1、風(fēng)機(jī)降本趨勢(shì)明確，葉片面臨產(chǎn)品升級(jí)

1.1、3MW以上風(fēng)機(jī)占比明顯提高

隨著近幾年風(fēng)電補(bǔ)貼退去，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈承受著巨大的降本壓力。風(fēng)機(jī)大型化的趨勢(shì)也 在降本增效的進(jìn)程中越發(fā)凸顯，一方面，風(fēng)機(jī)大型化能夠減少單位 GW 零部件的用量， 減少土地使用，施工安裝等成本，另一方面，更大的風(fēng)機(jī)葉片捕捉風(fēng)能資源的能力更 強(qiáng)，可以提升有效發(fā)電小時(shí)數(shù)。我們從國(guó)內(nèi)風(fēng)電主機(jī)龍頭金風(fēng)科技的機(jī)型銷售占比就 可以看出，1.5MW 以下的機(jī)型逐漸被淘汰，而 3MW 以上的機(jī)型占比不斷提高，2021 年 占比達(dá)到 61%。CWEA 的數(shù)據(jù)顯示，陸上風(fēng)機(jī)和海上風(fēng)機(jī)的平均單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到 3.1MW 和 5.6MW。預(yù)計(jì)未來 2-3 年新增裝機(jī)的主流機(jī)型，陸上風(fēng)機(jī)將會(huì)達(dá)到 4-6MW， 而海上風(fēng)機(jī)則會(huì)達(dá)到 8MW 以上。

1.2、葉輪直徑升級(jí)，主流或達(dá)160米以上

風(fēng)機(jī)大型化帶來的是葉輪直徑的大型化，根據(jù) CWEA 數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)平均的葉輪直徑已經(jīng) 從 2008 年的 65m 增長(zhǎng)到 2020 年的 136 米，CAGR 為 6.34%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前幾個(gè) 頭部主機(jī)廠商 4MW 的主機(jī)機(jī)型葉片長(zhǎng)度在 140-190 區(qū)間，6MW 的葉片長(zhǎng)度在 160-190 米。從近期招標(biāo)數(shù)據(jù)來看，4MW 以上機(jī)型已經(jīng)成為了主流，未來三到五年主力機(jī)型將 會(huì)是 4-6MW，葉片的需求結(jié)構(gòu)也將發(fā)生變化。160 米以上的產(chǎn)能將會(huì)有較大需求，140 米以下的產(chǎn)能占比將會(huì)逐漸降低，100 米以下的產(chǎn)能將會(huì)面臨出清淘汰。

2、玻纖材料瓶頸凸顯，碳纖維葉片迎來機(jī)遇

碳纖維材料在葉片的大型化、輕量化進(jìn)程中有明顯的優(yōu)勢(shì)。葉片質(zhì)量的增加約和葉片 長(zhǎng)度的 2.6 次方成正比，而風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能和葉片長(zhǎng)度的平方成正比，所以當(dāng)葉片長(zhǎng)度 增加時(shí)，重量的提升速度要快于能量獲取的提升；葉片長(zhǎng)度的增加，也對(duì)增強(qiáng)材料的 強(qiáng)度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出 性能方面的不足。為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。在葉片產(chǎn)品升級(jí)過程中，既要減輕葉片的重量，又要滿足強(qiáng)度與剛度要求，碳纖維的 替代作用愈發(fā)凸顯。

2.1、增強(qiáng)材料在葉片中的應(yīng)用

風(fēng)電葉片共有六個(gè)部分組成，分別是主梁，腹板，外殼，避雷系統(tǒng)，人孔蓋，擋雨環(huán)。增強(qiáng)材料主要應(yīng)用在主梁、腹板和外殼三部分。主梁是葉片主要的承載結(jié)構(gòu)，對(duì)強(qiáng)度 和剛度有較高的要求，一般由單向復(fù)合材料層增強(qiáng)。主流的復(fù)合增強(qiáng)材料為玻璃纖維 或碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂；腹板又叫內(nèi)部梁，用于支撐葉片的外殼，并承擔(dān)葉片所收到 的彎曲載荷，由玻璃纖維、環(huán)氧樹脂和芯材的夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)成；外殼是兩個(gè)半殼用 結(jié)構(gòu)膠拼接起來的，為葉片提供空氣動(dòng)力學(xué)外形，主要結(jié)構(gòu)是芯材外包裹玻璃纖維增 強(qiáng)環(huán)氧樹脂。

從材料組成上看，葉片的基體材料主要為環(huán)氧樹脂材料，約占葉片成本的 36%，增強(qiáng) 纖維包括玻璃纖維和碳纖維兩種，約占 28%。芯材分為泡沫芯材和巴沙輕木芯材，占 葉片總成本的 12%。結(jié)構(gòu)膠主要用于粘接兩個(gè)葉片半殼，占成本的 11%。其余涂層， 金屬，輔助材料占比較少，共計(jì) 13%左右。

2.2、風(fēng)電增強(qiáng)材料：玻纖vs碳纖維性能對(duì)比

玻璃纖維。風(fēng)電紗是專用于風(fēng)電行業(yè)的電子級(jí)玻璃纖維。從風(fēng)電紗生產(chǎn)流程看，是以葉臘石、石 灰石、石英砂等天然礦石為原材料，經(jīng)過研磨后進(jìn)入池窯，經(jīng)過高溫熔制、拉絲、絡(luò) 紗等環(huán)節(jié)而制成。優(yōu)點(diǎn)是絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐蝕性好、機(jī)械強(qiáng)度高，但缺點(diǎn)是 性脆，耐磨性較差。碳纖維。碳纖維指的是含碳量在 90%以上的高強(qiáng)度高模量纖維。具有耐高溫、抗摩擦、導(dǎo)熱及 耐腐蝕等特性，外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物。碳纖維的密度小，因此比 強(qiáng)度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強(qiáng)材料與樹脂、金屬、陶瓷等復(fù)合，制 造先進(jìn)復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度及比模量在現(xiàn)有工程材料 中是最高的。

維斯塔斯專利到期，大絲束碳纖維需求打開。按照每束碳纖維中單絲根數(shù)，碳纖維可以分為小絲束和大絲束兩種類別。一般按照單 絲根數(shù)與 1000 的比值命名，單絲數(shù)量 48K 以上的稱為大絲束碳纖維，其產(chǎn)品性能相對(duì) 較低，制造成本也較低，通常應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。而 48K 以下的小絲束碳纖維性能優(yōu)異 但價(jià)格較高，通常應(yīng)用在航天軍工等高端領(lǐng)域，或一些附加值較高的體育器材。

2015 年之前，碳纖維應(yīng)用在風(fēng)電葉片的工藝主要以預(yù)浸料和真空灌注為主，部分采用 小絲束碳纖維，平均價(jià)格偏高。2015 年開始，維斯塔斯把風(fēng)機(jī)葉片整體成型的主梁主 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，然后采用相對(duì)更經(jīng)濟(jì)的大 絲束材質(zhì)，把標(biāo)準(zhǔn)件一次組裝整體成型。通過這一拉擠工藝，大幅提高了碳纖維體積 含量，減輕了主體承載部分的質(zhì)量，且降低了碳纖維成本，引領(lǐng)風(fēng)電葉片進(jìn)入碳纖維 時(shí)代。

由于全球風(fēng)電巨頭維斯塔斯的拉擠碳梁專利限制，國(guó)內(nèi)的葉片制造企業(yè)一般用玻纖拉 擠工藝或碳纖維灌注法替代。2022 年 7 月 19 日，維斯塔斯碳纖維葉片核心專利拉擠工 藝到期，拉擠法工藝有望在風(fēng)電領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)普及，在推廣上沒有了專利上的障礙，但是 由于碳纖維成本較高，大范圍推廣的重要條件是材料迅速降本。

2.3、性能優(yōu)勢(shì)：碳纖維替代必要性

隨著風(fēng)電葉片長(zhǎng)度增加、葉輪直徑增大，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越來越高，葉片必須滿足剛 度要求以抵抗極端負(fù)荷；葉片具有優(yōu)異耐疲勞特性，在其整個(gè)使用壽命期間必須承受 疲勞載荷；葉片必須堅(jiān)硬，具有一定強(qiáng)度，以防止在極端載荷下與塔架碰撞；局部剛 度也必須足以防止極端載荷；葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能輕，以最大程度地降低發(fā)電成本。

在全玻纖情況下，隨著葉片長(zhǎng)度增加，自重載荷占比線性上升，可用于發(fā)電的載荷相 應(yīng)下降。因此在大功率風(fēng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景中，碳纖維替代具備的了必要性。根據(jù) Sandia 實(shí) 驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，隨著葉片長(zhǎng)度變長(zhǎng)，碳纖維的滲透率也逐漸提升。49.9 米以下長(zhǎng)度的滲 透率僅為 9%，而 70 米以上的葉片滲透率達(dá)到了 55%，對(duì)于 10MW 以上的大型風(fēng)機(jī)， 碳纖維滲透率更是達(dá)到 100%?？梢灶A(yù)期未來以大兆瓦機(jī)型為主的海上風(fēng)電，碳纖維替 代將會(huì)更加具有必要性。

3、風(fēng)電葉片碳纖維替代的可行性

3.1、碳纖維主梁與玻璃纖維主梁成本比較

3.1.1、單MW葉片碳纖維用量測(cè)算

受限于成本因素，目前碳纖維材料主要應(yīng)用于葉片的主梁結(jié)構(gòu)。主梁一般會(huì)占葉片整 體重量的三分之一，卻是支撐整支葉片的關(guān)鍵構(gòu)件。使用碳纖維主梁，能夠在最大程 度節(jié)約成本的前提下，保證葉片強(qiáng)度，降低整體重量。根據(jù)技術(shù)路徑的不同，我們可 以分為全碳纖維主梁和碳纖維玻纖混雜主梁。碳纖維玻纖混雜主梁也分為兩種路徑， 一種是碳纖維織布和玻纖織布混合編制，并和環(huán)氧樹脂復(fù)合，另一種是根據(jù)葉片不同 部位承受載荷的差異，在迎風(fēng)面用碳纖維主梁，背風(fēng)面應(yīng)用玻璃纖維主梁。

目前風(fēng)電葉片主梁的碳纖維和玻纖用量比例屬于商業(yè)機(jī)密，我們可以根據(jù)全球風(fēng)電巨 頭維斯塔斯 2021 年的碳纖維用量和裝機(jī)量進(jìn)行測(cè)算。2021 年維斯塔斯的碳纖維用量達(dá)到 2.5 萬噸，維斯塔斯 2021 年度風(fēng)電總裝機(jī)量 15.2GW， 平均單機(jī)碳纖維需求量 1.64 噸/MW。由于維斯塔斯 2021 年風(fēng)電碳纖維用量約占全球風(fēng) 電碳纖維總用量的 76%，因此我們用 1.64 噸/MW 作為葉片碳纖維含量進(jìn)行計(jì)算。

3.1.2、碳纖維替代給葉片帶來成本增加

由于碳纖維相較玻璃纖維單價(jià)較高，因此對(duì)于葉片成本來說，應(yīng)用碳纖維主梁的材料 成本也相應(yīng)提高，我們選取了 3 對(duì)相同長(zhǎng)度的葉片參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，長(zhǎng)度 57 米的葉片， 使用碳纖維主梁后重量降低 27%，材料成本提高 14%；長(zhǎng)度 74 米的葉片，碳纖維主梁 減重 24.3%，材料成本提高 9%；對(duì)于長(zhǎng)度 90 米的葉片，碳纖維主梁減重 32.5%，材料 成本提高 7%。由此可知，越大型的葉片，使用碳纖維材料替代的材料成本越低，減重 效果更加明顯。由于海上風(fēng)機(jī)主力機(jī)型普遍在 8MW 以上，我們以 WE190-10K-C 機(jī)型 為參考，認(rèn)為海上風(fēng)電碳纖維葉片材料成本提高 7%，WE157-3000C 作為陸上葉片參考， 認(rèn)為陸上風(fēng)電碳纖維葉片材料成本提高 14%。

2021 年中國(guó)陸上風(fēng)機(jī)平均采購(gòu)價(jià)格 200 萬元/MW，海上風(fēng)機(jī)采購(gòu)價(jià)格 400 萬元/MW，2 中材科技 2021 年葉片銷售額 69.76 億元，銷量 11.4GW，葉片單位價(jià)值量約 61.2 萬元 /MW。碳纖維替代將給陸上風(fēng)機(jī)和海上風(fēng)機(jī)分別增加 4.2%和 1.1%的材料成本。

3.2、風(fēng)電全生命周期角度下碳纖維替代成本

風(fēng)電葉片主梁的碳纖維替代增加了材料成本，但是從整個(gè)風(fēng)電全生命周期的角度，碳 纖維替代也會(huì)帶來一定的經(jīng)濟(jì)性。我們主要從整機(jī)減重的材料成本，安裝運(yùn)輸成本， 以及運(yùn)維成本三個(gè)角度探討。

3.2.1、風(fēng)機(jī)減重的材料成本

根據(jù)中國(guó)巨石年報(bào)數(shù)據(jù)，風(fēng)電葉片玻纖用量 10 噸/MW。主梁的重量約占整個(gè)葉片 1/3， 主梁消耗玻纖約 3.3 噸/MW，當(dāng)用碳纖維主梁替代時(shí)，1.64 噸/MW 碳纖維替代 3.3 噸 /MW 玻纖，葉片約減重約 1.66 噸/MW。機(jī)艙減重。我們選取了七款葉輪直徑相近的風(fēng)機(jī)機(jī)型，葉片重量和機(jī)艙重量的平均比值在 50%左 右，在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)葉片的重量降低，風(fēng)機(jī)機(jī)艙的重量也會(huì)相應(yīng)降低，因?yàn)闄C(jī)艙和葉 片的重心要進(jìn)行匹配，保證整體的重心在塔筒中心的上方。相對(duì)應(yīng)機(jī)艙重量減重約 3.32 噸/MW。

輪轂減重。來源于美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，輪轂質(zhì)量（噸）=0.964*葉片質(zhì)量（噸）+5.68 （噸），當(dāng)葉片減重 1.66 噸時(shí)，輪轂質(zhì)量減輕 1.6 噸。據(jù)中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，每 MW 風(fēng)電整機(jī)大約需要 20～25 噸鑄件，我們假設(shè)機(jī)艙和輪轂 原材料減重主要為鑄件用量減少，鑄件成本約在 8200 元/噸，共計(jì)可節(jié)省材料成本 4 萬 元/MW。占陸上風(fēng)機(jī)成本的 2%，海上風(fēng)機(jī)成本的 1%。我們得出結(jié)論，碳纖維主梁給主機(jī)材料成本降低了 40344 元/噸，約占陸上風(fēng)機(jī)成本的 2%，海上風(fēng)機(jī)成本的 1%。

3.2.2、運(yùn)輸安裝成本降低

風(fēng)電葉片重量通常達(dá)到幾十噸，通過碳纖維主梁進(jìn)行降低了 20%左右的重量，在運(yùn)輸 和吊裝的時(shí)候成本也相應(yīng)降低。運(yùn)輸裝卸環(huán)節(jié)降本 風(fēng)力發(fā)電機(jī)本就大多體型龐大，隨著技術(shù)的發(fā)展超大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)更是不斷涌現(xiàn)， 其中葉片長(zhǎng)度超過 50 米、60 米的已經(jīng)十分常見。正是由于風(fēng)機(jī)產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中由于。體積較大、運(yùn)輸及裝卸要求較高，故會(huì)產(chǎn)生較高的運(yùn)輸裝卸費(fèi)。運(yùn)輸裝卸費(fèi)已經(jīng)成為 風(fēng)電企業(yè)主要成本之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年中材科技的運(yùn)輸/裝卸費(fèi)支出 2.15 億元，風(fēng)電 產(chǎn)品占比 30%，裝卸費(fèi)用約 0.7 億元, 對(duì)應(yīng)葉片銷量 5587MW，運(yùn)輸/裝卸費(fèi)用 1.25 萬元 /MW。當(dāng)葉片減重 27%時(shí)，運(yùn)輸/裝卸費(fèi)用約減少 0.34 萬元/MW。

葉片機(jī)艙吊裝環(huán)節(jié)降本。吊裝設(shè)計(jì)一般是設(shè)計(jì)院根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)條件，提供了機(jī)位和道路線路，確定機(jī)型， 塔筒高度，然后根據(jù)現(xiàn)有的起重機(jī)參數(shù)，選定起重機(jī)械。吊裝的兩個(gè)核心，一個(gè)是起 重機(jī)，一個(gè)是風(fēng)機(jī)主機(jī)，單機(jī)大型化是未來的必然趨勢(shì)，機(jī)艙重量越來越重也是毋庸 置疑。隨著塔筒越來越高，機(jī)艙重量越來越重，采用更大噸位的起重機(jī)的結(jié)果就是成 本越來越高。根據(jù)國(guó)際風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，1.5-2MW 的風(fēng)機(jī)吊裝單臺(tái)風(fēng)機(jī)在 30 萬元左右，3MW 風(fēng)機(jī)吊 裝平均在 50-60 萬元區(qū)間。隨著風(fēng)電搶裝潮落幕，火熱的吊裝市場(chǎng)逐漸降溫。正常市場(chǎng) 情況下吊裝成本在 15-20 萬元/MW。我們同樣按照葉片減重 27%，同時(shí)機(jī)艙輪轂減重2.95 噸/MW 測(cè)算，吊裝成本大約降低 1 萬元/MW，占陸上風(fēng)電主機(jī)成本的 0.5%，海上 風(fēng)機(jī)的 0.25%。

3.2.3、風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本降低

降低葉片除冰成本。風(fēng)電機(jī)組在極寒條件下運(yùn)行時(shí)，葉片結(jié)冰將會(huì)改變?nèi)~片的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)冰將使葉 片重量增加，不僅改變發(fā)電效率還會(huì)危及風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。另外，葉片運(yùn)行的線 速度很快，碎冰飛出去容易傷人。因此當(dāng)結(jié)冰太厚，機(jī)組需要停機(jī)進(jìn)行除冰，將造成 有效發(fā)電小時(shí)數(shù)損失。而碳纖維在通電情況下，是良好的發(fā)熱體，熱轉(zhuǎn)換效率 98%以 上。所有利用風(fēng)電機(jī)組本身產(chǎn)生的電，碳纖維通電后發(fā)熱，融冰除雪，避免了除冰導(dǎo) 致停機(jī)的損失，也節(jié)省了人工除冰的費(fèi)用。

降低疲勞損壞維修成本。在風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)中，一般要求風(fēng)電葉片能滿足20年的使用壽命。風(fēng)電機(jī)組在非定常載荷作用下的運(yùn)行特性使其易發(fā)生疲勞損壞，嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性和使用壽命。且由于其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、工藝以及工作環(huán)境的復(fù)雜性，溫度，濕度，腐蝕，共振等環(huán)境都容易使葉片造成疲勞。玻璃纖維材料疲勞是蒙皮剝離，基體開裂和纖維斷裂的過程，表現(xiàn)為彈性模量降低，因此可以用剛度降低程度作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，通常以10%-15%的剛度降低作為疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)。通過碳玻復(fù)合材料的疲勞測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，純玻纖材料的抗疲勞性最低，而復(fù)合材料碳纖維含量越高，葉片抗疲勞性能越強(qiáng)。因此碳纖維材料的替代，也大大降低了葉片在20年復(fù)雜工作環(huán)境中疲勞破壞的概率。從而節(jié)省了維修的成本。

3.3、碳纖維全面替代的降本要求

2022 年中國(guó)風(fēng)電進(jìn)入全面平價(jià)時(shí)代，風(fēng)機(jī)的招標(biāo)價(jià)格從 3000 元/kW 降至今年 1500 元 /kW 左右，再加上原材料價(jià)格維持高位，風(fēng)電行業(yè)利潤(rùn)收到了極大的壓縮，在巨大的 降本壓力下，碳纖維在風(fēng)電的需求想要完全打開，對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)材料形成大規(guī)模替 代，必須大幅降本。從材料成本上看碳纖維替代將會(huì)給陸上風(fēng)機(jī)增加 4.2%的成本，給 海上風(fēng)機(jī)增加 1.1%，考慮風(fēng)電全生命周期，給陸上風(fēng)機(jī)成本增加 1.6%，海上風(fēng)機(jī)碳纖 維替代基本實(shí)現(xiàn)平價(jià)。目前碳纖維 12 萬元/噸的價(jià)格是風(fēng)電紗的 10 倍以上，根據(jù)計(jì)算 結(jié)果我們給出預(yù)測(cè)，當(dāng)碳纖維價(jià)格降低至玻纖 6 倍價(jià)格時(shí)，無論是海上風(fēng)電還是陸上 風(fēng)電都能對(duì)玻纖形成大規(guī)模替代。

4、碳纖維的降本途徑

碳纖維在 19 年底至 21 年底價(jià)格迎來一波上漲，從 95 元/千克漲至 153 元/千克，這一階 段碳纖維價(jià)格上漲的主要原因有以下兩點(diǎn)：一是美國(guó)禁止日本東麗的高端碳纖維產(chǎn)品 賣到中國(guó)，造成一部分供給短缺；二是中國(guó)光伏和風(fēng)電行業(yè)的碳纖維需求大幅增長(zhǎng)， 造成供不應(yīng)求的局面；2022 年開始，隨著海上風(fēng)電搶裝潮退去，加上各大國(guó)內(nèi)企業(yè)新 建產(chǎn)能陸續(xù)投產(chǎn)，2 月份開始 48K 碳纖維價(jià)格率先回落，4 月份 24K 碳纖維也打開降價(jià) 空間。截至 2022 年 11 月，48K 和 24K 碳纖維已經(jīng)從價(jià)格最高點(diǎn)分別下降 11.8%和 14.6%。碳纖維的成本構(gòu)成。以中復(fù)神鷹的碳纖維成本構(gòu)成為例，2020 年中復(fù)神鷹碳纖維的直接成本在 7.97 萬元/噸， 其中制造費(fèi)用 4.58 萬元/噸占比最高，達(dá)到總成本 58%，制造費(fèi)用包括燃料費(fèi)用 2.81 萬 /噸。原材料成本 2.24 萬元/噸，占比 28%。

原絲是生產(chǎn)高品質(zhì)碳纖維的關(guān)鍵半成品，原絲品質(zhì)缺陷，如表面孔洞、沉積、刮傷以 及單絲間黏結(jié)等，在后續(xù)加工中很難消除，從而造成碳纖維力學(xué)性能的下降。PAN 基 碳纖維原絲的生產(chǎn)過程為將丙烯腈單體聚合制成紡絲原液，然后紡絲成型。從工業(yè)實(shí) 際生產(chǎn)的角度，制取 1 噸碳纖維大約消耗 2 噸原絲，原絲生產(chǎn)占碳纖維成本的 50%以上。

國(guó)內(nèi)大絲束原絲龍頭吉林碳谷。大絲束原絲產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)小絲束較低，但生產(chǎn)控制難度大，可廣泛用于工業(yè)與民用領(lǐng) 域，被稱為“工業(yè)級(jí)材料”，被廣泛應(yīng)用于下游風(fēng)電，建筑，汽車等工業(yè)領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi) 企業(yè)的原絲產(chǎn)能大多僅用于滿足自身碳纖維生產(chǎn)需求，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上只有吉林碳谷一家 公司具備大規(guī)模外供能力，2021 年國(guó)產(chǎn)碳纖維原絲消耗量 6.14 萬噸，其中吉林碳谷供 應(yīng)了 3.26 萬噸，占據(jù)了國(guó)內(nèi)一半以上市場(chǎng)份額。1）在溶劑回收方面，吉林碳谷集團(tuán)旗下的奇峰化纖擁有 20 年以上的腈綸生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，腈 綸的產(chǎn)線和碳纖維較為相似，奇峰的溶劑回收體系可以提升原絲溶劑回收效率，從而 降低生產(chǎn)成本。回顧海外碳纖維龍頭土耳其阿克薩，美國(guó)卓爾泰克的發(fā)展歷程，都具 有腈綸生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，溶劑回收體系的技術(shù)積累，為吉林碳谷構(gòu)筑了成本壁壘。

2）原絲制備主要工藝分為兩步，聚合與紡絲。吉林碳谷具有國(guó)內(nèi)獨(dú)創(chuàng)的 DMAC 溶劑水 相聚合濕法兩步法進(jìn)行原絲制備。聚合分為兩步法和一步法，一步法指溶劑既能溶解 單體，又能溶解聚合物；兩步法是溶劑只能溶劑單體，紡絲前再用溶劑重新溶解聚合 物生成紡絲液。兩步法相較市場(chǎng)主流的一步法，可以實(shí)現(xiàn)間歇性生產(chǎn)，且能夠在生產(chǎn) 過程中隨時(shí)添加物料，提高生產(chǎn)速度。3）產(chǎn)線集中度高，規(guī)模效應(yīng)降低原絲成本。吉林碳谷原絲理論產(chǎn)能達(dá)到 6 萬噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn) 高于國(guó)內(nèi)同行，未來 3 年將擴(kuò)產(chǎn) 15 萬噸以上產(chǎn)能，行業(yè)龍頭位置難以撼動(dòng)。公司結(jié)合 市場(chǎng)需求及自身優(yōu)勢(shì)，主要布局大絲束原絲產(chǎn)品，2021 年 24K 以上大絲束原絲產(chǎn)能占 到 80%以上。產(chǎn)線規(guī)?；梢越档蛦挝划a(chǎn)能設(shè)備成本及能耗成本，成本優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步凸 顯。

4.1、碳纖維供需格局

4.1.1、供給端：國(guó)內(nèi)企業(yè)紛紛擴(kuò)產(chǎn)，進(jìn)口依存度有望降低

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2022 年上半年國(guó)內(nèi)總產(chǎn)能 7.47 萬噸，新增產(chǎn)能 1.9 萬噸。其中 1K/3K/6K 專用實(shí)際產(chǎn)能 1900 噸，12K/24K 產(chǎn)能約 29800 噸，大絲束產(chǎn)能 43000 噸。國(guó) 內(nèi)宣布擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃投產(chǎn)的產(chǎn)能在 8 萬噸左右，預(yù)計(jì)到 2025 年我國(guó)碳纖維產(chǎn)能或?qū)⑦_(dá)到 15 萬噸。

從國(guó)內(nèi)產(chǎn)能角度看，現(xiàn)有產(chǎn)能已經(jīng)超過國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，吉林化纖，寶旌碳纖維，中復(fù) 神鷹等龍頭企業(yè)也紛紛宣布超過 1 萬噸的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。但長(zhǎng)期以來，我國(guó)碳纖維行業(yè)都 存在“有產(chǎn)能無產(chǎn)量”的問題，2020 年平均產(chǎn)能利用率僅為 50%左右，海外廠商平均 產(chǎn)能利用率為 65%，已經(jīng)建設(shè)的產(chǎn)能，與世界發(fā)達(dá)國(guó)家還存在相當(dāng)大的差距。2021 年， 我國(guó)碳纖維進(jìn)口量 3.3 萬噸，出口寥寥無幾，無論在性能、質(zhì)量水平及成本水平上，進(jìn) 口碳纖維依然有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。高端產(chǎn)能不足，產(chǎn)能利用率低，依然使國(guó)內(nèi)市場(chǎng)總體面 臨供不應(yīng)求的局面。

國(guó)內(nèi)碳纖維起步晚，進(jìn)口依存度較高。國(guó)外碳纖維廠商如日本東麗在 2000 年初即實(shí)現(xiàn)了 T300-T700 產(chǎn)品工藝和產(chǎn)業(yè)的突破， 成為先行者，壟斷全球市場(chǎng)；而中國(guó)廠商的產(chǎn)業(yè)化在 2010 年起步，2015 年興起，國(guó)內(nèi) 碳纖維進(jìn)口依存度仍然較高，2021 年碳纖維行業(yè)整體進(jìn)口量為 3.3 萬噸，較 2020 年上 漲 8.72%，占總需求的 53.1%。一方面隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的提升，碳纖維進(jìn)口量和國(guó)產(chǎn)供應(yīng)量都在同步提升。另一方 面，隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)能的提升，進(jìn)口依存度也在逐年下降，進(jìn)口比率從 2015 年的 85.2%降低到 53.1%，進(jìn)口依賴度高，本質(zhì)上還是生產(chǎn)技術(shù)上和海外龍頭還存在較大差 距。由于 2020 年日本東麗向我國(guó)禁售碳纖維造成供給短缺，國(guó)產(chǎn)替代的重要性愈發(fā)凸 顯，未來三年，隨著工藝的改進(jìn)及產(chǎn)能的提升，國(guó)產(chǎn)替代有望加快節(jié)奏。

4.1.2、需求端：風(fēng)電引領(lǐng)需求旺盛，大絲束產(chǎn)品供不應(yīng)求

碳纖維材料在下游有著廣泛的應(yīng)用，2021 年我國(guó)碳纖維總需求 6.24 萬噸，需求量最大 的領(lǐng)域是風(fēng)電葉片，體育休閑和碳碳復(fù)材，約占總需求 80%左右。根據(jù)廣州奧賽的數(shù) 據(jù)，2021 年我國(guó)風(fēng)電葉片碳纖維（大絲束）需求量在 3.3 萬噸，預(yù)計(jì) 2025 年需求將達(dá) 到 8.05 萬噸，CAGR 為 20%。國(guó)內(nèi)方面應(yīng)用于工業(yè)的大絲束供應(yīng)主要以吉林化纖、吉 林碳谷為主，目前產(chǎn)能約為 2.2 萬噸，難以滿足下游需求。

4.2、碳纖維降本空間

4.2.1、生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，降低能耗成本

根據(jù)美國(guó)橡樹林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，高溫碳化（19%-23%）、預(yù)氧化（13%-16%）是成 本占比較高的環(huán)節(jié)。碳纖維生產(chǎn)是高能耗過程，預(yù)氧化和碳化兩個(gè)環(huán)節(jié)需要長(zhǎng)時(shí)間的 高溫加熱，電費(fèi)成本達(dá)到 20%以上?？梢酝ㄟ^工藝改進(jìn)，采取余熱多級(jí)利用的手段， 在原絲和碳纖維生產(chǎn)過程中提高能源利用率來降低能耗成本。碳纖維制備過程工藝難 度大，首先表現(xiàn)在生產(chǎn)過程變量多。丙烯腈經(jīng)過聚合、紡絲制成原絲的過程是核心：， 每個(gè)廠商都有不同的溶劑配方；聚合過程對(duì)溫度和時(shí)間控制、乃至攪拌方法都有很高 的要求；紡絲成型則是以宏觀設(shè)備控制微觀分子規(guī)整的過程。對(duì)于生產(chǎn)工藝的改進(jìn)， 也是碳纖維降本的重要路徑。

4.2.2、生產(chǎn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化替代

在碳纖維及原絲生產(chǎn)設(shè)備中，進(jìn)口設(shè)備一般價(jià)格為國(guó)內(nèi)設(shè)備的 3 倍以上，國(guó)產(chǎn)設(shè)備具 有較強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，而目前多數(shù)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化水平較低。加強(qiáng)碳化爐和 碳化爐等關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的進(jìn)口替代，能夠有效降低設(shè)備投資及固定資產(chǎn)折舊成本。國(guó) 內(nèi)碳纖維設(shè)備龍頭精工科技，于 2020 年推出 2500 噸級(jí) 25K/50K 大絲束碳纖維生產(chǎn)線， 為吉林精功碳纖維有限公司定制，系國(guó)內(nèi)首條接近全國(guó)產(chǎn)化的千噸級(jí)別生產(chǎn)線，該生 產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行速度達(dá) 16 米/分鐘, 年可產(chǎn)碳纖維 2500 噸。在碳纖維國(guó)產(chǎn)化替代的背景下， 精工科技有望受益，解決碳纖維設(shè)備高度依賴進(jìn)口的痛點(diǎn)，為碳纖維設(shè)備格局打開新 的局面。

4.2.3、頭部企業(yè)繼續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，提升規(guī)模效應(yīng)

規(guī)模效應(yīng)可以分?jǐn)偣潭ㄙY產(chǎn)折舊比例，流動(dòng)資產(chǎn)成本占比，以及擁有更好的上下游議 價(jià)能力。因此，碳纖維的頭部企業(yè)進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)能，也是碳纖維降本的重要途徑。我 們以年產(chǎn) 1100 噸和 3300 噸的兩條原絲生產(chǎn)線為例，單耗成本分別在 4.8 和 3.8 萬元/噸， 成本降低 20.8%；生產(chǎn)每噸碳纖維大約消耗 2 噸原絲。對(duì)應(yīng)的 500 噸和 1500 噸生產(chǎn)線單 耗成本分別在 15.9 和 11.7 萬元/噸，成本降低 26.4%。規(guī)模越大的廠商越具備成本優(yōu)勢(shì)， 因此國(guó)內(nèi)碳纖維龍頭也在積極擴(kuò)產(chǎn)，吉林化纖，寶旌碳纖維，中復(fù)神鷹等現(xiàn)有行業(yè)龍 頭均宣布擴(kuò)產(chǎn)超過 1 萬噸以上產(chǎn)能，規(guī)模效應(yīng)的形成，進(jìn)一步鞏固行業(yè)領(lǐng)先地位。

4.2.4、整合產(chǎn)業(yè)上下游，產(chǎn)業(yè)鏈一體化

隨著碳纖維行業(yè)的規(guī)模擴(kuò)大，許多龍頭企業(yè)都在向產(chǎn)業(yè)鏈的上下游布局延申。從上游 原材料丙烯腈，原絲，到碳纖維制備，再到下游碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)，產(chǎn)業(yè)鏈的一體 化可以給企業(yè)帶來更加顯著的成本優(yōu)勢(shì)。未來隨著下游風(fēng)電等領(lǐng)域需求的進(jìn)一步釋放， 碳纖維產(chǎn)業(yè)布局有望進(jìn)一步向下游延申，給風(fēng)電葉片碳纖維替代帶來進(jìn)一步降本可能 性。

5、總結(jié)

隨著風(fēng)電持續(xù)降本，葉片大型化趨勢(shì)明確。傳統(tǒng)玻璃纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)性能已經(jīng)不 能滿足要求，碳纖維主梁拉擠技術(shù)成為未來風(fēng)電葉片產(chǎn)品升級(jí)的發(fā)展主線。而碳纖維 過高的價(jià)格成為制約大規(guī)模替代的障礙。碳纖維降本是提升需求的關(guān)鍵因素。風(fēng)電葉片碳纖維主梁的應(yīng)用成本仍然較高，僅從材料成本考慮，給陸上風(fēng)機(jī)和海上風(fēng) 機(jī)分別增加 4.2%和 1.1%的材料成本；從風(fēng)機(jī) 20 年完整生命周期考慮，陸風(fēng)碳纖維成本 增加 1.6%，海風(fēng)基本平價(jià)。經(jīng)測(cè)算，當(dāng)碳纖維價(jià)格為玻纖 6 倍時(shí)有望形成大規(guī)模替代。碳纖維價(jià)格降低有幾個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，通過改進(jìn)原絲及碳纖維的生產(chǎn)工藝，擴(kuò)大單線 產(chǎn)能，產(chǎn)業(yè)鏈的一體化協(xié)同等途徑進(jìn)行降本。最終實(shí)現(xiàn)碳纖維的大規(guī)模替代，充分打 開下游應(yīng)用需求。

葉片碳纖維材料替代背景下，工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景逐漸打開，國(guó)產(chǎn)大絲束原絲技術(shù)壁壘較高， 將維持供不應(yīng)求的局面，建議關(guān)注原絲龍頭吉林碳谷；碳纖維降本背景下，碳化爐， 氧化爐等關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化需求明確，精工科技具有全國(guó)產(chǎn)化碳纖維生產(chǎn)線供應(yīng)能力， 有望受益。