碳纖維行業(yè)深度研究

碳纖維行業(yè)深度研究1

碳纖維行業(yè)部分1.1.

全球需求：2030

年全球碳纖維需求約

60

萬噸，CAGR≈19%全球碳纖維需求未來或?qū)⒊掷m(xù)處于高速增長期，增長驅(qū)動力主要來自于風(fēng)電葉片、航空

航天等。2020-2025E：全球碳纖維用量由

10.7

萬噸增至

20

萬噸（CAGR=13.3%），國內(nèi)由

4.9

萬噸增至

15

萬噸（CAGR=25%）。到

2030

年，

全球碳纖維需求量將提升至

59-64

萬噸（航空航天

8-10

萬噸，風(fēng)電

19-20

萬噸，氫氣瓶及

CNG氣瓶

18

萬噸，汽車+軌交

9-10

萬噸，功能材料

5-6

萬噸），復(fù)合增速

19.3%。增速驅(qū)動力來自

風(fēng)電葉片、航空航天、碳碳復(fù)材、壓力容器。2020

年全球風(fēng)電葉片碳纖維需求量在總需求中的占比約為

28.6%（按重量計），按金額計算占比約為

16.4%。按重量計，目前風(fēng)電葉片是碳纖維需求的最大下游，2020

年占比為

28.6%。

不過出于成本考慮，風(fēng)電葉片使用的碳纖維是低成本的大絲束工藝產(chǎn)品，因此按金額計

2020

年占比約為

16.4%。風(fēng)電葉片是“十四五”期間碳纖維下游需求增長最快的領(lǐng)域。風(fēng)電葉片未來將是全球碳

纖維需求增長的主要動力，到

2025

年風(fēng)電葉片碳纖維需求復(fù)合增速約為

25%，到

2030

年需

求復(fù)合增速約為

16%。報告預(yù)測，全球風(fēng)電葉片碳纖維需求未來將持續(xù)增長，或從

2020

年的

3.06

萬噸，提升至

2025

年的

9.34

萬噸。1.2.

全球供給：目前歐美日優(yōu)勢明顯，國內(nèi)企業(yè)崛起全球碳纖維供給目前仍以日美歐等廠商為主，但國內(nèi)廠商正在迅速崛起。截止

2020

年底，

全球碳纖維產(chǎn)能約

170.9

千噸，其中日本三大巨頭占據(jù)

81.4

千噸，德國

SGL運(yùn)營

15

千噸，美

國

Hexcel+

Cytec/Solvay+陶氏投運(yùn)

20.8

千噸，國內(nèi)最大是臺塑，其次為吉林化纖系、中復(fù)神

鷹、恒神股份、光威復(fù)材等。從未來的擴(kuò)產(chǎn)來看，吉林化纖系計劃到

2025

年產(chǎn)能達(dá)

8

萬噸（即

新擴(kuò)約

7

萬噸），其次，中復(fù)神鷹、光威復(fù)材、上海石化等均有較大的擴(kuò)產(chǎn)規(guī)劃，此外會新增

新創(chuàng)碳谷、杭州超探等新參與者。1.3.

國內(nèi)消費格局：進(jìn)口依賴度超過

60%，呈下降趨勢國內(nèi)碳纖維需求量巨大，但目前每年都需要大量進(jìn)口，國產(chǎn)替代需求迫切。2020

年國內(nèi)

碳纖維進(jìn)口量為

30350

噸，占

2020

年國內(nèi)總需求量的

62%，國產(chǎn)替代形勢嚴(yán)峻。中國碳纖維

下游需求分布廣泛，近年來主要受風(fēng)機(jī)大型化影響，碳纖維葉片滲透率逐步提升，2020

年風(fēng)

電葉片碳纖維需求量約為

2

萬噸，相比

2016

年的

3

千噸增長

5.7

倍左右。中國碳纖維需求在全球市場中扮演越來越重要的位置，尤其是風(fēng)電葉片碳纖維在全球中的占比提升至

65%左右。2016

年至

2020

年全球風(fēng)電碳纖維需求持續(xù)增長，國內(nèi)風(fēng)電碳纖維

增長是主要的驅(qū)動因素，國內(nèi)風(fēng)電葉片碳纖維需求在全球中的占比從約

17%提升至約

65%。2

碳纖維葉片的經(jīng)濟(jì)性問題2.1

葉片大型化驅(qū)動碳纖維用量增加碳纖維材料硬度高、質(zhì)量輕，適合風(fēng)電葉片大型化的趨勢。碳纖維材料特點是重量輕、

強(qiáng)度高，風(fēng)電葉片采用碳纖維材料在保證葉片在長度增加的同時，可以明顯減重，而且還能提

高風(fēng)電葉片的耐候性。風(fēng)電葉片材料主要由增強(qiáng)纖維、基體樹脂、芯材、粘接膠等構(gòu)成，其成

本占比分別為

28%、36%、12%、11%。其中，增強(qiáng)纖維主要包括兩類，即碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材

料（CFRP）和玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP），碳纖維呈現(xiàn)取代玻璃纖維的趨勢。風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑與葉片質(zhì)量幾乎呈指數(shù)關(guān)系，碳纖維可明顯為葉片減重。風(fēng)機(jī)大型化是未

來發(fā)展趨勢，隨之帶來的是各項零部件的增大，其中葉片長度目前已經(jīng)突破百米，隨著葉片長

度的增加，提高葉片強(qiáng)度，減輕葉片質(zhì)量，碳纖維的經(jīng)濟(jì)性日益凸顯。而且，碳纖維抗疲勞性能也明顯優(yōu)于浸漬玻璃纖維。在拉擠工藝仍被維斯塔斯壟斷的時

候，我們這里探討浸漬法，在

20

年的壽命期間，碳纖維預(yù)浸料的疲勞損傷很?。黄谇闆r下，玻璃纖維材質(zhì)的葉片葉根彎矩遠(yuǎn)超過碳纖維材質(zhì)的葉片。2.2

僅從材料角度：減重

24.1%-32.5%，成本提升

14%-20.7%從材料成本角度：參考

目前的材料價格，我們對

57

米（3MW）、74

米（7MW），90

米（10MW）葉片進(jìn)行減重和葉

片材料成本角度的經(jīng)濟(jì)性測算，得出主梁采用碳纖維的葉片重量分別減少

27.0%、24.1%和

32.5%，而單個葉片材料成本分別增加

19.7%、20.7%和

14.0%。目前以海風(fēng)為代表的風(fēng)機(jī)單體

裝機(jī)已經(jīng)到了

6MW-10MW區(qū)間甚至更高的單體裝機(jī)，在碳纖維的經(jīng)濟(jì)性方面將日益明顯。碳纖維應(yīng)用于葉片后，不僅可以幫助葉片本身減重，而且還對整機(jī)成本降低有明顯幫助。

對于減重后的葉片對整機(jī)成本的降低有較大的幫助，例如輪轂的重量一般是葉片重量呈線性關(guān)

系，葉片減重后對輪轂的減重也有幫助，同時安裝時間方面也可獲得一定節(jié)省。2.3

維斯塔斯解決了什么問題？Vestas采取拉擠工藝，大幅下降的碳纖維成本，引領(lǐng)風(fēng)電葉片進(jìn)入碳纖維時代。2015

年

之前，碳纖維應(yīng)用在風(fēng)電葉片的工藝主要是預(yù)浸料或織物的真空導(dǎo)入，部分采用小絲束碳纖維，

平均價格偏高，近些年采用大絲束拉擠梁碳纖維，價格降低了很多。雖然碳纖維的用

量和制件大幅增加，但單體碳纖維葉片成本卻大大降低了，主要因為風(fēng)電葉片（主要是大梁）

碳纖維復(fù)合材料價格大幅度降低了。2015

年

Vestas開始應(yīng)用碳纖維，采用拉擠工藝（小絲束

改用大絲束，2022

年

7

月專利到期），占全球碳纖維葉片的

80%以上份額，裝機(jī)

分布在

2MW-3MW之間（國內(nèi)目前陸風(fēng)平均裝機(jī)容量基本也處在該區(qū)間），國內(nèi)中材科技、中

復(fù)連眾推出碳纖維葉片。維斯塔斯的主梁設(shè)計大幅提高碳纖維含量進(jìn)行減重，并通過標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)降低成本、保證性能。維斯塔斯的葉片主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖所示，其把整體成型的主梁主體受力部分拆解

為高效、低成本高質(zhì)量的拉擠梁片標(biāo)準(zhǔn)件，然后把標(biāo)準(zhǔn)件一次組裝整體成型。按照這種設(shè)

計和工藝制造出來的碳纖維主梁，兆瓦級葉片均可使用。這種設(shè)計的優(yōu)點：通過拉擠工藝生產(chǎn)方式大大提高了碳纖維體積含量，減輕了主體承載部分的質(zhì)量；通過標(biāo)準(zhǔn)件的生產(chǎn)大大提高了生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品性能的一致性和穩(wěn)定性；大大降低了運(yùn)輸成本和最后組裝整體成型的生產(chǎn)成本；預(yù)浸料和紡織物都有一定的邊角料，拉擠梁片及整體灌注極少。大梁結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新是維斯塔斯推動葉片碳纖維化的關(guān)鍵點，其專利技術(shù)將于

2022

年

7

月

到期。維斯塔斯在推動全球葉片碳纖維趨勢下做的工作主要是采取了高效、低成本、高質(zhì)量的

拉擠梁片工藝，但究其根源維斯塔斯在大梁結(jié)構(gòu)的革命性創(chuàng)新設(shè)計才使拉擠梁片的使用成為可

能（2002

年

7

月

19

日分別向中國/丹麥等國家知識產(chǎn)權(quán)局、歐洲專利局、世界知識產(chǎn)權(quán)局等

國際性知識產(chǎn)權(quán)局申請了以碳纖維條帶為主要材料的風(fēng)力渦輪葉片的相關(guān)專利，預(yù)計

2022

年

7

月專利保護(hù)到期）。國內(nèi)風(fēng)電葉片廠碳纖維用量從

2015

年開始暴增，2020

年國內(nèi)風(fēng)電葉片碳纖維用量在全球比例持續(xù)攀升至

65%。Vestas的碳纖維復(fù)合材料主要由

Zoltek（被東麗收購）、土耳

其的

DowAska、國內(nèi)的光威

復(fù)材和江蘇澳盛以及中國臺灣的臺塑提供，導(dǎo)致國內(nèi)風(fēng)電葉

片廠碳纖維用量從

2015

年開始暴增。國內(nèi)中材科技、中復(fù)連眾等企業(yè)開始推出碳纖維葉片。2015

年以來國內(nèi)廠商開始為維斯塔斯供貨，但國內(nèi)廠商仍以海外碳纖維絲為原材料。

2015

年隨著維斯塔斯開始采用碳纖維葉片之后，其選擇的是卓爾泰克（Zoltek）的大絲束

為其供應(yīng)商，選擇國內(nèi)的光威復(fù)材和江蘇澳盛為其復(fù)材供應(yīng)商，導(dǎo)致國內(nèi)葉片用碳纖維用

量從

2015

年開始暴增（產(chǎn)業(yè)鏈本質(zhì)上是光威復(fù)材等從卓爾泰克購買碳纖維絲后加工為復(fù)

材供維斯塔斯，因為我們看到的國內(nèi)葉片碳纖維用量暴增大部分不算國內(nèi)份額）。2020

年

雖然中國碳纖維使用量

4.9

萬噸，但進(jìn)口依賴度高達(dá)

62%。3

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈情況完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包含從原油到終端應(yīng)用的完整制造過程。首先，產(chǎn)業(yè)鏈上游企

業(yè)先從石油、煤炭、天然氣等化石燃料中制得丙烯，并經(jīng)氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈經(jīng)

聚合和紡絲之后得到聚丙烯腈（PAN）原絲；然后，產(chǎn)業(yè)鏈中下游企業(yè)再經(jīng)過預(yù)氧化、低

溫和高溫碳化后得到碳纖維；碳纖維可制成碳纖維織物和碳纖維預(yù)浸料；碳纖維與樹脂、

陶瓷等材料結(jié)合，可形成碳纖維復(fù)合材料，最后由各種成型工藝得到下游應(yīng)用需要的最終

產(chǎn)品。3.1

原絲：丙烯腈占成本約

50%，國內(nèi)龍頭為吉林碳谷原絲生產(chǎn)工藝：聚合、制膠、紡絲。碳纖維原絲的工藝主要分為聚合過程、制膠過程

（原液）、紡絲過程三個過程，腈綸生產(chǎn)具備先天優(yōu)勢。參考吉林碳谷，近年來各類原絲毛利率呈現(xiàn)提升趨勢。參考吉林碳谷的財報數(shù)據(jù)，

2018-2021H1，公司小絲束原絲銷售均價分別為

14.5、24.0、16.4

及

27.9

萬元/噸，而中小

絲束和大絲束價格相對較低（風(fēng)電葉片一般采用大絲束）。毛利率角度來看，2018-2021H1，

各種絲束毛利率均呈現(xiàn)提升趨勢，其中小絲束毛利率最高，大絲束毛利率最低，但

2021H1

也達(dá)到

38.4%，在這一過程中，除了均價的提升趨勢，單位成本也呈現(xiàn)下降的趨勢。原絲生產(chǎn)成本構(gòu)成：丙烯腈約

50%。在原絲生產(chǎn)中，成本占比最高的是直接材料（包

括丙烯腈（占比約

80%）和油劑），占成本的

60%-65%，其次是制造費用（含折舊），占

成本的

18%-19%，后面是能源（包含氣（占比約

70%）、電、水）占

17%-18%，人工費占

比只有

3%-4%。從單位原絲原材料及能耗用量角度，生產(chǎn)

1

噸原絲需要

1

噸的丙烯腈，700-900m3

的天然氣，0.05

噸的油劑等。國內(nèi)原絲龍頭為吉林碳谷，可大規(guī)模對外銷售，客戶涉及風(fēng)電、軍工等多個行業(yè)。

目前市場能夠?qū)ν獯笠?guī)模外銷原絲的僅有吉林碳谷一家，其他的例如中復(fù)神鷹、光威復(fù)材、

蘭州藍(lán)星、上海石化、中簡科技等基本自供消化。吉林碳谷的產(chǎn)品涉及大小絲束，外銷客

戶下游涉及運(yùn)動器材、風(fēng)電、軌交、軍工&航天、海洋工程、新能源產(chǎn)品等。3.2

碳絲：原絲占成本約

56%，葉片是當(dāng)前主要增長動力碳絲是原絲經(jīng)過碳化后的產(chǎn)物，目前最主要的成本是原絲，根據(jù)光威復(fù)材披露的“大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化項目可行性研究報告”公告內(nèi)容，目前大約生產(chǎn)

1

噸碳纖維需要

2

噸

原絲，2.2

萬度電（碳化環(huán)節(jié)需要消耗大量的電能，因此項目選址及能耗指標(biāo)是一個比較

核心的指標(biāo)），其他還會消耗小部分的自來水和天然氣。除了原材料和能源成本，折舊占

比約

15%，運(yùn)維+人工合計占比

10%出頭。碳絲成本的大頭是原絲，占比約

56%。根據(jù)光威復(fù)材的公告，其

1

萬噸年產(chǎn)能的項

目，總投資約

20

億，每年生產(chǎn)成本約

8.25

億，其中原絲成本約占

56.4%，能源成本約

17.6%，

折舊成本約

14.7%，其他成本包括人工費、維修費共計占

11.4%。3.3

設(shè)備：氧化爐和碳化爐是核心設(shè)備，國產(chǎn)替代進(jìn)行時碳纖維各環(huán)節(jié)生產(chǎn)設(shè)備參與者以歐美日等廠商為主，國產(chǎn)替代空間大。在碳纖維的

生產(chǎn)過程中，主要涉及原絲制備、氧化環(huán)節(jié)、碳化環(huán)節(jié)、石墨化環(huán)節(jié)、表面處理上漿最后

形成石墨碳纖維。參與者主要以德國、日本、美國企業(yè)為主，國內(nèi)目前能做的相對較少。原絲到碳絲的生產(chǎn)過程中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括兩步：預(yù)氧化和碳化。在制造聚丙烯腈(PAN)

基碳纖維過程中，結(jié)構(gòu)經(jīng)過兩次重大變化后由有機(jī)原絲轉(zhuǎn)化為無機(jī)碳纖維。一是在預(yù)氧化

過程中，使

PAN的線型分子鏈轉(zhuǎn)化為耐熱梯型結(jié)構(gòu)的預(yù)氧絲；二是在碳化過程中，由預(yù)

氧絲的梯型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為碳纖維的亂層石墨結(jié)構(gòu)。氧化爐和碳化爐是生產(chǎn)線的主體設(shè)備，也是關(guān)鍵設(shè)備。碳化爐應(yīng)滿足碳化工藝的要求，可分為低溫碳化爐和高溫碳化爐。與此配套的還有非接觸式迷宮密封裝置、加熱系統(tǒng)、

廢氣排出和處理系統(tǒng)以及牽伸裝置，由它們集成組合為一個完整的碳化爐，可實現(xiàn)穩(wěn)定規(guī)

?；a(chǎn)。碳纖維全產(chǎn)業(yè)鏈中，原絲生產(chǎn)、預(yù)氧化、碳化是生產(chǎn)成本占比較高的環(huán)節(jié)。根據(jù)美

國橡樹林國家實驗室發(fā)布的數(shù)據(jù)分析得出，全產(chǎn)業(yè)鏈來看，原絲（占比

50%-60%）、高溫

碳化（19%-23%）、預(yù)氧化（13%-16%）成本是占比較高的環(huán)節(jié)，隨著規(guī)?；那闆r整體

成本會有降低。精功科技是碳纖維設(shè)備主要的國內(nèi)廠商，2020

年

4

月至

2021

年

12

月

8

日累計獲取

訂單約

27

億元。精功科技是目前國內(nèi)在碳纖維設(shè)備領(lǐng)域有較大突破的企業(yè)，其目前主要

涉足氧化爐、碳化爐、石墨化爐、表面處理設(shè)備，其與吉林化纖一起推動碳纖維國產(chǎn)化進(jìn)

程，目前客戶以吉林化纖系為主，2020

年

4

月至

2021

年

12

月

8

日已獲取碳纖維設(shè)備訂

單

27.1

億元（含稅）。4

重點公司分析碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈的高景氣度持續(xù)周期會較長，目前處在國內(nèi)企業(yè)