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2023年光伏POE,起飞!

POE方面,随着光伏电池装机量增加,2023年POE供需将继续紧张,POE成为龙头企业纷纷布局的领域。

 

关于α-烯烃,由于POE建设热火朝天,作为不可获取的共聚单体,1-辛烯和1-己烯盈利有望提升。

 

针对茂金属催化剂,国内POE和茂金属聚烯烃产能建设对茂金属催化剂需求提升,茂金属催化剂和相关原料的市场将不断扩大。

 

但是,目前来看,POE生产过程中涉及的茂金属催化剂、a-烯烃、溶液聚合工艺等方面技术仍主要掌握在海外企业手中,国内尚未实现大规模工业化生产。

 

由于POE水汽阻隔、抗PID等性能优异,在N型光伏电池封装胶膜中的渗透率提升,随着TOPCon等N型光伏装机量的快速增长,光伏胶膜对POE的需求量将持续提升,我们预计2021/22/23年光伏POE的需求量分别为15/23/41万吨。考虑到光伏领域需求的持续增长,但2023-24年全球范围内POE的新增产能较少,我们预计POE供应有望持续紧张,POE价格和盈利有望继续提升。POE在茂金属催化剂、α-烯烃和溶液聚合工艺环节技术壁垒较高,我们看好产业化进度居前的企业国产化的发展

 

摘要

 

POE供应有望继续紧张,率先国产化的企业有望受益。POE在茂金属催化剂、α-烯烃、溶液聚合工艺等方面均具备较高的技术壁垒。目前全球POE产能主要集中在陶氏化学、埃克森美孚、日本三井化学、LG化学等少数企业,生产光伏用POE的仅陶氏化学、三井化学和LG化学等。受益TOPCon等N型光伏装机量的快速增长,我们预计2021/22/23年光伏POE需求量将达到15/23/41万吨,但2023-24年全球范围内新增产能较少,我们预计POE供应有望持续紧张,POE高盈利有望延续,率先国产化的企业有望受益。

 

POE产能增长驱动α-烯烃需求增长,己烯和辛烯盈利有望提升。乙烯齐聚是全球范围内α-烯烃的主流生产工艺,目前技术主要由海外企业掌握,国内燕山石化、独山子石化及大庆石化等具备少量的1-己烯产能,1-辛烯基本依赖进口。我们认为随着国内布局的POE产能持续扩大,将驱动α-烯烃需求增长,1-己烯和1-辛烯盈利有望提升。

 

茂金属催化剂壁垒高筑,关注国产化进展。茂金属化合物与助剂甲基铝氧烷(MAO)可组成烯烃聚合的高效催化体系,但茂金属结构可调变空间大、合成步骤长、专利壁垒高,助剂MAO合成工艺复杂、原材料三甲基铝危险性高,导致主流工艺长时间被海外企业掌握。随下游需求提升,我们看好国内具备一定技术积累的企业实现茂金属或助剂MAO技术突破。

 

正文

 

POE:供应持续偏紧,率先国产化的企业有望受益

 

POE生产技术壁垒高,目前产能主要集中于少数海外企业

 

POE是乙烯和α-烯烃聚合而成的高分子材料,性能优异。聚烯烃弹性体(POE)是由乙烯或丙烯与α-烯烃(1-丁烯、1-己烯、1-辛烯)在茂金属催化剂的作用下,通过溶液聚合工艺形成的无规共聚物,通常所说的POE是指α-烯烃质量分数大于20%的聚烯烃弹性体。POE分子链中由于存在乙烯与α-烯烃共聚形成的无定形区,使其在常温条件下呈现出橡胶的高弹性特点,加之POE分子量分布较窄、支链较短,因此POE具备高弹性体、高强度、高伸长率等优异的力学性能和良好的低温性能。同时由于POE分子链饱和度高,其耐热老化、抗紫外线、耐老化等性能优异。POE下游主要应用于聚丙烯、聚乙烯共混改性(汽车配件、家电外壳、防水卷材、管材)、对聚酰胺、聚酯类聚合物增韧改性(建筑、机械、电子、汽车等领域)、发泡改性(鞋底材料)及光伏胶膜等领域。

 

图表:POE产业链

资料来源:张腾《聚烯烃弹性体和塑性体产品及应用现状(2021)》,中金公司研究部

随着催化剂及工艺技术的迭代,POE产品仍处于创新发展周期。1993年陶氏化学采用限制几何构型(CGC)催化剂和Insite™溶液聚合工艺,率先实现了乙烯和辛烯(C8)共聚POE(ENGAGE™)的商业化生产,基于调控共聚单体及工具单体含量,陶氏化学开发了多个ENGAGE™产品牌号。随着催化剂技术和生产工艺的不断迭代,陶氏化学每隔几年便有新的POE产品开发出来,包括2000年推出Affinity牌号,2005年推出乙丙共聚物VERSIFY,2008年推出嵌段共聚物INFUSE™等,目前POE产品仍处于创新发展周期。

 

图表:陶氏化学聚烯烃弹性体创新与商业化发展

资料来源:陶氏化学官网;中金公司研究部

图表:陶氏化学ENGAGE TM聚烯烃弹性体产品

 

资料来源:陶氏化学官网;中金公司研究部(随着共聚单体含量增加,POE密度、硬度、熔融温度降低,耐热性下降)

 

POE技术壁垒高,目前全球产能主要集中在少数海外企业。POE在茂金属催化剂、α-烯烃(双键位于分子链端部的直链单烯烃)、溶液聚合工艺等方面均具备较高的技术壁垒。目前全球POE产能主要集中在陶氏化学、埃克森美孚、日本三井化学、LG化学、SK/SABIC及北欧化工等少数企业,生产光伏用POE的仅陶氏化学、三井化学和LG化学等几家企业。

 

图表:2021年全球聚烯烃弹性体生产企业和产能

 

资料来源:张腾《聚烯烃弹性体和塑性体产品及应用现状(2021)》,陶氏化学官网,华经产业研究院,中金公司研究部

 

►茂金属催化剂:目前合成POE的主流催化剂为茂金属催化剂,包括主催化剂(茂金属化合物,由环戊二烯和过度金属元素形成的配合物)和助催化剂(主要有甲基铝氧烷(MAO)或者有机硼化物,其中MAO应用最多)。生产聚乙烯、聚丙烯和POE的催化剂内部配体结构和组成含量不同,其中POE生产多用限定几何结构的茂金属催化剂,桥联双配体结构的茂金属催化剂等。由于茂金属化合物、助催化剂甲基铝氧烷(MAO)等合成难度较高,目前国内茂金属催化剂基本依赖进口。

 

图表:限定几何构型茂金属催化剂的结构示意图

 

资料来源:张瑀健、李洪兴《聚烯烃弹性体的研究现状及进展(2014)》;中金公司研究部

 

►线性α-烯烃:工业生产线性α-烯烃的工艺包括乙烯齐聚法、石蜡裂解法(得到的混合烯烃成分较为复杂)、混合C4分离(只能生产1-丁烯)、费托合成、高碳醇脱水法、植物油法(工艺流程复杂、收率偏低)等。其中乙烯齐聚法由于产物全部为偶数碳产物,且选择性和纯度高,是目前全球生产线性α-烯烃的最主要工艺。由于海外企业对α-烯烃的技术封锁以及高额的技术转让费用等,目前国内α-烯烃主要以生产1-丁烯为主,1-己烯和1-辛烯主要依赖进口,其中1-辛烯基本全部依赖进口。

 

►溶液聚合:POE需要用连续的管式法进行溶液聚合,需要严格控制共聚单体以液体形式在溶液中稳定存在并且参与到聚合。如果单体变成气态,溶液中共聚单体的浓度和含量会下降,会导致溶液整体黏度上升,最终可能导致聚合反应无法发生。由于聚合工艺主要工艺技术商限制技术转让以及国内企业在溶液聚合工艺方面积累不足,也是制约国内POE发展的重要因素。

 

图表:全球主要POE生产企业代表性产品及技术指标

资料来源:亚化咨询,中金公司研究部

当前汽车仍为POE最大应用领域,光伏打开需求增长空间

 

2021年全球POE需求量136万吨。从下游应用看,POE主要用于直接改性、接枝改性、发泡改性及作为单独材料使用等。从下游终端领域看,目前汽车仍是POE最大的应用领域,而且汽车领域的客户对长期稳定供应和产品品质的一致性要求较高,目前POE粒子企业对汽车领域的需求更为重视;随着全球光伏装机的持续快速增长和POE胶膜渗透率的提升,光伏是POE需求增速最快的领域。

 

►直接改性方面:POE主要用于聚丙烯和聚乙烯的共混改性,共混改性后的聚乙烯和聚丙烯增韧、抗冲击性能优异。使用POE改性的聚丙烯流动性好、线性膨胀系数低,能够较好的取代金属部件用于生产汽车零配件(汽车保险杠、门板、内饰)等,家电外壳(空调、电视及洗衣机等的外壳)。使用POE改性的聚乙烯可以用于生产防水卷材、管材等。

 

► 接枝改性方面:主要是用于对聚酰胺和聚酯类聚合物进行增韧改性,通过POE与聚酰胺及聚酯类聚合物的共混,能够明显改善聚合物冲击性能。

 

►发泡改性方面:POE主要用于对EVA改性后用于生产运动鞋中底,能够提高鞋底的弹性,提供更好的撕裂强度和拉伸性能。POE也可以替代EVA单独用于生产运动鞋中底。

 

►单一材料使用:主要用于生产光伏组件中的封装胶膜。由于光伏电池封装过程不可逆且对组件的运营寿命要求较高,因此封装胶膜的质量对光伏组件及电池的质量与寿命较为关键。POE生产的胶膜具备低水汽透过率和高体积电阻率,具备较好的抗PID性能。

 

图表:全球POE需求量

 

资料来源:华经产业研究院,中金公司研究部

 

2021年中国需求量约64万吨,全部依赖进口。目前国内POE全部依赖进口,2021年POE进口量约64万吨,同比增长8.5%,2021年我国POE进口量占全球POE总需求量约47%。2022年1-10月我国POE进口量56.8万吨,同比增长7.2%,1-10月进口POE主要来自韩国、泰国、美国、西班牙和新加坡等地。

 

图表:中国POE进口量(需求量)

 

资料来源:卓创资讯,中国海关,中金公司研究部

 

图表:2022年1-10月我国POE进口来源

 

资料来源:卓创资讯,中国海关,中金公司研究部

 

EVA胶膜仍占主流,N型电池发展带动POE胶膜渗透率提升。根据中国光伏行业协会数据,2021年我国组件封装胶膜需求17.3亿平方米,占组件封装胶膜市场需求的82.4%。目前EVA胶膜仍占主流,2021年透明EVA胶膜占比52%,白色EVA胶膜占比23%,POE胶膜及共挤型POE胶膜占比23.1%。随着N型电池片效率的不断提升,TOPCon组件成为部分组件厂商的重要发展方向。由于TOPCon组件中电池片正面栅线使用银铝浆,在有水汽的条件下容易被老化腐蚀导致组件效率降低,因此需要水汽阻隔率高的胶膜进行封装。由于POE在水汽阻隔、抗PID、耐低温、耐黄变等方面性能优异,含POE的胶膜(包括POE胶膜与POE共挤型胶膜)与TOPCon组件具有更高的匹配性,我们预计在N型电池中POE胶膜的渗透率将进一步提升,将驱动光伏用POE粒子需求快速增长。

 

图表:不同封装胶膜的应用场景和特点

 

资料来源:福斯特公告,中金公司研究部

 

图表:2021年封装胶膜应用占比

 

资料来源:中国光伏行业协会,中金公司研究部

 

图表:光伏POE需求

 

资料来源:海优新材公告,中金公司研究部(注:2023年TOPCon装机量按照90GW计算,TOPCon电池中POE占比按照50%计算)

 

POE:供需偏紧看好POE价格上涨。受益于光伏和汽车领域的需求增长,2022年全球POE供需偏紧,POE价格一直处于高位。根据中金电新组预测,2023年Topcon新增装机量有望达到80-100GW,考虑到TOPCon电池中POE渗透率提升,我们预计将带动2023年光伏用POE需求同比增加约18万吨,但考虑到2023年全球POE基本没有新增产能,我们预计2023年全球POE供需将继续紧张, POE价格有望继续上涨。

 

图表:POE市场价格

 

资料来源:卓创资讯,中金公司研究部

 

图表:POE价差

 

资料来源:iFinD,中金公司研究部

 

茂金属催化剂:附加值高但合成难度大,关注国内企业产能布局

 

茂金属催化剂=茂金属化合物+甲基铝氧烷等助剂

 

茂金属化合物是指过渡金属(如IVB族元素锆等)和至少一个环戊二烯(或衍生物)作为配体组成的配合物。根据其几何构型分类,常见的可分为桥联型、非桥联型、限定几何构型等种类;在该化合物中,过渡金属是催化烯烃聚合的活性中心。

 

图表:典型的茂金属化合物结构

 

资料来源:时子海《[N, Si, N, P]型非茂金属催化剂催化乙烯/1-己烯共聚合及HSAB与DFT研究(2020)》,中金公司研究部

 

茂金属化合物与助剂甲基铝氧烷(MAO)可组成烯烃配位聚合的高效催化剂体系。19世纪50年代茂金属结构被发现,1957年Breslow发现烷基铝存在下,二氯二茂钛(Cp2TiCl2)可用于催化乙烯聚合得到较高分子量的聚乙烯,但活性较低且不能催化丙烯聚合。1976年德国Kaminsky等发现茂金属催化剂中加入MAO后具有非常高的烯烃聚合活性,二者共同组成烯烃聚合的高效催化体系,这一催化体系后来受到大型跨国公司重视,成功实现工业化应用。机理方面,目前主流理论认为MAO会使催化剂形成阳离子型茂金属烷基配合物,大幅提升过渡金属原子的催化活性。

 

图表:MAO活化后的茂金属催化剂

 

资料来源:何磊《茂金属催化剂合成乙烯与1-辛烯共聚物的研究(2018)》,中金公司研究部

 

茂金属催化剂与齐格勒纳塔催化剂(聚烯烃催化剂)相比,有以下特点:1)茂金属催化剂仅有一个活性中心,而齐格勒纳塔催化剂有多个活性中心,因此茂金属催化剂产生的聚烯烃产物分子量分布相对较窄;2)催化活性相比齐格勒纳塔催化剂活性高10倍以上,在较高的铝与金属摩尔比下,几乎所有金属原子都能形成活性中心;3)配体结构设计可调变催化剂的电子与空间位阻效应,进而控制聚合产物微观结构,实现较高的立体构型选择性;4)共聚能力更强,对于多种共聚单体聚合的场景更为适合。

 

茂金属催化剂合成步骤复杂,壁垒较高

 

主催化剂:结构可调变空间大、合成步骤长、有专利壁垒。结构方面,因为茂金属中不同的过渡金属和不同环戊二烯(含衍生物)可有多种结合方式,所以从中筛选催化活性高、合成难度相对较低的构型难度较高。合成方面,在某一特定茂金属结构的合成过程中,往往需要先合成配体、金属配合物等中间体,这些化合物合成过程中对空气和水分的敏感性、合成反应的复杂性均远高于传统催化剂。专利方面,根据赵燕《聚烯烃弹性体技术研究与应用进展(2020)》,目前最新的商用的催化剂及配套工艺专利主要掌握在海外陶氏化学、埃克森美孚、日本三井化学等企业手中。

 

图表:酚氧基桥联双金属二茂催化剂的合成路线

 

资料来源:何磊《茂金属催化剂合成乙烯与1-辛烯共聚物的研究(2018)》,中金公司研究部

 

助催化剂:MAO合成过程及合成原材料三甲基铝危险性均比较高。MAO通常由三甲基铝(TMA)水解合成,TMA自身化学性质极度活泼,有高自燃性,遇过量水时会剧烈放热并有爆炸风险,因此利用这一水解反应合成MAO必须保证工艺流程在安全可控的条件下进行,当局部水浓度过高时MAO会进一步水解为氢氧化铝降低收率。由于反应原材料危险性高、合成工艺复杂且反应过程安全风险高,导致MAO产品价格昂贵,且国内几乎完全依赖进口,价格在300-500万元/吨。针对MAO的以上缺点,研究人员一方面在尝试乙基铝氧烷(EAO)、异丁基铝氧烷(IBAO)以及改性甲基铝氧烷(MMAO)等烷基铝氧烷以及有机硼化物作为催化剂助剂;另一方面尝试采用烷基铝氧烷与卤甲烷合成甲基铝氧烷降低过程风险。

 

图表:烷基铝氧烷合成工艺路线

 

资料来源:国际产能和技术合作聚烯烃工作组,中金公司研究部

 

陶氏化学最早掌握茂金属催化剂专利,国内企业多处于研发中。海外方面,1991年陶氏化学申请了限定几何构型茂金属催化剂(CGC)专利(US5064802A),随后埃克森美孚、LG化学、日本三井化学等公司相继开发出各自的耐高温茂金属催化剂,并用于POE的量产。2009年陶氏化学CGC专利到期,2011年又开发出一种后茂单金属催化剂,制得共聚物分子量相比CGC所得增加20倍以上。随着下游需求提升,国内企业也加快相关技术的研发进程。

 

α-烯烃:POE产能增长驱动需求增长,己烯和辛烯盈利有望提升

 

线性α-烯烃是C=C位于分子链端部的直链单烯烃。线性α-烯烃中1-丁烯(C4)、1-己烯(C6)和1-辛烯(C8)是生产高密度聚乙烯(HDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)和聚烯烃弹性体(POE)的共聚单体;C6-C10的α-烯烃可用于生产增塑剂醇;1-辛烯、1-癸烯和1-十二烯可以用于生产聚α-烯烃(PAOs)及线性烷基苯等。C12-C16的α-烯烃是用于生产洗涤剂用醇类、表面活性剂等产品的原材料。

 

图表:线性α-烯烃产业链

 

资料来源:IHS,中金公司研究部

 

乙烯齐聚法是目前生产α-烯烃的主流工艺。α-烯烃的生产工艺包括乙烯齐聚法和非乙烯工艺(主要包括石蜡裂解法、费托合成法、高碳醇脱水法、烷烃脱氢、生物精炼、丁二烯调聚等)。乙烯齐聚工艺中,原料乙烯在催化剂作用下进行聚合,生成C4-C30的线性的偶数碳的α-烯烃。由于乙烯齐聚工艺生产的产物选择性高、纯度高,是目前全球线性α-烯烃生产最主流的工艺,约占全球线性α-烯烃产的95%以上。石蜡裂解工艺由于原材料短缺和产品收率低、质量差等问题,海外的石蜡裂解制α-烯烃已在2000年前后基本停产。

 

图表:乙烯齐聚工艺流程

 

资料来源:程嵩鹏,安良成《线性α-烯烃供需状况及生产工艺研究进展(2022)》;中金公司研究部

 

图表:乙烯齐聚法生产α-烯烃工艺

 

资料来源:李彦《国内线性α-烯烃市场竞争性及应对分析(2020)》,荣盛石化公告,卫星化学公告,中金公司研究部

 

目前乙烯齐聚工艺技术主要由海外企业掌握。目前全球乙烯齐聚法生产工艺主要包括雪佛龙菲利普斯化工的一步法、英国BP公司的二步法、荷兰BP公司的Shop技术、日本出光兴产的Idemitsu技术、,美国UOP公司与Union Carbide合作开发的Linear-1技术、Sabic公司开发的α-Sablin技术等,目前全球α-烯烃乙烯齐聚生产工艺主要以一步法、两步法和Shop工艺为主。由于α-烯烃生产工艺技术及催化剂主要由海外企业掌握,目前全球α-烯烃产能主要集中在雪佛龙菲利普斯、英力士、壳牌、Sasol、卡塔尔化学等海外公司。

 

图表:乙烯齐聚法生产α-烯烃工艺优缺点

 

资料来源:张璐,赵旭涛《乙烯齐聚法生产α-烯烃的研究进展(2020)》,中金公司研究部

 

己烯和辛烯主要依赖进口,国内企业纷纷布局α-烯烃产能。乙烯和1-丁烯共聚也能生产光伏POE等产品,但乙烯和1-辛烯共聚的POE产能性能较好。目前国内1-丁烯产能约89万吨,主要采用混合C4分离技术生产。1-己烯产能不足10万吨/年,1-辛烯仅大庆石化有少量产能,辛烯基本依赖进口满足需求。随着POE光伏领域的需求快速增长,国内企业不断布局POE产能并配套α-烯烃产能。

 

α-烯烃盈利有望继续提升。随着光伏领域对POE需求的增长,以及国内POE产能和茂金属聚乙烯、聚丙烯产能的不断增加,我们预计对辛烯等α-烯烃的需求将不断提升,在国内产能大规模投产前α-烯烃盈利有望继续提升,率先投产α-烯烃的企业有望受益。

 

图表:己烯和辛烯成本情况

 

资料来源:大庆石化环评报告,中金公司研究部(按照2022年12月2日价格计算)

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