风电系列之六-从风电叶片看碳纤维产业链
练心一剑
中线波段的老股民
2021-11-19 09:09:34
在风电中，叶片是风机核心部件，叶片的尺寸、形状直接决定了能量转化效率，也直接决定了机组功率和性能。风电叶片的成本占风力发电整个系统的总成本比重达到20%-30%。大型化、轻量化、耐用、低成本是叶片发展方向和追求目标。叶片材料的演变经历三个时期：木质材料→金属材料→复合材料。叶片成本中，材料占大头，最开始的叶片材料为木质叶片，布蒙皮叶片，然后是金属叶片（主要为铝合金），现在主流的是复合材料。复合材料主要为纤维增强复合材料，分玻璃纤维和碳纤维两种。碳纤维是由聚丙烯腈、沥青、粘胶等有机母体，采用高温分解法在高温惰性气体下碳化，制成含碳量在90%以上的无机高分子纤维。其中聚丙烯腈基碳纤维（又称PAN基）份额90%以上，是碳纤维主流。在风机叶片领域，碳纤维与玻璃纤维的区别可简单总结为一句话：碳纤维性能更好，但价格贵。性能好表现在：比重小，叶片更轻，碳纤维与传统玻璃纤维复合材料相比，可实现 20%-30%轻量化效果，同时保持了更加有益的刚性和强度；温差变化或者长时间作业无蠕变，极限和疲劳性能好，耐用；耐腐蚀性好，特别是海风场景。目前，我国较小型叶片（如22 m长）一般选用量大、价廉的玻璃纤维；而较大型叶片（长度42 m以上）的结构设计则选用碳纤维复合材料或碳纤维与玻璃纤维的混杂复合材料。碳纤维及复合材料在风电的应用主要用于叶片大梁、部分蒙皮、前缘、后缘等。风电叶片是碳纤维最主要应用领域，2020年按碳纤维使用量占比全球为29%，占比我国为41%。随着风电新增装机量维持高位，以及叶片大型化趋势下碳纤维使用渗透率提升，风电领域的碳纤维需求将稳步增长。据赛奥碳纤维技术预测，未来全球风电碳纤维需求继续保持高速增长，2020-2025年CAGR为25%；预计2025年中国风电领域碳纤维需求将超过5万吨。PAN基碳纤维按照丝束规格可以分为小丝束和大丝束，丝束规格低于24k为小丝束碳纤维，它是指束丝碳纤维中单丝数量为1000-24000根；而大丝束碳纤维丝束规格≥48k，即束丝中单丝数量超过48000根。除了简单的丝束规格进行区分以外，小丝束和大丝束碳纤维在力学性能、应用领域等存在显著差异。小丝束碳纤维力学性能优异，拉伸强度3.5-7.0 GPa、拉伸模量230-650GPa，主要用于主要应用于航空航天、国防军工以及高端体育休闲用品等领域，因此又称作宇航级碳纤维。小丝束碳纤维尤其是高强度碳纤维和高模量碳纤维属于国外长期禁运产品，国内刚需明显，国内外技术差距大，因此主要驱动因素是技术。目前我国的碳纤维产能主要集中于小丝束领域，但以低端产能如T300、T700等为主。而大丝束碳纤维拉伸强度3.5-5.0 GPa、拉伸模量230-290GPa，一般都是应用到纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等领域，因此又称为工业级碳纤维。大丝束碳纤维连续性能虽然不比宇航级的小丝束，但是其技术壁垒也是相当高，作为工业级碳纤维，其核心驱动力在于低成本，因此在保证大丝束情况下如何有效控制成本极其重要。风电叶片用碳纤维主要以T300 级 24K、48K、50K 等大丝束产品为主。《2020年全球碳纤维复合材料市场报告》显示，2019年大丝束碳纤维占全球碳纤维需求的42.2%；到了2020年，该比例已提升到了48.3%。大丝束碳纤维的市场需求正在迅速扩张。目前国内突破并量产的主要是小丝束碳纤维。以光威复材、中简科技、中鹰复材为代表，碳纤维早期需求主要来源于军工、航空航天，主要原因是价格昂贵，附加值高。 碳纤维近期需求主要来源于工业民用领域，特别是风电、压力容器等需求强劲，对成本控制要求高，只有大丝束能胜任。在大丝束碳纤维市场，美国赫氏则占据了绝对优势，全球市场份额高达58%。德国西格里、日本三菱丽阳共同占据了40%的市场份额，其余企业只有2%。国内目前具有大丝束生产能力的有吉林碳谷、恒神股份、上海石化、蓝星纤维。吉林碳谷：2018 年48K 大丝束碳纤维原丝研发成功，2019 年实现了 48K 产品的规模化生产，产品碳化后可以达到 T400 水平，部分产品亦实现了碳化后 T700 的稳定规模生产；2020 年开始向俄罗斯客户直接出货碳纤维原丝产品，其中包括公司 48K 大丝束产品；2021年7月25日，吉林碳谷两条单线1万吨50K大丝束碳纤维原丝生产线投产。恒神股份：目前有5条单线千吨级碳纤维生产线，可年产5000吨各类型碳纤维。产品型号包括高强碳纤维如：HF20系列（T300级）、HF30系列（T700级）、HF40系列（T800级）、HF50系列（T1000级）及高强高模HM系列。产品规格包括：1K、3K、6K、12K、24K和50K等。上海石化：2021年1月，上海石化启动投资35亿元，建设2.4万吨/年碳纤维原丝、1.2万吨/年的48K大丝束碳纤维项目。项目将采用自主开发的技术，建设2个系列原丝生产线，单系列设计产能为1.2万吨/年；将建设6条碳纤维生产线，每条生产线的产能为2000吨/年。9月30日在投资者互动平台表示，公司48K大丝束项目预计在2022年年底建成一期工程，2024年全部建设完成。蓝星纤维：2020年8月31日,兰州蓝星纤维有限公司(简称蓝星纤维)开发完成的"千吨级NaSCN法50 K大丝束碳纤维产业化关键技术及装备研究"项目,通过了中国纺织工业联合会组织的技术成果鉴定；2019年下半年，其50K碳纤维生产线全线通过形成产能，单线原丝年产能为4000吨，碳纤维年产能为1500吨。其他企业包括光威复材、中复神鹰虽然早早公布了扩产计划，但形成产能还需假以时日。光威复材：业务涵盖碳纤维、经编织物和机织物、系列化的树脂体系、各种预浸料、复合材料构制件、产品设计开发、装备设计制造等上下游，是碳纤维产业链平台型企业；目前生产碳梁用的大丝束碳纤维主要向台塑采购，国内还没有供货渠道。2019年7月披露拟投资20亿元分三期在包头建万吨碳纤维产业化项目，主要解决大丝束碳纤维供应问题，但目前还没有投产进度披露。中复神鹰：中国建材集团控股公司，计划投资 20.58 亿元，在西宁甘河工业园建设1万吨碳纤维一体化生产项目，项目分两期实施，一期建设产能 6,000 吨，计划在 2021 年陆续建成投产。是否有大丝束产能及占比未披露不详。中简科技：公司的产品聚焦于航空航天用高性能碳纤维，是国内航空航天领域 ZT7 系列（高于 T700 级）碳纤维产品的批量稳定供应商。公司有两条碳纤维产线，一条产线产能为 150 吨/年（12K）或 50 吨/年（3K），一 条产线的产能为 1000 吨/年（12K），未有大丝束规划披露。精功科技:公司位于浙江绍兴，公司三大业务板块：纺织机械和建筑机械，太阳能光伏专用装备、碳纤维及复合材料装备（营收占比39.51%）。公司碳纤维生产线已形成批量化生产，具备碳纤维生产线整线供应和整线解决方案的能力。公司 2020 年向吉林精功交付了最新推出的 2500吨级 25K/50K大丝束碳纤维生产线，系国内首条接近全国产化的千吨级别生产线，整线除卷绕机外，其余全部由精功科技自主完成设计制造。因此，从风电叶片角度看碳纤维产业链，吉林碳谷、恒神股份有比较实在的产能建设，最有希望吃到风电叶片对大丝束碳纤维的需求红利；光威复材作为平台型企业最有潜力；精功科技作为卖水人，横竖都有份。
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