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2021年11月29日 星期一
颗粒硅能颠覆多晶硅市场吗?
所属分类:行业展望
来源: 光伏新观察
更新日期:2021-11-17

实现碳减排的长期规划、提高可再生能源占比已经成为全球的一个共识,各国都有自己的发展规划,我国也是积极响应,给出了2030碳达峰、2060碳中和的目标。同时,我国为了在规定的时间点落实,今年以来也是出台一系列利好新能源的政策,甚至分别锚定了2025年和2030年非化石能源占比目标在20%和25%。

光伏作为新能源发电中非常重要的一个组成部分,其作用显然是不可忽视的,但光伏行业继去年四季度迎来装机高峰之后,新增装机今年上半年为2430.6万千瓦,仅与去年同期增幅基本持平,而进入三季度月装机量更是逐步下降,背后的原因之一就在于重要的原材料硅料的供不应求。

近年来,全球光伏装机规模增速持续向上,也使得全产业链均处于扩张阶段,但是相比起硅片、电池片等环节,硅料整体扩产规模较小同时扩产周期也较长,所以导致下游的扩产增速高于硅料,从而引发了硅料的供不应求和高价位的局面。今年以来,国内硅料价格持续高涨,从年初的90元/kg一路上涨到如今的265元/kg,涨幅高达194%,相比去年同期也有179%的涨幅,硅料的高价位甚至一度引发了上下游的博弈。

这里,笔者就硅料的两种技术路线——改良西门子法和颗粒硅的硅烷流化床法,这两个今年以来备受市场和投资者重点关注的双技术展开讲讲。

硅料的双技术之争

就像动力电池也分磷酸铁锂电池和三元锂电池两种一样,硅料的制成技术也主要分为两种,这两种技术也都不是新生技术,分别是改良西门子法和硅烷流化床法,两种产品的形态分别为棒状硅和颗粒硅。

但不像磷酸铁锂电池和三元锂电池那样处于持续的“你追我赶”,相互交锋的局面,在过去的很长一段时间,改良西门子法由于自身降本速度非常快,叠加生产工艺又相对成熟,一直是市场上多晶硅制备的主流工艺。可以说,在过去的十年中,国内外的大量的项目使用的都是改良西门子法,从2020年的数据来看,改良西门子法生产的棒状硅约占全国总产量的97.2%。

此前,国内外并不是没有企业在做颗粒硅,但都不尽如人意,直到近年尤其是今年开始,颗粒硅的硅烷流化床法开始受到市场的关注,主要原因是国内光伏企业保利协鑫称其颗粒硅制成成本开始下降,并实现关键设备国产化及关键材料替代,最终使得颗粒硅项目具备了一定规模生产的技术条件。近日,保利协鑫表示颗粒硅新增2万吨产能已于2021年10月底完成基建,并于11月10日正式投产。

两种技术全面对比

硅料的两种制成方法改良西门子法和硅烷流化床法,从过去历史来看,毫无疑问改良西门子法更胜一筹,这次颗粒硅借着今年硅料供不应求的高景气度卷土重来,究竟有什么优势和底气,可以从成本、能耗和品质三个方面进行对比。

(1)品质

由于此前改良西门子法占着绝对的主导地位,所以品质这里就以改良西门子法为标准来看。西门子法分为两种标准,第一是太阳能级标准,第二种是电子级标准。其中太阳能级的标准里面分为4个等级,分别是特级品、一级品、二级品和三级品,还有等外品。相对于光伏产业所用太阳能级多晶硅99.9999%纯度,电子级多晶硅的纯度要求更高,高达99.999999999%。

国家质量标准要求产品需要满足体杂、表杂金属含量和碳、氧浓度,以避免重金属杂质形成的强复合中心对电池片电学性能的造成致命影响以及对后续的生产控制产生不利后果。颗粒硅虽然投产时间不长,但是根据保利协鑫数据来看,颗粒硅的碳浓度在0.4ppma以下,总金属杂质平均浓度在10ppbw以下,基本上是能够达到太阳能级的特级品标准。但是颗粒硅的生产工艺决定了杂质含量很难控制,在连续大规模生产后,颗粒硅的产品的质量很难完全保持一致,硅料的品质会出现一定的差异。

至于电子一级多晶硅产品的标准,体杂和表杂水平要求在7ppbw以内,碳含量要求在0.02ppma以内,目前颗粒硅暂时无法达到这个标准,但同时期多晶硅龙头企业的西门子法多晶硅体杂和表杂上限已经在0.9ppbw左右的水平,较颗粒硅低一个数量级,已经达到了电子级标准,显然颗粒硅质量较改良西门子法还是有一定程度的差距。

根据民生证券电新首席邓永康分析,颗粒硅中的一些问题仍需要花一些时间解决,主要原因就是含氢和含碳量偏高,所以目前企业的用量用法都属于掺杂的,用一部分金属硅,再用一部分颗粒硅。颗粒硅的价格其实也反应出了这个问题,它还没有卖到和单晶致密料同样的价格水平。

(2)能耗

考虑到我国给出的2030碳达峰,2060碳中和的目标,显然能耗是需要重点比较的部分。市场目前认为颗粒硅的能耗是远远低于改良西门子法的,但这个能耗或有必要综合来看。

从相关技术专家最新统计的数据来看,单看硅料环节的电耗和水耗,由于硅烷流化床法生产颗粒硅的反应温度大约是在700度左右,转化率是98.5%以上,同时由于整体工艺流程进行了简化,使得新水消耗和电耗都较少,电耗仅在20-30 kWh/kg-Si,新水消耗则大概是多晶硅的25%-35%,折算17 kg/kg.Si。

而改良西门子法需要在1000度以上的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅,一次转化率较低仅为13%,间接导致了高能耗,所以电耗整体较高,基本在50 kWh/kg-Si左右,同时水耗则基本维持在67 kg/kg.Si左右。

但是值得注意的是,除了老生常谈的电耗和水耗,能耗的综合考虑还需要加上蒸汽消耗。不同于改良西门子法的副产蒸汽用于发电,蒸汽单耗基本上已经下降到0,硅烷流化床法还会使用到蒸汽、天然气等,所以这部分有关蒸汽的25kg/kg.Si左右的能耗仅在生产颗粒硅的时候会产生,需要综合考虑进去,最后,综合能耗算下来,两种技术的能耗差距并不大。

(3)成本

西门子法由于工艺成熟稳定,过程简单可控,设备标准化,容易复制和扩大规模,2020年改良西门子法产线设备投资成本约为8.5亿元/万吨,而硅烷法生产技术流程由于较改良西门子法更短,工序更少,所以,在设备等初始投资方面肯定比改良西门子法低;同时,由于工序方面硅烷法无需破碎的原因,所以破碎成本也能省下来,还包括此前提到的电耗的成本降低,使得硅烷法比改良西门子法要低20%左右。

但同样我们也要看到,虽然颗粒硅的电耗、单位投资额以及人工成本方面相比块状硅具有理论上的优势。但运用到实际中,由于“氢跳”、颗粒硅撞击器壁等问题,会造成生产工序的中断,并引起碳基内衬、加热线圈、石英坩埚等部件的损坏,同时由于生产工艺中粉末比例较高使得成品率偏低,从而在硅元素单耗方面产生了较大的额外成本。当然,随着后续厂商的生产工艺的改善和技术的提升,颗粒硅生产的这些问题也有望得到进一步的解决。

颗粒硅能否颠覆多晶硅市场?

下游最终选择用什么,肯定是会从多方面如成本、品质、稳定供货等进行考虑,目前来看,颗粒硅已经得到部分客户的使用,像隆基、中环、晶澳等也已经签订合约。但是颗粒硅在产品纯度、运行稳定性和产品一致性方面显然还有一些问题需要花时间解决,主要原因是它的含氢和含碳量偏高,但因为颗粒硅比较小,填料密度高,同时颗粒硅的加入可以增加单位产出,降低生产成本,避免大块料堵塞,所以目前企业的用量用法都属于部分掺杂,并不是100%的运用,而是用一部分金属硅,再用一部分颗粒硅,总的来说相当于辅料使用,目前颗粒硅掺杂比例在15%-20%左右。

随着颗粒硅产能的逐步释放以及技术的进一步改善,这个比例或还将有一定程度的提升,但是想要完全颠覆目前的主流技术——西门子法多晶硅或仍不现实。一方面,目前总的颗粒硅的产能相比起整个光伏硅料的供需市场来看依旧太小,尚在爬坡阶段;另一方面,下游对于颗粒硅当前的品质问题能否得到完美解决,以及成本能否持续下降,依旧保持观望态度,目前颗粒硅的价格其实也反应出了这个问题,它还没有卖到和单晶致密料同样的价格水平。

最重要的一点,从近期国家频发的新能源政策就能看得出来,光伏的未来市场依旧很大,而作为上游的硅料的高景气度也不会退散,大的市场空间使得两种技术在相互竞争的同时也是相互促进和受益。


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