基础化工：海上风电材料系列报告之三-风电主导，各领域多点开花，碳纤维行业迎发展良机

碳纤维性能优异，技术壁垒高筑。碳纤维是新一代增强纤维，耐高温、耐摩擦、导电、导热、耐腐蚀，力学性能优异，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，但存在配方、工艺及工程三大壁垒，突破难度依次提升。小丝束碳纤维性能优异但价格较高，一般用于航天军工等高科技领域，以及体育用品中产品附加值较高的产品类别。在国际碳纤维产业发展初期主要以小丝束、高强度路线为主。大丝束碳纤维的性价比更具优势，制备成本及售价更低，主要运用于基础工业领域，包括土木建筑、交通运输和新能源装备等。目前大丝束产品技术不断突破，部分产品的性能已经接近小丝束碳纤维，应用领域不断拓宽。 碳纤维产业链较为复杂，丙烯腈为主要原材料，其进口依存度逐步下降。完整的聚丙烯腈基碳纤维产业链包括从原油开采加工到终端工业品应用的七大环节，上游紧密承接石化行业，以丙烯腈为核心原材料。中国丙烯腈进口依存度长期保持在28%以上，2016年以来随着斯尔邦丙烯腈装置的投产，进口依存度有所下降，但依旧有一定的国产替代空间。我国丙烯腈产业国产替代步伐不断加快，产能供应持续发力。 风电领航，下游多元应用市场蓬勃发展助力碳纤维需求高增。我国碳纤维行业下游风电叶片领域发展势头强劲，预计2025年我国风电领域碳纤维的需求量将达6.06万吨。碳/碳复材受益于光伏行业景气度提升，预计2025年我国新增光伏装机量将对应新增0.74万吨碳/碳复材需求量。航空航天产品附加值最高，需求因疫情好转将稳步恢复。随着体育产业的蓬勃发展，体育休闲领域对碳纤维的需求还将稳步上升。汽车车体轻量化有助于节能减排，电池轻量化能够提升汽车的动力性能和续航里程，未来汽车用碳纤维需求有望大幅提振。氢能行业快速发展，氢燃料电池汽车的高速发展有望大幅提振储氢罐用碳纤维需求。 我国碳纤维行业市场集中度较高，“有产能而无产量”现象逐步改善。我国现有超过30家碳纤维企业，但大部分企业规模较小，单线名义产能仅为百吨级，仅头部企业开工率较高。目前我国碳纤维行业产能的CR5约为85%。头部企业主营细分市场有所区别，中简科技主营小丝束碳纤维，主要应用于军备、航空航天等高端精密领域，光威复材的主营产品军民两用，应用范围较广，而吉林碳谷则主营原丝。近年来我国碳纤维企业有效产能快速扩张，行业长期以来“有产能而无产量”的现象有所改善，产能利用率提升明显。 投资建议：碳纤维行业高景气，下游风电行业打开未来需求空间，关注碳纤维生产企业及其上游原丝生产的头部企业。重点推荐：上海石化（A+H）、吉林化纤、吉林碳谷。建议关注：光威复材、中复神鹰。 风险分析：弃风率回升、风电项目改造与推进不及预期、下游需求不及预期。 投资聚焦 碳纤维是一种含碳量高于90%的无机高性能纤维，力学性能优异，且耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀。20世纪70年代以后，碳纤维凭借其优异的性能在下游产业中迅速商业化；进入21世纪，碳纤维更是广泛应用于新能源装备、工业机器、建筑和汽车等多个领域，成为当今世界不可或缺的战略性新材料。 随着我国碳纤维生产技术的不断突破，碳纤维国产替代驶入快车道。未来以风电叶片为代表的下游多元应用市场将大幅驱动碳纤维需求放量，体育休闲、航空航天、光伏碳/碳复材、汽车、储氢瓶等应用市场蓬勃发展将进一步提振需求。 我们的创新之处 我们对碳纤维在风电、碳/碳复材、航空航天、体育休闲、汽车、储氢瓶等多个领域的需求进行了分析，并针对部分应用领域进行了需求测算。 在风电叶片领域，假设2021-2025年间我国陆上新增风电装机量的CAGR为10%，海上风电新增装机量沿用我们在2021年11月所发布的《“十四五”海上风电装机量超预期，风电材料迎来景气周期——海上风电材料动态跟踪报告之一》的测算数据。假设碳纤维的重量占主梁总重的60%，风机主梁结构质量占叶片质量的50%。预计2025年我国风电领域碳纤维的需求量将达6.06万吨。 在碳/碳复材领域，我国光伏新增装机量从2020年的48.2GW增长至2025年的110GW，假设单位装机容量碳碳复材用量年均增长率为10%，2025年新增的光伏装机量将对应新增0.74万吨碳碳复材需求量。在航空航天领域，碳纤维的需求来自新研制的飞机中碳纤维复合材料的应用占比不断提升和新增的飞机订单。在体育休闲领域，随着我国体育产业整体市场规模的稳步增长，高性能碳纤维体育用品有望迎来更多市场机遇。在汽车领域，2020年10月，中国汽车工程师学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图(2.0版)》明确了到2035年燃油乘用车整车轻量化系数降低25%、纯电动乘用车整车轻量化系数降低35%的目标，有望大幅提振汽车用碳纤维需求。在储氢瓶领域，中国氢能联盟在《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019版）》中预测，至2025年我国燃料电池车销量将达5万辆/年，从而带动应用于压力容器的碳纤维需求量的提升。 股价上涨的催化因素 1）大小丝束技术的重大突破能够推动碳纤维行业的发展，并进一步拓宽下游的应用领域。2）碳纤维及上游原丝产品价格上涨，增厚公司业绩；3）碳纤维及上游原丝产品生产企业规划的产能正式落地，业绩迎来释放期。 投资建议 风电叶片是碳纤维下游需求增长最快的领域，随着风电叶片大型化和轻量化、风电机组装机量稳步增加、“十四五”期间海上风电装机量有望超预期，未来风电领域的碳纤维需求增长可观。且航空航天、光伏碳/碳复材、体育休闲、汽车、储氢瓶多领域的发展进一步提振碳纤维需求。具备碳纤维及其上游原丝生产线的头部企业将率先获益。重点推荐：上海石化（A+H）、吉林化纤、吉林碳谷；建议关注：光威复材、中复神鹰。 1、碳纤维——备受瞩目的轻量化材料 1.1、“黑金”——潜力深厚的材料明星 碳纤维属于新一代增强纤维，百年发展铸就高技术壁垒 碳纤维（Carbon Fiber）是由有机纤维在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构，含碳量高于90%的无机高性能纤维，具体含碳量随种类不同而不同。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，一方面其具有碳材料的固有本性特征，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，另一方面其又兼备纺织纤维的柔软可加工性，属于新一代增强纤维。 回顾碳纤维技术百余年的发展历史，碳纤维材料的研发初期进展缓慢，成果寥寥，但中期取得重大技术突破后便迎来了快速发展期。碳纤维最早萌芽于1880年爱迪生等人发明的碳丝，直至20世纪中期高性能碳纤维才正式在美国问世。 20世纪70年代以后，碳纤维凭借其优异的性能在下游产业中迅速商业化，更多企业尝试将碳纤维应用于体育休闲、航空航天产业，获得了良好的市场反响。进入21世纪，碳纤维更是广泛应用于新能源装备、工业机器、建筑和汽车等多个领域，成为当今世界不可或缺的战略性新材料。 表1：碳纤维的发展简史 碳纤维性能优异，下游应用场景多元 在力学性能方面，碳纤维较金属、塑料和玻璃纤维有更高的拉伸模量和拉伸强度，其拉伸模量一般是玻璃纤维的3倍、钛合金的2倍，拉伸强度至少是铝合金的9倍、钢材的6倍。同时，碳纤维的密度仅约为钢的25%，钛合金的40%。 因此碳纤维属于性能优越的轻量化材料，将其应用在风电、航空航天等领域中不仅可以提升产品的强度，还可以实现显著的减重。 表2：碳纤维与传统材料性能对比 在极端环境的适应力方面，碳纤维同样有出色的性能表现。碳纤维耐超高温，非氧化气氛条件下可在2000℃时使用，在3000℃的高温下不会发生熔融软化。 碳纤维也耐低温，在-180℃低温下钢铁会变得比玻璃脆，而碳纤维依旧具有弹性。 此外，碳纤维耐浓盐酸、磷酸等介质侵蚀，耐腐蚀性超过黄金和铂金，同时也拥有较好的耐油性能。碳纤维还具有热膨胀系数小、导热系数大的特征，可以耐急冷急热，即使从3000℃的高温突然降到室温也不会炸裂。 优异的力学性能加之出色的环境适应力，使碳纤维成为众多生产、生活领域不可替代的新材料。比如，以碳纤维增强材料的树脂基复合材料（CFRP）既能应用于宇宙飞行器等尖端领域，也在风电叶片、体育休闲和建筑结构补强等方面发挥了重要作用。碳/碳复合材料（碳纤维及其制品制成的增强复合材料，C/C）以其低密度、耐烧蚀、高导热的优异性能在导弹、火箭、航天飞机等产品中得到了有效运用。伴随着社会经济的发展，碳纤维的应用场景有望持续拓宽，市场潜力有望进一步提升。 表3：碳纤维复合材料性能及对应使用场景 碳纤维分类标准多样，大小丝束碳纤维技术逐个突破 碳纤维可以根据原丝类型、力学性能和单丝数量进行分类。 依据原丝类型的不同，碳纤维可以分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。聚丙烯腈基碳纤维成品性能优异，工艺简单，是碳纤维市场的主力产品，在世界碳纤维总产量中的占比约为90%；沥青基碳纤维虽然原料来源丰富，但产品性能较差，目前应用规模较小；粘胶基碳纤维技术难度大，制备成本高，但具有耐高温的性能，主要用于耐烧蚀材料等领域。 表4：不同原丝碳纤维特点比较 依据拉伸强度和拉伸模量两大力学性能指标，碳纤维可以分为通用型碳纤维（强度在1000MPa、模量在100GPa左右）和高性能型碳纤维。而高性能型碳纤维又分为高强型（拉伸强度大于2000MPa）和高模型（拉伸模量大于300GPa），其中拉伸强度大于4000MPa的称作超高强型，拉伸模量大于450GPa的为超高模型。碳纤维在应用时多是作为增强材料而利用其优良的力学性能，因而在实践中拉伸强度及模量是国际碳纤维分类的主要标准，多采用日本东丽（TORAY）的分类法。 表5：国际碳纤维分类法 按照每束碳纤维中的单丝根数，碳纤维可以分为小丝束和大丝束两大类别。 一般按照碳纤维中单丝根数与1000的比值命名，例如，12K指单束碳纤维中含有12000根单丝的碳纤维。 通常将24K及以下型号的碳纤维归为小丝束。小丝束碳纤维早期以1K、3K、6K等型号为主，而后逐渐发展出12K和24K的品种。小丝束碳纤维性能优异但价格较高，一般用于航天军工等高科技领域，同时产品附加值较高的体育用品中也有所使用。小丝束碳纤维常见的下游产品包括有飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。一般48K及以上型号的碳纤维属于大丝束，包括48K、50K、60K等型号。早期大丝束碳纤维产品性能与小丝束差距较大，没有得到广泛运用，但临近21世纪大丝束碳纤维技术取得重大突破，拉伸强度可达到3600 MPa，随后大丝束产业迎来了高速发展期，生产成本和售价也不断降低。2020年国际市场大丝束碳纤维的售价约为13.5-14.5美元/千克，而小丝束碳纤维的售价则约为20-22美元/千克。大丝束产品往往运用于基础工业领域，包括土木建筑、交通运输和新能源装备等。 如果以“性能价格比（每美元的拉伸强度和拉伸模量）”这一指标来衡量，大丝束产品通常更具优势。以ZOLTEK的大丝束碳纤维产品PANEX33−48K为例，它每美元的拉伸强度和拉伸模量分别达到205MPa和13GPa；而小丝束碳纤维T300-12K每美元的拉伸强度和拉伸模量仅为107MPa和7GPa。近年来大丝束产品的性能不断提升，性能价格比的优势愈发凸显，应用领域持续拓宽。 在国际碳纤维产业发展初期，由于小丝束碳纤维的性能普遍优于大丝束碳纤维，率先开拓了碳纤维的下游应用场景，因此制备小丝束的生产技术更早成熟，我国碳纤维产业也遵循类似的发展路径。目前我国企业已掌握多种小丝束碳纤维的生产工艺，但在大丝束产品方面起步较晚，产业实力与美国、日本的国际碳纤维巨头仍有一定差距。在攻克大丝束技术难关时，国内企业往往面临缺乏标准、CV值（条干不匀变异系数）不稳定、毛丝占比高和碳化环节毛丝凸显四大挑战。 直到2017年后，吉林碳谷等少数企业才实现了大丝束碳纤维的技术突破。 表6：小丝束碳纤维与大丝束碳纤维特点比较 1.2、产业链及工艺流程 1.2.1、碳纤维产业链全貌一览 图1：碳纤维产业链概览 完整的聚丙烯腈基碳纤维产业链包括从原油开采加工到终端工业品应用的七大环节。详细工艺流程如图2所示。原油经过精炼、裂解等一系列工艺得到丙烯，再通过氨氧化获得丙烯腈，丙烯腈