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电解铝行业专题研究报告从电解铝全生命周期

发布时间:2023/5/16 14:35:52   
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(报告出品方/作者:广发证券,巨国贤)

一、碳中和:能源结构调整首当其冲

在年9月22日的联合国大会上,中国力争年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取年前实现碳中和;随后日本和韩国宣布在年实现碳中和目标;欧盟发布《绿色新政》,将年减排目标从40%提高到50%至55%,并宣布年实现碳中和。全球70多位国家元首于年12月12日共同参与了气候雄心峰会。今年的气候雄心峰会旨在进一步推动各方在气候行动、融资,以及气候适应和抵御能力建设方面的雄心和努力。到年,中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右,森林蓄积量将比年增加60亿立方米,风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。

(一)国内煤炭来源碳排放依然占据较大比例

据CEADs统计数据,国内碳排放量从年的32.14亿吨增长到年的.45亿吨,此后增速有所放缓。截止年,国内碳排放量为97.29亿吨。年以来,受到国内煤炭来源碳排放量逐步下降的影响,国内碳排放总量增速出现明显下降。目前国内每年碳排放量级为亿吨左右,其中70%左右均来自煤炭燃烧,因此降低煤炭碳排放量占比尤为关键。

(二)国内电解铝行业碳减排存在较大空间

据CEADs统计数据显示,年国内碳排放量为.59亿吨,其中电力、制造业、地面交通、住宅以及航空行业碳排放占比分别为45%、39%、9%、7%以及0%。电力行业和制造业占据了国内碳排放行业中的较大比例。电解铝行业同时涉及电力行业(自备电厂)以及制造业两个行业,其中在制造业中,年电解铝能源消费量为1.41亿吨标准煤,占比6%,仅次于钢铁和水泥行业,国内电解铝行业碳减排存在较大空间。

二、从电解铝全生命周期角度看碳减排

(一)汽车轻量化成未来趋势,铝减重降耗助力碳减排

目前汽车用铝主要集中于燃油车,乘用车铝材多为铸件,型材、板材也有一定程度的运用。由于纯电动的整车质量比传统燃油车多-kg,纯电动车轻量化要求迫在眉睫,预计未来用铝会大幅增长。根据年铝加工产业年度大会报告,年我国乘用车总用铝量为万吨。

分车型来看,燃油车用铝量最高,达万吨,纯电动车和其他能源车分别用铝17万吨和2万吨。分铝材来看,铸件用量最多,达万吨,型材和板材各27万吨和37.6万吨。

铝主要应用于汽车的开闭件(四门两盖)以及车身部件。其中,开闭件包括引擎盖、翼子板、行李箱盖以及车门等。我国合资品牌如上汽通用、一汽大众、华晨宝马等均拥有车身及覆盖件用铝的应用经验和相对成熟的技术,引擎盖和行李箱盖的铝化率较高。

据Duckeranalysis预测,北美汽车覆盖件的铝化率将不断提升,其中,引擎盖的铝化率将由年的63%上升至6年的81%,成为乘用车标准配置;翼子板以及行李箱盖也将由19%-28%上升至34%-44%;车门由于铝化技术难度较大,铝化进程相对滞后。

1.汽车用铝比例上升,轻量化助力降低能耗

(1)全球轻量化要求提高,铝是优质的轻量化材料

在保证汽车强度和安全性的前提下,轻量化已经成为全球趋势。通过降低汽车的整备质量,能够降低燃油汽车的能耗,提升电动汽车的续航里程数,并减少排气污染。

在所有具有碳排放污染的交通工具中,汽车的碳排放量首当其冲。能源基金会数据显示,私家车出行的人均百公里碳排放量达到21.6kg/km,而高铁、地铁及轮船等出行方式的碳排放量仅为1.4、1.3及1.02kg/km。即使与碳排放量高居第二的飞机出行方式相比,私家车的碳排放量仍高出了近一倍。为了减少温室气体的排放,全球纷纷制定车辆排放目标:欧盟为普通客车设定了1年碳排放目标,日本、美国、加拿大及中国的卡车也纷纷引入二氧化碳标准。

汽车减排势不容缓,铝作为轻量化材料具有多重优势。从汽车选材角度看,钢和铝是最常用的两种车用材料。铝合金材料相较于一般钢材而言,虽然弹性模量低,但抗挤压性强,可以增强复杂的截面部件的刚度,在碰撞吸能中具有显著优势,降低材料消耗以及构件质量。A2MAC1数据库对比了铝与钢的副车架重量,铝制的副车架为8.23kg,而高强度钢和先进高强度钢相对于铝的轻量化比率只有0.66和0.83。

(2)汽车用铝量增长,节能降耗实现减排

在汽车未来轻量化趋势之下,铝用量的比例会逐渐提高。根据IAI的预测,中国的单车用铝量将持续增长。5年乘用车与商用车的单车耗铝量分别为.1kg和.1kg;7年商用车的单车耗铝量将首超乘用车,二者均超过kg;年乘用车与商用车的单车耗铝量分别为.2kg和.2kg。

铝在传统燃油车和新能源车中的应用均可以降低能耗。整车质量减轻5%,基本可保证降低相同比例的燃油消耗。而电动车相比燃油车有更高的整备质量,“中国制造5”规划中提出轻量化仍是重中之重,质量每减少kg,电动车的续航里程就能提高6%-11%。

2.轻量低耗推动减排,单车每公里减少10克碳排放

根据Duckeranalysis的数据,年北美汽车整备质量约为kg,其中钢板质量占40%,铝质量占比10%,预计5年汽车整备质量约为kg,其中钢板质量占32%,铝质量占比16%,据此测算出铝对钢材的质量替代比率为46.17%,进一步可测算出铝用量上升的车辆减重系数1.17。

根据IAI的中国汽车用铝数据,中国乘用车的单车耗铝量将由年的.4kgpv上升至5年的.1kgpv,商用车的单车耗铝量将由年的76.5kgpv上升至5年的.1kgpv。结合车辆减重系数,得到相应车型的减重量。

根据IAI的轻量化节能报告,在车辆降重kg的情况下,分车型的减排效果不同。燃油乘用车、电动乘用车以及混动乘用车每公里分别可减少0.kg、0.kg及0.kg的二氧化碳排放;燃油公交车、电动公交车及卡车每公里分别可减少0.kg、0.kg及0.kg的二氧化碳排放。结合不同车型的减重量,测算出汽车中增加单吨铝用量所带来的碳减排量约为0.08kg。

经过测算,年由于使用铝所带来的乘用车单车碳减排可达每公里10-15g,商用车单车碳减排量为2-8g。预计5年乘用车单车碳减排可达每公里18-22g,商用车单车碳减排量为3-12g,年乘用车单车碳减排可达每公里23-25g,商用车单车碳减排量为4-16g。

情境1:假设单车年行驶0公里。预计5年燃油乘用车年减排达kg、纯电动乘用车年减排kg、混动乘用车年减排kg;燃油公交车年减排64.87kg、燃油电动公交车年减排kg,卡车年减排88kg。

情境2:假设单车年行驶公里。预计5年燃油乘用车年减排达kg、纯电动乘用车年减排kg、混动乘用车年减排1kg;燃油公交车年减排kg、燃油电动公交车年减排kg,卡车年减排kg。

进一步换算成单吨铝的碳减排成果,单吨铝使用量将使汽车单公里减排0.02g-0.1g、

情境1:假设单车年行驶0公里:预计单吨铝使用量将使燃油乘用车年减排达2.04kg、纯电动乘用车年减排1.65kg、混动乘用车年减排1.85kg;燃油公交车年减排0.77kg、燃油电动公交车年减排0.8kg,卡车年减排0.49kg。

情境2:假设单车年行驶公里:预计单吨铝使用量将使燃油乘用车年减排达5.10kg、纯电动乘用车年减排4.13kg、混动乘用车年减排4.62kg;燃油公交车年减排1.92kg、燃油电动公交车年减排2.00kg,卡车年减排1.22kg。

(二)光伏发电碳排放量低,铝框回收减少全周期排放

太阳能是一种可再生的无污染的新能源,挤压铝材是制造太阳能光伏组件最有竞争力的可选材料,电池板框架支柱、支撑杆、拉杆等都可以用铝合金制造,是铝型材应用的新市场。铝型材在光伏领域主要产品在太阳能光伏边框和太阳能光伏支架等。太阳能光伏边框和支架主要起到固定、密封太阳能电池组件、增强组件强度、便于运输和安装等作用,其性能将影响到太阳能电池组件的寿命。按照使用的原材料可将太阳能边框分为三类:铝型材边框、不锈钢边框、玻璃钢型材边框,由于铝型材具备重量轻、耐蚀性强、成形容易、强度高、易切削和加工、可回收等特点,目前在太阳能边框中应用为最为普遍。

1.光伏使用阶段:碳排放最低的发电方式之一

在不同发电方式中,光伏发电的单位发电量碳排放量较低。化石能源的碳排放量最高,煤电的单位发电量碳排放量超过gCO2/kWh,天然气发电近gCO2/kWh。即使经过碳捕捉技术处理后,二者的碳排放量可下降至gCO2/kWh以下,但相对于其他清洁能源的碳排放仍然很高。

根据世界核能协会的数据,公用事业级光伏、集中式光伏以及分布式光伏的碳排放量有所差异。公用事业及集中式光伏通常规模较大,装机容量较高;分布式光伏多处于用户侧,如屋顶光伏等。三种光伏单位发电量的碳排放量在30-50gCO2/kWh左右,集中式光伏的单位碳排放量仅27gCO2/kWh,是除水电、核电及风电外碳排放最小的发电方式。不同发电方式在全生命周期中产生碳排放阶段也不同,光伏主要来自上游的设备生产和电厂建设环节,而在使用阶段碳排放很低,仅为4.93kgCO2-eq。而化石能源发电的碳排放主要来自于发电运行阶段的化石燃料燃烧;核电的碳排放来自燃料开采和废弃处理。

2.光伏处置阶段:废组件铝边框拆解难度低

在光伏组件中,铝框和前玻璃占光伏板重量的80%,光伏面板的铝框和接线盒很容易拆卸。欧洲的欧洲的废弃组件回收工作开展较早,年出台了《欧盟废弃电子电器产品管理条例》,将太阳能光伏组件纳入管理范围,并成立了专门机构。但由于回收技术难度较高,通常仅对玻璃和铝框架进行回收,剩余材料被送往水泥炉中作焚烧处理,直至年才出现了专门处理晶体硅的回收厂,能够实现95%的组件回收率。

相比之下,我国没有针对光伏废组件的回收技术和设备,也未有明确的光伏组件回收政策。因此,国内大部分废旧光伏组件都没有回收处理,通常都是直接填埋或破碎后填埋。

具体而言,废光伏组件中的铝边框可以通过简单的人工拆解进行回收,而其他组件,如银、玻璃和晶硅片等需要通过热解工艺回收。若在使用寿命到期后,进行人工拆解和回收铝边框,并假设按折旧10%抵消碳排放。

则1m2的光伏报废组件可得到1.84kg的铝边框,避免了生产此重量的铝边框产生的碳排放(-9.96kgCO2-eq)。因此,考虑铝边框拆解回收后的光伏组件在处置阶段的碳排放为-9.88kgCO2-eq,光伏全生命周期的碳排放由.91kgCO2-eq下降至.91kgCO2-eq,碳排放量减少6%。

(三)建筑用铝优化能效,光伏外围集成推动净零

铝是可见光和热量的优质反射材料,可以反射阳光和储存热量。此外,它还具备轻量、强度高、可塑性强以及耐腐蚀等特性。铝在建筑领域的用途广泛,除了在结构性方面的使用之外,在非结构性的建筑部件也有广泛的应用场景。

不同类型的铝制品在建筑领域有不同用途。

铝板和铝材通常用于屋顶、壁板和覆层、标志和墙壁装饰、百叶窗和屏风、暖通空调通道、排水沟和落水管;铝箔用于暖通空调系统、采光系统、太阳能装置等;铝挤压产品可用于门窗、天窗、幕墙和立面、温室和日光室、遮阳帘和屏风、体育场结构和顶棚、家具和装饰、管道和管道、可再生能源装置(光伏板和集成光伏装置、微型风力涡轮机、太阳能加热装置等);铝锻造/铸造产品用于窗、门、立面、幕墙和其他结构系统的构件以及家具和装饰;铝线用于电力系统与照明系统。

铝通过控制和平衡温度、照明与通风系统,优化建筑物的能效。铝制建筑组件中可以集成光伏、太阳能热设备和微型风力涡轮机等。最先进的光伏系统可以集成到铝框架立面中,即铝玻璃光伏外墙。同样,太阳能热设备和光伏组件也可以集成到其他铝制建筑组件中,兼备建筑外围和可再生能源发电机的双重功能。在人口稠密的城市中,将可再生能源装置集成到建筑外围中是建筑实现“净零排放”的关键,而铝的独特优势使这种集成的低成本化成为可能。此外,铝也是光伏系统中太阳能电池的重要组成部分,铝膏覆盖了大部分硅电池,在背表面场上提供钝化层,提高电池的整体效率。

铝涂层屋顶能够反射更多阳光和吸收更少热量。铝涂层在传统的组合式屋顶系统上会形成高反射表面,可以增加太阳反射率和热发射率,从而降低屋顶表面温度,保护底层屋顶膜免受紫外线降解,有助于延长其使用寿命。

铝门窗系统有助于隔热与抗冷凝。铝制幕墙、立面、窗户、门和天窗,以及遮阳棚、灯架、屏风、窗帘等辅助铝制品和室内外空气交换装置,在不同季节和天气条件下均可优化建筑的能效性能。铝挤压型材可以用来制造隔热效果良好的建筑门窗系统;此外,通过与其他组件组合,铝窗系统可以平衡室内外间的热传导、建筑物内部的太阳能控制以及空气泄露等。

(四)再生铝碳减排效果显著,国内市场未来可期

再生铝是废铝料经熔化、合金化、精炼等工艺生成的铝合金。由于铝金属的抗腐蚀性强,除某些铝制的化工容器和装置外,铝在使用期间几乎不被腐蚀,损失极少,可以多次重复循环利用,因此,铝具有很强的可回收性,而且使用回收的废铝生产铝合金比用原铝生产具有显著的经济优势。

生产再生铝的原料主要是废铝,废铝有“新废铝”与“旧废铝”之分,一般而言,“废铝”不包括被原生产企业内部消化的新废铝,而是指旧废铝以及对外出售的新废铝。

“新废铝”是指铝材加工企业与铸件生产企业在制造产品过程中所产生的工艺废料以及因成分、性能不合格而报废的铝产品。主要包括生产和加工利用过程中产生的边角料、报废品以及切屑等,新废铝中部分在生产厂商内部回收利用,新废铝进入社会流通相对较少。

“旧废铝”是指铝制品经过消费后,从社会上回收的废铝与废铝件。如房屋改造与装修过程中拆换下来的旧铝门窗,报废汽车、电器、机械、结构中的铝件,废旧铝制饮料罐与各种铝容器,到期报废的铝导体与铝件,破旧铝厨具等。

国际废铝回收市场上,目前废铝材料的最重要来源是运输工具,其次是包装物。而建筑行业由于铝产品的生命周期较长,废铝回收占比不高。

1.再生铝减排优势显著,单吨碳排放低位维稳

再生铝相比于原铝具有显著的节能减排优势。据顺博合金招股说明书,与生产等量的原铝相比,生产1吨再生铝相当于节约3.4吨标准煤,据此计算,“十二五”期间,我国再生铝产业与生产等量的原铝相比,累计节约能量8,万吨标准煤。

再生铝生产能耗仅为原铝生产总能耗的4.86%,温室效应仅为原铝生产的1/24,再生铝产量增加将大大降低铝工业的能源消耗和碳排放量。

在铝生命周期中,电解环节(原铝生产)是能耗以及碳排放量最大的阶段,回收预处理以及熔铸环节(再生铝生产)是能耗和碳排放量最小的阶段。电解环节的能耗和碳排放量占生命周期总量的76%和89%,对于碳排放的影响要大于对能耗的影响;回收预处理及熔铸环节的能耗和碳排放量占生命周期总量的0.8%和0.2%。

将铝生命周期划分原铝和再生铝两个独立阶段分别来看,单吨原铝碳排放16.5吨,单吨再生铝碳排放不足1吨。据IAI统计数据,全球电解铝电力环节吨铝二氧化碳排放量为10.4吨,然而除了电力环节对能源消耗导致的碳排放外,电解铝的其他生产环节亦会造成碳排放。分原材料来看,氧化铝环节的吨铝二氧化碳排放量为3.1吨,阳极碳素环节的吨铝二氧化碳排放为0.5吨。综合来看,电解铝从生产到最终运输的吨铝二氧化碳排放量为16.5吨,其中非电力环节为6.1吨,占比37%。

据IAI统计数据,全球再生铝生产及运输环节吨铝二氧化碳排放量为0.6吨,其中旧废铝吨铝碳排放量为0.4吨,新废铝吨铝碳排放量为0.2吨。再生铝相对原铝在碳排放方面具备极高的优势,提高废铝回收率有利于电解铝行业碳减排目标的实现。

从时间维度来看,原铝的单吨碳排放量持续波动至近年维稳,再生铝的单吨碳排放长期稳定在低位。原铝的单吨碳排放量在近15年间呈波动趋势,自年-年由17.8吨下降至16.7吨后,近五年未再有明显下降,单吨碳排放维持在16吨以上。自年以来,废铝的碳排放则一直稳定在0.6吨。

2.欧美再生铝产业成熟,国内再生铝市场可期

(1)欧美再生铝产量普遍超过原铝

全球再生铝行业已经历了几十年的发展,根据国际铝业协会估计,年全球由新废铝和旧废铝生产的再生铝产量达到2,万吨,占原铝和再生铝总产量的30%。发达国家的再生铝产量已经普遍超过原铝产量。

欧美国家的铝回收工业基础设施完善。欧盟生产的铝有一半以上来自回收铝,铝回收工业基础设施在欧洲约有家工厂。在汽车和建筑终端应用的回收率为90%~95%,饮料罐回收率为74%,以及所有铝包装回收率为60%。根据美国联邦地理调查局的统计数据,年美国再生铝产量为万吨,而原铝产量仅为74万吨,再生铝产量占总产量的83.33%。

根据中国有色金属工业协会数据,年国内再生铝产量达到万吨,相当于原铝和再生铝总产量的17.14%,再生铝已经成为中国铝工业的重要组成部分,但相较于欧美国家仍有差距。

(2)国内再生铝市场前景广阔

再生铝行业属于再生资源和循环经济的范畴,行业的良性发展具有重大的经济、社会和环境价值,是国家大力发展的行业之一。近几年来,我国相继出台了鼓励和支持循环经济、再生金属行业发展的诸多政策性文件。

从供给端来看,再生铝企业的废铝采购主要指旧废铝,而旧废铝又主要来源于报废的建筑材料、汽车、通用机械、电器、电网设施等。尽管我国工业化和城市化的起步时间较晚,早期的废铝社会保有量不足,多依赖进口。但是,最近二十余年国内的建筑、汽车、机械等行业经历了高速增长,随着建筑物、汽车、机械设备等的报废周期逐批到来,废铝的社会保有量快速增加,国内废铝供应日益充足。

我国废铝进口量从年开始持续下降,仅在年略有回升,并自年开始降幅增大,年废铝进口量同比减少27.95%,年同比减少10.93%,进口量仅为6.87万吨。同时,我国再生铝产量持续增长,年同比增长%,自此后再生铝产量一直稳定在万吨以上。

根据顺博合金招股说明书,我国铝制品的平均报废周期为15年-18年,年以前国内废铝产生量以10%的速度增长,年以后随着铝制品报废高峰期到来,增速将达到15%以上。未来我国将从废铝进口国转变为废铝出口国,甚至带动再生铝企业的海外投资和产能转移。

从需求端看,再生铝生产工艺水平的提升也为其应用领域拓展打开了空间,我国的再生铝主要用于汽车、摩托车、机械设备等行业,目前随着再生铝合金锭材料在纯度、机械性能等方面的改善,通信、航海等行业已经开始使用再生铝,汽车用再生铝的部件也在不断拓展。铸造工艺的发展也为再生铝的应用拓展提供了机遇,例如近年来手机外壳压铸技术的发展,使得手机壳也可以利用再生铝压铸。

根据中国科学院城市环境研究所的相关研究,在不同情境下,我国原生铝数量都将在年前达到峰值;再生铝数量将在~年超过原生铝,并于~年达到峰值,成为主要的原料。

三、碳市场已成为全球主流减排政策工具

根据国际碳行动合作组织(ICAP)发的《全球碳市场进展1年度报告》,截至年底,全球已有24个体系正在实施,另有8个司法管辖区正规划未来几年启动碳排放交易体系,其中包括哥伦比亚ETS和美国TCI-P计划。除此之外,还有14个司法管辖区正在考虑建立碳市场作为其气候政策的重要组成部分,包括智利、土耳其和巴基斯坦。

这些实施碳排放交易的司法管辖区占全球GDP的54%,碳排放交易体系所覆盖的温室气体排放量达到全球总量的16%,覆盖范围涉及电力、工业、航空、建筑等多个行业。其中欧盟碳交易体系是目前全球成立时间最早、最重要、最成熟、规模最大、覆盖最广的碳市场,也是中国碳市场最主要的学习和借鉴对象。据ICAP统计,9年以来欧盟地区累计碳配额拍卖收入为亿美元,占全球碳配额拍卖收入的78%,是过去十年全球碳交易的主要参与者。此外欧洲碳金融市场品类丰富,除一级拍卖市场外,还有二级碳现货、碳衍生品交易市场。Wind数据显示,-年间,碳配额期货累计成交量约为碳配额累计拍卖量的11倍,极大地促进了碳配额在二级市场的流通。

后文我们将通过分析欧盟碳交易体系中碳期货价格的变化趋势,挖掘碳交易价格波动背后的驱动因素。

(一)历史复盘:经济与政策成欧盟碳价格的主要推手

1.第一阶段:供过于求,价格低迷

第一阶段(-7)是一个为期三年的实验期,旨在为第二阶段实现《京都协议书》的目标做准备。这一阶段的特点在于其仅

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