碳纤维行业深度研究风光氢无人机等领域推升需求

概况:轻量化、高性能、广应用的新型材料

碳纤维具备无可比拟的材料优势,应用领域及产业链覆盖极广

碳纤维是新一代轻量化高性能的军民两用技术密集型材料。碳纤维是单丝直径为 5-10 微米、含碳量高于 90%、由碳主链构成的无机纤维,由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴 方向堆砌并在高温环境下裂解碳化形成,既具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的 柔软可加工性。其优良性能包括低密度、高轴向强度与比性能、高耐化学腐蚀性、无蠕变、 耐高低温、低且各向异性热膨胀系数、耐疲劳等,被誉为 21 世纪的“新材料之王”。

碳纤维大多作为增强材料与基体材料复合后以碳纤维复材的形式应用在轻量化/高强/ 高模/高韧性等领域。与基体材料(陶瓷、金属、高分子等)复合后的碳纤维复合材料克服 了单一组分材料的缺点,提高了整体材料性能,其密度、拉伸强度、拉伸模量、比强度、比 模 量 范 围 分别为 1.5-2g/cm3 、 3500MPa 、 230-430GPa 、 1750-2333MPacm3 /g 、 153-215GPacm3 /g。在相同尺寸的结构件中,用碳纤维分别代替铝/钛/钢将减重约 35%/61%/77%,但其强度却被提高至远高于钢材的水平(碳纤维复材的比强度、比模量分 别是结构钢的 3-9 倍、65-86 倍),因此碳纤维及其复合材料被广泛应运在能源装备、航空 航天、国防军事、土木工程、交通运输、赛车运动以及其他体育休闲等领域中。

 

聚丙烯腈(PAN)基标模碳纤维是市场主流。碳纤维可以按照原丝类型、纤维形态、丝 束规格、生产工艺、力学性能等标准进行分类,其中常用的三大分类维度是原丝类型、丝束 规格和力学性能:1)按照原丝类型可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基、粘胶基等,其中 PAN 基碳纤维因生产工艺简单、原料来源丰富及优越的拉伸强度迅速占据市场(产量占有 率约为 91%);沥青基碳纤维保持约 1000 吨年产量(日、美企业平分秋色);粘胶基碳纤维 基本停产(有可能完全退出碳纤维市场)。2)碳纤维的应用形态是纤维状丝束,按照丝束规 格可分为小、大、巨丝束,以一条丝束内碳纤维单丝的根数进行划分,小丝束碳纤维包括 1K、3K、6K、12K、24K 等型号,大丝束碳纤维包括 48K、60K、80K 等型号(目前小、 大丝束需求相当),巨丝束包括 100K 及以上型号。3)按照力学性能可分为标模(拉伸模量 约 230-265GPa)、中模(拉伸模量约 270-315GPa)和高模(拉伸模量大于 315GPa)。

碳纤维产业链覆盖广,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:上 游企业首先从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制得丙烯,并经氨氧化后得到丙烯腈;丙烯 腈经聚合和纺丝生成原丝之后,通过预氧化、低温/高温碳化等工艺步骤得到碳纤维;碳纤 维可随后被制成碳纤维织物、碳纤维预浸料(中间料)、碳纤维复材制件;产业链下游应用 主要集中在风电、航空航天、体育休闲等领域。从全产业链来看,中游是核心环节,技术、 资金、设备、产品质量门槛高。

碳纤维产业链中游是核心环节,技术、资金、设备、产品质量门槛高

原丝是生产高品质碳纤维的关键,其成本约占碳纤维生产成本的 51%。通常碳纤维的 强度显著依赖于原丝的微观形态结构及其致密性,原丝品质缺陷(表面孔洞、沉积、刮伤以 及单丝间黏结等),在后续加工中很难消除。而原丝成本一般占碳纤维生产成本的 51%左右, 高质量原丝用量与碳纤维产出比约为 2.2:1,有效产率约为 45%,而低质量原丝用量与碳纤 维产出比约为 2.5:1,有效产率仅为 40%。低质量原丝必然增加碳纤维的生产成本,原丝制 备能力将直接影响未来碳纤维的竞争格局。

 

溶液纺丝法是原丝生产的大前提,不同环节多种细分工艺并存。按成纤高聚物的性质不 同,纺丝方法可分为熔体纺丝法和溶液纺丝法(即熔液纺丝法)两大类及非常规的纺丝方法, 但由于聚丙烯腈(即 PAN)在 220-300C 时会软化分解,在熔体纺丝过程中处于不稳定状 态,因此溶液纺丝更适用于碳纤维原丝的生产,即将成纤高聚物溶解在某种溶剂中,制备成 具有适宜浓度的纺丝溶液,再将该纺丝溶液从微细的小孔吐出进入凝固浴或是热气体中,高 聚物析出成固体丝条,经拉伸——定型——洗涤——干燥等处理即可得到成品纤维。在溶液 纺丝法的制造大前提下,按照纺丝溶剂的选择、聚合工艺的连续性、纺丝原液的凝固方式等, 可对溶液纺丝法进一步细分:纺丝溶剂:有机溶剂包括 DMSO(二甲基亚砜)、DMAc(N,N-二甲基乙酰胺)、 DMF(N,N-二甲基甲酰胺);无机溶剂包括 NaSCN(硫氰酸钠)等 ;聚合工艺的连续性:可以分为一步法、两步法来制备纺丝溶液;纺丝原液的凝固方式:干法纺丝、湿法纺丝和干喷湿纺(即干湿法纺丝)。

原丝工艺壁垒在于聚合环节,一步法和两步法各有优缺点。聚合物的分子量及其分布不 仅直接影响纺丝液的流变性和可纺性,还在一定程度上影响 PAN 原丝的性能和质量,具有 较高的分子量以及适合的分子量分布是生产优质 PAN 原丝的基本要求。一步法采用均相溶 液聚合工艺,聚合纺丝一条线,工序较少,操作性强,可控性好,产品起步性能高,但胶状 PAN 不易保存,更适合连续平稳的生产,成本较高。两步法生产工艺额外增加水洗过滤步 骤以去除聚合物中的杂质和各种金属离子,进而提高纺丝原液聚合物分子量和浓度上限,其 粉末状 PAN 纯度较高且储存周期长。两步法聚合工艺可实现连续进料、耗时短,并且由于 聚合釜大(水相反应更均匀)能实现更大的产量,但产品起步性能低。因此,一步法与两步 法不能简单对比评价,聚合工艺的选择需要综合研判。

碳纤维生产流程复杂,技术关键点多,预氧化是核心。碳纤维生产全过程连续走丝,涉 及 3000 多个工艺点,任何一道工序出现些许问题都会影响生产的稳定性和最终产品的质量。原丝到碳纤维制成的中间环节包括预氧化、碳化、石墨化(非必要,制备高模碳纤维的额外 步骤)、表面处理、上浆、烘干等步骤:1)预氧化主要包含 PAN 分子链上的侧基—C≡N 环 化交联过程,即 PAN 分子链由原来的热塑性线形结构转变成非塑性耐热梯形结构,同时抑 制热解小分子的产生以提高碳纤维的性能和碳化收率,保证 PAN 原丝在预氧化过程中形成 合适的环化结构是获得理想碳纤维的最基本因素;此外,预氧化时间占碳纤维总生产时间的 90%左右,极大程度上控制着碳纤维的质量和产量;2)预氧化和后续的碳化/石墨化环节是 制备高性能碳纤维的关键,直接决定碳纤维的强度和模量;3)表面处理影响碳纤维性能的 发挥;4)上浆可形成有机保护层,减少碳纤维起毛断丝现象。

原丝和碳纤维生产设备要求高。原丝到碳纤维生产过程中用到的设备较多,主要有:原 丝设备(聚合釜、喷丝板等)、纺丝设备(碳纤纺丝机、蒸气牵伸机、水洗机等)、预氧化设 备(预氧化炉、前期驱动装置)、碳化炉(分为低温和高温碳化炉,与之配套的是非接触式 迷宫密封装置、加热系统、废气排出和处理系统以及牵伸装置)、石墨化炉等。整体来看,1) 原丝生产设备目前国产化程度低,碳纤维生产设备目前部分厂商仍然使用进口设备,进口设 备与国产设备在 T700 级别性能没有明显差异,真正差距在更高级别;2)原丝单万吨设备 投资为 2.1-2.2 亿,其中聚合釜占 1.5-1.6 亿,碳纤维生产单万吨设备投资(针对风电用碳 纤维)约为 7 亿,其中炉体占 50%;3)设备部分进口、部分国产对产品的一致性有影响, 兼容设计需要运行经验。

 

中游碳纤维制造厂商原丝及碳化工艺指标差距较大,东丽技术领先全行。目前,海内外 碳纤维重点企业均以自制原丝为主,以日本东丽为首的多数企业采用以 DMSO 为溶剂的一 步法聚合工艺。喷丝凝固工艺方面,干喷湿纺法较湿纺存在明显的效率优势,其中日本东丽 的干喷湿纺法纺速领先,达 700m/min,国内企业大多掌握干喷湿纺法,其中光威复材及中 复神鹰原丝纺速可超 500m/min。碳化阶段,国内企业碳化线速约为 10-13m/min,碳化单线 产能最高达 3000 吨/年,接近日本东丽 4000 吨/年的单线产能。成型工艺方面,日本东丽公 司成型工艺储备领先行业,能够根据客户需求开发成型工艺。国内企业对缠绕成型的掌握度 较高,热压成型、RTM、模压成型技术亦逐渐成熟。

碳纤维复材成型工艺的选择,必须同时满足材料性能、产品质量和经济效益等多种因素。碳纤维制品的制成一般会经历原丝制备、碳纤维制造、(织物/预浸料)、复材制件生产三大 (或四大)环节。碳纤维(或织物)与树脂、陶瓷等材料结合后,便可形成碳纤维复材,随 后经成型工艺加工即可得到下游应用的最终产品。碳纤维复材成型工艺主要分为两类:1) 预浸料铺放成型,即生产预浸料后通过压力罐或其他模具,在一定温度和压力下压挤成型;2)不需要生产预浸料型,直接将碳纤维(或织物)和树脂混杂在模具内成型。碳纤维复材 生产各种工艺的成本、用途均不同,但对设备投资要求较高,且与下游应用联系深入,复材 生产设备包括热压罐、固化炉、复合材料数控下料铣、激光铺层定位系统、自动铺带机、 RTM 成型设备、缝合设备以及无损检测设备等,多由美国公司垄断,国内部分企业在自动 化铺放工艺的工程化应用方面取得了较大突破。

需求:风光氢合力推动碳纤维进入黄金发展期

我国碳纤维需求增速远超全球,是全球最大需求市场。尽管疫情对航空业造成的打击严 重影响了相关领域碳纤维的需求,2020、2021 年全球碳纤维的需求量仍然达 10.7 和 11.8 万吨,市场规模分别为 26.2、34.0 亿美元。2021 年我国碳纤维的需求量和市场规模分别为 6.2 万吨和 15.9 亿美元,同比增长 27.7%和 54.7%,而 2021 年全球碳纤维的需求量和市场 规模仅同比增长 10.4%和 30.1%。此外,2016-2021 年中国碳纤维的需求量和市场规模 CAGR 分别为 26.1%和 26.9%,远超全球的 9.1%和 9.9%,作为碳纤维第一大需求国,中 国市场已然在全球占据举足轻重的地位。

 

我国碳纤维应用分布具有本国特色,与全球差异较大,未来将持续朝航空航天迈进。全 球碳纤维前三应用领域涉及风电叶片、体育休闲和航空航天,而我国最大碳纤维需求端来源 于风电叶片,其 2021 年需求量为 2.25 万吨,占我国碳纤维需求比例的 36.1%,第二、三 应用领域来源于体育休闲(28.1%)和碳/碳复材(11.2%),航空航天领域碳纤维需求(3.2%) 远远低于全球(14.0%),其主要原因是国内碳纤维生产技术有限,无法批量供应 T800 强度 以上的小丝束碳纤维。2016-2021《全球碳纤维复合材料市场报告》(广州赛奥)显示,2016 至 2021 年我国碳纤维需求量占全球比例分别为 26%/28%/33%/36%/46%/53%,而我国碳 纤维市场规模占全球比例分别为 23%/24%/28%/29%/39%/47%,低于碳纤维需求量占比, 表明目前我国碳纤维需求结构偏低端,产品均价较低,随着未来我国碳纤维在航空航天等高 端领域的拓展,碳纤维需求结构将向高端化迈进。

风机大型化趋势推动碳纤维复材渗透率提高

风电行业延续高景气度,中国市场表现亮眼(新增装机量占比约 50%)。全球低碳经济 蓬勃发展,风电行业活跃度极高,2021 年全球风电新增装机总量为 93.6GW,其中陆风和 海风新增装机量分别为 72.5GW 和 21.1GW,海风增速达 208%;较于 2020 年全球 95.3GW 的新增装机总量,同比下降 1.8%,主因是中国陆风抢装结束,装机量高位回落。我国在全 球风电市场表现亮眼,近三年新增装机总量占全球比例 50%上下。我们预测 2025 年全球风 电新增装机量有望达 136GW,陆风和海风分别为 100 和 36GW,其中中国市场将分别占据 57 和 17GW。

风机大型化兼备效率和经济效益,是风电发展主流趋势。风机大型化一方面可以增大扫 风面积,提高发电功率,另一方面,单机容量/功率的增长使得相同风力容量项目所需风机 台数减少,有助于降低均摊建设成本以及后期运维成本。国际风力发电网 2021 年数据显示, 以一个 100MW 中国陆地风场为例,单机功率从 2MW 上升到 4.5MW,静态投资从 6449 元 /kW 下降到 5517 元/kW,项目全投资 IRR 上升 2.4%,LCOE 下降 13.6%。

具备高比强度、比模量的碳纤维复材在风机大型化发展中具有不可替代的优势。在风机 大型化的主流趋势下,利用碳纤维复材替代传统材料的优势在于:1)降低净重(减小单位 功率重量),起到节约零部件采购成本的作用,推动风机降本(风机的主要成本来源于零部 件原材料,原材料的定价方式多数是以重量计价,而叶片原材料又在其中占比最大,达 23.3%);2)提高风电叶片的弯曲刚度、缓解疲劳特性,更耐恶劣气候条件;3)使离心风 机的功率更光滑更平衡,提高风力应用效率;4)利用碳纤维的导电性能防止雷击对风机的 损害等。

 

Vestas 碳纤维主梁可运用于兆瓦级的叶片,不仅扩展了碳纤维的使用范围,并且推动 了碳纤维风电叶片的低成本化。2015 年以前,风电叶片大梁所用碳纤维主要采用预制体/ 环氧树脂灌注成型或预浸料铺贴真空袋压固化成型工艺,部分采用小丝束碳纤维,应用规模 相对较小且平均成本较高,因此碳纤维应用比例偏低。自 2016 年起,Vestas 拉挤梁片工艺 获得突破,其设计理念是把整体化成型的主梁主体受力部分拆分为高效低成本高质量的拉挤 梁片标准件,再把标准件一次组装整体成型。拉挤工艺大大提高了纤维体积含量(可达 69%), 降低了主体承载部分的重量,并且通过标准件的生产方式提高了生产效率,降低生产和运输 成本。Vestas 碳梁专利保护在 2022 年 7 月 19 日到期,这意味着其他风电叶片制造商将可 以不受限制地推出应用碳梁的风电叶片产品,风电用碳纤维(尤其是大丝束)有望开启加速。

在以下假设下:1)CWEC《Global Offshore Wind Report 2021》显示,2020 年陆风/海风单机的平均 功率为 2.5/6.0MW,鉴于风电机组逐渐大型化(即单机平均功率提升),且海风单机的功率、 尺寸通常大于陆风单机,结合《Expert elicitation survey predicts 37% to 49% declines in wind energy costs by 2050》(Ryan Wiser、Joseph Rand、Joachim Seel 等)预测的 2035 年陆风/海风单机的平均功率为 5.5/17.0MW,以 2020-2035 年 15 年陆风/海风单机容量提升 的 CAGR 分别为 5.40%和 7.19%为基准,我们预测 2025 年陆风/海风单机的平均功率分别 为 3.3/8.5MW;

2)据《国产碳纤维在风电叶片产业中的机会》(沈真),当风轮直径大于 80 米(即单机 功率大于 1.8MW)时,使用碳纤维替代玻璃纤维才具有可行性,CWEC《Global Wind Report 2022》显示全球风机平均风轮直径自 2010 年起已达 82 米,且在 2020 年增至 120 米;

3)据 GWEC 数据,2020 和 2021 年全球陆风/海风新增装机量分别为 88.4/6.9 和 72.5/21.1GW,而广州赛奥统计的全球风电用碳纤维需求总量在 2020 和 2021 年分别为 3.06 和 3.30 万吨,计算可得 1GW 陆风/海风装机需要约 343/37 吨碳纤维。中科院宁波材料所钱鑫博士在《风电应用急剧增长致使中国成为碳纤维最大需求方,频频扩产将对日企构成威胁》 一文中估算认为至少需要 1 吨碳纤维才能制造足够的风机叶片来产生 1MW 的功率,则 1GW 风电装机对应 1000 吨碳纤维使用量,这意味着当前碳纤维在全球陆风/海风装机中整体渗透 率仅为 34%和 4%左右。MAKE数据显示 2015年 2.0-2.99MW 风机中碳纤维的渗透率为 16%, 而 4.0-8.0MW 风机中碳纤维渗透率为 0%,同时 MAKE 认为 2021 年 3.0-4.0MW 风机中碳 纤维渗透率可达 39%,8.0-10.0MW 风机中碳纤维渗透率可达 43%,因此我们假设 2020 年 碳纤维在陆风/海风装机中整体渗透率分别为 35%和 5%,且由于海上风机面临的恶劣天气 情况更为显著,而碳纤维具有良好的耐化学腐蚀性,因此碳纤维在海风装机中渗透率的提升 会更快,假设陆风/海风渗透率将逐年分别提升 5/10pcts,并在 2025 年分别达 60%和 55%;

 

4)结合 3)中“至少需要 1 吨碳纤维才能制造足够的风机叶片来产生 1MW 的功率”, 我们预计 2020 年陆风 2.5MW/海风 6.0MW 单台风机的叶片碳纤维使用总量分别为 2.5/6.0 吨,随着风机的大型化,预计单台风机的叶片碳纤维使用总量在 2025 年分别达 3.3/8.5 吨;5)广州赛奥数据显示 2020、2021 年风电领域碳纤维均价分别为 14 和 16.8 美元/kg, 鉴于2022年碳纤维价格走势,我们预计2022年T300级风电用碳纤维均价将下降5%左右, 而碳纤维扩产项目落地投产将带来生产规模化效应,因此我们预计碳纤维单价将从 2023 年 起每年下行 7%,2025 年风电领域碳纤维均价将达 12.8 美元/kg;结合以上假设及陆风/海风新增装机量数据,我们预计 2022-2025 年全球风电领域碳纤 维需求量分别为 4.0/5.0/6.5/8.0 万吨,2022-2025 年需求量 CAGR 为 25.8%;我们预计 2025 年全球风电领域碳纤维市场规模可达 10.2 亿美元,2022-2025 年市场规模 CAGR 为 17.0%。

性能优异的 IV 型储氢瓶带动碳纤维需求

氢燃料电池车的发展将带动高压储氢瓶碳纤维需求的增长。高压气态储氢(采用高压将 氢气压缩到耐高压的容器里)是目前最常用并且发展比较成熟的储氢技术,根据安全制造材 质和工艺,气瓶一般分为四型:I 型是金属气瓶;II 型是金属内胆纤维环向缠绕气瓶;III 型 是金属内胆纤维全缠绕气瓶;IV 型是非金属类的纤维全缠绕气瓶。当前市场氢燃料车的储 氢瓶以 III 型和 IV 型为主,较于 III 型储氢瓶,IV 型储氢瓶具有轻量化、高储氢密度等特点, 且体积容量多 10%,成本却仅为 III 型的 63-67%,因此 IV 型未来有望取代 III 型储氢瓶。而 IV 型储氢瓶的碳纤维应用比例因高压而高于 III 型,IV 型储氢瓶的发展将进一步推升碳纤维 需求,而大丝束碳纤维的缠绕效率是小丝束的 3-4 倍,在大丝束性能有所突破的前提下,其 需求将同步提升,但当前以 T700 级小丝束为主。

 

在以下假设下:1)根据国家发展改革委编制的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》,2025 年氢燃料电池车保有量约 5 万辆,基于此我们预测 2022-2025 年我国氢燃料电池车产量为 5000/8000/12000/16000 辆;2)当前氢燃料电池主要应用在商用车领域,2020 年我国商用/乘用车占氢燃料电池车 总量的 100%和 0%,高工氢电网数据显示 2021 年我国商用/乘用车比例分别约为 99%和 1%, 鉴于乘用车氢燃料电车将逐步普及,我们假设乘用车占比以每年 1%的增速增长至 2025 年 的 5%,而商用车将逐年以 1%的减速降至 2025 年 95%的比例;3)广州塞奥数据表明,商用车通常携带 6-8 个储氢瓶,电池中国网数据表明,乘用车 通常携带 2-3 个储氢瓶,我们假设商用/乘用车储氢瓶平均数量分别为 7/2.5 个;4)每辆氢燃料电池汽车至少携带 5-6kg 氢气,中国储能网数据显示,每 70MPa/5.6kg 的 IV 型储氢瓶的碳纤维增强树脂基复材用量为 62-72kg,在碳纤维占复材体积含量 60%(质量含量约为 66.7%)的前提下,单个储氢瓶碳纤维平均用量约为 45kg;

5)氢智会、氢云链、中国汽车工业协会、韩国国土交通部、次时代自动车振兴中心等 数据显示,2019/2020/2021 年全球氢燃料电池车保有量分别为 24132/33398/49562 辆,可 得 2020/2021 年全球氢燃料电池车产量分别为 9266/16164 辆。中国汽车工业协会显示我国 2020/2021 年氢燃料电池车产量分别为 1199/1777 辆,计算可得占全球比例分别为 12.9% 和 11.0%。鉴于我国积极推进氢能及氢燃料电池汽车产业发展并且在世界氢燃料电池车产业 中占据重要地位,我们乐观推测我国燃料电池车占全球比例在 2022-2025 年分别为 19%/23%/27%/30%,2025 年占比仅同比提升 3pcts 是由于 2025 年我国新增氢燃料电池车 产量有所放缓;6)据广州塞奥预测,2022 年储氢瓶占压力容器比例约为 63%,由于呼吸气瓶和 CNG 气瓶增长较为稳定,远低于储氢瓶增速,我们认为储氢瓶占比会逐年提高,假设 2020-2025 年储氢瓶占压力容器比例分别约为 37%/50%/63%/68%/70%/72%;7)广州赛奥数据显示 2020、2021 年压力容器领域碳纤维均价分别为 20、24 美元/kg, 鉴于 2022 年碳纤维价格走势,我们预计 2022 年 T700 级碳纤维均价将下降 1%左右,而碳 纤维扩产项目落地投产将带来生产规模化效应,但 T700 级碳纤维价格降幅会低于 T300 级 碳纤维,因此我们预计碳纤维单价将从 2023 年起每年下行 2%,2025 年压力容器领域碳纤 维均价将达 22.4 美元/kg;结合以上数据及假设对商用/乘用车碳纤维需求进行求和,我们预计 2022-2025 年全球 储氢瓶和压力容器领域碳纤维需求量分别为 0.8/1.1/1.4/1.6 万吨和 1.3/1.6/1.9/2.3 万吨, 2022-2025 年需求量 CAGR 分别为 25.7%和 20.2%;我们预计 2025 年全球储氢瓶和压力 容器领域碳纤维市场规模分别可达 3.6 和 5.1 亿美元,2022-2025 年市场规模 CAGR 分别 为 23.2%和 17.8%。

碳/碳复材作为热场系统的主要耗材受益于光伏产业高景气

碳基复合材料应用领域广阔。先进碳基复材是指以碳纤维为增强体,以碳或碳化硅等为 基体,以化学气相沉积或浸渍等工艺形成的复合材料,主要包括碳/碳复合材料产品和碳/ 陶复合材料产品等。除光伏热场外,碳基复合材料还可应用于半导体热场、刹车制动、密封 耐磨、耐腐蚀等领域应用,但在半导体热场领域,碳基复材占比远低于石墨。

 

光伏行业的快速发展推动碳/碳复材需求快速增长。全球光伏硅片产量持续增长,自 2013 年的 38.4GW 增长至 2021 年的 170GW,八年间 CAGR 为 20.4%。据 CPIA 预测, 2025 年全球光伏新增装机量将在 270-330GW 之间,对应 2021-2025 年 CAGR 在 12.3%-18.0%之间。硅片可由单晶拉制炉、多晶铸锭炉制造,碳/碳复材又是单晶拉制炉、 多晶铸锭炉热场系统的耗材,因此受益于光伏行业,碳/碳复材需求有望保持快速增长。

碳/碳复材在晶硅制造热场系统中渗透率逐步提升,直拉单晶硅工艺目前是市场主流。光伏行业发展早期,即 2005 年之前,晶硅制造热场系统(主要包括单晶拉制炉、多晶铸锭 炉)部件主要是以等静压石墨等特种石墨为主,随着 N 型电池的发展、N 型硅片需求的增 长,碳/碳复材产品因技术、性能、成本、供货周期等优势,在热场系统中的渗透率逐步提 升,成为晶硅制造热场系统的主要耗材。此外,单晶硅在与多晶硅竞争多年后,逐渐淘汰多 晶硅的市场,生产单晶硅的直拉单晶硅工艺已成为主流。

直拉单晶硅工艺对碳/碳复材的需求来自三方面。单晶拉制炉的主要消耗品部件为坩埚、 加热器、导流筒、保温筒等,其需求主要分为新增需求、替换需求和改造需求:1)新增需 求:新增单晶炉装机带来的需求;2)改造需求:通过热场改造以提升原有设备生产效率来 适应硅片发展趋势;3)替换需求:在单晶炉不更换的情况下,消耗件因使用寿命问题需定 期更换。

在以下假设下:1)光伏电站容配比:假设 2020-2025 全球光伏电站容配比为 1.2;2)新增产能中单晶硅片占比:据 CPIA 数据,2020 年全球新增硅片产能中单晶硅片占 比为 90%,单晶硅片渗透率呈逐年上升趋势,假设 2021-2025 年单晶硅片占比分别为 95%/98%/100%/100%/100%;3)单晶硅片产能利用率:据 CPIA 数据,2020 年全球光伏硅片整体产能利用率为 68%, 且 2013-2020 年的整体产能利用率在 68%-86%之间浮动。我们预计 2020、2021 年单晶硅 片产量分别约为 140 和 194GW,而 CPIA 数据显示 2020、2021 年单晶硅片产能为 199.8 和 339GW,由此测算 2020、2021 年单晶硅片产能利用率约为 70%和 57%。随着硅片向大 尺寸迭代、新进入者入局带动新一轮扩产,硅片环节竞争趋于激烈化,且由于疫情导致的全 球开工率不足、终端需求疲软等因素,产能利用率可能进一步下降,我们预测未来几年单晶 硅片产能利用率逐年降低 2pcts,到 2025 年降至 49%;

4)当年单晶硅片新增产能:当年单晶硅片总产能与去年单晶硅片总产能的差值;5)单晶硅片产能存量改造比率:鉴于单晶硅片产能中老产能可通过技改升级为兼容产 能,同时考虑到设备优化迭代放大新建产能成本优势,我们假设 2021-2025 年单晶硅片产 能存量改造比率稳定在 10%;6)单 GW 所需单晶炉台数:据金博股份关于向特定对象发行股票申请文件的审核问询 函的回复,单 GW 产能所需单晶拉制炉约 75-80 台,我们假设 2020 年单 GW 产能所需单 晶炉台数为 80 台,随着技术的升级,我们预测单 GW 所需单晶炉台数将逐年递减,并在 2025 年达 65 台;

7)新建单晶炉碳/碳复材需求:据金博股份关于向特定对象发行股票申请文件的审核问 询函的回复,新建单晶拉制炉对碳基复材热场部件的需求约为 270kg/台;8)单晶炉替换碳/碳复材需求:在单晶拉制炉不更换的情况下,碳/碳热场消耗件因使用 寿命问题需要定期更换,据金博股份关于向特定对象发行股票申请文件的审核问询函的回复, 每台单晶拉制炉对碳基复材热场部件的替换性需求约为 225kg;9)光伏热场碳/碳复材总需求:新增、改造、替换需求的总和;10)碳/碳复材碳纤维质量占比:《Electrical Behavior of Carbon Fiber/Phenolic Composite during Pyrolysis》(Williane Oliveira de Souza、Kledermon Garcia、Christian Frederico de Avila Von Dollinger 等)和《Effect of fiber weight fraction on mechanicalproperties of carbon–carbon composite》(Padmayya Shaniyara Naik、Surendranathan Attakuli Orangalu、Neelakantha V. Londhe)研究显示碳纤维复材中碳纤维质量占比浮动范 围为 30-73%,因此我们假设碳/碳复材中碳纤维质量占比为 65%;

11)据我们的产业调研,光伏热场碳/碳复材占碳/碳复材比例在近年较高且逐年提升, 假设 2020-2022 年占比分别为 55%/65%/80%,但在航天、刹车盘碳/碳复材需求带动下, 光伏热场碳/碳复材占比将会在中长期降低,我们预测 2023-2025 年光伏热场碳/碳复材占比 分别为 75%/70%/65%;12)碳/碳复材领域碳纤维均价:广州赛奥数据显示 2020、2021 年碳/碳复材领域碳纤 维均价分别为 18、21.6 美元/kg,鉴于 2022 年以来的碳纤维价格走势,我们预计 2022 年 T700 级碳纤维均价将下降 1%左右,而碳纤维扩产项目落地投产将带来生产规模化效应, 但 T700 级碳纤维价格降幅会低于 T300 级碳纤维,因此我们预计碳纤维单价将从 2023 年 起每年下行 2%,2025 年碳/碳复材领域碳纤维均价将达 20.1 美元/kg;结合以上数据及假设,我们预计 2022-2025 年全球光伏热场和整体碳/碳复材领域碳纤 维需求量分别为 1.1/2.1/2.7/3.7 万吨和 1.4/2.8/3.9/5.7 万吨,2022-2025 年需求量 CAGR 分别为 48.2%和 58.8%;我们预计 2025 年全球光伏热场和整体碳/碳复材领域碳纤维市场 规模分别可达 7.4 和 11.4 亿美元,2022-2025 年市场规模 CAGR 分别为 45.2%和 55.6%。

航空航天领域军民两用需求持续释放

碳纤维正推动航空航天迈入轻量化时代,减重兼备功能和经济效益。碳纤维复材最大优 势在于减重,军用飞行器方面,减重一方面可以节省燃料,另一方面还可以提升飞行作战半 径,提高其战场生存能力和战斗能力;而民用飞行器方面,减重可以节省燃料,并提高航程 和载重能力,具有显著的经济效益。同时碳纤维复材还克服了金属材料易疲劳和易腐蚀的缺 点,其良好的成型性促使结构设计和制造成本下行,是大型整体化结构的理想材料。碳纤维 复材在航空领域应用大致可分为三类:①应用在受力不大或非承力构件阶段(如舵面、口盖 等);②应用在次承力或承力较大构件阶段(如机翼等);③应用在主承力构件或复杂受力构 件阶段 (如机身、中央翼盒)等。2)航天领域应用主要涉及卫星、宇航器,航天动力系统等。航空航天领域对碳纤维的需求主要来自两大方面,一是不断提高的碳纤维复材的应用比例, 二是新增的飞机和导弹等订单。

 

航空领域

军机领域

碳纤维复材的应用程度是衡量军机先进程度的重要指标之一,国内外军机碳纤维复材应 用比例已大幅提升至近 30%及以上。碳纤维复材在军机的应用研究始于上世纪 70 年代,以 美机为例,Mirage-2000 战机碳纤维复合材料用量仅 7%,到 F-22 和 F-35 为代表的第 四代战斗机上碳纤维复合材料用量分别达 24%和 36%,目前国外军机上碳纤维复材用量在 20%-50%之间。对比国内,以我国战斗机歼系列为例,碳纤维复合材料用量从歼-8 的 1%, 逐渐扩大到歼-10 的 6%和歼-11 的 10%,歼-20 用量已高达 27%。

预计未来我机至少还有 1 万架上升空间,其中新增三代及以上歼击机的需求在 3000-3500 架左右。《World Air Forces directory 2022》(FlightGlobal)数据显示,2021 年 我用飞机数量总数为 3285 架,相较于美国(13246 架)和俄罗斯(4173 架)具有一 定的差距,若看齐美用飞机总数,我国至少有 1 万架的上升空间。目前我国歼击机以二 代和三代为主,而美国现役歼击机以三代机和四代机结合为主。我机正处于更新换代的 关键时期,老旧机型将逐渐退役,若对标美国,则未来我国新增三代及以上歼击机的需求在 3000-3500 架左右。

预计未来我国三代及以上歼击机带来的新增碳纤维需求约 5000 吨。随着国内军机列装 提速和单机碳纤维用量的提升,军用碳纤维将成为未来空间较大的一部分。假设 1)未来我 国新增三代及以上歼击机的需求中 45%来自于 J-10/J-11/J-16 机型,55%的需求来自于 J-20;2)J-16 的碳纤维复材比例介于 J-10 和 J-20 之间,约为 15%,则新增三代及以上歼击机对 应碳纤维总需求量为 5082 吨。

民机领域

民用客机是航空领域碳纤维主需求端,预计全球使用碳纤维的商用飞机在未来 20 年还 有 4 万余架上升空间。商用飞机碳纤维复材应用比例正逐渐增加,空客 A320、380 系列的 使用比例分别为 13-14%和 22%,在更为先进的 A350XWB 双发宽体客机上已达 52%(民 机结构复材的使用量上限约为 60%)。广州赛奥数据显示 2021 年全球航空航天领域碳纤维 需求主要来源于商用飞机,其需求达 5800 吨,占比 35.3%。此外,《中国商飞市场预测年 报(2021-2040 年)》(中国商飞)预测未来 20 年全球将有超过 41429 架新机交付,价值约 6.1 万亿美元,其中 50 座级以上涡扇支线客机、120 座级以上单通道喷气客机和 250 座级 以上双通道喷气客机分别为 7535、29482 和 4412 架。

 

预计未来 20 年全球和我国民用客机碳纤维总需求可分别达 47.8 和 11.2 万吨,市场规 模分别为 318.9 和 74.7 亿美元。根据《中国商飞市场预测年报(2021-2040 年)》(中国商 飞)预测的未来 20 年全球和我国客机交付数量,参考中国商飞 ARJ-21、C919 及 CR929 三种座级的客机的空重质量,我们预测涡扇支线/单通道喷气/双通道喷气客机空重质量分别 为 25/50/150 吨,由于客机的碳纤维复材使用比例随着客机的新型化而逐渐提升,我们预测 全球范围内新增的涡扇支线/单通道喷气/双通道喷气客机的碳纤维复材使用比例分别为 5%/15%/45%,因此我们预计未来 20 年用于全球和我国交付客机的碳纤维总需求分别为 47.8 和 11.2 万吨,市场规模分别达 318.9 和 74.7 亿美元。

C919 有望打开国产空间,未来 20 年我国 C919 客机碳纤维需求可达 1.12 万吨,市场 规模 7.5 亿美元。中国商飞 C919 大型客机副总设计师傅国华在 2017 年 C919 大型客机首 飞前集中采访座谈活动中表示 C919 国内需求保守估计 2000 架左右,约等于我国未来 20 年 120 座级以上单通道喷气客机交付架数预测量(6295 架)的 1/3。根据中国商飞的规划, C919客机将采取分步走的策略来提高复材使用比例:第一阶段 10%-15%,第二阶段 23%-25% (凤凰新闻网
https://ishare.ifeng.com/c/s/7v4YEU7oBco),若每个发展阶段各占据 10 年, 则第一阶段平均比例为 12.5%,对应 900 架 C919,第二阶段平均比例为 24%,对应 1100架 C919。我们预计第一、第二阶段对应碳纤维需求分别为 0.33 和 0.78 万吨,而生产规模 化效应预计会导致航空航天领域碳纤维均价每 5 年下降 3%左右,因此预计 10 年和未来 10-20 年市场规模分别为 2.2 和 5.2 亿美金。综上,预计未来 20 年用于 C919 客机交付的碳 纤维总需求为 1.12 吨,市场规模为 7.5 亿美元。

无人机领域

民用及军用无人机市场相继放量,推动碳纤维需求增长。根据应用领域划分,无人机分 为拥有物流运输、地质测绘、空中摄影等功能的民用无人机以及承担情报侦察、军事打击、 通信等功能的军用无人机。碳纤维复材强度高、重量轻、抗腐蚀性能优越,能够有效提升无 人机性能。Drone Industry Insight 公布的调研结果显示,2020 年全球无人机复合材料市场 规模约为 12.24 亿美元,并预计 2027 年全球无人机复合材料市场规模约为 32.22 亿美元, 年复合增长率为 14.8%,上游碳纤维材料市场空间广阔。

 

(1)民用领域:2025 年全球民用无人机碳纤维需求约为 5700 吨,2022-2025 年 CAGR 达 49.8%。航空工业集团发布的《通用航空产业发展(2022)》显示,2021 年全球 民用无人机市场规模已超 1600 亿元,预计 2025 年将达 5000 亿元。另据《中国工业无人机 行业研究报告》(Frost Sullivan,转引自智研咨询)披露,在工业级无人机市场高速增长 的推动下,2024 年我国民用无人机市场规模将达 2076 亿元,年复合增长率达 31.74%。假设 1)消费级无人机平均重量为 2 千克,工业级无人机平均重量为 25 千克;2)碳纤维复合 材料在民用无人机领域应用比例较低、无人机领域碳纤维质量分数为 60%;3)航空航天领 域碳纤维均价在规模化效应下每 5 年降低 3pcts。我们预计中国和全球民用无人机碳纤维需 求将分别从 2022 年的 952 吨和 1705 吨增至 2025 年的 2979 吨和 5728 吨,对应 2022-2025 年 CAGR 分别为 46.3%和 49.8%。

(2)军用领域:预计 2025 年全球军用无人机碳纤维需求约为 9000 吨,2022-2025 年 CAGR 达 43.5%。由于军用无人机对续航、重量等指标敏感,碳纤维复材被大规模运用 于新型军用无人机机体,我国自主研发的彩虹系列、翼龙 I-D、云影、风影军用无人机均主 要使用碳纤维复材制造。Drone Industry Insights 预计当前全球范围内民用无人机占比约为 35%,假设 1)民用市场增速大于军用市场,占比逐年提升 1%;2)航空航天领域碳纤维均 价在规模化效应下每 5 年降低 3pcts。我们预计全球军用无人机和全球无人机碳纤维需求将 分别从 2022 年的 3032 吨和 4737 吨增至 2025 年的 8959 吨和 14687 吨,对应 2022-2025 年 CAGR 分别为 43.5%和 45.8%。

航天领域

高性能碳(石墨)纤维复材在航天领域的应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提 升和型号研制的成败。高性能碳(石墨)纤维复材可作为结构、功能或结构/功能一体化构 件材料应用在导弹、运载火箭和卫星主体上,如碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉 衬及耐烧蚀部件等重要防热材料,在美囯侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用, 如法国的阿里安-2 火箭改型、日本的 M-5 火箭等发动机壳体均采用碳纤维复材,碳(石墨) 纤维复材的发展推动了航天整体技术的发展。

航空航天领域碳纤维需求将持续增长,预计 2022-2025 年全球需求量 CAGR 将达 26.4%。据广州赛奥《2021 全球碳纤维复合材料市场报告》,全球航空航天领域碳纤维需求 量从 2013 年开始快速增长,2020、2021 年商业航空受到疫情影响,波音及空客大幅削减 客机产量,2020、2021 年航空航天领域碳纤维需求均约 1.65 万吨。疫情反复延迟了航空业 的复苏,广州赛奥预计航空航天领域碳纤维需求将在 2024 年恢复到疫情前水平,结合无人 机快速发展推升碳纤维需求,我们预计 2025 年全球航空航天领域碳纤维需求有望达 3.42 万吨,2022-2025 年 CAGR 为 26.4%。

 

预计 2022-2025 年全球碳纤维需求 CAGR 将达 23.5%

轻量化高性能创造需求,2025 年全球碳纤维需求有望达 26 万吨,2022-2025 年 CAGR 为 23.5%。对钢铁、铝合金等传统材料的轻量化替代,较于玻璃纤维、特种石墨等新型材料 更卓越的性能,是碳纤维应用拓展的主要推动力,目前已实现了对航空航天、风电、光伏热 场、汽车、轨道交通、船舶、建筑补强、压力容器瓶、混配模成型、电缆芯、体育休闲等领 域的全覆盖。体育休闲、混配模成型等碳纤维市场将稳健增长,而风电、光伏热场、储氢瓶、 无人机等市场前景更为光明,结合我们的预测及广州赛奥的统计数据,我们预计 2025 年全 球碳纤维需求将达到 26.0 万吨,2022-2025 年 CAGR 为 23.5%;全球碳纤维市场规模将达 到 66.0 亿美元,2022-2025 年 CAGR 为 20.4%。

供给:行业集中度高,我国产能扩张加速国产替代

2022 年碳纤维供需整体持平,预计 2025 年供需缺口 2.5 万吨

全球碳纤维产能稳步扩张,2015-2021 年产能扩张 CAGR+7.5%。2015-2020 年全球 碳纤维产能利用率整体在 70%上下波动,但 2021 年过快的产能扩建速度致使产能利用率下 滑。广州奥赛数据显示,2020、2021 年全球碳纤维运行产能分别为 17.2 和 20.8 万吨,同 比增幅达 21%,以 2015 年 13.5 万吨的全球碳纤维运行总产能为基准,则 2015-2021 年 CAGR +7.5%,其中,2021 年全球十强厂家包含了吉林化纤集团、中复神鹰与宝旌三家中 国企业。由于碳纤维基本需求面长期旺盛,相关制造商积极扩产,全球产能扩张节奏整 体稳健。

中长期碳纤维供需缺口仍将持续存在,预计 2025 年缺口 2.5 万吨。2021 年起碳纤维 供需平衡的情况被打破,逐渐呈现供不应求的态势,尽管目前碳纤维厂商纷纷公布扩产计划, 但扩产计划到项目建成落地之间仍有较多阻碍需要克服。结合各个厂商扩产的可行性与当前 进度,在以下前提下:①仅统计可行性高的扩产项目,可行性高项目指项目已开工并有望建 成投产;②项目建成与满产之间需要爬坡,根据项目建成时间给予不同项目当年产能利用率 为 50%或 70%或 100%,我们预计 1)2022 年全球碳纤维需求和产量分别为 13.8 万吨和 14.1 万吨,整体呈现供需持平情况;2)较于 2021 年,2023 年将有较大产能集中投放,2023 年全球碳纤维产量将达 17.5 万吨,略高于 16.6 万吨的需求,碳纤维均价于 2023 年仍将走 低;3)2025 年全球碳纤维产量将达 23.5 万吨,供需缺口达 2.5 万吨,中长期维度碳纤维 赛道仍然景气。

 

若统计包含可行性较高扩产项目,中长期维度碳纤维产量或将略高于需求。在以下前提 下①统计的扩产项目涵盖可行性高和较高项目,可行性较高项目指项目已开工但产线开车需 要时间验证,或厂商已具备成熟碳纤维生产经验但目前仅公布相应碳纤维扩产规划目标;② 项目建成与满产之间需要爬坡,根据项目建成时间给予不同项目当年产能利用率为 50%或 70%或 100%,我们预计 1)可行性较高扩产项目将在 2023 年额外新增 0.20 万吨产量,2023 年全球碳纤维产量将达 17.7 万吨,高于 16.6 万吨的需求;3)可行性较高扩产项目将在 2025 年额外新增 2.83 万吨产量,2025 年全球碳纤维产量将达 26.3 万吨,略高于 26.0 万吨的需 求。

若统计包含所有碳纤维扩产项目,则 2025 年全球碳纤维产量将达 46.1 万吨,或不能 真实反映产量趋势。在以下前提下①统计的扩产项目涵盖可行性高、较高及其余扩产项目, 其余扩产项目指厂商仅公布相应碳纤维扩产规划目标,但未见项目开工,或厂商建设进程受 疫情或其他负面扰动较大,或厂商为新进入者;②项目建成与满产之间需要爬坡,根据项目 建成时间给予不同项目当年产能利用率为 50%或 70%或 100%,我们预计 1)其余扩产项目 将在 2023 年额外新增 0.45 万吨产量,2023 年全球碳纤维产量将达 18.2 万吨,高于 16.6 万吨的需求;3)其余扩产将在 2025 年额外新增 19.8 万吨产量,2025 年全球碳纤维产量 将达 46.1 万吨。但这些扩产项目的产业化进程仍需等待时间的验证。

国产企业已打破日、美技术封锁,布局碳纤维全序列产品

碳纤维产能分布不同,国际碳纤维市场及世界级碳纤维技术依然为日、美企业所垄断。日本东丽(Toray)是高性能碳纤维研究与生产的“领头羊”,东丽与卓尔泰克合并后,2021 年总运行产能在业内更是一枝独秀达 5.75 万吨。美国是继日本之后掌握碳纤维生产技术的 少数几个发达国家之一,也是世界上最大的 PAN 基碳纤维生产国和消费国之一。据《2021 全球碳纤维复合材料市场报告》(广州赛奥),2021 年日、美碳纤维总运行产能为 7.37 万吨, 占全球比例的 35.5%。中国化学纤维工业协会 2020 年数据显示,日本企业在小丝束碳纤维 市场上占有绝对优势,产能占比达 49%;在大丝束市场上,美、德企业处于明显的主导地 位,产能占比达 89%。

 

我国企业崛起正当时,碳纤维产品已实现与日本东丽主要型号的对标,部分型号甚至性 能更优。2010-2020 年十年间我国碳纤维发展特点是“狂飙猛进”和“优胜劣汰”,大浪淘 沙下稳扎稳打的企业迎来了春天,例如中复神鹰、中简科技、光威复材、原丝龙头吉林碳谷 等。国产碳纤维型号覆盖 T300 级至 T1100 级、M35 至 M65 级,产品性能指标实现了对日 本东丽主要碳纤维型号的对标,包括高强标模型、高强中模型、高强高模型等各类型碳纤维 品种,部分产品的性能甚至超越东丽同级别碳纤维产品,如中复神鹰 SYT55S(T800 级) 具有稍高的强度和模量优势,如光威复材 TZ1100G(T1100 级)具有延伸率优势,如恒神 股份 HM37(M40 级)的抗拉强度、拉伸模量、延伸率更高。

我国碳纤维 CR5 达 78.1%,高于全球行业集中度下实现碳纤维整体技术 T400 以上。2021 年全球前五大厂商的运行产能合计占有率为 57.0%,国内前五大厂商的运行产能合计 占有率为 78.1%,行业集中度超过全球。国内厂商中,2021 年吉林化纤、中复神鹰、宝旌 碳纤维的运行产能均超 1 万吨,国产碳纤维行业整体达到 T400 的技术能力,部分企业实现 了 T700 碳纤维规模化生产,T800 已经进入了小批量试验生产阶段,但龙头企业和国际巨 头在产能和技术方面仍存在不小的差距,T1000、 T1100、M60、M65 级等碳纤维产品的 产业化技术攻关亟待解决。

2021 年我国首次超越美国成为碳纤维最大产能国,未来全球预计将迎来中国盛宴。广 州赛奥数据显示我国 2015-2021 年碳纤维运行总产能分别为 2.38/2.38/2.60/2.68/2.69 /3.62/6.34 万吨,对应产能扩张 CAGR+17.7%,占全球比例分别为 17.6%/17.1%/18.0% /17.0%/17.3%/21.1%/30.5%。2015-2019 年期间我国碳纤维企业运行产能扩张缓慢,但国 内生产工艺及技术的突破使得我国从 2020 年起开启产能的持续高速扩张,其同期运行产能 增速达 35%。2021 年随着各企业扩产项目的落地投产,中国地区更是首次超越美国, 以 6.34 万吨的总运行产能占据全球 30.5%的比例,成为全球最大产能国。此外,中复神鹰、 光威复材、吉林化纤、上海石化、兰州蓝星、新创碳谷等厂商的万吨级产线均处于规划在建 途中,中国厂商的产能占比将在未来持续提高,较长期保持第一产能国的地位。

高壁垒下头部玩家竞争将提升碳纤维综合技术,国产全面替代指日可待

技术、设备、成本、资金和应用是碳纤维行业最为核心的竞争要素。碳纤维属于技术密 集型产品,产业链长,产品系列众多,生产技术繁杂,且研发周期长,资金投入量大,同时 对产品性能与质量稳定性要求严苛,种种因素共同铸就了极高的行业壁垒。

我国碳纤维产业链中上游高集中,碳纤维头部玩家的竞争有望进一步提升综合能力。我 国丙烯腈、原丝及碳纤维产能集中度较高,CR5 在 2020 年和 2021 年均大于 75%,占据较 大市场份额,其中碳纤维生产原料丙烯腈主要集中于上海赛科、斯尔邦、吉林石化等,原丝 及碳纤维产能主要集中在吉林化纤、中复神鹰、宝旌碳纤维、恒神股份等制造商。据各家碳 纤维企业公布的扩产项目计划,估算可得万吨碳纤维原丝生产线投资范围为 1-2 亿,万吨原 丝+碳纤维生产线投资范围为 20-30 亿,而万吨航空航天极碳纤维生产线投资额更是超 100 亿,资金壁垒使得大量企业较难进入到这一行业,头部玩家之间的竞争更有利于其综合能力 的多向提升。

 

碳纤维国产化正加速,2022H1 碳纤维进口量已同比下降 16%。根据中国海关数据,我 国碳纤维进口来源主要是日本、中国、韩国、美国、墨西哥,占比达 88%。2021H1 受“东丽风波”事件影响,日本对中国的出口量有所减少,2022H1 日本对我国的 出口虽有所增长,但涨幅并不明显,主要是受日本本土以及欧美需求增长的影响,日本出口 到我国市场的碳纤维依然紧缺。2022 年 1-6 月,我国进口碳纤维产品合计 14739 吨,较 2021 年同比下降 16%,原因一方面是波音、空客等欧美主要企业对碳纤维需求逐渐恢复,出口 到国内总量减少,另一方面也表明国产碳纤维供给逐步增加,市场份额正逐渐提高。

2021-2025 年碳纤维国产量 CAGR 有望达 42%。从进出口均价来看,国外企业严禁向 中国出口军工级碳纤维,且东丽采取低价打压国内企业的策略,使得碳纤维进口均价基本维 持在 20 美元/kg 以下;尽管由于出口数量较少导致出口均价波动幅度较大,但是出口均价 的中枢明显高于进口均价,我们认为国内头部企业的高端产品已实现出口,迈出国产替代的 关键一步。广州赛奥统计数据显示,2021 年我国碳纤维进口量为 3.31 万吨,国产化率为 47%,同比提升 9pcts。随着未来中国碳纤维厂商生产技术及产能持续提升,碳纤维国产化 进程有望加速,2022 年碳纤维国产量有望超过进口量,依据中国海关上半年数据,我们预 计 2022 年国产化率将达 56%,2025 年增至 75%。结合广州赛奥对 2025 年中国碳纤维市 场销售总量为 15.9 万吨的预测,计算可得 2025 年碳纤维国产量为 11.9 万吨,对应 2021-2025 年碳纤维国产量 CAGR 达 42%。

展望:2023 年我国碳纤维市场价将弱调整,T700 级及以上中小丝束供应 商凸显比较优势

2022 年国内外碳纤维市场价格高位走跌。1)2022 年 1-7 月,光伏热场碳/碳复材和储 氢瓶领域碳纤维需求增量大,而市场整体供应偏紧,因此 T700 级碳纤维价格高位守稳;而 T300 级碳纤维受疫情影响导致工厂库存积压,加之国内整体产量增加,但需求跟进不足, 价格普遍下调。2)2022 年 8-9 月中旬,T700 级碳纤维价格小幅走高,T300 级碳纤维价格 宽幅下降;3)2022 年 9 月下旬至今,供应端新装置陆续投产,且 T700 及 T300 级各型号 碳纤维库存均偏高,市场现货供应略显充足,持货商出货承压;需求端受制于外围经济环境 影响,各地疫情反复,下游企业开工不足,且有一定库存,整体采购偏弱,需求偏淡,因此 T700 及 T300 级碳纤维市场价格同步下滑。截至 2022 年 11 月 25 日,国产 T300(12K)、 T300(48/50K)、T300(24/25K)、T700(12K)市场价格较今年年初跌幅分别为 9.6%、 5.2%、4.9%、1.3%。

 

我们预计到明年年底国内碳纤维市场价格以区间内偏弱调整为主。碳纤维价格受多种因 素影响,包括原料成本、供应面、进出口面、需求面以及其他因素:

原料成本:预计未来一年丙烯腈市场价格将偏强盘整,价格波动空间为 500-1000 元/吨左右。丙烯腈仍有新产能投产预期,且部分装置重启恢复,供应量预期增加, 但同时下业开工率上调,在供需均有提升条件下,市场价格波动不大。在其他 成本变化有限的前提下,我们预计未来一年(即 2023 年)碳纤维成本面影响有限, 难以形成利好支撑。

供应面:2023 年底前国内各型号碳纤维供应料将保持较为充裕。国内碳纤维产能 持续扩张,据我们统计,2022、2023 年国内确定性高的新增碳纤维产能 投放分别约为 2 万吨和 3 万吨,且碳纤维装置或将维持稳定运行为主,因此各型 号碳纤维供应将保持较为充裕。

进出口面:2022 年将成为国产比例大于进口比例的首年,未来碳纤维出口将增加。尽管我国部分产品型号仍需依赖进口,但在我国厂商积极扩产下,碳纤维产量正大 幅增加,我们预计 2022 年碳纤维国产量将大于进口量,且未来出口量将持续有所 增加。

需求面:2022 年需求小幅增加,中长期维度来看需求依旧旺盛。在以下领域 1) 风电叶片:未来会有较大的放量,但受制于碳纤维高价以及补贴退坡的影响,短期 需求增量有限;2)体育休闲:国内外疫情反复,影响下游接单情况;3)碳/碳复 材:整体需求表现较好,光伏热场由于其他主体原料价格连续上涨,对碳纤维降本 需求较为突出,但鉴于光伏在我国能源比重较大,光伏热场碳/碳复材应用前景依 然广阔,且中长期维度会有碳/陶制动盘带来的增量;4)压力容器:储氢瓶国内整 体需求受政策补贴影响大,量小但增速快;5)航空航天:受疫情影响较大,但无 人机作为新兴力量将推动该领域碳纤维需求增量。总体而言,我们预计 2022 年碳 纤维市场需求小幅增加,但中长期来看,碳纤维需求将在 2023-2025 年有突出增 幅。

综上,我们预计未来一年原料面给予碳纤维支撑不足,供应端较为充裕,而需求面增幅 有限,未来一年碳纤维价格区间将偏弱调整。我们预计未来一年(即 2023 年)碳纤维主流 市场参考价为:1)T300(12K)120-150 元/kg,降幅 4%;2)T300(24/25K)110-140 元/kg,降幅 7%;3)T300(48/50K)100-130 元/kg,降幅 7%;4)T700(12K)200-250 元/kg,降幅 2%。我国碳纤维扩产以大丝束为主,T700 级及更高性能的 12K 及以下丝束规格供应商发展 前景更广阔。2021 年我国碳纤维 6.34 万吨的总运行产能中,6.05 万吨碳纤维的丝束规格分 布较为明确,在我国市场丝束规格划分体系下,即 1/3/6K、12K、24/25/35/48/50K 分别属 于小、中、大丝束,2021 年我国 6.05 万吨运行产能中小/中/大丝束占比分别为 19%/13%/68%。在中长期维度下,2025 年新增产能(较于 2021 年)中,预计大 丝束占比将进一步被拉升至 67%,而小/中丝束占比分别为 25%/8%。大丝束过快的扩张或 将使供应大于需求,而 12K 及以下碳纤维不仅扩张速度较慢,且光伏、储氢瓶、无人机等 下游需求增速快,结合上文我们对碳纤维价格的预判,我们认为在产能投放冲击下,T700 级及更高性能的 12K 及以下丝束规格碳纤维供应商经营前景更广阔。