碳纤维分类、需求、应用优势及产能情况如何？

风电行业碳纤维需求快速提升。

1.碳纤维性能优异，风电叶片为主要应用场景之一

碳纤维是一种丝状碳素材料，力学性能优异。碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维，含 碳量在 90%以上，以丙烯腈为原料经聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝，再由产 业链中下游企业经过预氧化、低温和高温碳化而成。碳纤维比重不到钢的 1/4，而抗拉强 度是钢的 7-9 倍，同时还具有轻质、高强度、高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、疲劳等优 异特性，通常与树脂、金属、陶瓷等复合后形成先进碳纤维复合材料，在工业领域，风光 发电、新能源汽车的轻量化，航空航天、压力容器、氢能利用等重点领域的应用十分广泛。 碳纤维可根据原丝类型、丝束规格以及力学性能等方面进行分类。

碳纤维根据制造原料不同可以分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基、沾胶基、酚醛基等。其中聚丙烯腈（PAN）基 碳纤维占全球高性能碳纤维的 90%以上，具备品质优异、生产难度较小的特点。根据丝束 规格分类，可分为小丝束与大丝束，一般将丝束数量小于 24K 的碳纤维称为小丝束，主要 用于国防军工、航空航天等高端技术领域，产量低、成本高，价格高，被称为“宇航级材 料”；24K 及以上的为大丝束，广泛用于纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和 能源等工业和民用领域，成本低，但生产控制难度大，被称为“工业级材料”。大丝束纤 维有望依赖其高性能的特质通过降本进一步对民用、工业领域进行开拓。

风电叶片为大丝束碳纤维主要应用领域，航空航天为小丝束碳纤维主要应用领域。根据 《2021 全球碳纤维复合材料市场报告》，从全球范围需求来看，2021 年碳纤维需求总量 在 11.8 万吨左右，其中风电叶片所需要的大丝束碳纤维占比达 28%，约为 3.3 万吨，为 以重量计算需求最高的下游应用领域。以价值量计算，因小丝束碳纤维在生产难度上高于 大丝束碳纤维，其价格也较大丝束碳纤维价格更高，航空航天领域所需的小丝束碳纤维 21 年需求价值量达 11.88 亿美元，占比达 34.9%。

Vestas 碳纤维主梁专利到期，国产碳纤维叶片有望量产。2002 年 Vestas 分别向中国、 丹麦等知识产权局申请了以碳纤维条带为主要材料的风力涡轮叶片的相关专利。该专利目 前已于 2022 年 7 月 19 日到期，有望进一步拉动风电叶片及主机厂商对碳纤维的需求， 国产碳纤维叶片推广不再受限。目前国外厂商西门子-歌美飒、GE-LM、Nordex 等目前均 在新的机型中采用了碳纤维拉挤板制造与测试样机。国内风电企业暂时因碳纤维成本较高 多处于样机验证阶段，但风机大型化，风电叶片使用碳纤维趋势不可逆，国内风电企业测 试完成后国内碳纤维需求即将放量。

2.大丝束碳纤维提升风电叶片性能，“十四五”期间风机碳纤维需求高

预计 23 年风电装机量快速增长。预计 22 年国内风电装机 35GW，同比-26%，其中陆上 30GW，同比-17%，海上 5GW，同比-55%。23 年国内风电装机 71GW，同比+103%， 其中陆上 60GW，同比+100%，海上 11GW，同比+120%。22-25 年国内陆上风电新增装 机复合增速有望达+39%，海上风电新增装机复合增速有望达+59%。

风机大型化趋势明显，叶片长度、重量随之升级。受风电平价上网所带来的成本压力影响， 风机大型化趋势明显，陆上风机规格目前已经达到了 3-4MW 左右，海上风机目前规格已 经在 8MW 左右。相应的风电叶片长度也随之增长，3-4MW 陆上风机对应叶片长度在 60 米左右，8MW 左右功率的海上风机叶片长度也在 80-100 米左右的区间内。预计至 2025 年海上风机功率将达 16MW 左右，相应风电叶片的长度、重量都将随之迅速增大，对于 大型叶片的制造技术要求迅速提升。

风电叶片长度与重量的升级提升了叶片性能要求。当叶片长度增加时，叶片重量也同步增 加并且快于能量的获取，叶片长度的增加也对叶片材料的强度、刚性等性能都提出了要求。 当叶片重量增加，共振问题便会出现，即叶片重量的增加大于刚度的增加，导致叶片固定 频率下降，容易发生共振，造成结构破坏；与此同时，叶片变长，使叶根受到反复交替的 荷载增加，容易造成叶根疲劳失效。如要同时满足重量及性能的要求，最有效的办法是采用 碳纤维负荷材料，因此，碳纤维在风电行业中的使用势在必行。

风机功率 9MW 可被视作碳纤维需使用于风机叶片主梁的临界值。9MW 风机叶片长度一 般在 100 米左右，这时对叶片重量、性能的要求将明显提升，碳纤维需要作为风电叶片的 主要材料之一，风电叶片主梁将全部使用碳纤维作为制作材料。因碳纤维价格上高于玻璃 纤维，其他主体部分将使用碳纤维与玻璃纤维的负荷材料进行制作，达到在提升性能的同 时兼具性价比的效果，以最节省成本的方式提升叶片的性能。

碳纤维应用于风电叶片各项优势明显。碳纤维的主要应用优势包括（1）在提升叶片刚度 的同时减轻叶片重量。碳纤维密度较玻璃纤维减少 30%，但强度增大了 40%左右，在风 电叶片中采取碳纤维材料大幅减少了叶片的总质量，重量所带来的共振问题也得到了解决。（2）叶片的抗疲劳性能大大提高。由于风力资源受地理位置因素影响，风机通常在风力 较大的恶劣环境中工作，要承受太阳、霜冻、雷电等负面影响。当碳纤维与树脂材料混合， 能够使风机较好的适应恶劣气候。（3）风能利用效率提升。由于使用碳纤维制作的叶片在 重量和刚度方面都有所改善，随之对塔和轮轴的负载也相应降低，风机的输出功率也更加 平滑和均衡，风能利用效率也随之提升。 碳纤维应用于风电叶片的主要劣势在于高昂的价格。碳纤维不但其本身的制作成本更高， 同时将其制作成为风电叶片需要的不锈钢模具进一步提高了成本，综合使用价格将是玻璃 纤维的 10 倍左右，这也导致只有使用于大型风机才能有效摊薄其单位成本。

风机大型化及碳纤维渗透率提升是预测未来风机碳纤维需求的主要因素。由于海上风机大 型化较陆上风机更为明显，未来也将为成为大丝束碳纤维的主要需求点。我们预计 2022-2025 海上风机新增装机平均单机容量分别为 8/10/12/15MW，对应平均叶片长度分 别为 90/110/120/140 米；以新增海上风电新增装机容量及 100 米风电叶片所需碳纤维量 13吨进行计算，22-25年国内海上风机叶片碳纤维总使用量将达0.07/1.26/1.82/2.43万吨； 海外海上风机叶片碳纤维总使用量将达 0.26/0.92/1.43/1.82 万吨。由于国外碳纤维于风电 行业渗透率更高，部分陆上大型风机也使用碳纤维叶片，海外陆上风机 22-25 年可贡献 0.94/1.71/3.71/4.83 万吨碳纤维需求。综合来看 22-25 年国内外风机叶片碳纤维总使用量 将达 1.27/3.88/6.96/9.07 万吨。 预计 22-25 年碳纤维价格将分别为 14/13/12/12 万元/吨，计算可得 25 年总风机碳纤维市 场空间可达 109 亿元，22-25 年间市场空间 CAGR 达 82.28%。

3.碳纤维国产化趋势明显，国内产能逐步释放

目前主要产能集中在中国大陆、美国和日本。根据《2021 全球碳纤维复合材料市场报告》， 在运行产能口径下，2021 年全球碳纤维运行产能约为 20.76 万吨。从区域角度来看，中 国大陆是产能最多的区域，运行产能达6.34万吨，占2021年全球碳纤维运行产能的30.5%； 美国位居第二，运行产能为 4.87 万吨，占比为 23.5%；日本位列第三，运行产能为 2.5 万吨， 占比为 12%。

2021 年，全球范围内碳纤维产能前五大公司分别为日本东丽（包括收购的美国卓尔泰克 Zoltek)产能 5.75 万吨、吉林化纤集团产能 1.6 万吨、美国赫氏 HEXCEL1.6 万吨、日本 东邦 Toho1.45 万吨、日本三菱丽阳 MRC1.43 万吨，共计 11.83 万吨，CR5 达 57%。国 内产能主要由吉林化纤、中复神鹰、宝旌碳纤维、新创碳谷贡献，占比分别达 25%/18%/17%/9%，CR4 达 69%，行业集中度较高。

我国碳纤维产业链完备，各环节已实现产能覆盖。我国目前具有完整的碳纤维产业链，从 上游的丙稀晴到中游的原丝、碳丝、复材，再到下游的碳纤维应用环节，我国都有具备实 力的上市公司进行覆盖，在制造设备方面也实现 90%以上的国产化率，随着国内碳纤维产 能的扩张以及下游的高需求拉动，碳纤维有望实现国产化超车。

国内碳纤维产能扩张迅速，未来我国碳纤维有望实现全面自供。近年来我国碳纤维原丝及 碳纤维扩张速度明显加快。

原丝产能方面，吉林碳谷为目前国内绝对龙头企业。2021 年碳纤维原丝行业市场占 有率约为 50%，至 22 年底可拥有 11 万吨原丝产能，也是目前我国唯一通过大部分 风电企业认证的碳纤维原丝生产商。目前其他主要生产商包括中复神鹰、江苏恒神、 威海光威等，仅看头部几家企业，目前我国拥有至少 16.5 万吨原丝产能。根据各企 业扩产计划，至 2025 年可拥有 51.4 万吨原丝产能，22-25 年产能 CAGR 可达 46%。

碳丝方面，“吉林系”产能扩张迅速。目前“吉林系”共有用约 3.8 万吨碳纤维产能， 其他头部企业包括中复神鹰江苏恒神等，头部企业 22 年共有碳丝产能 6.26 万吨。根 据各企业扩产计划，至 25 年“吉林系”可拥有约 9.7 万吨碳纤维产能，头部企业将 共拥有约 20.4 万吨碳丝产能，22-25 年产能 CAGR 达 48%。根据《2021 全球碳纤 维复合材料市场报告》，2021 年中国碳纤维总需求为 62,379 吨，其中，进口量为 33,129 吨（占总需求的 53.1%，比 2020 增长了 9.2%），国产纤维供应量为 29,250 吨（占总需求的 46.9%，比 2020 年增长了 58.1%），国产供应量增长迅速。

碳纤维复材产能较为分散，集中度较原丝和碳丝环节较低。较为头部的两家企业为江 苏奥盛和威海光威，22 年产能预计分别为 1.2/0.6 万吨，吉林化纤 23 年预计将有 1.2 万吨碳纤维复材产能投产。 在大丝束碳纤维下游需求持续提升、市场空间不断扩大的背景下，我国碳纤维产能提升迅 速。国内各家龙头企业产能的提升有助抢占国内碳纤维市场份额，实现我国碳纤维环节的 国产替代。