风电行业专题分析叶片产品升级碳纤维替代进行时

风电行业专题分析-叶片产品升级碳纤维替代进行时1、风机降本趋势明确，叶片面临产品升级1.1、3MW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，1.5MW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61%。CWEA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3.1MW和5.6MW。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。1.2、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6.34%。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。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2.6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。2.1、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。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。2.2、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。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。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。2.3、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。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。49.9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3.1、碳纤维主梁与玻璃纤维主梁成本比较3.1.1、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。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2.5万吨，维斯塔斯2021年度风电总装机量15.2GW，平均单机碳纤维需求量1.64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1.64吨/MW作为叶片碳纤维含量进行计算。3.1.2、碳纤维替代给叶片带来成本增加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24.3%，材料成本提高9%；对于长度90米的叶片，碳纤维主梁减重32.5%，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7%，WE157-3000C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%。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/MW，2

中材科技

2021年叶片销售额69.76亿元，销量11.4GW，叶片单位价值量约61.2万元/MW。碳纤维替代将给陆上风机和海上风机分别增加4.2%和1.1%的材料成本。3.2、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。3.2.1、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1/3，主梁消耗玻纤约3.3吨/MW，当用碳纤维主梁替代时，1.64吨/MW碳纤维替代3.3吨/MW玻纤，叶片约减重约1.66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3.32吨/MW。轮毂减重。来源于美国可再生能源实验室的数据，轮毂质量（吨）=0.964*叶片质量（吨）+5.68

（吨），当叶片减重1.66吨时，轮毂质量减轻1.6吨。据中国铸造协会数据，每MW风电整机大约需要20～25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%。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1%。3.2.2、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2.15亿元，风电产品占比30%，装卸费用约0.7亿元,对应叶片销量5587MW，运输/装卸费用1.25万元/MW。当叶片减重27%时，运输/装卸费用约减少0.34万元/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，1.5-2MW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2.95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0.5%，海上风机的0.25%。3.2.3、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。3.3、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4.2%的成本，给海上风机增加1.1%，考虑风电全生命周期，给陆上风机成本增加1.6%，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11.8%和14.6%。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7.97万元/吨，其中制造费用4.58万元/吨占比最高，达到总成本58%，制造费用包括燃料费用2.81万/吨。原材料成本2.24万元/吨，占比28%。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。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6.14万吨，其中吉林碳谷供应了3.26万吨，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。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。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。4.1、碳纤维供需格局4.1.1、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7.47万吨，新增产能1.9万吨。其中1K/3K/6K专用实际产能1900吨，12K/24K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。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3.3万吨，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3.3万吨，较2020年上涨8.72%，占总需求的53.1%。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85.2%降低到53.1%，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。4.1.2、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6.24万吨，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3.3万吨，预计2025年需求将达到8.05万吨，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2.2万吨，难以满足下游需求。4.2、碳纤维降本空间4.2.1、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。4.2.2、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25K/50K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