电子行业深度报告：颠覆性创新黑科技-高温超导：行业迎来规模商业化

颠覆性创新黑科技-高温超导，迎来规模化商业化：超导指的是在特定的低温条件下呈现出电阻等于零的特性以及具备完全抗磁性的材料，一直被称为“当代科学的明珠”。低温超导体（-269℃，液氦温区下工作的材料）早在1980年代已经商业化，但由于液氦的稀缺性和高成本，仅在医疗磁共振MRI设备中展开规模的商业化应用。高温超导体（-196℃，液氮温区下工作的材料）近几年在材料大规模制备方面逐步成熟，成本下降和良率提升都明显加速。高温超导技术在超导线缆（电网）、可控核聚变、高温超导感应加热设备等下游领域展开了规模化商业应用，并且呈现加速放量趋势。随着材料的成熟和下游应用领域的不断开展，高温超导行业已经迎来了规模商业化。 高温超导技术突破磁场上限，多领域开花打开市场空间：相较于传统的低温超导产品运行时需要用液氦保持低温，高温超导产品只需要用液氮即可实现，大幅降低了运转成本，叠加上游高温超导带材生产技术成熟，高温超导技术在多个领域商业化应用落地。1）电网领域：上海、深圳两地超导线缆示范工程于2021年试点成功，并规划进一步规模化铺设。 《联创光电(600363)：2022年业绩快报点评：22年全年业绩符合预期，激光+超导驱动长期成长》 2）能源领域：多个基于高温超导磁体的商业化可控核聚变项目于2022年获得数亿元融资，并于今年开始逐步落地。3）商业设备领域：联创光电生产的高温超导感应加热设备于2020年交付首台，并于今年进入规模化批量交付阶段。同时高温超导技术在熔炼炉、磁控晶硅生长炉、磁储能、磁悬浮等领域的应用研发也正加速推进，将进一步打开高温超导技术的应用空间，整体高温超导应用市场规模数百亿元。 《联创光电(600363)：传统光电龙头转型蓄力，激光+超导开启成长第二曲线》 技术迭代、带材成本降低、政策驱动三重因素共振，驱动高温超导行业迎来向上加速拐点：高温超导技术一直未大规模商业化应用主要是受限于高温超导带材产品不成熟且成本较高，因此多停留在实验室和市场拓展阶段，当前在带材成本下降、技术成熟且迭代加速以及政策驱动三重利好下，高温超导行业迎来向上加速拐点。1）技术成熟：2020年上海超导带材良率已经达到90%左右且产品性能大幅提升；2）成本降低：国内外高温超导带材厂商均在加速扩产，随着规模化和良率的提升，超导带材的价格已经下降到百元/米。3）政策驱动：高温超导零电阻特性使得下游产品应用更节省能耗，符合“双碳”目标，政策驱动下，超导电缆正从示范工程走向规模化铺设，高温超导感应加热设备迎来规模化放量，2023年成为高温超导应用规模化放量元年。 投资建议：超导技术目前在电网、能源和商业设备等领域正加速实现应用拓展与规模化放量，行业迎来加速向上拐点。首先建议关注设备和带材公司，未来随着高温超导技术在各个应用领域带来的颠覆，逐步需要关注下游应用领域。重点推荐国内首个实现高温超导商业化设备规模化放量的龙头公司联创光电，建议关注高温超导带材供应商永鼎股份和上海超导（未上市）以及布局低温超导业务的西部超导。 风险提示：高温超导带材厂商扩产速度不及预期；高温超导技术商业化应用拓展不及预期；高温超导新应用技术研发进展不及预期： 表1：重点公司估值 话题引爆：2023年3月8日，在美国物理学年度会议上，罗彻斯特大学Ranga Dias教授宣布团队在1GPa（约等于1万个大气压）压强下实现了约零上21℃的室温超导，自此引发了学术界以及金融界对超导行业的关注，但从后续国内外科研团队的实验结果来看，室温超导现象的可重复性和可验证性依旧存疑；而且室温超导是在近常压环境下实现，即使室温超导技术真的实现突破，其大规模产业化应用的可能性也极低。 真实场景：室温超导引爆超导话题，引发大家对超导行业的关注，其实，超导技术早已在20世纪末就已经从实验室走向了小规模产业化应用，今年将是高温超导技术规模化产业应用放量的元年，借助此次“室温超导”事件让超导行业真正进入公众视野，我们将在此篇报告中对超导行业当前的发展情况以及相关的投资标的进行梳理： 1.超导技术迎来规模商业化 超导技术早已从实验室走向规模化商业应用。超导指的是在特定的低温条件下呈现出电阻等于零的特性以及具备完全抗磁性的材料，一直被称为“当代科学的明珠”。低温超导体（-269℃，液氦，以上温度工作的材料）早在1980年代实现商业化，但由于液氦的稀缺性和高成本，仅在医疗磁共振MRI设备中展开规模的商业化应用。高温超导体（-196℃，液氮，以上温度工作的材料）近几年在材料大规模制备方面逐步成熟，成本下降和良率提升都呈现明显加速。高温超导技术在超导线缆（电网）、可控核聚变、高温超导感应加热设备等下游领域展开了规模化商业应用，并且呈现加速放量。随着材料的成熟和下游应用领域的不断开展，高温超导行业已经迎来了规模商业化。 图1：超导技术产业化历程 超导现象是指超导材料在低于某一极低温度时表现出的零电阻、完全抗磁性。超导现象是指材料在低于某一温度（这一温度称为超导转变温度Tc）时电阻变为零的现象，这种状态下，材料进入超导态，材料电阻突降为零，同时所有外磁场磁力线被排出材料外，材料同时出现零电阻态和完全抗磁性。 超导材料零电阻及完全抗磁性特性，让相应设备不仅仅节能效果显著而且性能显著提升。零电阻特性不仅仅可以有效降低长距离输电带来的电损耗，由于超导材料还具备完全抗磁性和宏观量子效应等常规导体所不具备的特性，这些性质使超导体能够实现大电流传输、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场信号等还可以多种应用，使其除了满足最基本的导电需求外，还可以被广泛应用在电子通信、电力能源、交通运输、国防军事、医疗器械等诸多领域。由于超导材料和技术涉及领域之广，发达国家不惜投入巨资开展前期研究和产业化应用实验。高温超导产业目前国内正在迎来规模商业化。 图2：超导现象三种特性 按照超导体的临界温度，可以将超导体分为低温超导体和高温超导体。临界温度低于25K~30K（-248℃至-243℃）超导体为低温超导体，临界温度高于25K~30K（-248℃至-243℃）为高温超导体。低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作，液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展，更多应用于核聚变工程、核磁共振等领域。高温超导材料因为临界温度的提高，可以在液氮环境中工作，工业液氮制冷已经非常成熟，一吨液氮的价格稳定在1千元以下，适用范围广且价格低廉，在2000年YBCO第二代高温超导带材问世之后，高温超导得到了实质性发展。 表1：超导材料的类型和应用 低温超导技术实验室发现以及起步较早，已在医疗等特殊领域开启应用。MRI是当前低温超导技术最主要的应用领域，MRI磁共振成像仪是一种生物磁自旋成像技术，它利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激发后产生信号，经过计算机处理转换后获得图像。相比于传统的 Ct 成像等技术，MRI不仅没有辐射，还可以实现三维立体扫描、成像图像分辨率高、对肿瘤早期诊断有较高的临床价值，已经广泛运用于全身各部位脏器的疾病诊断中。与永磁型MRI相比，超导MRI成像区磁场高，所以可以获得更高的分辨率，通过闭环运行方式实现磁场空间和时间稳定性更高，一般可达10年以上而不变化，这就决定了超导MRI具有永磁型MRI无可比拟的优势。 图3：MRI磁共振成像仪 图4：更高磁场强度扫描更快、更稳定、成像效果更好 低温超导磁体需要使用液氦冷却，受限于液氦资源稀缺等因素，目前低温超导技术主要应用于医疗、大科学装置等成本相对不敏感高精尖领域，未能实现大规模商业化应用。目前，低温超导材料主要应用于医疗、高能物理、能源、电力等强电领域方面。在医疗方面，主要是核磁共振人体成像仪（MRI）；在高能物理研究方面，是大型质子对撞机（如LHC）；在能源方面，主要是受控核聚变（如ITER）。 图5：低温超导技术应用产业链 低温超导能够产生的磁场强度有限，叠加需要使用昂贵的液氦制冷因此限制其应用场景，而高温超导技术可突破低温超导磁场强度上限而且制冷成本大幅降低，打开超导技术大规模商业化应用空间。低温超导带材需要在液氦温区下才能维持超导态，液氦资源稀缺极难获得，而且通常低温超导磁体通常会在内部磁感应强度高于25特斯拉时停止工作，这也限制了低温超导磁体的磁场强度。高温超导带材仅需在液氮温区下即可维持超导态，而且能够产生的稳定磁场强度更高，赋予其更广的商业化应用前景。 图6：低温超导技术和高温超导技术对比 2.高温超导技术突破磁场上限，开启规模化产业应用 高温超导带材产业链加速成熟，推进超导技术产业化应用放量。REBCO高温超导带材主要由金属基带、缓冲层、超导层和保护层构成，其中在低温环境下导电的只有中间的REBCO超导层，基带层、缓冲层和保护层的存在主要是为了让REBCO超导层具备更强的机械性能和稳定性。高温超导技术早期受限于带材的价格过高以及带材质地较脆难以加工等因素限制，规模化应用推进速度较慢，当前高温超导带材生产技艺经过近十年的积淀已经成熟，良率大幅度提升，例如2020年上海超导带材成品率从不足50%提升至90%左右。规模化逐步显现：2020年上海超导的年产量终于从3年前的十几公里增至400公里。随着技术进步及规模化效应，带材价格持续大幅下降，并且中下游的超导磁体中带材绕制工艺不断进步，推动高温超导技术产业化应用进一步加速。 图7：第二代REBCO高温超导带材结构示意图 图8：高温超导带材产业链正加速成熟 图9：高温超导技术产业化应用路径图 2.1.高温超导感应加热设备开启放量元年 金属挤压成型之前需要预热，传统方式是采用工频炉或者燃气炉进行预热，高温超导感应加热设备凭借其节能、加热均匀性高等优势将对传统加热方式形成替代。设备可应用于铝、镁、钛、高温合金、特种钢等金属的加工，以铝挤压产线为例，铝挤压型材终端产品主要应用于建筑门窗、轨道交通、汽车等领域。 图10：铝型材挤压工艺流程 图11：传统燃气炉 图12：高温超导感应加热设备 高温超导感应加热设备由于其超导特性产生磁场无损耗，相较于传统加热方式具备损耗低、透热性好等优点，未来有望大规模替代传统加热设备。感应加热是利用电磁感应的方法使被加热的材料的内部产生电流，依靠这些涡流的能量来为金属加热。高温超导加热方式相较于传统的加热方式存在多重优势： 1）高能效，显著节省电费（节能）：传统感应加热方式利用交变的磁场在静止坯料中产生感应涡流，实现坯料加热。因为集肤效应，产生的涡流主要分布在锭料表面，锭料的幅向加热效果的均匀性不佳，且铜圈自身会因为电阻产热，铜线圈会损耗50%，拉低整体的能效。超导直流感应加热采用的接近零电阻的带材，在超导直流感应加热技术中，超导线圈中功率损耗可忽略。 2）高穿透、高均匀、高品质加热，显著提升工件良率（增效）：高温超导设备可以通过调整锭料的速度和增大磁场的强度，增大涡流效应的透入深度以实现更均匀的幅向温度，相对于传统加热炉可以得到更深入、更均匀的轴向温度分布，使得加热更有效率。高温超导设备可以通过改变磁场的密度来进行加热温度的分布，进行梯度加热，实现不同部位的加热需求。 图13：超导加热与传统加热示意图 综合国内超导感应加热设备市场需求看：一台高温超导感应加热设备可以替换2台传统工频炉，以每台挤压机配套1台高温超导感应加热设备计算，国内高温超导感应加热设备市场容量约为4500台，每年新增市场需求数量为200台。国内高温超导感应加热设备市场空间超400亿元。 图14：高温超导感应加热设备国内市场空间 高温超导感应加热设备已经通过节能认证，符合双碳发展趋势，有望加速设备替代进程。公司高温超导设备成功通过“上海市节能减排产品”专家评审，后续全国各地企业购买公司设备均可以依据地区政策和设备价格获取节能补贴，如广东省各地可给予设备投资额20%-30%不等的补贴，且部分省市县区的扶持政策可以叠加实施，实际补贴总额最高地区可接近设备投资额的40%。 图15：我国铝材产量前十省份 图16：铝材产量前五省份节能技术补贴