2022年碳纖維行業(yè)研究報(bào)告 小絲束碳纖維力學(xué)性能優(yōu)異、成本高

2022年碳纖維行業(yè)研究報(bào)告小絲束碳纖維力學(xué)性能優(yōu)異、成本高核心觀點(diǎn)：國內(nèi)碳纖維行業(yè)快速成長，碳纖維具有低密度、高強(qiáng)高模、耐高低溫、耐腐蝕、耐疲勞等特性，已應(yīng)用于新能源、體育休閑、航空航天、交通等領(lǐng)域。目前，碳纖維國產(chǎn)化進(jìn)入到加速階段，隨著產(chǎn)品價格回落和風(fēng)電葉片領(lǐng)域碳纖維拉擠大梁專利到期，碳纖維需求量有望快速爆發(fā)，根據(jù)賽奧碳纖維，預(yù)計(jì)到2025年國內(nèi)碳纖維需求總量將達(dá)到15.9萬噸，市場空間在250億元左右。受益于高技術(shù)門檻，吉林碳谷、吉林化纖、中復(fù)神鷹、上海石化、光威復(fù)材、中簡科技、精功科技、恒神股份、寶武碳業(yè)等企業(yè)有望充分受益。碳纖維需求將持續(xù)高增長，2021年全球碳纖維需求量11.8萬噸，其中中國6.24萬噸，預(yù)計(jì)2025年國內(nèi)碳纖維需求總量將達(dá)到15.9萬噸，2021-2025年CAGR達(dá)到26.4%。2021年國內(nèi)碳纖維下游應(yīng)用主要包括風(fēng)電葉片(36%)、體育休閑(28%)、碳碳復(fù)材(11%)、壓力容器(5%)等領(lǐng)域。維斯塔斯專利到期和碳纖維價格的回落，碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用有望快速增長，我們預(yù)計(jì)2025年國內(nèi)風(fēng)電用碳纖維總量（不含維斯塔斯）將達(dá)到5.2萬噸，2021-2025年CAGR達(dá)84.3%，遠(yuǎn)期理論空間有望達(dá)13.1萬噸；光伏熱場帶動下碳碳復(fù)材用碳纖維需求量將達(dá)到1.3萬噸，2021-2025年CAGR達(dá)38.4%；同時，氫能、航空航天、國產(chǎn)大飛機(jī)、新能源車也將帶動需求高增長。碳纖維國產(chǎn)化加速，國內(nèi)碳纖維企業(yè)通過技術(shù)突破帶動產(chǎn)能擴(kuò)張，當(dāng)前國內(nèi)產(chǎn)能6.3萬噸，占全球總產(chǎn)能31%。同時，國內(nèi)企業(yè)已克服低達(dá)產(chǎn)率瓶頸，產(chǎn)能利用率從2015年的10.5%提升到2020年的51%，已趨近國際水平。但與此同時，國內(nèi)碳纖維仍有50%以上為進(jìn)口，國內(nèi)龍頭企業(yè)已掌握核心技術(shù)，將快速擴(kuò)張，帶動行業(yè)降本增效，加速國產(chǎn)化。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我們預(yù)計(jì)國內(nèi)碳纖維產(chǎn)能將從2021年6.3萬噸增長至2025年29.9萬噸，2021-2025年CAGR47.4%。1.碳纖維性能優(yōu)越，工藝復(fù)雜碳纖維是“21世紀(jì)新材料之王”碳纖維(CarbonFiber)是一種絲狀碳素材料，由有機(jī)纖維經(jīng)碳化以及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，直徑5-10微米，含碳量高達(dá)90%以上。碳纖維力學(xué)性能優(yōu)異，同時具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高彈性模量、耐高低溫、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、交通、能源、體育休閑等領(lǐng)域。聚丙烯腈碳纖維為目前主流碳纖維產(chǎn)品聚丙烯腈(PAN)基碳纖維為目前碳纖維主流產(chǎn)品。世界碳纖維產(chǎn)業(yè)已形成了黏膠基、瀝青基和聚丙烯腈基三大原料體系，其中黏膠基和瀝青基碳纖維用途較單一，產(chǎn)量也較為有限，而聚丙烯腈基碳纖維兼具良好的結(jié)構(gòu)和功能特性，是碳纖維發(fā)展和應(yīng)用的主要品種，2020年其產(chǎn)量占碳纖維總量的90%左右。小絲束碳纖維力學(xué)性能優(yōu)異、成本高碳纖維按纖維數(shù)量不同可分為小絲束和大絲束。小絲束性能優(yōu)異，但成本較高。碳纖維的開發(fā)起初應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，小絲束性能更能滿足航空航天、軍工復(fù)材的需要，但受成本制約，難以在風(fēng)電葉片等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)推廣應(yīng)用。大絲束在保持碳纖維優(yōu)良性能的前提下，通過提高單線產(chǎn)能，大幅降低成本，打開碳纖維廣泛運(yùn)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域大門。小絲束碳纖維性能優(yōu)異但價格較高，大絲束碳纖維性能相對較低但成本亦較低。相比小絲束，大絲束碳纖維最大的優(yōu)勢就是在相同的生產(chǎn)條件下可大幅度提高碳纖維的單線產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的低成本化。而且在復(fù)合材料制備過程中的鋪層效率也更高，生產(chǎn)成本卻能降低約30%以上，有助于打破碳纖維因價格較高帶來的應(yīng)用局限，為碳纖維復(fù)合材料進(jìn)一步拓展應(yīng)用市場奠定基礎(chǔ)。碳纖維長期被日美歐企業(yè)壟斷，中國企業(yè)取得長足進(jìn)步PAN基碳纖維的生產(chǎn)起步于20世紀(jì)60年代，日美領(lǐng)先。日本高度重視高性能PAN基碳纖維及能源和環(huán)境友好相關(guān)技術(shù)開發(fā)，培育出了東麗、三菱等一批碳纖維行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)。1988年，美國國會通過法令，軍用碳纖維所用聚丙烯腈原絲要逐步實(shí)現(xiàn)自給，由此扶持了赫氏、氰特等本土碳纖維企業(yè)的發(fā)展。90年代卓爾泰克開始研發(fā)并推進(jìn)低成本大絲束在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，形成了高性能小絲束和低成本大絲束兩種技術(shù)路線，2014年，卓爾泰克被東麗收購。目前，世界碳纖維技術(shù)仍主要掌握在日本公司手中，其生產(chǎn)的碳纖維無論質(zhì)量還是數(shù)量上均處于世界領(lǐng)先地位，日本東麗更是世界上高性能碳纖維研究與生產(chǎn)的“領(lǐng)頭羊”。我國碳纖維工業(yè)總體上與日本碳纖維的研發(fā)同步進(jìn)行，經(jīng)歷了長期低水平徘徊、技術(shù)轉(zhuǎn)型和快速發(fā)展3個階段。依靠長期自主研發(fā)，打破了國外技術(shù)裝備封鎖，碳纖維產(chǎn)業(yè)化目前取得長足進(jìn)步。2.多重拉動，碳纖維需求快速增長預(yù)計(jì)碳纖維行業(yè)保持高景氣度供給端：長期以來，我國碳纖維消費(fèi)高度依賴進(jìn)口，進(jìn)口比例超50%。隨著國產(chǎn)碳纖維不斷縮小技術(shù)和性能差距，尤其是吉林化纖、中復(fù)神鷹等主要碳纖維廠商大量擴(kuò)產(chǎn)，碳纖維國產(chǎn)化率持續(xù)提升，未來對外依存度有望持續(xù)下降。隨著國內(nèi)碳纖維產(chǎn)能快速擴(kuò)張，產(chǎn)能利用率預(yù)計(jì)先下滑后逐漸提升。需求端：國內(nèi)下游新能源、航空航天等領(lǐng)域需求旺盛，預(yù)計(jì)碳纖維行業(yè)將保持較高景氣度。受益于寬應(yīng)用領(lǐng)域，碳纖維需求實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)開花從結(jié)構(gòu)上看，風(fēng)電葉片依然占據(jù)絕對主流。根據(jù)賽奧碳纖維，2021年全球碳纖維需求量占比前三的領(lǐng)域依次是風(fēng)電葉片28%、體育休閑16%、航空航天14%，國內(nèi)碳纖維需求量占比前三的領(lǐng)域依次是風(fēng)電葉片36%、體育休閑28%、碳碳復(fù)材11%。從增速上看，受益于光伏、儲氫發(fā)展，碳碳復(fù)材和壓力容器增長強(qiáng)勁。2021年風(fēng)電/體育市場/壓力容器/碳碳復(fù)材（包括保溫氈)用碳纖維較2020年同比+7.8%/20%/25%/70%，航空航天用碳纖維與去年持平，汽車用碳纖維受部分車型停產(chǎn)影響同比-24%。碳纖維是風(fēng)電葉片的增強(qiáng)材料，拉擠工藝成本最低碳纖維應(yīng)用于風(fēng)電葉片中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如梁帽、主梁等。碳纖維主梁的工藝主要有三種，分別為預(yù)浸料工藝、碳布灌注工藝和拉擠碳板工藝。維斯塔斯專利技術(shù)拉擠板工藝效率最高、成本最低，且纖維含量高，質(zhì)量穩(wěn)定，適合大批量生產(chǎn)。2019年風(fēng)電葉片行業(yè)用碳纖維量超過2萬噸，其中80%用于生產(chǎn)拉擠碳梁片材。維斯塔斯專利2022年7月到期，有望提高碳纖維在葉片中的滲透率。2020年其他風(fēng)電巨頭如西門子-歌美颯、GE-LM、Nordex等，均在新的機(jī)型中采用了碳纖維拉擠板制造與測試樣機(jī)。國內(nèi)廠商光威復(fù)材擁有碳梁自主專利技術(shù)，目前已開展對國內(nèi)風(fēng)電葉片碳梁的應(yīng)用推廣。風(fēng)機(jī)大型化推動碳纖維滲透率提升風(fēng)機(jī)大型化推動碳纖維在葉片中滲透率不斷提高，降低機(jī)組的綜合成本。風(fēng)機(jī)大型化是未來的發(fā)展趨勢，葉片重量隨著長度增加呈幾何級數(shù)增長，使得風(fēng)機(jī)載荷增大、風(fēng)機(jī)部件成本增加。在滿足剛度和強(qiáng)度的前提下，采用碳纖維的風(fēng)輪葉片比玻璃鋼葉片質(zhì)量輕30%以上，雖然碳纖葉片成本上升，但其帶來的傳動鏈上相關(guān)部件以及塔筒的優(yōu)化減重，使得風(fēng)電機(jī)組的整體成本降低10%以上。例如120m的碳纖維風(fēng)輪葉片可以減少總體自重達(dá)38%，使得風(fēng)電機(jī)組的整體成本下降14%。碳纖維拉擠板在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用將大幅提升隨著低速風(fēng)機(jī)和海上風(fēng)機(jī)不斷發(fā)展，輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維是超大型葉片增強(qiáng)材料的必然選擇。風(fēng)電葉片主流結(jié)構(gòu)材料是玻璃纖維，但目前玻璃纖維性能已經(jīng)趨于極限，已經(jīng)難以滿足葉片大型化、輕量化的要求，輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維是超大型葉片增強(qiáng)材料的必然選擇。根據(jù)WoodMackenzie，預(yù)計(jì)到2030年陸上風(fēng)電將有超80%應(yīng)用碳纖維拉擠板，而海上風(fēng)電則100%應(yīng)用碳纖維拉擠板。碳?；熘髁喝~片綜合了玻璃纖維的低成本和碳纖維的高性能，為目前折中路線。中復(fù)連眾、西門子歌美颯、艾爾姆、Repower、明陽智能、運(yùn)達(dá)股份等，均在研發(fā)制造碳?；熘髁喝~片技術(shù)。2022年6月11日，運(yùn)達(dá)股份10MW級110米海上葉片YD110通過全尺寸靜力測試，是當(dāng)前國內(nèi)最長碳纖維海上風(fēng)電葉片，采用雙梁三腹板、碳?；齑罅旱慕Y(jié)構(gòu)形式。2023年國內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量將邁上新臺階風(fēng)電招標(biāo)容量達(dá)歷史新高，預(yù)計(jì)2023年風(fēng)電裝機(jī)量將邁上新臺階。1）2022年前三季度，國內(nèi)公開招標(biāo)市場新增招標(biāo)量76.3GW，同比+82.1%，其中陸上新增招標(biāo)容量64.9GW，海上新增招標(biāo)容量11.4GW；2）受影響，前三季度風(fēng)電并網(wǎng)容量僅為19.2GW，預(yù)計(jì)2023年裝機(jī)規(guī)模將顯著提升。多省市發(fā)布“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃，風(fēng)電新增裝機(jī)規(guī)模將超300GW。近期包括內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、河北等在內(nèi)的多省市發(fā)布“十四五”遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要，截止2022年三季度末共有29省市風(fēng)電新增規(guī)模已明確，“十四五”期間風(fēng)電新增容量累計(jì)313GW。預(yù)計(jì)2025年國內(nèi)風(fēng)電企業(yè)碳纖維需求量5.2萬噸，遠(yuǎn)期有望13.1萬噸風(fēng)電維持高景氣度，帶動碳纖維持續(xù)向好。我們預(yù)計(jì)2023~2025年國內(nèi)風(fēng)電吊裝容量達(dá)72GW/80GW/88GW，其中海上風(fēng)電吊裝容量達(dá)12/15/18GW。多因素助推碳纖維滲透率提升。根據(jù)賽奧碳纖維，2020和2021年國內(nèi)風(fēng)電企業(yè)碳纖維需求量約為2500噸/4500噸（不含維斯塔斯），對應(yīng)碳纖維滲透率為3%/6%。未來隨著維斯塔斯拉擠工藝專利到期、國內(nèi)碳纖維持續(xù)降本增效、海上風(fēng)電快速滲透及風(fēng)機(jī)大型化趨勢等多重利好因素疊加，假設(shè)2022年-2025年碳纖維滲透率為11%/18%/29%/45%，則預(yù)計(jì)對應(yīng)碳纖維需求量為0.75/1.70/3.04/5.19萬噸。遠(yuǎn)期假設(shè)我國年新增風(fēng)電裝機(jī)達(dá)100GW且主梁用碳纖維滲透率達(dá)100%，則碳纖維需求有望達(dá)13.1萬噸。成本是碳纖維在風(fēng)電大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素碳纖維主梁葉片能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用與成本息息相關(guān)。結(jié)合北極星風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)、中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司等測算，當(dāng)碳纖維價格降低到80元/kg時，風(fēng)電行業(yè)對葉片規(guī)模化應(yīng)用碳纖維的接受度會比較高；此外，世界風(fēng)能協(xié)會、中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會認(rèn)為，當(dāng)碳纖維價格下降至70-100元/kg時，將對風(fēng)電行業(yè)帶來翻天覆地的變化。目前碳纖維頭部供應(yīng)商卓爾泰克批量供應(yīng)的碳纖維價格（約13美元/kg）可以作為大絲束碳纖維企業(yè)的參照。因此綜合來看，我們認(rèn)為碳纖維價格達(dá)到80元/kg左右時將帶來在風(fēng)電行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。降本增效是碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的必經(jīng)之路。在風(fēng)電領(lǐng)域主要采用的是價格相對較低的大絲束碳纖維，截至2022.12.22，國內(nèi)大絲束均價為130元/kg左右，與之相對應(yīng)的，國內(nèi)玻璃纖維均價基本在4-6.5元/kg的價格區(qū)間。大絲束碳纖維距80元/kg的價格仍有空間，但我們預(yù)計(jì)隨著國內(nèi)大絲束碳纖維的快速擴(kuò)產(chǎn)，未來一至兩年有望達(dá)到臨界點(diǎn)。碳碳復(fù)材在光伏熱場領(lǐng)域更具優(yōu)勢，消耗品屬性日益凸顯碳碳復(fù)材相比傳統(tǒng)石墨材料具有顯著的優(yōu)勢。采用碳碳復(fù)合材料相比傳統(tǒng)石墨材料具有更優(yōu)異的保溫性、強(qiáng)度、韌性，且不易破碎，可有效降低生產(chǎn)能耗、提升設(shè)備使用壽命，從而降低整個生產(chǎn)成本。碳碳復(fù)材熱場部件主要包括坩堝、導(dǎo)流筒、保溫筒、加熱器等，是單晶拉制爐熱場系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在性價比方面相比傳統(tǒng)石墨材質(zhì)展現(xiàn)出了非常大的優(yōu)勢。碳碳復(fù)材呈現(xiàn)消耗品屬性。碳碳復(fù)材熱場部件為消耗品，每年存在新增需求、替換需求和改造需求。坩堝的替換周期為2個/年，加熱器的替換周期為2-3個/年，其他部件的替換周期為2個/3年。硅料技術(shù)路線差異對熱場無實(shí)質(zhì)性影響，拉晶路線迭代將加大熱場部件的損耗。在單晶硅棒生產(chǎn)上，目前以直拉法為主，直拉法分為連續(xù)拉晶(CCZ)和重復(fù)拉晶(RCZ)。行業(yè)內(nèi)主流方法為RCZ，目前正處于由RCZ向CCZ過渡階段。CCZ路線中，雙層石英坩堝引入了更多的氧，會加大對熱場部件的損耗。光伏仍有較大的發(fā)展空間當(dāng)前光伏發(fā)電在全部發(fā)電方式中占比仍然較低。盡管全球能源轉(zhuǎn)型步伐加速，但當(dāng)前世界仍以不可再生能源為主，2020年全球不可再生能源發(fā)電量在全球發(fā)電量占比為71%，光伏發(fā)電占比從2015年的1.0%逐步提升至2020年的3.1%，占比仍然較低。根據(jù)國家能源局，2021年我國發(fā)電裝機(jī)容量約23.8億千瓦，其中火力發(fā)電為13.0億千瓦，占比55%；太陽能發(fā)電3.1億千瓦，占比13%。光伏發(fā)電仍有較大發(fā)展?jié)摿驮鲩L空間。2022年1-9月我國光伏累計(jì)新增裝機(jī)52.6GW，同比增長超一倍。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會硅業(yè)分會預(yù)測，2025年全球新增光伏裝機(jī)量有望達(dá)到550GW，2021-2025年復(fù)合增速34.1%。光伏熱場部件快速滲透，碳碳復(fù)材2021-2025年需求CAGR達(dá)30%光伏熱場部件對碳纖維存在明顯拉動效應(yīng)。2021年，碳碳復(fù)材的三大市場中，剎車盤市場和航天部件發(fā)展相對平穩(wěn)，熱場部件單晶硅爐則發(fā)展勢頭突出。根據(jù)北極星太陽能光伏網(wǎng)的數(shù)據(jù)單晶硅爐即將破3萬臺，對碳?xì)止δ懿牧虾哇釄?、保溫桶、護(hù)盤等碳碳復(fù)材結(jié)構(gòu)材料高速增長提供有力支撐。中國貢獻(xiàn)碳碳復(fù)材主要增量。根據(jù)奧賽碳纖維，2023年全球碳碳復(fù)材用碳纖維需求量將接近1.5萬噸。2021年國內(nèi)碳碳復(fù)材用碳纖維需求量7000噸，全球占比82%。假設(shè)我國需求占比不變，我們預(yù)計(jì)2023年，國內(nèi)碳碳復(fù)材用碳纖維需求量接近1.23萬噸。壓力容器保持較高景氣度，預(yù)計(jì)2021-2025CAGR達(dá)20%高壓氣態(tài)儲氫是目前唯一商用的儲氫技術(shù)，儲氫氣瓶是未來壓力容器用碳纖維主要增長點(diǎn)。2021年國內(nèi)壓力容器碳纖維需求約3000噸，其中呼吸氣瓶用量約600噸，天然氣氣瓶約500噸，儲氫氣瓶約1900噸。氫燃料電池汽車助推氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。據(jù)高工氫電統(tǒng)計(jì)，2021年中國市場氫燃料電池車載儲氫系統(tǒng)出貨4129套，同比增長67.85%；車載儲氫瓶出貨量為30284支，同比增長122.43%。至2025年我國氫燃料電池汽車總計(jì)規(guī)劃推廣數(shù)量達(dá)6.6萬輛，有望全部落地助推氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。未來碳纖維需求持續(xù)增長，國內(nèi)需求增速更快全球碳纖維需求增速保持14%以上的增速。根據(jù)《2021全球碳纖維復(fù)合材料市場報(bào)告》，2021年全球碳纖維需求11.8萬噸，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到24萬噸的規(guī)模，到2030年可能達(dá)到40萬噸，2021-2025年CAGR為19.5%，2021-2030年為14.5%。中國碳纖維需求將實(shí)現(xiàn)更快的需求增速，彈性更大，未來可期。根據(jù)《2021全球碳纖維復(fù)合材料市場報(bào)告》，2021年國內(nèi)碳纖維總需求為6.24萬噸，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到15.92萬噸，CAGR達(dá)26.4%，同時國產(chǎn)碳纖維以更快的速度發(fā)展，將明顯超越進(jìn)口量。3.碳纖維產(chǎn)能釋放疊加提質(zhì)增效國內(nèi)碳纖維企業(yè)群雄并起，但仍有50%以上進(jìn)口國內(nèi)碳纖維企業(yè)產(chǎn)能提升，多家企業(yè)逐鹿碳纖維行業(yè)。以吉林化纖、中復(fù)神鷹等企業(yè)為代表，多家企業(yè)布局包括碳纖維原絲、碳纖維在內(nèi)的產(chǎn)能。國內(nèi)碳纖維需求仍依賴進(jìn)口，2021年進(jìn)口占比超過50%。根據(jù)賽奧碳纖維，2021年中國碳纖維需求僅46.9%來源于中國大陸，仍有超50%依賴進(jìn)口，進(jìn)口來源主要包括日本、中國臺灣、美國、韓國等，空間仍然巨大。國內(nèi)供需兩側(cè)發(fā)力，進(jìn)出口增速趨緩2021年，碳纖維產(chǎn)品進(jìn)出口量同比增加，進(jìn)出口同比增速下滑。2021年，碳纖維產(chǎn)品進(jìn)口量3.31萬噸，同比+9%，增速較2020年-8pcts；碳纖維產(chǎn)品出口量0.48萬噸，同比+19%，增速較2020年-64pcts。進(jìn)口方面：全球碳纖維緊缺而導(dǎo)致對華供應(yīng)減少，日本、中國臺灣、美國、墨西哥等對華出口均有不同程度降低，伴隨國內(nèi)碳纖維新產(chǎn)能釋放，全年進(jìn)口量小幅增加，增速維持下滑態(tài)勢。出口方面：