新能源风电行业专题（二）：叶片产品升级，碳纤维替代进行时
深度报告——新能源风电 新能源风电行业专题（二） ——叶片产品升级，碳纤维替代进行时 报告日期：2022年12月16日 ★风电叶片产品升级，碳纤维需求放量增长 随着全球风电加速装机，叶片的产品升级趋势明确，碳纤维凭借优异的性能形成材料替代。2021年我国风电叶片碳纤维需求量在3.3万吨，预计2025年需求将达到8.05万吨，CAGR为20%。 ★产能利用率仍偏低，国产替代趋势明确 2022年国内碳纤维总产能7.47万吨，预计到2025年我国碳纤 维产能或将达到15万吨。现有产能面临着高端产能不足，产 行能利用率低下的问题，落后产能面临出清。21年碳纤维进口 业依存度为53.1%，国内头部企业纷纷扩产，随着产能落地未来三年进口依存度将进一步下降。 研★碳纤维降本之路，道阻且长 究 风电叶片碳纤维主梁的应用成本仍然较高，仅从材料成本考 虑，给陆上风机和海上风机分别增加4.2%和1.1%的材料成本；从风机20年完整生命周期考虑，陆风碳纤维成本增加 1.6%，海风基本平价。经测算，当碳纤维价格为玻纤6倍时有望形成大规模替代。碳纤维价格降低有几个关键驱动因素，通过改进原丝及碳纤维的生产工艺，生产设备国产化，扩大单线产能，产业链的一体化进行降本。 ★投资机会 叶片碳纤维材料替代背景下，工业应用场景逐渐打开，国产大丝束原丝技术壁垒较高，将维持供不应求的局面，原丝龙头吉林碳谷成本控制能力最优，产线规模效应凸显，建议关注；碳纤维降本背景下，碳化炉，氧化炉等关键设备国产化需求明确，精工科技具有全国产化碳纤维生产线供应能力，有望受益。 ★风险提示 原材料价格波动；碳纤维降本不及预期；风电装机不及预期；模型计算具有主观性 曹洋首席分析师（有色金属）从业资格号：F3012297 投资咨询号：Z0013048 Tel:8621-63325888-3904 Email:yang.cao@orientfutures.com 联系人李烁 从业资格号：F03107615Tel：8621-63325888 Email：shuo.li@orientfutures.com 重要事项：本报告版权归上海东证期货有限公司所有。未获得东证期货书面授权，任何人不得对本报告进行任何形式的发布、复制。本报告的信息均来源于公开资料，我公司对这些信息的准确性和完整性不作任何保证，也不保证所包含的信息和建议不会发生任何变更。我们已力求报告内容的客观、公正，但文中的观点、结论和建议仅供参考，报告中的信息或意见并不构成交易建议，投资者据此做出的任何投资决策与本公司和作者无关。 有关分析师承诺，见本报告最后部分。并请阅读报告最后一页的免责声明。 目录 1、风机降本趋势明确，叶片面临产品升级4 1.1、3MW以上风机占比明显提高4 1.2、叶轮直径升级，主流或达160米以上4 2、玻纤材料瓶颈凸显，碳纤维叶片迎来机遇5 2.1、增强材料在叶片中的应用6 2.2、风电增强材料：玻纤vs碳纤维性能对比7 2.3、性能优势：碳纤维替代必要性8 3、风电叶片碳纤维替代的可行性9 3.1、碳纤维主梁与玻璃纤维主梁成本比较9 3.1.1、单MW叶片碳纤维用量测算9 3.1.2、碳纤维替代给叶片带来成本增加9 3.2、风电全生命周期角度下碳纤维替代成本11 3.2.1、风机减重的材料成本11 3.2.2、运输安装成本降低12 3.2.3、风机运营维护成本降低13 3.3、碳纤维全面替代的降本要求13 4、碳纤维的降本途径13 4.1、碳纤维供需格局16 4.1.1、供给端：国内企业纷纷扩产，进口依存度有望降低16 4.1.2、需求端：风电引领需求旺盛，大丝束产品供不应求18 4.2、碳纤维降本空间18 4.2.1、生产工艺进行改进，降低能耗成本18 4.2.2、生产设备国产化替代19 4.2.3、头部企业继续扩产，提升规模效应19 4.2.4、整合产业上下游，产业链一体化20 5、总结20 6、风险提示20 图表目录 图表1：2015-2021年金风科技风机分机型销售占比4 图表2：2011-2021年中国风机平均单机容量4 图表3：2008-2020年中国风电平均叶轮直径5 图表4：各主机厂叶轮直径不完全统计5 图表5：风电叶片横截面结构图6 图表6：风电叶片结构示意图6 图表7：风电叶片材料成本构成6 图表8：碳纤维vs玻璃纤维材料性质对比7 图表9：碳纤维拉挤工艺生产线8 图表10：碳纤维主梁占比随叶片长度变化8 图表11：碳玻混杂主梁截面图9 图表12：迎风面碳纤维主梁9 图表13：玻纤和碳纤维在57m叶片上使用成本比较10 图表14：碳纤维替代成本测算11 图表15：7款机型叶片与机舱重量对比11 图表16：材料减重成本测算12 图表17：国产T300碳纤维价格走势14 图表18：中复神鹰碳纤维材料成本构成14 图表19：国内原丝企业产能15 图表20：不同原丝产能溶剂回收率15 图表21：两步法与一步法工艺对比16 图表22：中国碳纤维企业理论产能16 图表23：中国碳纤维扩产计划17 图表24：2015-2021年中国碳纤维供给量17 图表25：碳纤维进口依存度17 图表26：2021年全球碳纤维需求量18 图表27：2021年中国碳纤维需求量18 图表28：聚丙烯腈基碳纤维生产流程图19 图表29：不同规模原丝和碳纤维生产成本构成20 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。 图表1：2015-2021年金风科技风机分机型销售占比图表2：2011-2021年中国风机平均单机容量 资料来源：公司公告，东证衍生品研究院资料来源：CWEA，东证衍生品研究院 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。 图表3：2008-2020年中国风电平均叶轮直径 资料来源：CWEA，东证衍生品研究院 图表4：各主机厂叶轮直径不完全统计 叶轮直径（米） 金风科技 明阳智能 运达股份 东方电气 1.5MW以下 82 70-89.1 2.XMW 121-150 87-121 103-147 108-141 3.XMW 140-150 112-135 140-172 155-165 4.XMW 136-191 145-156 147-185 148-172 6.XMW 165-191 158-178 172-185 8.XMW 175-182 186 资料来源：公司官网，东证衍生品研究院 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。 图表5：风电叶片横截面结构图图表6：风电叶片结构示意图 资料来源：东证衍生品研究院资料来源：东证衍生品研究院 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。 图表7：风电叶片材料成本构成 资料来源：《复合材料结构设计对风电叶片成本的影响》 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。 图表8：碳纤维vs玻璃纤维材料性质对比 材料名称 密度（g/cm3） 拉伸强度（MPa） 拉伸模量（GPa） 价格（元/吨） T300碳纤维 1.76 3530 230 120000 T700碳纤维 1.8 4900 230 200000 高模量玻璃纤维 2.54 2800 86 12000 资料来源：公开资料整理，东证衍生品研究院 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。 图表9：碳纤维拉挤工艺生产线 资料来源：《风电碳纤维拉挤大梁拉挤成型生产工艺介绍》 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
