2022年碳纤维行业研究报告 小丝束碳纤维力学性能优异、成本高

2022年碳纤维行业研究报告小丝束碳纤维力学性能优异、成本高核心观点：国内碳纤维行业快速成长，碳纤维具有低密度、高强高模、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等特性，已应用于新能源、体育休闲、航空航天、交通等领域。目前，碳纤维国产化进入到加速阶段，随着产品价格回落和风电叶片领域碳纤维拉挤大梁专利到期，碳纤维需求量有望快速爆发，根据赛奥碳纤维，预计到2025年国内碳纤维需求总量将达到15.9万吨，市场空间在250亿元左右。受益于高技术门槛，吉林碳谷、吉林化纤、中复神鹰、上海石化、光威复材、中简科技、精功科技、恒神股份、宝武碳业等企业有望充分受益。碳纤维需求将持续高增长，2021年全球碳纤维需求量11.8万吨，其中中国6.24万吨，预计2025年国内碳纤维需求总量将达到15.9万吨，2021-2025年CAGR达到26.4%。2021年国内碳纤维下游应用主要包括风电叶片(36%)、体育休闲(28%)、碳碳复材(11%)、压力容器(5%)等领域。维斯塔斯专利到期和碳纤维价格的回落，碳纤维在风电领域的应用有望快速增长，我们预计2025年国内风电用碳纤维总量（不含维斯塔斯）将达到5.2万吨，2021-2025年CAGR达84.3%，远期理论空间有望达13.1万吨；光伏热场带动下碳碳复材用碳纤维需求量将达到1.3万吨，2021-2025年CAGR达38.4%；同时，氢能、航空航天、国产大飞机、新能源车也将带动需求高增长。碳纤维国产化加速，国内碳纤维企业通过技术突破带动产能扩张，当前国内产能6.3万吨，占全球总产能31%。同时，国内企业已克服低达产率瓶颈，产能利用率从2015年的10.5%提升到2020年的51%，已趋近国际水平。但与此同时，国内碳纤维仍有50%以上为进口，国内龙头企业已掌握核心技术，将快速扩张，带动行业降本增效，加速国产化。根据统计，我们预计国内碳纤维产能将从2021年6.3万吨增长至2025年29.9万吨，2021-2025年CAGR47.4%。1.碳纤维性能优越，工艺复杂碳纤维是“21世纪新材料之王”碳纤维(CarbonFiber)是一种丝状碳素材料，由有机纤维经碳化以及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，直径5-10微米，含碳量高达90%以上。碳纤维力学性能优异，同时具有轻质、高强度、高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性，广泛应用于航空航天、国防、交通、能源、体育休闲等领域。聚丙烯腈碳纤维为目前主流碳纤维产品聚丙烯腈(PAN)基碳纤维为目前碳纤维主流产品。世界碳纤维产业已形成了黏胶基、沥青基和聚丙烯腈基三大原料体系，其中黏胶基和沥青基碳纤维用途较单一，产量也较为有限，而聚丙烯腈基碳纤维兼具良好的结构和功能特性，是碳纤维发展和应用的主要品种，2020年其产量占碳纤维总量的90%左右。小丝束碳纤维力学性能优异、成本高碳纤维按纤维数量不同可分为小丝束和大丝束。小丝束性能优异，但成本较高。碳纤维的开发起初应用于航空航天领域，小丝束性能更能满足航空航天、军工复材的需要，但受成本制约，难以在风电叶片等领域实现推广应用。大丝束在保持碳纤维优良性能的前提下，通过提高单线产能，大幅降低成本，打开碳纤维广泛运用于工业和民用领域大门。小丝束碳纤维性能优异但价格较高，大丝束碳纤维性能相对较低但成本亦较低。相比小丝束，大丝束碳纤维最大的优势就是在相同的生产条件下可大幅度提高碳纤维的单线产能，实现生产的低成本化。而且在复合材料制备过程中的铺层效率也更高，生产成本却能降低约30%以上，有助于打破碳纤维因价格较高带来的应用局限，为碳纤维复合材料进一步拓展应用市场奠定基础。碳纤维长期被日美欧企业垄断，中国企业取得长足进步PAN基碳纤维的生产起步于20世纪60年代，日美领先。日本高度重视高性能PAN基碳纤维及能源和环境友好相关技术开发，培育出了东丽、三菱等一批碳纤维行业领军企业。1988年，美国国会通过法令，军用碳纤维所用聚丙烯腈原丝要逐步实现自给，由此扶持了赫氏、氰特等本土碳纤维企业的发展。90年代卓尔泰克开始研发并推进低成本大丝束在工业领域的应用，形成了高性能小丝束和低成本大丝束两种技术路线，2014年，卓尔泰克被东丽收购。目前，世界碳纤维技术仍主要掌握在日本公司手中，其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于世界领先地位，日本东丽更是世界上高性能碳纤维研究与生产的“领头羊”。我国碳纤维工业总体上与日本碳纤维的研发同步进行，经历了长期低水平徘徊、技术转型和快速发展3个阶段。依靠长期自主研发，打破了国外技术装备封锁，碳纤维产业化目前取得长足进步。2.多重拉动，碳纤维需求快速增长预计碳纤维行业保持高景气度供给端：长期以来，我国碳纤维消费高度依赖进口，进口比例超50%。随着国产碳纤维不断缩小技术和性能差距，尤其是吉林化纤、中复神鹰等主要碳纤维厂商大量扩产，碳纤维国产化率持续提升，未来对外依存度有望持续下降。随着国内碳纤维产能快速扩张，产能利用率预计先下滑后逐渐提升。需求端：国内下游新能源、航空航天等领域需求旺盛，预计碳纤维行业将保持较高景气度。受益于宽应用领域，碳纤维需求实现多点开花从结构上看，风电叶片依然占据绝对主流。根据赛奥碳纤维，2021年全球碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片28%、体育休闲16%、航空航天14%，国内碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片36%、体育休闲28%、碳碳复材11%。从增速上看，受益于光伏、储氢发展，碳碳复材和压力容器增长强劲。2021年风电/体育市场/压力容器/碳碳复材（包括保温毡)用碳纤维较2020年同比+7.8%/20%/25%/70%，航空航天用碳纤维与去年持平，汽车用碳纤维受部分车型停产影响同比-24%。碳纤维是风电叶片的增强材料，拉挤工艺成本最低碳纤维应用于风电叶片中关键结构如梁帽、主梁等。碳纤维主梁的工艺主要有三种，分别为预浸料工艺、碳布灌注工艺和拉挤碳板工艺。维斯塔斯专利技术拉挤板工艺效率最高、成本最低，且纤维含量高，质量稳定，适合大批量生产。2019年风电叶片行业用碳纤维量超过2万吨，其中80%用于生产拉挤碳梁片材。维斯塔斯专利2022年7月到期，有望提高碳纤维在叶片中的渗透率。2020年其他风电巨头如西门子-歌美飒、GE-LM、Nordex等，均在新的机型中采用了碳纤维拉挤板制造与测试样机。国内厂商光威复材拥有碳梁自主专利技术，目前已开展对国内风电叶片碳梁的应用推广。风机大型化推动碳纤维渗透率提升风机大型化推动碳纤维在叶片中渗透率不断提高，降低机组的综合成本。风机大型化是未来的发展趋势，叶片重量随着长度增加呈几何级数增长，使得风机载荷增大、风机部件成本增加。在满足刚度和强度的前提下，采用碳纤维的风轮叶片比玻璃钢叶片质量轻30%以上，虽然碳纤叶片成本上升，但其带来的传动链上相关部件以及塔筒的优化减重，使得风电机组的整体成本降低10%以上。例如120m的碳纤维风轮叶片可以减少总体自重达38%，使得风电机组的整体成本下降14%。碳纤维拉挤板在风电叶片中的应用将大幅提升随着低速风机和海上风机不断发展，轻质高强的碳纤维是超大型叶片增强材料的必然选择。风电叶片主流结构材料是玻璃纤维，但目前玻璃纤维性能已经趋于极限，已经难以满足叶片大型化、轻量化的要求，轻质高强的碳纤维是超大型叶片增强材料的必然选择。根据WoodMackenzie，预计到2030年陆上风电将有超80%应用碳纤维拉挤板，而海上风电则100%应用碳纤维拉挤板。碳玻混主梁叶片综合了玻璃纤维的低成本和碳纤维的高性能，为目前折中路线。中复连众、西门子歌美飒、艾尔姆、Repower、明阳智能、运达股份等，均在研发制造碳玻混主梁叶片技术。2022年6月11日，运达股份10MW级110米海上叶片YD110通过全尺寸静力测试，是当前国内最长碳纤维海上风电叶片，采用双梁三腹板、碳玻混大梁的结构形式。2023年国内风电装机容量将迈上新台阶风电招标容量达历史新高，预计2023年风电装机量将迈上新台阶。1）2022年前三季度，国内公开招标市场新增招标量76.3GW，同比+82.1%，其中陆上新增招标容量64.9GW，海上新增招标容量11.4GW；2）受影响，前三季度风电并网容量仅为19.2GW，预计2023年装机规模将显著提升。多省市发布“十四五”能源发展规划，风电新增装机规模将超300GW。近期包括内蒙古、新疆、甘肃、河北等在内的多省市发布“十四五”远景目标纲要，截止2022年三季度末共有29省市风电新增规模已明确，“十四五”期间风电新增容量累计313GW。预计2025年国内风电企业碳纤维需求量5.2万吨，远期有望13.1万吨风电维持高景气度，带动碳纤维持续向好。我们预计2023~2025年国内风电吊装容量达72GW/80GW/88GW，其中海上风电吊装容量达12/15/18GW。多因素助推碳纤维渗透率提升。根据赛奥碳纤维，2020和2021年国内风电企业碳纤维需求量约为2500吨/4500吨（不含维斯塔斯），对应碳纤维渗透率为3%/6%。未来随着维斯塔斯拉挤工艺专利到期、国内碳纤维持续降本增效、海上风电快速渗透及风机大型化趋势等多重利好因素叠加，假设2022年-2025年碳纤维渗透率为11%/18%/29%/45%，则预计对应碳纤维需求量为0.75/1.70/3.04/5.19万吨。远期假设我国年新增风电装机达100GW且主梁用碳纤维渗透率达100%，则碳纤维需求有望达13.1万吨。成本是碳纤维在风电大规模应用的关键因素碳纤维主梁叶片能否实现大规模应用与成本息息相关。结合北极星风力发电网、中材科技风电叶片股份有限公司等测算，当碳纤维价格降低到80元/kg时，风电行业对叶片规模化应用碳纤维的接受度会比较高；此外，世界风能协会、中国可再生能源学会风能专业委员会认为，当碳纤维价格下降至70-100元/kg时，将对风电行业带来翻天覆地的变化。目前碳纤维头部供应商卓尔泰克批量供应的碳纤维价格（约13美元/kg）可以作为大丝束碳纤维企业的参照。因此综合来看，我们认为碳纤维价格达到80元/kg左右时将带来在风电行业的大规模应用。降本增效是碳纤维在风电领域大规模应用的必经之路。在风电领域主要采用的是价格相对较低的大丝束碳纤维，截至2022.12.22，国内大丝束均价为130元/kg左右，与之相对应的，国内玻璃纤维均价基本在4-6.5元/kg的价格区间。大丝束碳纤维距80元/kg的价格仍有空间，但我们预计随着国内大丝束碳纤维的快速扩产，未来一至两年有望达到临界点。碳碳复材在光伏热场领域更具优势，消耗品属性日益凸显碳碳复材相比传统石墨材料具有显著的优势。采用碳碳复合材料相比传统石墨材料具有更优异的保温性、强度、韧性，且不易破碎，可有效降低生产能耗、提升设备使用寿命，从而降低整个生产成本。碳碳复材热场部件主要包括坩埚、导流筒、保温筒、加热器等，是单晶拉制炉热场系统的关键部件，在性价比方面相比传统石墨材质展现出了非常大的优势。碳碳复材呈现消耗品属性。碳碳复材热场部件为消耗品，每年存在新增需求、替换需求和改造需求。坩埚的替换周期为2个/年，加热器的替换周期为2-3个/年，其他部件的替换周期为2个/3年。硅料技术路线差异对热场无实质性影响，拉晶路线迭代将加大热场部件的损耗。在单晶硅棒生产上，目前以直拉法为主，直拉法分为连续拉晶(CCZ)和重复拉晶(RCZ)。行业内主流方法为RCZ，目前正处于由RCZ向CCZ过渡阶段。CCZ路线中，双层石英坩埚引入了更多的氧，会加大对热场部件的损耗。光伏仍有较大的发展空间当前光伏发电在全部发电方式中占比仍然较低。尽管全球能源转型步伐加速，但当前世界仍以不可再生能源为主，2020年全球不可再生能源发电量在全球发电量占比为71%，光伏发电占比从2015年的1.0%逐步提升至2020年的3.1%，占比仍然较低。根据国家能源局，2021年我国发电装机容量约23.8亿千瓦，其中火力发电为13.0亿千瓦，占比55%；太阳能发电3.1亿千瓦，占比13%。光伏发电仍有较大发展潜力和增长空间。2022年1-9月我国光伏累计新增装机52.6GW，同比增长超一倍。据中国有色金属工业协会硅业分会预测，2025年全球新增光伏装机量有望达到550GW，2021-2025年复合增速34.1%。光伏热场部件快速渗透，碳碳复材2021-2025年需求CAGR达30%光伏热场部件对碳纤维存在明显拉动效应。2021年，碳碳复材的三大市场中，刹车盘市场和航天部件发展相对平稳，热场部件单晶硅炉则发展势头突出。根据北极星太阳能光伏网的数据单晶硅炉即将破3万台，对碳毡功能材料和坩埚、保温桶、护盘等碳碳复材结构材料高速增长提供有力支撑。中国贡献碳碳复材主要增量。根据奥赛碳纤维，2023年全球碳碳复材用碳纤维需求量将接近1.5万吨。2021年国内碳碳复材用碳纤维需求量7000吨，全球占比82%。假设我国需求占比不变，我们预计2023年，国内碳碳复材用碳纤维需求量接近1.23万吨。压力容器保持较高景气度，预计2021-2025CAGR达20%高压气态储氢是目前唯一商用的储氢技术，储氢气瓶是未来压力容器用碳纤维主要增长点。2021年国内压力容器碳纤维需求约3000吨，其中呼吸气瓶用量约600吨，天然气气瓶约500吨，储氢气瓶约1900吨。氢燃料电池汽车助推氢能产业发展。据高工氢电统计，2021年中国市场氢燃料电池车载储氢系统出货4129套，同比增长67.85%；车载储氢瓶出货量为30284支，同比增长122.43%。至2025年我国氢燃料电池汽车总计规划推广数量达6.6万辆，有望全部落地助推氢能产业发展。未来碳纤维需求持续增长，国内需求增速更快全球碳纤维需求增速保持14%以上的增速。根据《2021全球碳纤维复合材料市场报告》，2021年全球碳纤维需求11.8万吨，预计到2025年将达到24万吨的规模，到2030年可能达到40万吨，2021-2025年CAGR为19.5%，2021-2030年为14.5%。中国碳纤维需求将实现更快的需求增速，弹性更大，未来可期。根据《2021全球碳纤维复合材料市场报告》，2021年国内碳纤维总需求为6.24万吨，预计到2025年将达到15.92万吨，CAGR达26.4%，同时国产碳纤维以更快的速度发展，将明显超越进口量。3.碳纤维产能释放叠加提质增效国内碳纤维企业群雄并起，但仍有50%以上进口国内碳纤维企业产能提升，多家企业逐鹿碳纤维行业。以吉林化纤、中复神鹰等企业为代表，多家企业布局包括碳纤维原丝、碳纤维在内的产能。国内碳纤维需求仍依赖进口，2021年进口占比超过50%。根据赛奥碳纤维，2021年中国碳纤维需求仅46.9%来源于中国大陆，仍有超50%依赖进口，进口来源主要包括日本、中国台湾、美国、韩国等，空间仍然巨大。国内供需两侧发力，进出口增速趋缓2021年，碳纤维产品进出口量同比增加，进出口同比增速下滑。2021年，碳纤维产品进口量3.31万吨，同比+9%，增速较2020年-8pcts；碳纤维产品出口量0.48万吨，同比+19%，增速较2020年-64pcts。进口方面：全球碳纤维紧缺而导致对华供应减少，日本、中国台湾、美国、墨西哥等对华出口均有不同程度降低，伴随国内碳纤维新产能释放，全年进口量小幅增加，增速维持下滑态势。出口方面：