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        高溫超導大規模商用浪潮即將開啟 “室溫超導”仍將面臨漫長的探索進程

        一、超導材料行業概述及分類

        超導材料是指在某一溫度下,電阻為零且具有抗磁性的導體。一般來說,把臨界溫度低于40K(-233.15°C)的超導體稱為低溫超導體,高于40K(-233. 15°C)的超導體稱為高溫超導體,而把臨界溫度高于300K (26.85°C)左右的超導體稱為室溫超導。

        高溫超導與低溫超導比較

        分類

        臨界溫度

        主要材料

        制冷材料

        下游應用場景

        低溫超導

        25K

        NbTi、Nb3Sn、Nb3AI

        液氦

        加速器磁體、核聚變工程用超導磁體、核磁共振(MRINMR)磁體、通用超導磁體

        高溫超導

        90K-110K

        鉍系(BSCCO,第一代高溫超導材料)

        液氮(造價較低)

        電力電纜、磁懸浮、超導變壓器、直流感應加熱、大型加速器、可控核聚變用超導磁體有望用于超導儲能系統、核磁共振譜儀、下一代高能物理加速器

        90K

        釔系(YBCO,第二代高溫超導材料)

        55K

        鐵基超導體

        資料來源:《超導材料及其應用現狀與發展前景》、觀研天下數據中心整理

        超導材料應用空間廣闊。其零電阻性可以應用于:(1) 大規模集成電路、超導計算機,推動算力進一步提高;(2) 輸電線、超導電機,提高能源傳輸效率;(3) 超導微波器件、醫療器械等,促進醫療發展。完全抗磁性可以推動磁懸浮列車發展,改善運輸方式;此外,可控核聚變發展進程也會隨著室溫超導的出現快速推進。

        二、低溫超導材料已實現商業化,將長期占據市場主導地位

        1、低溫超導材料技術成熟,未來仍是市場主流

        低溫超導材料由于具有優良的機械加工性能和成本優勢,在相當長的時期內在商業化超導市場中處于主導地位,當前低溫材料應用規模已占到超導材料市場的90%左右,已實現商業化的低溫超導材料包括鈮鈦(NbTi)和鈮錫(Nb3Sn)。其中,NbTi的特點是臨界磁場低、強度高、易加工;Nb3Sn的特點是臨界磁場高、脆性較大、加工難度較高。根據各自特性,二者應用領域存在一定差異。經過十余年的努力,我國高性能NbTi和Nb3Sn超導線材制備技術已取得重大突破,線材綜合性能指標(臨界電流、磁滯損耗和剩余電阻率)及性能穩定性達到國際領先水平。

        低溫超導材料應用廣泛,是國家科技創新規劃中新材料領域重點發展的前沿材料之一。低溫超導材料一般都需在昂貴的液氦環境下工作,液氦制冷的方法昂貴且不方便,故低溫超導體的應用長期得不到大規模的發展,更多應用于醫療、高場磁體制造、大型科學工程、先進裝備制造等成本相對不敏感高精尖領域。例如,在醫療方面,主要是核磁共振人體成像儀(MRI);在高能物理研究方面,是大型質子對撞機(如 LHC);在能源方面,主要是受控核聚變(如ITER)。預計在相當長的時期內,低溫超導材料仍將是最主要的超導產業支柱性材料,未來低溫超導材料需求有望受益于光伏行業的高景氣度和國內MRI設備市場規模的高增速實現穩定增長。

        低溫超導材料應用領域

        超導材料 應用領域
        NbTi MRI (人體核磁共振成像儀)
        NbTi MCZ (磁控直拉單晶硅)
        Nb3Sn(主要)、 NbTi NMR (核磁共振譜儀)
        Nb3Sn、 NbTi ITER (國際熱核聚變實驗堆)
        NbTi 加速器

        資料來源:觀研天下數據中心整理

        天下分析師觀點:相較于低溫超導應用領域受限,高溫超導可以適應更高的溫度、在更復雜的場景工作,對于我國而言,高溫超導產業化路徑更值得關注(實用價值更高、契合新型電力系統建設),具備相關技術路徑的公司有望受益。

        2、低溫超導技術壁壘高,西部超導是國內行業領軍者

        低溫超導技術壁壘高,全球僅有少數幾家企業掌握低溫超導線生產技術,主要分布在美國、英國、德國、日本和中國。與低溫超導產業鏈相關的生產企業來自包括超導錠棒、超導線材、超導磁體和超導設備領域。在國際上能生產NbTi錠棒的企業僅有美國Wah Chang和公司,但是美國Wah Chang目前不生產NbTi超導線,全球主要的NbTi超導線生產廠家(包括英國Oxford、德國Bruker、英國Luvata、日本JASTEC等)目前不生產NbTi錠棒。

        國內方面,低溫超導一直是各方研究熱點。目前,國內的超導材料研究主要集中在以中科院物理研究所、中國科技大學、南京大學、中科院電工研究所、中科院等離子體物理研究所等高校和研究機構。這些機構在超導材料的制備、性能和應用等方面都取得了一定的成果,排名靠前的院校相關論文數均在600篇以上。

        國內超導材料研究機構論文數量

        研究機構 論文數量(篇)
        中國科學院物理研究所 1108
        中國科學技術大學 1003
        南京大學 846
        中國科學院電工研究所 767
        中國科學院等離子體物理研究所 669
        北京大學 613
        西南交通大學 607
        清華大學 526
        華中科技大學 493
        浙江大學 475

        資料來源:觀研天下數據中心整理

        此外,西部超導是我國唯一實現低溫超導線材商業化生產的企業,也是國際上唯一的鈮鈦(NbTi)錠棒及線材全流程生產企業。自公司成立至今,西北院先后注入“NbTi 超導材料專利技術”、“YBCO 超導材料專利技術”等核心技術,助力其突破了國內超導線材領域的多個瓶頸,以量產的新產品填補國內多項空白。

        西部超導超導線材多項技術在國內處于絕對領先地位

        產品名稱 核心技術 公司技術地位
        Ti45Nb 穩定性控制技術 國內唯一、全球量產的兩家企業之一
        NbTi超導線材合金 高均勻全新真空自耗煽煉和自由鍛造技術 全球量產的兩家企業之一
        MRI用NbTi超導線材 高尺寸精度加工、高銅比線材鑲嵌成型技術 -
        核聚變用NbTi、Nb3Sn超導線材 長線連續加工(NbTi最大長度9萬米)技術 -

        資料來源:公司公告、觀研天下數據中心整理

        三、高溫超導應用潛力巨大,2023有望成為規?;帕吭?/strong>

        1、高溫超導大規模商用浪潮即將開啟,應用領域多點開花

        受限于高溫超導帶材產品不成熟且成本較高,長期以來,高溫超導技術一直未大規模商業化應用。相較傳統的低溫超導,高溫超導具有使用成本低、應用限制少兩大優勢。近年來,在帶材成本下降、技術成熟且迭代加速以及“雙碳”目標的政策驅動三重利好下,高溫超導技術在超導線纜(電網)、可控核聚變、高溫超導感應加熱設備等下游領域展開了規?;虡I應用,并且呈現加速放量趨勢。1)電網領域:上海、深圳兩地超導線纜示范工程于2021年試點成功,并規劃進一步規?;佋O;2)能源領域:多個基于高溫超導磁體的商業化可控核聚變項目于2022年獲得數億元融資,并于今年開始逐步落地;3)商業設備領域:聯創光電生產的高溫超導感應加熱設備于2020年交付首臺,并于今年進入規?;拷桓峨A段。此外,高溫超導技術在熔煉爐、磁控晶硅生長爐、磁儲能、磁懸浮等領域的應用研發也正加速推進,隨著高溫超導技術取得快速發展,這將極大地促進高溫超導帶材的發展,整體高溫超導應用市場規模將達數百億元。

        根據Conectus公布的數據,預測2023年全球超導市場規模達70億歐元,增速約2.9%。在超導材料應用領域,高溫超導材料的市場份額將會逐步擴大,至2030年,市場份額有望從當前不足10%提升至25%。

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        資料來源:觀研天下整理

        2、核心高溫超導帶材廠商加速擴產,未來電力技術應用將是首要方向

        根據觀研報告網發布的《中國超導材料行業現狀深度分析與投資前景研究報告(2023-2030年)》顯示,相較于低溫超導,高溫超導材料制造難度更大,其材料一般采用氧化物材料,常見的鉍系、釔系高溫超導材料屬于氧化物陶瓷,脆性大,加工難度高,制造成本高昂。目前全球高溫超導帶材廠商主要分為三個梯隊,第一梯隊廠商有SuperPower(日本古河的子公司)、SuperOx(美資俄羅斯企業)和中國的上海超導,第二梯隊廠商有韓國SuNAM、俄羅斯Theva和老牌企業美國超導,第三梯隊廠商每年在下游需求驅動下不斷涌現出新的企業。核心的高溫超導帶材廠商近兩年也正加速擴產。

        部分高溫超導帶材廠商擴產規劃

        公司名稱

        國家

        年產能(單位:km

        2021年產能

        是否擴產

        2024E

        日本藤倉

        日本

        300

        600

        SuperPower

        美國

        (日本古河子公司)

        300

        1000

        SuperOx

        俄羅斯

        600

        1500

        Theva

        德國

        300

        1500

        上海超導

        中國

        400

        2000

        永鼎股份(東部超導)

        中國

        300

        2000

        資料來源:Thcva、各公司官網、觀研天下數據中心整理

        從高溫超導的應用方向來看,主要分為三大類,分別是以超導電纜為代表的超導電力應用產品,以高場超導磁體為代表的超導節能、環保、軍工、科學儀器等產品,以及以可控核聚變(Tokamak)為代表的大科學設備。其中,以高場超導磁體為代表的超導節能設備已經有了成熟的產品,預計未來在電力技術應用將是首要方向。目前一些初步應用包括如美國超導公司的 MW 級超導儲能系統和 8~10MVar級的超導同步調相機,中國科學院電工研究所研制成的 360 米、10kA 高溫超導輸電電纜是國際上傳輸電流最大的高溫超導電纜。中國科學院電工研究所還完成了世界首座 10kV 級超導變電站的研制和建設。

        天下分析師觀點:目前國內高溫超導廠商稀缺,國內僅三家龍頭,分別是上海超導、東部超導、上海上創。他們的產能還不夠滿足超導線纜建設的需求,因此這也是驅動上游高溫超導帶材廠商擴產的原因之一。

        四、“室溫超導”技術引發熱議,但目前仍不具備商業化可行性

        2023年3月8日晚間,美國羅切斯特大學表示,該校機械工程系及物理學與天文學系副教授蘭加·迪亞斯率領的研究團隊研發出一種在室溫和相對較低壓力條件下表現出超導性的材料,即“室溫超導”。這種超導材料由氮、氫和镥組成,它在約20.6攝氏度的溫度和10千巴(相當于標準大氣壓的1萬倍)的壓力下表現出超導性。此項技術引發了大量關注,但目前來看該發現主要意義為物理學研究,因為大規模創造一萬個大氣壓的極高壓強環境實現難度較大,距離實際應用仍非常遙遠,總的來看,室溫常壓超導材料仍將面臨漫長的探索進程。

        天下分析師觀點盡管常溫超導材料的突破給科學界帶來了新的希望,但實驗結果從實驗室走到商業化應用放量都需要一定的時間。未來如果能夠成功商業化,將對計算機和消費電子領域的產品設計產生革命性的影響。(LZC

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