策,2022、2023年将在现行基础上分别提高30%、50%,并将对自备电厂征收0.01元/0.02元每度的政策性交叉补贴;甘肃4月起将取消电解铝优待电价,对电解铝行业在内的八类高耗能企业实行阶梯电价。随着各地对于高耗能企业监管趋严,以火电为主要能源的电解铝行业面临成本端抬升,布局云南水电资源的神火股份、云铝股份、山东魏桥等企业有望受益。

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光伏与新能源汽车有望带动铝需求增长:据SMM模型测算,2017年每GW光伏装机量可拉动约2万吨相关铝型材需求(边框型材+支架型材)。此外,由于铝材相对钢材更轻,且技术已较为成熟,目前已在汽车轻量化领域发挥重要作用,新能源汽车平均单车用铝量已超过250千克,而非电动车单车用铝量也已达到200千克。随着全球光伏以及新能源汽车产业蓬勃发展,铝材需求有望逐渐提升。

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2017年受供给侧改革以及“2+26+3”冬季限产政策影响,年内关停违规违建产能超过500万吨/年,叫停违规违建在建产能超过600万吨/年,极大改善了电解铝供应过剩的情况。受此推动,2017年6月起电解铝价格3个月涨幅超过25%,神火股份、云铝股份等标的涨幅超过100%,电解铝行业迎来一轮行情。与2017年相比,我们认为本次受影响产能无法与之相比,且经历2020年底以来大宗商品价格上涨后铝价再度大涨空间有限,但鉴于碳中和背景下电解铝产能上限不太可能突破,随着汽车、建材、光伏等领域铝材需求不断提升,铝价有望步入缓涨阶段。

2.4建材:政策+技术+清洁能源+海外进口,共促碳排放量下降

根据中国建筑材料联合会发布的《中国建筑材料工业碳排放报告(2020年度)》经初步核算,中国建筑材料工业2020年二氧化碳排放14.8亿吨,比上年上升2.7%,建材工业万元工业增加值二氧化碳排放比上年上升0.2%,比2005年下降73.8%。其中,燃料燃烧过程排放二氧化碳同比上升0.7%,工业生产过程排放(工业生产过程中碳酸盐原料分解)二氧化碳同比上升4.1%。水泥、石灰行业的二氧化碳排放量分别位居建材行业前两位。

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建筑材料工业碳排放构成中,燃料燃烧过程排放同比上升0.7%,工业生产过程排放同比上升4.1%。其中,建筑材料工业燃料燃烧过程排放中,煤和煤制品燃烧排放同比上升0.6%,石油制品燃烧排放同比上升1.4%,天然气燃烧排放同比上升1%。

2020年水泥、石灰行业的二氧化碳排放量分别位居建材行业前两位,排放量分别同比上升1.8%和14.3%。2020年,水泥工业二氧化碳排放12.3亿吨,同比上升1.8%,其中煤燃烧排放同比上升0.2%,工业生产过程排放同比上升2.7%。此外,水泥工业的电力消耗可间接折算约合8955万吨二氧化碳当量。石灰石膏工业二氧化碳排放1.2亿吨,同比上升14.3%,其中煤燃烧排放同比上升5.5%,工业生产过程排放同比上升16.6%。此外,石灰石膏工业的电力消耗可间接折算约合314万吨二氧化碳当量。

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