★风电叶片产品升级，碳纤维需求放量增长
　　随着全球风电加速装机，叶片的产品升级趋势明确，碳纤维凭借优异的性能形成材料替代。2021年我国风电叶片碳纤维需求量在3.3万吨，预计2025年需求将达到8.05万吨，CAGR为20%。
　　★产能利用率仍偏低，国产替代趋势明确
　　2022年国内碳纤维总产能7.47万吨，预计到2025年我国碳纤维产能或将达到15万吨。现有产能面临着高端产能不足，产能利用率低下的问题，落后产能面临出清。21年碳纤维进口依存度为53.1%，国内头部企业纷纷扩产，随着产能落地未来三年进口依存度将进一步下降。
　　★碳纤维降本之路，道阻且长
　　风电叶片碳纤维主梁的应用成本仍然较高，仅从材料成本考虑，给陆上风机和海上风机分别增加4.2%和1.1%的材料成本；从风机20年完整生命周期考虑，陆风碳纤维成本增加1.6%，海风基本平价。经测算，当碳纤维价格为玻纤6倍时有望形成大规模替代。碳纤维价格降低有几个关键驱动因素，通过改进原丝及碳纤维的生产工艺，生产设备国产化，扩大单线产能，产业链的一体化进行降本。
　　★投资机会
　　叶片碳纤维材料替代背景下，工业应用场景逐渐打开，国产大丝束原丝技术壁垒较高，将维持供不应求的局面，原丝龙头吉林碳谷成本控制能力最优，产线规模效应凸显，建议关注；碳纤维降本背景下，碳化炉，氧化炉等关键设备国产化需求明确，精工科技具有全国产化碳纤维生产线供应能力，有望受益。
　　★风险提示
　　原材料价格波动；碳纤维降本不及预期；风电装机不及预期；模型计算具有主观性

研究报告全文：深度报告新能源风电新Tab能le源Title风电行业专题二叶片产品升级碳纤维替代进行时报Ta告bl日e期Rank2022年12月16日曹洋首席分析师有色金属从T业aTab资blele格AA号nnaallyseFrr3012297投资咨询号Z0013048Ta风ble电S叶um片m产ar品y升级碳纤维需求放量增长Tel8621-63325888-3904随着全球风电加速装机叶片的产品升级趋势明确碳纤维Emailyangcaoorientfuturescom凭借优异的性能形成材料替代2021年我国风电叶片碳纤维需求量在33万吨预计2025年需求将达到805万吨CAGR为20产能利用率仍偏低国产替代趋势明确联系人李烁2022年国内碳纤维总产能747万吨预计到2025年我国碳纤从业资格号F03107615Tel8621-63325888维产能或将达到15万吨现有产能面临着高端产能不足产Emailshuoliorientfuturescom行能利用率低下的问题落后产能面临出清21年碳纤维进口依存度为531国内头部企业纷纷扩产随着产能落地未来业TableReport三年进口依存度将进一步下降研碳纤维降本之路道阻且长究风电叶片碳纤维主梁的应用成本仍然较高仅从材料成本考虑给陆上风机和海上风机分别增加42和11的材料成本从风机20年完整生命周期考虑陆风碳纤维成本增加16海风基本平价经测算当碳纤维价格为玻纤6倍时有望形成大规模替代碳纤维价格降低有几个关键驱动因素通过改进原丝及碳纤维的生产工艺生产设备国产化扩大单线产能产业链的一体化进行降本投资机会叶片碳纤维材料替代背景下工业应用场景逐渐打开国产大丝束原丝技术壁垒较高将维持供不应求的局面原丝龙头吉林碳谷成本控制能力最优产线规模效应凸显建议关注碳纤维降本背景下碳化炉氧化炉等关键设备国产化需求明确精工科技具有全国产化碳纤维生产线供应能力有望受益风险提示原材料价格波动碳纤维降本不及预期风电装机不及预期模型计算具有主观性重要事项本报告版权归上海东证期货有限公司所有未获得东证期货书面授权任何人不得对本报告进行任何形式的发布复制本报告的信息均来源于公开资料我公司对这些信息的准确性和完整性不作任何保证也不保证所包含的信息和建议不会发生任何变更我们已力求报告内容的客观公正但文中的观点结论和建议仅供参考报告中的信息或意见并不构成交易建议投资者据此做出的任何投资决策与本公司和作者无关有关分析师承诺见本报告最后部分并请阅读报告最后一页的免责声明风电-深度报告2022-12-16目录1风机降本趋势明确叶片面临产品升级4113MW以上风机占比明显提高412叶轮直径升级主流或达160米以上42玻纤材料瓶颈凸显碳纤维叶片迎来机遇521增强材料在叶片中的应用622风电增强材料玻纤vs碳纤维性能对比723性能优势碳纤维替代必要性83风电叶片碳纤维替代的可行性931碳纤维主梁与玻璃纤维主梁成本比较9311单MW叶片碳纤维用量测算9312碳纤维替代给叶片带来成本增加932风电全生命周期角度下碳纤维替代成本11321风机减重的材料成本11322运输安装成本降低12323风机运营维护成本降低1333碳纤维全面替代的降本要求134碳纤维的降本途径1341碳纤维供需格局16411供给端国内企业纷纷扩产进口依存度有望降低16412需求端风电引领需求旺盛大丝束产品供不应求1842碳纤维降本空间18421生产工艺进行改进降低能耗成本18422生产设备国产化替代19423头部企业继续扩产提升规模效应19424整合产业上下游产业链一体化20行业5总结20研究6风险提示202期货研究报告风电-深度报告2022-12-16图表目录图表12015-2021年金风科技风机分机型销售占比4图表22011-2021年中国风机平均单机容量4图表32008-2020年中国风电平均叶轮直径5图表4各主机厂叶轮直径不完全统计5图表5风电叶片横截面结构图6图表6风电叶片结构示意图6图表7风电叶片材料成本构成6图表8碳纤维vs玻璃纤维材料性质对比7图表9碳纤维拉挤工艺生产线8图表10碳纤维主梁占比随叶片长度变化8图表11碳玻混杂主梁截面图9图表12迎风面碳纤维主梁9图表13玻纤和碳纤维在57m叶片上使用成本比较10图表14碳纤维替代成本测算11图表157款机型叶片与机舱重量对比11图表16材料减重成本测算12图表17国产T300碳纤维价格走势14图表18中复神鹰碳纤维材料成本构成14图表19国内原丝企业产能15图表20不同原丝产能溶剂回收率15图表21两步法与一步法工艺对比16图表22中国碳纤维企业理论产能16图表23中国碳纤维扩产计划17图表242015-2021年中国碳纤维供给量17图表25碳纤维进口依存度17图表262021年全球碳纤维需求量18图表272021年中国碳纤维需求量18图表28聚丙烯腈基碳纤维生产流程图19图表29不同规模原丝和碳纤维生产成本构成203期货研究报告风电-深度报告2022-12-161风机降本趋势明确叶片面临产品升级113MW以上风机占比明显提高随着近几年风电补贴退去风电产业链承受着巨大的降本压力风机大型化的趋势也在降本增效的进程中越发凸显一方面风机大型化能够减少单位GW零部件的用量减少土地使用施工安装等成本另一方面更大的风机叶片捕捉风能资源的能力更强可以提升有效发电小时数我们从国内风电主机龙头金风科技的机型销售占比就可以看出15MW以下的机型逐渐被淘汰而3MW以上的机型占比不断提高2021年占比达到61CWEA的数据显示陆上风机和海上风机的平均单机容量已经达到31MW和56MW预计未来2-3年新增装机的主流机型陆上风机将会达到4-6MW而海上风机则会达到8MW以上图表12015-2021年金风科技风机分机型销售占比图表22011-2021年中国风机平均单机容量资料来源公司公告东证衍生品研究院资料来源CWEA东证衍生品研究院12叶轮直径升级主流或达160米以上风机大型化带来的是叶轮直径的大型化根据CWEA数据风机平均的叶轮直径已经从2008年的65m增长到2020年的136米CAGR为634据不完全统计目前几个头部主机厂商4MW的主机机型叶片长度在140-190区间6MW的叶片长度在160-190米从近期招标数据来看4MW以上机型已经成为了主流未来三到五年主力机型将会是4-6MW叶片的需求结构也将发生变化160米以上的产能将会有较大需求140米以下的产能占比将会逐渐降低100米以下的产能将会面临出清淘汰4期货研究报告风电-深度报告2022-12-16图表32008-2020年中国风电平均叶轮直径资料来源CWEA东证衍生品研究院图表4各主机厂叶轮直径不完全统计叶轮直径米金风科技明阳智能运达股份东方电气15MW以下8270-8912XMW121-15087-121103-147108-1413XMW140-150112-135140-172155-1654XMW136-191145-156147-185148-1726XMW165-191158-178172-1858XMW175-182186资料来源公司官网东证衍生品研究院2玻纤材料瓶颈凸显碳纤维叶片迎来机遇碳纤维材料在叶片的大型化轻量化进程中有明显的优势叶片质量的增加约和叶片长度的26次方成正比而风机产生的电能和叶片长度的平方成正比所以当叶片长度增加时重量的提升速度要快于能量获取的提升叶片长度的增加也对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架叶片必须具有足够的刚度在叶片产品升级过程中既要减轻叶片的重量又要满足强度与刚度要求碳纤维的替代作用愈发凸显5期货研究报告风电-深度报告2022-12-1621增强材料在叶片中的应用风电叶片共有六个部分组成分别是主梁腹板外壳避雷系统人孔盖挡雨环增强材料主要应用在主梁腹板和外壳三部分主梁是叶片主要的承载结构对强度和刚度有较高的要求一般由单向复合材料层增强主流的复合增强材料为玻璃纤维或碳纤维增强环氧树脂腹板又叫内部梁用于支撑叶片的外壳并承担叶片所收到的弯曲载荷由玻璃纤维环氧树脂和芯材的夹芯复合结构构成外壳是两个半壳用结构胶拼接起来的为叶片提供空气动力学外形主要结构是芯材外包裹玻璃纤维增强环氧树脂图表5风电叶片横截面结构图图表6风电叶片结构示意图资料来源东证衍生品研究院资料来源东证衍生品研究院从材料组成上看叶片的基体材料主要为环氧树脂材料约占叶片成本的36增强纤维包括玻璃纤维和碳纤维两种约占28芯材分为泡沫芯材和巴沙轻木芯材占叶片总成本的12结构胶主要用于粘接两个叶片半壳占成本的11其余涂层金属辅助材料占比较少共计13左右图表7风电叶片材料成本构成资料来源复合材料结构设计对风电叶片成本的影响6期货研究报告风电-深度报告2022-12-1622风电增强材料玻纤vs碳纤维性能对比玻璃纤维风电纱是专用于风电行业的电子级玻璃纤维从风电纱生产流程看是以叶腊石石灰石石英砂等天然矿石为原材料经过研磨后进入池窑经过高温熔制拉丝络纱等环节而制成优点是绝缘性好耐热性强抗腐蚀性好机械强度高但缺点是性脆耐磨性较差图表8碳纤维vs玻璃纤维材料性质对比材料名称密度gcm3拉伸强度MPa拉伸模量GPa价格元吨T300碳纤维1763530230120000T700碳纤维184900230200000高模量玻璃纤维25428008612000资料来源公开资料整理东证衍生品研究院碳纤维碳纤维指的是含碳量在90以上的高强度高模量纤维具有耐高温抗摩擦导热及耐腐蚀等特性外形呈纤维状柔软可加工成各种织物碳纤维的密度小因此比强度和比模量高碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂金属陶瓷等复合制造先进复合材料碳纤维增强环氧树脂复合材料其比强度及比模量在现有工程材料中是最高的维斯塔斯专利到期大丝束碳纤维需求打开按照每束碳纤维中单丝根数碳纤维可以分为小丝束和大丝束两种类别一般按照单丝根数与1000的比值命名单丝数量48K以上的称为大丝束碳纤维其产品性能相对较低制造成本也较低通常应用于工业领域而48K以下的小丝束碳纤维性能优异但价格较高通常应用在航天军工等高端领域或一些附加值较高的体育器材2015年之前碳纤维应用在风电叶片的工艺主要以预浸料和真空灌注为主部分采用小丝束碳纤维平均价格偏高2015年开始维斯塔斯把风机叶片整体成型的主梁主体受力部分拆解为高效低成本高质量的拉挤梁片标准件然后采用相对更经济的大丝束材质把标准件一次组装整体成型通过这一拉挤工艺大幅提高了碳纤维体积含量减轻了主体承载部分的质量且降低了碳纤维成本引领风电叶片进入碳纤维时代7期货研究报告风电-深度报告2022-12-16图表9碳纤维拉挤工艺生产线资料来源风电碳纤维拉挤大梁拉挤成型生产工艺介绍由于全球风电巨头维斯塔斯的拉挤碳梁专利限制国内的叶片制造企业一般用玻纤拉挤工艺或碳纤维灌注法替代2022年7月19日维斯塔斯碳纤维叶片核心专利拉挤工艺到期拉挤法工艺有望在风电领域实现普及在推广上没有了专利上的障碍但是由于碳纤维成本较高大范围推广的重要条件是材料迅速降本23性能优势碳纤维替代必要性随着风电叶片长度增加叶轮直径增大其结构设计要求越来越高叶片必须满足刚度要求以抵抗极端负荷叶片具有优异耐疲劳特性在其整个使用寿命期间必须承受疲劳载荷叶片必须坚硬具有一定强度以防止在极端载荷下与塔架碰撞局部刚度也必须足以防止极端载荷叶片结构应尽可能轻以最大程度地降低发电成本图表10碳纤维主梁占比随叶片长度变化资料来源美国Sandia国家实验室8期货研究报告风电-深度报告2022-12-16在全玻纤情况下随着叶片长度增加自重载荷占比线性上升可用于发电的载荷相应下降因此在大功率风机应用场景中碳纤维替代具备的了必要性根据Sandia实验室的数据随着叶片长度变长碳纤维的渗透率也逐渐提升499米以下长度的渗透率仅为9而70米以上的叶片渗透率达到了55对于10MW以上的大型风机碳纤维渗透率更是达到100可以预期未来以大兆瓦机型为主的海上风电碳纤维替代将会更加具有必要性3风电叶片碳纤维替代的可行性31碳纤维主梁与玻璃纤维主梁成本比较311单MW叶片碳纤维用量测算受限于成本因素目前碳纤维材料主要应用于叶片的主梁结构主梁一般会占叶片整体重量的三分之一却是支撑整支叶片的关键构件使用碳纤维主梁能够在最大程度节约成本的前提下保证叶片强度降低整体重量根据技术路径的不同我们可以分为全碳纤维主梁和碳纤维玻纤混杂主梁碳纤维玻纤混杂主梁也分为两种路径一种是碳纤维织布和玻纤织布混合编制并和环氧树脂复合另一种是根据叶片不同部位承受载荷的差异在迎风面用碳纤维主梁背风面应用玻璃纤维主梁图表11碳玻混杂主梁截面图图表12迎风面碳纤维主梁资料来源碳纤维在叶片上的应用资料来源碳纤维在叶片上的应用目前风电叶片主梁的碳纤维和玻纤用量比例属于商业机密我们可以根据全球风电巨头维斯塔斯2021年的碳纤维用量和装机量进行测算2021年维斯塔斯的碳纤维用量达到25万吨维斯塔斯2021年度风电总装机量152GW平均单机碳纤维需求量164吨MW由于维斯塔斯2021年风电碳纤维用量约占全球风电碳纤维总用量的76因此我们用164吨MW作为叶片碳纤维含量进行计算312碳纤维替代给叶片带来成本增加9期货研究报告风电-深度报告2022-12-16由于碳纤维相较玻璃纤维单价较高因此对于叶片成本来说应用碳纤维主梁的材料成本也相应提高我们选取了3对相同长度的叶片参数进行对比长度57米的叶片使用碳纤维主梁后重量降低27材料成本提高14长度74米的叶片碳纤维主梁减重243材料成本提高9对于长度90米的叶片碳纤维主梁减重325材料成本提高7由此可知越大型的叶片使用碳纤维材料替代的材料成本越低减重效果更加明显由于海上风机主力机型普遍在8MW以上我们以WE190-10K-C机型为参考认为海上风电碳纤维叶片材料成本提高7WE157-3000C作为陆上叶片参考认为陆上风电碳纤维叶片材料成本提高14图表13玻纤和碳纤维在57m叶片上使用成本比较叶片型号WE157-3000GWE157-3000CWE174-7000GWE174-7000CWE190-10K-G1WE190-10K-C长度m575774749090叶轮直径m116116153153185185额定功率MW33771010主梁材料浸渍玻璃纤维碳纤维预浸料浸渍玻璃纤维碳纤维预浸料浸渍玻璃纤维碳纤维预浸料材料质量kg主梁碳纤维预浸料012980359804500主梁干玻纤浸渍树脂47250142810211500所有其他玻纤树脂8213771623413238312739926747巴尔沙木8759262125234426002700PVC泡沫2352359201040815815粘合剂286286620480991991总计143341046141360312935295535753材料成本美元碳纤维预浸料235kg0305030755580105740干玻纤3kg2833216896825175125410631358571环氧树脂7kg244601458780490529209178350566巴尔沙木15kg131251389023800262503899940500PVC泡沫12kg28202820--97769776粘合剂135kg3861386111590136181338413384根部紧固件135kg104158064总计7259982557208812227664260255278537资料来源中国复合材料集团有限公司东证衍生品研究院2021年中国陆上风机平均采购价格200万元MW海上风机采购价格400万元MW2中材科技2021年叶片销售额6976亿元销量114GW叶片单位价值量约612万元MW碳纤维替代将给陆上风机和海上风机分别增加42和11的材料成本10期货研究报告风电-深度报告2022-12-16图表14碳纤维替代成本测算产品类型陆上风机海上风机采购价格元MW20000004000000叶片成本元MW612000612000碳纤维叶片成本元MW697680654840叶片成本增加147整机成本增加4211资料来源东证衍生品研究院32风电全生命周期角度下碳纤维替代成本风电叶片主梁的碳纤维替代增加了材料成本但是从整个风电全生命周期的角度碳纤维替代也会带来一定的经济性我们主要从整机减重的材料成本安装运输成本以及运维成本三个角度探讨321风机减重的材料成本根据中国巨石年报数据风电叶片玻纤用量10吨MW主梁的重量约占整个叶片13主梁消耗玻纤约33吨MW当用碳纤维主梁替代时164吨MW碳纤维替代33吨MW玻纤叶片约减重约166吨MW机舱减重我们选取了七款叶轮直径相近的风机机型叶片重量和机舱重量的平均比值在50左右在风机设计时当叶片的重量降低风机机舱的重量也会相应降低因为机舱和叶片的重心要进行匹配保证整体的重心在塔筒中心的上方相对应机舱重量减重约332吨MW图表157款机型叶片与机舱重量对比机型叶轮直径叶片重量吨MW机舱重量吨MW叶片机舱重量比机型A1681608305653机型B165160031950机型C164111027640机型D1561434257656机型E1561311244454机型F1661206236051机型G1569472341资料来源公开资料整理东证衍生品研究院轮毂减重11期货研究报告风电-深度报告2022-12-16来源于美国可再生能源实验室的数据轮毂质量吨0964叶片质量吨568吨当叶片减重166吨时轮毂质量减轻16吨据中国铸造协会数据每MW风电整机大约需要2025吨铸件我们假设机舱和轮毂原材料减重主要为铸件用量减少铸件成本约在8200元吨共计可节省材料成本4万元MW占陆上风机成本的2海上风机成本的1图表16材料减重成本测算零部件机舱轮毂共计质量减少吨MW33216492材料单价元吨82008200-成本降低元MW272241312040344资料来源东证衍生品研究院我们得出结论碳纤维主梁给主机材料成本降低了40344元吨约占陆上风机成本的2海上风机成本的1322运输安装成本降低风电叶片重量通常达到几十吨通过碳纤维主梁进行降低了20左右的重量在运输和吊装的时候成本也相应降低运输装卸环节降本风力发电机本就大多体型庞大随着技术的发展超大型的风力发电机更是不断涌现其中叶片长度超过50米60米的已经十分常见正是由于风机产品在运输过程中由于体积较大运输及装卸要求较高故会产生较高的运输装卸费运输装卸费已经成为风电企业主要成本之一据统计2018年中材科技的运输装卸费支出215亿元风电产品占比30装卸费用约07亿元对应叶片销量5587MW运输装卸费用125万元MW当叶片减重27时运输装卸费用约减少034万元MW叶片机舱吊装环节降本吊装设计一般是设计院根据风电场的现场条件提供了机位和道路线路确定机型塔筒高度然后根据现有的起重机参数选定起重机械吊装的两个核心一个是起重机一个是风机主机单机大型化是未来的必然趋势机舱重量越来越重也是毋庸置疑随着塔筒越来越高机舱重量越来越重采用更大吨位的起重机的结果就是成本越来越高根据国际风力发电网统计15-2MW的风机吊装单台风机在30万元左右3MW风机吊装平均在50-60万元区间随着风电抢装潮落幕火热的吊装市场逐渐降温正常市场情况下吊装成本在15-20万元MW我们同样按照叶片减重27同时机舱轮毂减重12期货研究报告风电-深度报告2022-12-16295吨MW测算吊装成本大约降低1万元MW占陆上风电主机成本的05海上风机的025323风机运营维护成本降低降低叶片除冰成本风电机组在极寒条件下运行时叶片结冰将会改变叶片的气动结构同时结冰将使叶片重量增加不仅改变发电效率还会危及风电机组的安全运行另外叶片运行的线速度很快碎冰飞出去容易伤人因此当结冰太厚机组需要停机进行除冰将造成有效发电小时数损失而碳纤维在通电情况下是良好的发热体热转换效率98以上所有利用风电机组本身产生的电碳纤维通电后发热融冰除雪避免了除冰导致停机的损失也节省了人工除冰的费用降低疲劳损坏维修成本在风电叶片设计中一般要求风电叶片能满足20年的使用寿命风电机组在非定常载荷作用下的运行特性使其易发生疲劳损坏严重影响风电机组安全运行的可靠性和使用寿命且由于其材质结构工艺以及工作环境的复杂性温度湿度腐蚀共振等环境都容易使叶片造成疲劳玻璃纤维材料疲劳是蒙皮剥离基体开裂和纤维断裂的过程表现为弹性模量降低因此可以用刚度降低程度作为破坏标准通常以10-15的刚度降低作为疲劳破坏的标准通过碳玻复合材料的疲劳测试实验结果来看纯玻纤材料的抗疲劳性最低而复合材料碳纤维含量越高叶片抗疲劳性能越强因此碳纤维材料的替代也大大降低了叶片在20年复杂工作环境中疲劳破坏的概率从而节省了维修的成本33碳纤维全面替代的降本要求2022年中国风电进入全面平价时代风机的招标价格从3000元kW降至今年1500元kW左右再加上原材料价格维持高位风电行业利润收到了极大的压缩在巨大的降本压力下碳纤维在风电的需求想要完全打开对玻璃纤维增强材料形成大规模替代必须大幅降本从材料成本上看碳纤维替代将会给陆上风机增加42的成本给海上风机增加11考虑风电全生命周期给陆上风机成本增加16海上风机碳纤维替代基本实现平价目前碳纤维12万元吨的价格是风电纱的10倍以上根据计算结果我们给出预测当碳纤维价格降低至玻纤6倍价格时无论是海上风电还是陆上风电都能对玻纤形成大规模替代4碳纤维的降本途径13期货研究报告风电-深度报告2022-12-16碳纤维在19年底至21年底价格迎来一波上涨从95元千克涨至153元千克这一阶段碳纤维价格上涨的主要原因有以下两点一是美国禁止日本东丽的高端碳纤维产品卖到中国造成一部分供给短缺二是中国光伏和风电行业的碳纤维需求大幅增长造成供不应求的局面2022年开始随着海上风电抢装潮退去加上各大国内企业新建产能陆续投产2月份开始48K碳纤维价格率先回落4月份24K碳纤维也打开降价空间截至2022年11月48K和24K碳纤维已经从价格最高点分别下降118和146图表17国产T300碳纤维价格走势资料来源百川盈孚东证衍生品研究院碳纤维的成本构成以中复神鹰的碳纤维成本构成为例2020年中复神鹰碳纤维的直接成本在797万元吨其中制造费用458万元吨占比最高达到总成本58制造费用包括燃料费用281万吨原材料成本224万元吨占比28图表18中复神鹰碳纤维材料成本构成资料来源中复神鹰招股书东证衍生品研究院14期货研究报告风电-深度报告2022-12-16原丝是生产高品质碳纤维的关键半成品原丝品质缺陷如表面孔洞沉积刮伤以及单丝间黏结等在后续加工中很难消除从而造成碳纤维力学性能的下降PAN基碳纤维原丝的生产过程为将丙烯腈单体聚合制成纺丝原液然后纺丝成型从工业实际生产的角度制取1吨碳纤维大约消耗2吨原丝原丝生产占碳纤维成本的50以上图表19国内原丝企业产能资料来源奥赛碳纤维技术东证衍生品研究院国内大丝束原丝龙头吉林碳谷大丝束原丝产品价格相对小丝束较低但生产控制难度大可广泛用于工业与民用领域被称为工业级材料被广泛应用于下游风电建筑汽车等工业领域目前国内企业的原丝产能大多仅用于满足自身碳纤维生产需求国内市场上只有吉林碳谷一家公司具备大规模外供能力2021年国产碳纤维原丝消耗量614万吨其中吉林碳谷供应了326万吨占据了国内一半以上市场份额1在溶剂回收方面吉林碳谷集团旗下的奇峰化纤拥有20年以上的腈纶生产经验腈纶的产线和碳纤维较为相似奇峰的溶剂回收体系可以提升原丝溶剂回收效率从而降低生产成本回顾海外碳纤维龙头土耳其阿克萨美国卓尔泰克的发展历程都具有腈纶生产的经验溶剂回收体系的技术积累为吉林碳谷构筑了成本壁垒图表20不同原丝产能溶剂回收率吉林碳谷中国石化中复神鹰溶剂类型DMACNaSCNDMSO溶剂消耗量kgt072997349资料来源公司环评书东证衍生品研究院2原丝制备主要工艺分为两步聚合与纺丝吉林碳谷具有国内独创的DMAC溶剂水相聚合湿法两步法进行原丝制备聚合分为两步法和一步法一步法指溶剂既能溶解单体又能溶解聚合物两步法是溶剂只能溶剂单体纺丝前再用溶剂重新溶解聚合物生成纺丝液两步法相较市场主流的一步法可以实现间歇性生产且能够在生产过程中随时添加物料提高生产速度15期货研究报告风电-深度报告2022-12-16图表21两步法与一步法工艺对比资料来源吉林碳谷招股书东证衍生品研究院3产线集中度高规模效应降低原丝成本吉林碳谷原丝理论产能达到6万吨远远高于国内同行未来3年将扩产15万吨以上产能行业龙头位置难以撼动公司结合市场需求及自身优势主要布局大丝束原丝产品2021年24K以上大丝束原丝产能占到80以上产线规模化可以降低单位产能设备成本及能耗成本成本优势进一步凸显41碳纤维供需格局411供给端国内企业纷纷扩产进口依存度有望降低据不完全统计2022年上半年国内总产能747万吨新增产能19万吨其中1K3K6K专用实际产能1900吨12K24K产能约29800吨大丝束产能43000吨国内宣布扩产计划投产的产能在8万吨左右预计到2025年我国碳纤维产能或将达到15万吨图表22中国碳纤维企业理论产能资料来源奥赛碳纤维技术东证衍生品研究院16期货研究报告风电-深度报告2022-12-16图表23中国碳纤维扩产计划材料名称现有产能万吨扩产计划完成时间吉林化纤10827000吨2022宝旌碳纤维17221000吨2023上海石化01512000吨2023中复神鹰13414000吨2023光威复材034一期4000吨二期6000吨2022蓝星碳纤维015原丝5万吨碳化25万吨2024新创碳谷04512000吨2022资料来源公开资料整理东证衍生品研究院从国内产能角度看现有产能已经超过国内市场需求吉林化纤宝旌碳纤维中复神鹰等龙头企业也纷纷宣布超过1万吨的扩产计划但长期以来我国碳纤维行业都存在有产能无产量的问题2020年平均产能利用率仅为50左右海外厂商平均产能利用率为65已经建设的产能与世界发达国家还存在相当大的差距2021年我国碳纤维进口量33万吨出口寥寥无几无论在性能质量水平及成本水平上进口碳纤维依然有强大的优势高端产能不足产能利用率低依然使国内市场总体面临供不应求的局面国内碳纤维起步晚进口依存度较高国外碳纤维厂商如日本东丽在2000年初即实现了T300-T700产品工艺和产业的突破成为先行者垄断全球市场而中国厂商的产业化在2010年起步2015年兴起国内碳纤维进口依存度仍然较高2021年碳纤维行业整体进口量为33万吨较2020年上涨872占总需求的531图表242015-2021年中国碳纤维供给量图表25碳纤维进口依存度资料来源广州奥赛东证衍生品研究院资料来源广州奥赛东证衍生品研究院17期货研究报告风电-深度报告2022-12-16一方面随着国内市场需求的提升碳纤维进口量和国产供应量都在同步提升另一方面随着国内企业产能的提升进口依存度也在逐年下降进口比率从2015年的852降低到531进口依赖度高本质上还是生产技术上和海外龙头还存在较大差距由于2020年日本东丽向我国禁售碳纤维造成供给短缺国产替代的重要性愈发凸显未来三年随着工艺的改进及产能的提升国产替代有望加快节奏412需求端风电引领需求旺盛大丝束产品供不应求碳纤维材料在下游有着广泛的应用2021年我国碳纤维总需求624万吨需求量最大的领域是风电叶片体育休闲和碳碳复材约占总需求80左右根据广州奥赛的数据2021年我国风电叶片碳纤维大丝束需求量在33万吨预计2025年需求将达到805万吨CAGR为20国内方面应用于工业的大丝束供应主要以吉林化纤吉林碳谷为主目前产能约为22万吨难以满足下游需求图表262021年全球碳纤维需求量图表272021年中国碳纤维需求量资料来源广州奥赛东证衍生品研究院资料来源广州奥赛东证衍生品研究院42碳纤维降本空间421生产工艺进行改进降低能耗成本根据美国橡树林国家实验室的数据高温碳化19-23预氧化13-16是成本占比较高的环节碳纤维生产是高能耗过程预氧化和碳化两个环节需要长时间的高温加热电费成本达到20以上可以通过工艺改进采取余热多级利用的手段在原丝和碳纤维生产过程中提高能源利用率来降低能耗成本碳纤维制备过程工艺难度大首先表现在生产过程变量多丙烯腈经过聚合纺丝制成原丝的过程是核心每个厂商都有不同的溶剂配方聚合过程对温度和时间控制乃至搅拌方法都有很高的要求纺丝成型则是以宏观设备控制微观分子规整的过程对于生产工艺的改进也是碳纤维降本的重要路径18期货研究报告风电-深度报告2022-12-16图表28聚丙烯腈基碳纤维生产流程图资料来源吉林碳谷招股书东证衍生品研究院422生产设备国产化替代在碳纤维及原丝生产设备中进口设备一般价格为国内设备的3倍以上国产设备具有较强的价格优势而目前多数碳纤维生产企业设备国产化水平较低加强碳化炉和碳化炉等关键生产设备的进口替代能够有效降低设备投资及固定资产折旧成本国内碳纤维设备龙头精工科技于2020年推出2500吨级25K50K大丝束碳纤维生产线为吉林精功碳纤维有限公司定制系国内首条接近全国产化的千吨级别生产线该生产线实际运行速度达16米分钟年可产碳纤维2500吨在碳纤维国产化替代的背景下精工科技有望受益解决碳纤维设备高度依赖进口的痛点为碳纤维设备格局打开新的局面423头部企业继续扩产提升规模效应规模效应可以分摊固定资产折旧比例流动资产成本占比以及拥有更好的上下游议价能力因此碳纤维的头部企业进一步扩大产能也是碳纤维降本的重要途径我们以年产1100吨和3300吨的两条原丝生产线为例单耗成本分别在48和38万元吨成本降低208生产每吨碳纤维大约消耗2吨原丝对应的500吨和1500吨生产线单耗成本分别在159和117万元吨成本降低264规模越大的厂商越具备成本优势因此国内碳纤维龙头也在积极扩产吉林化纤宝旌碳纤维中复神鹰等现有行业龙头均宣布扩产超过1万吨以上产能规模效应的形成进一步巩固行业领先地位19期货研究报告风电-深度报告2022-12-16图表29不同规模原丝和碳纤维生产成本构成产线年产1100吨原丝年产3300吨原丝年产500吨碳纤维年产1500吨碳纤维直接成本占生产总成本比例79784286901固定资产折旧占生产总成本比例1056612686流动费用占生产总成本比例98921413单耗成本万元吨4838159117资料来源PAN基碳纤维制备成本构成分析及其控制探讨东证衍生品研究院424整合产业上下游产业链一体化随着碳纤维行业的规模扩大许多龙头企业都在向产业链的上下游布局延申从上游原材料丙烯腈原丝到碳纤维制备再到下游碳纤维复合材料生产产业链的一体化可以给企业带来更加显著的成本优势未来随着下游风电等领域需求的进一步释放碳纤维产业布局有望进一步向下游延申给风电叶片碳纤维替代带来进一步降本可能性5总结随着风电持续降本叶片大型化趋势明确传统玻璃纤维增强材料的力学性能已经不能满足要求碳纤维主梁拉挤技术成为未来风电叶片产品升级的发展主线而碳纤维过高的价格成为制约大规模替代的障碍碳纤维降本是提升需求的关键因素风电叶片碳纤维主梁的应用成本仍然较高仅从材料成本考虑给陆上风机和海上风机分别增加42和11的材料成本从风机20年完整生命周期考虑陆风碳纤维成本增加16海风基本平价经测算当碳纤维价格为玻纤6倍时有望形成大规模替代碳纤维价格降低有几个关键驱动因素通过改进原丝及碳纤维的生产工艺扩大单线产能产业链的一体化协同等途径进行降本最终实现碳纤维的大规模替代充分打开下游应用需求叶片碳纤维材料替代背景下工业应用场景逐渐打开国产大丝束原丝技术壁垒较高将维持供不应求的局面建议关注原丝龙头吉林碳谷碳纤维降本背景下碳化炉氧化炉等关键设备国产化需求明确精工科技具有全国产化碳纤维生产线供应能力有望受益6风险提示原材料价格波动碳纤维降本不及预期风电装机不及预期模型计算具有主观性20期货研究报告