實(shí)現(xiàn)碳減排的長期規(guī)劃、提高可再生能源占比已經(jīng)成為全球的一個共識，各國都有自己的發(fā)展規(guī)劃，我國也是積極響應(yīng)，給出了2030碳達(dá)峰、2060碳中和的目標(biāo)。同時，我國為了在規(guī)定的時間點(diǎn)落實(shí)，今年以來也是出臺一系列利好新能源的政策，甚至分別錨定了2025年和2030年非化石能源占比目標(biāo)在20%和25%。
光伏作為新能源發(fā)電中非常重要的一個組成部分，其作用顯然是不可忽視的，但光伏行業(yè)繼去年四季度迎來裝機(jī)高峰之后，新增裝機(jī)今年上半年為2430.6萬千瓦，僅與去年同期增幅基本持平，而進(jìn)入三季度月裝機(jī)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應(yīng)求。
近年來，全球光伏裝機(jī)規(guī)模增速持續(xù)向上，也使得全產(chǎn)業(yè)鏈均處于擴(kuò)張階段，但是相比起硅片、電池片等環(huán)節(jié)，硅料整體擴(kuò)產(chǎn)規(guī)模較小同時擴(kuò)產(chǎn)周期也較長，所以導(dǎo)致下游的擴(kuò)產(chǎn)增速高于硅料，從而引發(fā)了硅料的供不應(yīng)求和高價位的局面。今年以來，國內(nèi)硅料價格持續(xù)高漲，從年初的90元/kg一路上漲到如今的265元/kg，漲幅高達(dá)194%，相比去年同期也有179%的漲幅，硅料的高價位甚至一度引發(fā)了上下游的博弈。
這里，筆者就硅料的兩種技術(shù)路線——改良西門子法和顆粒硅的硅烷流化床法，這兩個今年以來備受市場和投資者重點(diǎn)關(guān)注的雙技術(shù)展開講講。
硅料的雙技術(shù)之爭
就像動力電池也分磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池兩種一樣，硅料的制成技術(shù)也主要分為兩種，這兩種技術(shù)也都不是新生技術(shù)，分別是改良西門子法和硅烷流化床法，兩種產(chǎn)品的形態(tài)分別為棒狀硅和顆粒硅。
但不像磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池那樣處于持續(xù)的“你追我趕”，相互交鋒的局面，在過去的很長一段時間，改良西門子法由于自身降本速度非常快，疊加生產(chǎn)工藝又相對成熟，一直是市場上多晶硅制備的主流工藝。可以說，在過去的十年中，國內(nèi)外的大量的項(xiàng)目使用的都是改良西門子法，從2020年的數(shù)據(jù)來看，改良西門子法生產(chǎn)的棒狀硅約占全國總產(chǎn)量的97.2%。
此前，國內(nèi)外并不是沒有企業(yè)在做顆粒硅，但都不盡如人意，直到近年尤其是今年開始，顆粒硅的硅烷流化床法開始受到市場的關(guān)注，主要原因是國內(nèi)光伏企業(yè)保利協(xié)鑫稱其顆粒硅制成成本開始下降，并實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化及關(guān)鍵材料替代，最終使得顆粒硅項(xiàng)目具備了一定規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)條件。近日，保利協(xié)鑫表示顆粒硅新增2萬噸產(chǎn)能已于2021年10月底完成基建，并于11月10日正式投產(chǎn)。
兩種技術(shù)全面對比
硅料的兩種制成方法改良西門子法和硅烷流化床法，從過去歷史來看，毫無疑問改良西門子法更勝一籌，這次顆粒硅借著今年硅料供不應(yīng)求的高景氣度卷土重來，究竟有什么優(yōu)勢和底氣，可以從成本、能耗和品質(zhì)三個方面進(jìn)行對比。
(1)品質(zhì)
由于此前改良西門子法占著絕對的主導(dǎo)地位，所以品質(zhì)這里就以改良西門子法為標(biāo)準(zhǔn)來看。西門子法分為兩種標(biāo)準(zhǔn)，第一是太陽能級標(biāo)準(zhǔn)，第二種是電子級標(biāo)準(zhǔn)。其中太陽能級的標(biāo)準(zhǔn)里面分為4個等級，分別是特級品、一級品、二級品和三級品，還有等外品。相對于光伏產(chǎn)業(yè)所用太陽能級多晶硅99.9999%純度，電子級多晶硅的純度要求更高，高達(dá)99.999999999%。
國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)品需要滿足體雜、表雜金屬含量和碳、氧濃度，以避免重金屬雜質(zhì)形成的強(qiáng)復(fù)合中心對電池片電學(xué)性能的造成致命影響以及對后續(xù)的生產(chǎn)控制產(chǎn)生不利后果。顆粒硅雖然投產(chǎn)時間不長，但是根據(jù)保利協(xié)鑫數(shù)據(jù)來看，顆粒硅的碳濃度在0.4ppma以下，總金屬雜質(zhì)平均濃度在10ppbw以下，基本上是能夠達(dá)到太陽能級的特級品標(biāo)準(zhǔn)。但是顆粒硅的生產(chǎn)工藝決定了雜質(zhì)含量很難控制，在連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)后，顆粒硅的產(chǎn)品的質(zhì)量很難完全保持一致，硅料的品質(zhì)會出現(xiàn)一定的差異。
至于電子一級多晶硅產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，體雜和表雜水平要求在7ppbw以內(nèi)，碳含量要求在0.02ppma以內(nèi)，目前顆粒硅暫時無法達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn)，但同時期多晶硅龍頭企業(yè)的西門子法多晶硅體雜和表雜上限已經(jīng)在0.9ppbw左右的水平，較顆粒硅低一個數(shù)量級，已經(jīng)達(dá)到了電子級標(biāo)準(zhǔn)，顯然顆粒硅質(zhì)量較改良西門子法還是有一定程度的差距。
根據(jù)民生證券電新首席鄧永康分析，顆粒硅中的一些問題仍需要花一些時間解決，主要原因就是含氫和含碳量偏高，所以目前企業(yè)的用量用法都屬于摻雜的，用一部分金屬硅，再用一部分顆粒硅。顆粒硅的價格其實(shí)也反應(yīng)出了這個問題，它還沒有賣到和單晶致密料同樣的價格水平。
(2)能耗
考慮到我國給出的2030碳達(dá)峰，2060碳中和的目標(biāo)，顯然能耗是需要重點(diǎn)比較的部分。市場目前認(rèn)為顆粒硅的能耗是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于改良西門子法的，但這個能耗或有必要綜合來看。
從相關(guān)技術(shù)專家最新統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看，單看硅料環(huán)節(jié)的電耗和水耗，由于硅烷流化床法生產(chǎn)顆粒硅的反應(yīng)溫度大約是在700度左右，轉(zhuǎn)化率是98.5%以上，同時由于整體工藝流程進(jìn)行了簡化，使得新水消耗和電耗都較少，電耗僅在20-30 kWh/kg-Si，新水消耗則大概是多晶硅的25%-35%，折算17 kg/kg.Si。
而改良西門子法需要在1000度以上的高純硅芯上用高純氫還原高純?nèi)葰涔瑁淮无D(zhuǎn)化率較低僅為13%，間接導(dǎo)致了高能耗，所以電耗整體較高，基本在50 kWh/kg-Si左右，同時水耗則基本維持在67 kg/kg.Si左右。
但是值得注意的是，除了老生常談的電耗和水耗，能耗的綜合考慮還需要加上蒸汽消耗。不同于改良西門子法的副產(chǎn)蒸汽用于發(fā)電，蒸汽單耗基本上已經(jīng)下降到0，硅烷流化床法還會使用到蒸汽、天然氣等，所以這部分有關(guān)蒸汽的25kg/kg.Si左右的能耗僅在生產(chǎn)顆粒硅的時候會產(chǎn)生，需要綜合考慮進(jìn)去，最后，綜合能耗算下來，兩種技術(shù)的能耗差距并不大。
(3)成本
西門子法由于工藝成熟穩(wěn)定，過程簡單可控，設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，容易復(fù)制和擴(kuò)大規(guī)模，2020年改良西門子法產(chǎn)線設(shè)備投資成本約為8.5億元/萬噸，而硅烷法生產(chǎn)技術(shù)流程由于較改良西門子法更短，工序更少，所以，在設(shè)備等初始投資方面肯定比改良西門子法低;同時，由于工序方面硅烷法無需破碎的原因，所以破碎成本也能省下來，還包括此前提到的電耗的成本降低，使得硅烷法比改良西門子法要低20%左右。
但同樣我們也要看到，雖然顆粒硅的電耗、單位投資額以及人工成本方面相比塊狀硅具有理論上的優(yōu)勢。但運(yùn)用到實(shí)際中，由于“氫跳”、顆粒硅撞擊器壁等問題，會造成生產(chǎn)工序的中斷，并引起碳基內(nèi)襯、加熱線圈、石英坩堝等部件的損壞，同時由于生產(chǎn)工藝中粉末比例較高使得成品率偏低，從而在硅元素單耗方面產(chǎn)生了較大的額外成本。當(dāng)然，隨著后續(xù)廠商的生產(chǎn)工藝的改善和技術(shù)的提升，顆粒硅生產(chǎn)的這些問題也有望得到進(jìn)一步的解決。
顆粒硅能否顛覆多晶硅市場?
下游最終選擇用什么，肯定是會從多方面如成本、品質(zhì)、穩(wěn)定供貨等進(jìn)行考慮，目前來看，顆粒硅已經(jīng)得到部分客戶的使用，像隆基、中環(huán)、晶澳等也已經(jīng)簽訂合約。但是顆粒硅在產(chǎn)品純度、運(yùn)行穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性方面顯然還有一些問題需要花時間解決，主要原因是它的含氫和含碳量偏高，但因?yàn)轭w粒硅比較小，填料密度高，同時顆粒硅的加入可以增加單位產(chǎn)出，降低生產(chǎn)成本，避免大塊料堵塞，所以目前企業(yè)的用量用法都屬于部分摻雜，并不是100%的運(yùn)用，而是用一部分金屬硅，再用一部分顆粒硅，總的來說相當(dāng)于輔料使用，目前顆粒硅摻雜比例在15%-20%左右。
隨著顆粒硅產(chǎn)能的逐步釋放以及技術(shù)的進(jìn)一步改善，這個比例或還將有一定程度的提升，但是想要完全顛覆目前的主流技術(shù)——西門子法多晶硅或仍不現(xiàn)實(shí)。一方面，目前總的顆粒硅的產(chǎn)能相比起整個光伏硅料的供需市場來看依舊太小，尚在爬坡階段;另一方面，下游對于顆粒硅當(dāng)前的品質(zhì)問題能否得到完美解決，以及成本能否持續(xù)下降，依舊保持觀望態(tài)度，目前顆粒硅的價格其實(shí)也反應(yīng)出了這個問題，它還沒有賣到和單晶致密料同樣的價格水平。
最重要的一點(diǎn)，從近期國家頻發(fā)的新能源政策就能看得出來，光伏的未來市場依舊很大，而作為上游的硅料的高景氣度也不會退散，大的市場空間使得兩種技術(shù)在相互競爭的同時也是相互促進(jìn)和受益。
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