风电材料行业专题研究:玻纤碳纤双骄,共享风(3)
预浸料是碳纤维制备碳纤维复合材料的一种重要中间基材。国外预浸料龙头有东丽、赫 氏、氰特、固瑞特等,外企于风电市场主打高面密度(600g/m2)碳纤维预浸料;国产碳纤维 预浸料制造商以低面密度(300g/m2)为主,目前高面密度工艺端仍需改进,浸渍不均匀,表 观质量较差。此外预浸料长期储存需冷冻环境,额外增加叶片生产成本。
真空灌注是闭模成型工艺,真空灌注准备工作较繁琐,且真空度对材料质量影响大。 拉挤工艺先将碳纤维制成拉挤板材,叶片制作时在设定位置内把拉挤板材黏贴在蒙皮上制 成大梁。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率、高质量、低成本的 拉挤梁片标准件,然后把标准件一次组装整体成型。
拉挤法具备纤维体积含量高、高效低成本等优点: (1)拉挤工艺碳纤维板材体积含量达 69%,明显高于预浸料和真空灌注,纤维含量高使 拉挤法碳纤维高强高模轻质效果更好,能应用于刚度要求非常高、主梁疲劳富余量非常大的叶 片; (2)标准件生产方式明显提高生产效率,保证产品性能一致性和稳定性,同时有效降低 运输成本和组装整体成型成本; (3)预浸料和真空灌注都有一定边角废料,而拉挤法极少。
拉挤法逐步成为风电叶片主流生产工艺。2015 年之前全球碳纤维工艺以预浸料和真空灌 注为主,价格高使风电叶片采用碳纤维比例偏低;近年来 Vestas 大丝束碳纤维(主流供应商 为 ZOLTEK)拉挤梁片成为主流。2020 年拉挤法碳纤维复合材料需求 5.87 万吨,占比达 36%,超越预浸料成为碳纤维第一大工艺,2016-2020 年拉挤法需求 CAGR 达 18%。
Vestas 碳梁保护专利 2022 年 7 月到期,国内外厂商加速布局拉挤法技术储备。Vestas 在 风电叶片碳纤维领域市占率超 80%(数据来源:《国产碳纤维在风电叶片产业中的机会》, 2019 年),国内厂商仍以预浸料工艺为主,除拉挤法技术难度外,专利也是主要原因。Vestas 在 2002 年 7 月 19 日向中国/丹麦等国家知识产权局申请了由碳纤维条带组装风力涡轮叶片的 相关专利,国内厂商可使用拉挤法生产大丝束碳纤维及其复合材料,但无法将拉挤法所得碳梁 用于制作叶片(除非直接供给 Vestas)。国内外厂家预计会提前布局拉挤法工艺,因此专利到 期后,拉挤法工艺有望快速实现普用,带动风电叶片用碳纤维成本下降,进而拉动风电碳纤维 需求。
2.3 碳纤维产业链较长,生产工艺国产替代空间广阔
国产替代空间大,风电为我国碳纤维下游需求大头。2020 年全球碳纤维需求达 10.69 万 吨,我国碳纤维需求 4.89 万吨,占比 45.7%,其中国产碳纤维供应量仅为 1.85 万吨,占国内 总需求 38%,国产替代空间广阔。奥赛碳纤维预测 2025 年国产碳纤维供应量将达 8.3 万吨, 预期未来 5 年 CAGR 达 35%。 全球与我国碳纤维下游需求结构有所出入,航空航天、风电叶片、体育休闲(高尔夫、 自行车、钓鱼竿、球拍等)、汽车为全球碳纤维前四大用途,其中风电叶片占比 16.4%;而从 我国碳纤维需求结构来看,风电为下游应用大头,占比 40.9%。
碳纤维产业链包含从原油到终端应用的完整制造过程:上游企业从石油、煤炭、天然气 等化石燃料中制得丙烯,再经氨氧化后得到丙烯腈;丙烯腈经聚合和纺丝后得到聚丙烯腈(PAN) 原丝;PAN 原丝经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维;碳纤维可制成碳纤维织物和碳 纤维预浸料;碳纤维与树脂、陶瓷等材料结合可形成碳纤维复合材料,最后由各种成型工艺得 到下游应用所需产品。
3. 风电叶片领域,玻纤、碳纤将长期共存
碳纤维是否会在风电叶片领域大面积取代玻纤?我们认为,玻纤与碳纤将长期共存,共 享风电增量。
(1)碳纤维产能规模不支持大范围替代。奥赛碳纤维数据显示,2020 年底全球碳纤维运 行产能为 17.17 万吨,考虑到扩产计划则达 25.21 万吨(此处未计入:吉林化纤宣布“十四五” 碳纤维扩产到 6 万吨,其中目前确定有 1.5 万吨碳纤维扩产)。2021-2023 年全球年均新增风 电装机量在 90GW 左右,假设 1GW 对应增强材料织物需求 1 万吨,即近 3 年全球风电增强材 料织物需求在 90 万吨左右,碳纤维产能供应仍存明显缺口。
另外,关于碳纤维供给,我们提示 3 点: 1)并非所有碳纤维产能供应风电,即使远期运行产能达 25.2 万吨,但其中供应风电叶片 需求仅为 9.34 万吨(数据来源:赛奥碳纤维,9.34 万吨为 2025 年预测); 2)并非所有运行产能为实际产能,如同样宽幅与速度的碳纤维产线生产 3K 与 12K 碳纤 维产能有较大出入。统计原因导致存在部分“无效产能”,2017-2020 年总产能与产出有较大 出入,反映在数据上即为产能利用率较低; 3)考虑到生产技术壁垒,并非所有扩产计划均可落地。
文章来源:《材料研究学报》 网址: http://www.clyjxbzz.cn/zonghexinwen/2021/1214/2050.html