碳纤维产业链情况梳理

完整的碳纤维产业链包含从原油到终端应用的完整制造过程：

1、 上游：国内丙烯腈产能不断提升，供应充足

目前吉林碳谷的主要原材料为丙烯腈、丙烯酸甲酯等。丙烯腈为大宗化工产品， 2021H1 数据来看主要供应商为吉林石化。2021 年全球丙烯腈产能 863 万吨/年。按 区域分,全球丙烯腈主要生产区域是东北亚、北美和西欧地区,其中东北亚产能占比约 62%。按生产企业分,全球最大的丙烯腈生产商是旭化成化学株式会社,产能 114 万吨/ 年,其次是英力士公司,产能 107.5 万吨/年,中国石化位列第三,产能 99 万吨/年。2021 年全球丙烯腈行业集中度高,前 4 的产能约占全球总产能的 46%。

至 2021 年底，国内共有 12 家丙烯腈工厂，丙烯腈总产能达 338 万吨/年，占全 球丙烯腈总产能的 39%。行业集中度高，产能排名前 4 的企业占全国总产能的比例 约为 88%。国内丙烯腈产能情况分区域看，2021 年华东地区丙烯腈产能 242 万吨/ 年，占比约 71%；东北地区 67 万吨，占比约 20%，华北地区 26 万吨，占比约 8%， 西北地区 3 万吨，占比约 1%。2021 年国内丙烯腈产量 261.3 万吨，扣除年底建成投 产的江苏斯尔邦石化三期 26 万吨/年和利华益集团 26 万吨/年新增产能，全年装置开工率 91%。2017-2021 年，国内丙烯腈产能从 208 万吨/年增长至 338 万吨/年，年均 增长率为 12.9%，产量从约 191.8 万吨增长至约 261.3 万吨，年均增长率为 8.0%。

同时在 2022-2025 年期间国内预计有共计 215 万吨/年丙烯腈产能新增，国内丙 烯腈期间内预计供应充足。

2、 下游：风电、储氢等行业助推碳纤维需求进入快速增长期

从各场景所使用的碳纤维技术类型上来看，目前全球的碳纤维类型集中于标模 的大丝束（占比 44%）、小丝束类型产品（占比 43%）。小丝束一般是指丝束规格为 1～24K 的碳纤维，大丝束一般是指丝束规格≥48K 的碳纤维。 小丝束碳纤维力学性能优异，拉伸强度为 3500～7000MPa、拉伸模量为 230～ 680GPa，主要应用于航空航天领域；而大丝束碳纤维拉伸强度为 3500～5000MPa、 拉伸模量为 230～290GPa，主要应用在汽车、风电叶片、能源建筑和体育用品等， 又称为工业级碳纤维。相比于小丝束碳纤维，大丝束碳纤维最大的优势就是低成本 和生产效率高，可拓展碳纤维复合材料的应用途径，是目前碳纤维发展的重点方向 之一。

2021 年国内对碳纤维的需求量为 62379 吨，2023 年预计上涨至 98658 吨，其中 国产碳纤维达到 53308 吨超过进口碳纤维数量；2025 年则预计为 159234 吨， 2021-2025 年 CAGR 达 26%。

2021 年全球对碳纤维的需求量为 11.8 万吨，同比上涨 10.4%，其中中国需求量 为 62379 吨，占据全球份额的 52.9%，中国市场已经在全球占据举足轻重的地位。从 国内 62379 吨的需求总量构成情况来看，进口量为 33,129 吨占总需求的 53.1%，比 2020 同比增长 9.2%，国产纤维供应量为 29,250 吨占总需求的 46.9%，比 2020 年同 比增长了 58.1%。整体来看国产碳纤维仍处于供不应求状态。

2021 年全球碳纤维需求市场规模共计 34.01 亿美元，其中航空航天是最大应用 市场，规模为 11.88 亿美元占比 35%；风电叶片则为第二，规模为 5.54 亿美元占比 16%；体育休闲应用市场规模为 5.11 亿美元占比 15%。但从需求量来看，风电叶片 仍为碳纤维材料需求吨数最高的，达到 3.3 万吨占比 28%，航空航天则仅为 1.65 万 吨占比 14%排名第三。相较而言航空航天所需的碳纤维材料对单价及质量要求要高 于风电叶片。

从 2021 年中国碳纤维各下游行业需求量来看，风电仍为国内碳纤维最大应用场 景，需求量达到 2.25 万吨，占比 36.1%；体育休闲行业需求量 1.75 万吨排名第二； 碳碳复材（包含耐火保温毡）需求量上升至 7000 吨排名第三。国内航空航天碳纤维需求量相较风电等行业则较小，仅为 2000 吨排名第 7。

碳纤维产业已形成了以东北、京津冀、长三角、珠三角、环渤海等地区为主的 产业集群，涌现出一批标志性企业和研发机构。建成了中复神鹰、光威复材、山西 钢科、江苏恒神、吉林国兴、吉林宝旌、吉林碳谷、浙江宝旌、兰州蓝星、中简科 技等为代表的碳纤维生产企业。 而随着风电、新能源汽车、无人机、航空航天等方面的快速发展，国内对于碳 纤维需求持续放量，各大生产企业也在不断加码碳纤维产能。吉林化纤已成为全国 最大的碳纤维生产基地，旗下原丝及碳纤维生产企业包括吉林国兴、吉林宝旌、吉 林凯美克、吉林碳谷，现有原丝产能 6 万吨，碳纤维产能 2.5 万吨。2022 年，原丝 产能达到 20 万吨，碳纤维产能达到 5 万吨。预计“十四五”末，吉林化纤形成 33 万吨原丝、10 万吨碳纤维的生产能力。 中复神鹰西宁年产万吨高性能碳纤维及配套原丝项目，目前已建成并投产，加 上连云港 3500 吨/年的产能，合计产能 14500 吨/年。此外，中复神鹰西宁仍有计划 新建年产 1.4 万吨高性能碳纤维及配套原丝项目，届时其碳纤维产能突破 2 万吨/年。

风电增长新动能带动风机碳纤维需求量。随着能源结构转型和绿色电力的发展，中国、欧洲和美国等主力风电市场正酝酿新一轮增长动能，东南亚、拉丁美洲等新 兴市场也展现出需求的快速增长。全球风电市场正迈入持续成长的平价道路。根据 GWEC 预计，至 2026 年全球风电新增装机总量有望超 550GW，年均新增超 110GW， 2022—2026 年的年均复合增长率（GAGR）有望达到 6.6%。根据《“十四五”可再 生能源发展规划》，到 2025 年可再生能源年发电量预计可达 3.3 万亿 kW·h 左右， 风电和太阳能发电量较 2020 年实现翻倍，5 年年均复合增速达到 15%，海上风电行 业也预计迎来大规模快速发展。

风电机组大型化发展是降低度电成本最有效的途径，更大的风轮和更高的轮毂 高度能使机组在风速较低的地区捕获更低的风能，在机组功率提升的同时大幅增加 年有效利用小时数。 随着平价大基地项目、分散式风电项目的需求增加，对机组的风资源利用率要 求提高，陆上风机已经逐步由 2～3MW 时代迈入 4～7MW 时代，海上风电领域大兆 瓦机型发展更加迅速。到2021 年，中国陆上风电主流投标机型已经提高到 6～7MW， 陆上风电机组平均单机容量达到 3.1MW；海上主流投标机型达到 9～10MW（最大 的已超过 13MW），海上风电机组平均单机容量达到 5.6MW。随着风电机组向大功 率化发展，作为捕获风能核心部件的叶片长度也在快速增加。目前，百米级超大型 海上叶片已成为各大叶片厂商的开发重点，目前国内最新下线的叶片长度已达 122m， 适配机组功率达 13.6MW。

碳纤维在风电叶片中的主要应用部位为主梁，与同级别的高模玻纤主梁叶片相 比，采用碳纤主梁设计的叶片可实现减重 20%～30%。以 122m 长叶片为例，叶片重 量的减轻可以大幅降低因自重传递到主机上的载荷，进而可以减少轮毂、机舱、塔 架和桩基等结构部件 15%～20%的重量，有效降低风机 10%以上的整体成本。随着碳纤维叶片强度和刚度的提升，可以减少叶片在运行时的动态变形，有效改善叶片 的空气动力学性能，提升风轮的发电效率。因此，通过应用碳纤维叶片降低对轮轴 和塔架的负载，风机的输出功率更加平稳均衡、运行效率更高，且碳纤维复合材料 的抗疲劳性能较好，通过后评估还可以延长叶片的生命周期，降低日常维护费用等 综合成本。 根据美国 Sandia 国家实验室 2016—2017 年的研究预计，2021 年碳纤维主梁叶 片主要应用在 3～5MW 和 8～10MW 功率的机型上，其中 10MW 以上机型 100%使 用碳纤维主梁。该实验室同样预计对随叶片长度增加碳纤维主梁叶片占比的也会上 升，当叶片长度大于 70m 时，碳纤维的渗透率达到 55%，随着叶片向大型化发展， 叶片的平均长度大概率超过 90m 甚至 100m，碳纤维的渗透率预计进一步提高，这 为碳纤维提供了广阔的市场空间。

目前国内风电方面对碳纤维的需求占到总需求量的 36%，是碳纤维的最主要下 游应用。碳纤维复合材料主梁的成型工艺主要有碳纤维织物真空灌注、预浸料成型 和拉挤板真空灌注 3 种。碳纤维复合材料主梁真空灌注和预浸料成型工艺在叶片中 应用较早，且技术较为成熟；随着叶片大型化对重量的要求越来越高，采用真空灌 注和预浸料成型技术成型的碳纤维复合材料力学性能偏低，成型过程复杂效率较低， 材料和成型成本都偏高，已不能满足后期叶片发展的需求，拉挤成型已经成为主流 工艺。 维斯塔斯在 20 年前对其拉挤板主梁工艺进行了专利保护，并从 2015 年开始将 碳纤维主梁拉挤工艺应用于叶片上，该工艺先将碳纤维制成拉挤板材，然后将其组 合固定在蒙皮上成为叶片主梁。这种设计理念是把预制成型的灌注主梁拆分为高效、 低成本、高质量的标准化拉挤片材，将片材一次组装整体成型。该工艺的优点主要 体现在 4 个方面：（1）拉挤工艺大幅提升了碳纤维的体积含量（可提升至 70%左右）， 可有效减少材料用量而降低主梁重量；（2）标准化拉挤片材大大提高了生产效率， 可以保证产品性能的一致性和稳定性，适合大批量生产；（3）拉挤板长度和宽度可 定制化，材料利用率高；（4）综合成本明显降低，减少了编织和预浸工序，在主梁 成型时还减少了主梁模具的投入，大大降低了运输成本和组装整体成型的生产成本。

维斯塔斯开发出碳纤维拉挤工艺主梁后，在风电叶片上开始了大规模批量应用，新 开发的 2.0 MW 以上叶片均使用碳纤维复合材料，极大地推动了碳纤维在风电领域的 应用。以 2021 年为例，风电的碳纤维用量为 3.3 万吨，占全球所有碳纤维应用领域 的 33%，仅维斯塔斯的用量就在 2.5 万 ～2.8 万吨左右。

小丝束碳纤维虽然力学性能优异，但长期受到成本和产能因素的制约，难以在 风电叶片等领域实现推广应用。大丝束（48K）碳纤维最大的优势就是成本低和生产 效率高，可打破碳纤维高昂价格带来的应用局限。拓展碳纤维复合材料的应用途径 是市场发展的重要趋势，而大丝束碳纤维高速发展也恰恰得益于全球风电用复合材 料叶片的快速增长。目前风电叶片用碳纤维供应商主要为日本东丽旗下的 Zoltek（卓 尔泰克）、日本三菱（Mitsubishi）、德国 SGL（西格里）、中国台湾台塑（Tairylan） 以及土耳其 DowAksa。其中，除 DowAksa 生产的碳纤维为小丝束外，其他几家生产 的均为大丝束碳纤维。目前卓尔泰克和德国西格里公司是目前世界上最主要的风电 大丝束碳纤维生产企业。 2021—2025 年期间全球风电叶片对碳纤维需求预计依然强劲，2021 年为 3.3 万 吨预计到 2025 年可超过 8 万吨，这对低成本碳纤维尤其是大丝束碳纤维提出了较强 需求。国内的中复神鹰、精功和恒神股份等企业经过近些年的不断努力，开发出了 风电叶片用的 24K、25K 碳纤维并有一定规模应用。国内外风电叶片用碳纤维性能 基本处于东丽公司 T300 级、T700 级碳纤维水平。总体上来看，国产碳纤维在性能、 质量、生产效率提升和成本降低方面还有较大的进步空间。随着维斯塔斯的专利到 期，以及国内各厂商超大叶片的开发增长，拉挤成型工艺的渗透率会继续提升，碳 纤维拉挤板材预计逐渐成为主要的叶片主梁材料。

储氢瓶中Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶涉及碳纤维应用，国外的Ⅳ型瓶在汽车领域已经成功 商用。目前高压储氢气瓶主要分为Ⅰ型瓶、Ⅱ型瓶、Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶，其中Ⅱ型瓶、 Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶为纤维复合材料缠绕气瓶，Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶是纤维复合材料缠绕制 造的主流气瓶，主要由内胆和碳纤维缠绕层组成。Ⅲ型瓶的内胆为铝合金，Ⅳ型的 内胆为聚合物。纤维复合材料则以螺旋和环箍的方式缠绕在内胆的外围，以增加内 胆的结构强度。国外的Ⅳ型瓶在汽车领域已经成功商用。

在“十四五”规划中，氢能作为前沿科技和产业变革领域，首次在“五年规划” 中被提及。规划指出，“十四五”期间要组织实施氢能产业孵化与加速计划，谋划布 局一批氢能产业。在科教资源优势突出、产业基础雄厚的地区，布局一批国家氢能 产业技术研究院，加强前沿技术多路径探索、交叉融合和颠覆性技术供给。多年来国家层面持续出台支持政策，各地方政府也出台了相关产业政策支持氢能源以及燃 料电池汽车发展。目前，我国各省市大量氢能源相关政策是以新能源汽车政策与环 保政策的形式发布，但已有北京、天津、山东、四川等地正在或已经制定氢能源产 业专项政策和规划。预计随着国内氢能源行业的持续发展，由储氢瓶带来的碳纤维 需求会同步产生大幅提升。