非晶合金产品主要为非晶带材,应用于变压器铁芯。非晶合金可制造成块体非晶材料,具有良好的力学性能和物理性能,但由于工艺技术上存在问题,量产化困难。目前非晶合金主要作为软磁材料,用于制作变压器铁芯,产品主要为非晶带材。2019年我国非晶带材和非晶变压器领域为非晶合金行业中专利申请最多的领域,专利数量分别为227件、113件,远超过块体非晶22件和非晶涂层27件,非晶带材产业化成熟度较高。
非晶带材作为节能变压器铁芯材料,从市场规模来看,2015年以来国内非晶带材快速发展,市场规模从1.30亿美元增长至2019年的2.08亿美元,年复合增长率为12.47%;非晶带材产量规模从4.97万吨增长至2019年的9.97万吨,年复合增长率为19.01%。根据云路股份招股说明书测算,2019年全球非晶带材产量约为12.9万吨。
变压器分为油浸式变压器和干式变压器,其中油浸式变压器主要应用于配电网领域,干式变压器主要应用于对防火、防尘等安全性要求较高的用户工程领域。2020年国内变压器产量规模约为17.4亿千伏安,受疫情影响同比小幅下滑,其中干式变压器产量约为2.5亿千伏安,占比约为14.49%,油浸式变压器占比约为85.5%。根据QY Research的统计数据,2020年全球非晶材料制成的变压器中油浸式变压器比例为86.58%,干式变压器比例为13.42%,与国内变压器用量中干式和油浸式应用比例相似。
3.1 配电变压器,变压器能耗标准升级带动非晶需求
我国输配电环节损耗较大,其中变压器损耗占比40%。据中研网,2020年我国输配电损耗占全国发电量6.6%,变压器损耗约占输配电损耗的40%,即占全国发电量的约2.6%。变压器是电力输配中关键的节点,起到连接电网各环节的作用,输配电过程中变压器产生的较大的电力损耗引起严重的电量浪费,在节能减排趋势下,升级改造变压器意义重大。
非晶变压器较传统硅钢材料,可大幅降低空载损耗。变压器损耗分为空载损耗和负载损耗,其中空载损耗约占变压器总损耗的50%-80%。硅钢和非晶合金为制作变压器铁芯的两种核心材料,非晶合金为继取向硅钢后的新一代变压器材料。由于非晶合金具有更高的电阻率,其空载损耗较硅钢可大幅降低,根据《JB/T 3837-2016 变压器类产品型号编制方法》显示,相同容量的非晶合金变压器比硅钢变压器的空载损耗下降50%左右,配电网中特别是农网中很多变压器的负载率低于20%,使用非晶合金变压器节能效果显著。
价格与硅钢变压器差距较小,甚至略低。早期非晶变压器由于量产规模较低,技术工艺成熟度较低等原因,价格高于相同容量的硅钢变压器,近年来,随着非晶带材制造工艺的不断成熟,国内企业逐步打破日立金属在我国非晶带材市场的垄断地位,随着国产化率的逐步提高,市场供应逐步增加,国内非晶带材的市场价格逐年降低。此外,随着硅钢变压器导磁材料逐步由碳素钢,演变为节能效果更好的热轧硅钢片、冷轧硅钢片、取向冷轧硅钢片等,硅钢成本亦有所提升。
目前非晶带材做一级变压器相较于取向硅钢已经具备成本优势,根据扬电科技招股说明书,2019-2020年度,公司非晶带材采购均价逐年降低,非晶铁芯采购均价均略低于硅钢,预计目前在节能变压器领域,硅钢节能变压器价格优势已经弱化。
非晶变压器与硅钢变压器相互补充,工艺均在不断进步。非晶合金的生产工艺流程显著短于硅钢产品,硅钢采用传统钢铁冶金制备工艺制成,产品制备经过热轧、冷轧等多道工艺,而非晶采用的是急速冷却工艺制成,从钢液到非晶合金薄带制品一次成型,根据云路股份招股说明书,生产1公斤非晶合金薄带比生产1公斤硅钢约可节省1升石油;废旧的非晶铁芯可通过中频炉重熔后制成非晶合金薄带,非晶铁芯中的硅、硼元素基本可以实现回收再利用,回收性能更优。
非晶合金由于硬度高、脆性大、耐受应力能力较差,其剪切和加工难度更大,产生碎屑易导致变压器故障;此外磁致伸缩系数大导致非晶合金变压器噪声增大。非晶合金磁感应强度通常低于取向硅钢,因此导致非晶合金铁芯变压器体积更大、相同规格负载损耗略高。目前非晶变压器主要用于农村电网和发展中地区等长期低负载地区,硅钢变压器主要应用于城市电网等长期高负载地区,二者相互补充。
国内国网、南网变压器采购呈现以硅钢变压器为主、非晶合金变压器为辅的结构。目前非晶带材由于产品规格限制,主要用于小型变压器,从采购金额角度来看,非晶变压器占比较小。从采购数量的角度来看,国家电网、南方电网等电网系统的招投标量决定配电变压器的需求量,根据国家电网和南方电网的招标数据情况,2020年两网非晶合金变压器的采购数量比例为27.33%,其中国网非晶变压器采购占比为15.49%,南网为58.82%,南方电网的非晶变压器招标采购数量占比更高,主要由于南方电网主要覆盖广东、广西、贵州、海南、云南等地区,上述区域用电负荷和集中度相对偏低,非晶变压器节能降耗的作用更为明显。
在电力需求较为旺盛的海外市场,非晶合金变压器的采购数量整体呈现增长的趋势。非晶变压器已在多国得到应用和发展,国际市场中非晶变压器的需求和发展,始终受非晶原材料供应的限制。美国、印度、日本等国家均早于中国发展和使用非晶变压器,但由于缺少相关制造企业,非晶带材的供应主要依赖于日立金属公司,非晶变压器的生产和制造也主要集中于国外大型公司。
北美地区,美国、墨西哥、加拿大等国家的知名变压器企业一直稳定生产非晶变压器,除使用日立金属在美国工厂提供的带材及本土铁芯外,考虑到我国非晶带材生产、非晶变压器制造等已成长为全球第二大供应链,已开始从中国采购性价比更高的非晶带材及非晶铁芯。欧洲地区缺乏非晶带材生产企业和非晶铁芯的生产配套能力,非晶变压器的制造依赖进口,生产周期长,成本高,发展缓慢。
从区域来看,亚太将成为全球配电变压器最大的区域市场,主要受该地区输配电基础设施、工业投资加大以及老化的配电设备替换等驱动,其中印度、韩国、日本对非晶变压器的需求稳定,菲律宾、越南、台湾等国家和地区,受其地方电力系统的产业政策支持,对非晶变压器的需求有明显增加,并从中国引进非晶变压器技术、设备以及进口非晶变压器。
根据据韩国电力公司(KEPCO)的数据统计,2019年韩国电力公司招标配电变压器约7万台,其中硅钢变压器占比约70%,非晶变压器占比接近30%;2020年,韩国电力公司招标配电变压器数量进一步增长至约11.6万台,其中硅钢变压器约7万台、占比约60%,非晶变压器约4.6万台、占比上升至接近40%,非晶变压器的采购数量和市场份额呈上升趋势。
根据QY Research研究报告,2016年-2019年印度和东南亚市场非晶变压器市场规模保持持续增长,2019年合计接近1.80亿美元;2020年,受新冠疫情影响,印度和东南亚市场的非晶变压器市场规模略有降低。
配电投资力度不减,非晶变压器增量需求有保证。随着我国用电量的持续增长,叠加重大工程的建设实施,将促进电力投资保持较高水平,目前配电网领域的建设投资占比逐年上升,且部分早期装配的输配电设备进入更新换代周期,配电网领域产生持续的建设投资需求。根据2022年1月13日国家电网召开的年度工作会议,计划2022年电网投资达到5012亿元,投资额历史首次突破5000亿元,同比增长8.84%。伴随着“十四五”规划的推出、特高压电网陆续投运、新能源充电桩及光伏风电等项目的建设完工,预计电网投资额有望迎来增长期。
从变压器产量来看,2016-2018年受输配电价格下降等因素影响,国内变压器产量小幅减少,2019年总产量规模有所回升,2020年受新冠疫情影响,我国变压器总产量规模略微下降,降至17.4亿千伏安,但较之前年份有所回升。根据前瞻产业信息网,随着我国各地特高压项目相继落地,未来几年我国电力变压器市场将呈现出阶段性的新增长趋势,预计全国变压器产量将继续保持2.5%的增长势头,到2026年我国变压器产量规模将突破20亿KVA。预计变压器产量的稳步增长会对非晶合金变压器不断带来新增需求。
我们基于以下假设,对配电变压器用非晶合金市场需求进行了预测:
1)考虑到未来我国居民用电量的增加,特高压等对配电投资的拉动,假设未来我国国网、南网对变压器的新增采购数量开始增加,预计2021至2025年复合增长率约为10%,其中非晶变压器受益于新能源建设、农网改造等不间断负荷应用场景的增加和能效标准的提升需求,在新增采购量中渗透率将逐步提升,2025年达到38%。
2)据云路股份招股说明书,公司自2013年起已累计销售非晶产品20余万吨,相当于约40万台SH15型非晶变压器的用量,粗略计算每台变压器非晶带材用量约为0.5吨。
结合以上测算,我们预计2021-2025年国网、南网非晶变压器采购带来的非晶带材需求将由4.41万吨增长至10.43万吨。
农村电网改造升级政策持续,为非晶变压器应用保证空间。随着新农村建设的不断推进,新型城镇化和农业现代化步伐逐步加快,国家持续加大农村电网投入。根据国家电网和南方电网社会责任报告数据,除2020年受疫情影响整体投资额下滑,2016年以来农网投资额基本呈现稳步增长趋势,近五年国网、南网投资总额中,农网投资额占总投资额平均比例约为34%。
2016年2月,国家发改委《关于“十三五”期间实施新一轮农村电网改造升级工程的意见》发布,明确指出要加快新型小城镇、中心村电网和农业生产供电设施改造升级。“十三五”期间,国家电网和南方电网分别累计投资7775亿、1896亿元推进农网改造升级,实际投资总额超计划资金3149亿元。根据最近发布的规划目标,“十四五”时期全国配电网规划投资金额同比增加3200亿元,南方电网明确表示,将进一步巩固农村电网的改造升级。在双碳目标的大背景下,农网改造升级将进一步拉动对节能非晶合金变压器的需求。
考虑到非晶变压器更适用于农村电网等长期低负载地区,基于以下假设,对农网建设中非晶变压器需求空间进行测算:
1)2020年国网、南网投资总额中,农网投资额占比34%,粗略估算,以此作为每年农网变压器采购量占整体采购量比例;
2)南方电网非晶变压器采购份额较高,主要由于所覆盖地区农村面积占比更高,可以看出,农村电网中非晶变压器渗透率较城市电网会有明显提升,预计未来农村电网中非晶变压器渗透率将达到60%。
3)2019年我国非晶带材产量为9.97万吨,对应变压器容量约为0.26亿千伏安,占据2019年我国变压器总产量规模17.6亿千伏安的比例约为1.5%,由此可知,按照变压器容量计算,目前非晶变压渗透率较低,考虑到双碳目标下,农网节能潜力较大,预计农网建设中,非晶变压器渗透率将稳步提升。
我们预计在2020-2025年农村电网建设中,非晶带材需求规模可由1.55万吨提升至5.68万吨。
3.2 用户工程变压器:新基建建设推进,增量需求可期
受新基建投资带动,非晶变压器应用于用户工程领域的市场空间广阔。“新基建”主要涉及5G基站及其应用、光伏电网、城际轨道交通、新能源车及充电桩、大数据中心等领域,相关领域投资建设将带动大批量用户工程端干式变压器需求。考虑到新基建项目大多用电量较大,且用电不均衡、运行负载率低,带来电源能量变换上的高效率需求,非晶干式变压器能大幅降低供电系统能耗,契合相关需求,预计相关投资建设可对非晶变压器需求形成有效拉动。
在轨道交通领域,降低配电变压器的空载损耗有利于降低轨道交通运营成本。根据QY Research研究报告,2016年-2020年,中国轨道交通变压器市场规模从40.87亿元增长至71.11亿元,复合增长率为14.85%,装机容量从0.54亿千伏安增长至0.95亿千伏安,复合增长率为15.17%,保持稳定增长,预计2021年至2027年轨道交通变压器市场规模仍将保持持续增长趋势,2027年市场规模有望超过200亿元,装机容量有望达到2.8亿千伏安。
数据中心作为各行业的关键基础设施,产业规模高速增长。根据工业和信息化部信息通信发展司发布的《全国数据中心应用发展指引》,2017年至2019年期间,我国在用数据中心机架规模年均复合增长率达到37.75%,保持快速增长的趋势。
根据QY Research研究报告,2016年-2020年中国数据中心变压器市场规模从47.23亿元增长至170.77亿元,复合增长率为37.89%,装机容量从0.63亿千伏安增长至2.28亿千伏安,年复合增长率为37.93%,预计2021年至2027年数据中心变压器市场规模仍将保持高速增长,2027年市场规模有望超过1100亿元,装机容量接近15亿千伏安。
机房电费占据数据中心运营总成本的一半以上,非晶合金变压器相较普通干式变压器的相关技术参数,空载损耗可下降65%~70%,高速增长的数据中心领域有望为非晶合金变压器带来增量的市场空间。目前,百度、京东等多家知名企业已经开始使用非晶合金变压器来替代原硅钢变压器,随着我国对数据中心等新型基础设施建设力度的加大和建设进度的加快,应用于数据中心的非晶变压器市场需求有望持续增长。
光伏、风力发电通常具有明显的间歇性、季节性、随机性,在发电系统间歇的停止运行期间,配套的升压变压器成为用电设备,随着升压变压器数量增多,变压器空载损耗总量增大,导致大量电能损耗,非晶变压器空载损耗低、电流小、节能性好的特点契合新能源发电领域的节能要求。
根据QYResearch研究报告,2016年-2020年,中国新能源发电变压器市场规模从40.35亿元增长至90.75亿元,年复合增长率22.46%,装机容量从0.54亿千伏安增长至1.21亿千伏安,年复合增长率为22.35%,呈现快速增长的态势。随着新能源发电建设投资的持续增长,预计2021年至2027年新能源发电变压器市场规模仍将保持高速增长,2027年市场规模有望接近200亿元,装机容量超过2.5亿千伏安。
新能源车行业快速发展,充电站、充电桩作为配套设施需求空间广阔,大规模充电桩的铺设将带来干式变压器增量需求,相比传统干式变压器,非晶变压器更适合新能源汽车充电站大功率充电的使用要求。根据wind数据显示,2021年末我国公共和专用充电桩保有总量为114.7万台,新增数量为34.0万台,新增装机同比增长16.69%,2016-2021年新增充电桩复合增速为29.91%,行业处于高速发展阶段。目前我国新能源车配桩率仍然较低,随着新能源私家车的普及,将带动私人充电桩需求的放量增长,新能源充电桩将受益于电动车销量高增长和配桩率的提升,从而为非晶节能变压器市场不断带来增量需求。
我们基于以下假设,对用户工程端干式变压器用非晶合金市场需求进行了预测:
1)根据《基于IPSO的非晶合金干式变压器优化设计》中数据,1台规格为315千伏安的干式变压器所需非晶铁芯的重量为1208kg,按照变压器功率与铁芯大小成同步变动关系,单位千伏安的干式变压器容量所需非晶铁芯质量约为3.8kg。
2)根据云路股份招股说明书, 2020年全球非晶变压器中干式非晶变压器占比约为13.42%,以此计算2019年我国非晶带材9.97万吨产量中用于干式变压器的产量为1.34万吨。按照单位千伏安变压器容量所需非晶铁芯质量3.8kg计算,对应变压器容量为352.6万千伏安,占据2019年我国干式变压器总产量规模2.73亿千伏安的比例约为1.3%,按照变压器容量计算,目前干式变压器中非晶材料渗透率较低。
3)考虑到新基建项目中新能源发电、轨道交通等分散负载场景较多,数据中心用户对变压器能耗要求大幅提升,预计非晶干式变压器渗透率将逐步提升。
综上,目前非晶铁芯用作外网变压器铁芯在轨道交通、数据中心等领域应用发展较快,此外新能源发电等其他领域的渗透率提升空间广阔,我们预计到2025年,轨道交通、数据中心、新能源发电领域干式变压器采购带来非晶材料需求分别由目前的0.43万吨、0.58万吨、0.11万吨增长至1.11万吨、3.07万吨、0.23万吨。
3.3 能效限定标准升级带来替换需求,刺激非晶占比提升
变压器能效限定标准升级,目标引导非晶变压器采购量上升。2021年6月1日国家强制标准《电力变压器能效限定值及能效等级(GB20052-2020)》正式实施,与原标准相比,35-350kV电力变压器空载损耗下降20-45%,负载损耗下降5-10%,根据与该标准相匹配的,由工信部等三部委联合印发的《变压器能效提升计划(2021-2023年)》,当年新增高效节能变压器占比将达到75%以上,到2023年,高效节能变压器在网运行比例提升10个百分点,预计在能效标准不断升级的趋势下,非晶变压器将迎来存量替换升级需求和新增采购量占比的提升。
我们基于以下假设,对能效限定标准升级下,变压器存量替换对非晶带材市场需求进行预测:
1)我国在网运行变压器数量约为1700万台,基于能效提升计划指引,我国到2023年高效节能变压器比例提升10%,则扣除国网、南网采购的高效节能变压器(至少占新增采购量的75%)后,还需年均40万台左右高效节能变压器需对我国存量变压器的进行更换,且考虑到碳中和背景下能效提升计划或持续升级,预计2023年后仍维持年均45万台的存量替换需求。
2)假设高效节能变压器存量替换需求中非晶变压器采购占比为10%。
根据我们的测算,预计2021-2025年非晶变压器采购带来的非晶带材需求量将由7.47万吨提升至17.26万吨,整体需求实现18.23%的复合增速快速增长。