滿足“碳達峰、碳中和”要求 光伏材料顆粒硅新工藝來了

  投資減少30%,生產電耗降低65%,人員降低30%……

  保利協鑫近日發布公告稱,該公司硅烷流化床法(FBR)顆粒硅1萬噸項目投產后,經過生產運營及下游客戶使用實證,顆粒硅各項指標再獲新突破——頭尾壽命、尾碳、成晶率、單產、轉換效率均領先行業水準。

  該公告發布后,引起資本市場和光伏產業界高度關注。

  目前,光伏發電的上游原材料主要是改良西門子法制備多晶硅,FBR顆粒硅問世后,有業內專家判斷,顆粒硅有望引發多晶硅制造的一場顛覆性技術革命。那么FBR顆粒硅究竟是一個什么樣的工藝產品?它與傳統多晶硅有什么不同又為何能異軍突起?科技日報記者4月2日就這些問題對業內專家進行了專訪。

  硅料的價格和質量對光伏發電至關重要

  眾所周知,光伏產業有著一條明確而清晰的產業鏈,硅料、硅片、電池片、組件、應用系統是產業鏈上的5大環節。其中,硅料和硅片處于光伏產業鏈上游。

  硅料環節不僅制造及研發門檻高,而且資金投入極大。同時,硅料的價格和質量對光伏發電的成本和效率也起著至關重要的作用。

  近年來,光伏行業發展勢頭越來越猛,2020年我國光伏新增裝機規模48.2GW,同比增長60%。在終端市場帶動和國家法規的倒逼下,各家原料企業都在研發硅料新工藝。在這一背景下,顆粒硅逐漸走入人們視線。

  硅料即多晶硅,光伏產業需要的多晶硅純度達99.9999%以上。目前,世界絕大部分廠家生產的硅料,均采用傳統的改良西門子法,這是最為成熟、應用最廣泛的工藝技術。

  “改良西門子法主要原理是,把石英砂放在電爐中冶煉還原制成99%的工業硅粉,再與四氯化硅和氫氣反應得到三氯氫硅,經過精餾、提純、高溫還原、尾氣回收等一系列工藝流程,最終產出棒狀多晶硅?!北@麉f鑫研究院副院長蔣立民介紹說。

  FBR顆粒硅也是多晶硅,但與改良西門子法多晶硅相比,顆粒硅更小,僅有綠豆般大。自2010年開始,保利協鑫子公司中能硅業便開始自主研發顆粒硅技術,并通過收購海外資產,最終實現顆粒硅量產。

  “保利協鑫顆粒硅采用獨創的硅烷流化床法制造,將原料三氯氫硅歧化制得硅烷,硅烷在流化床中進行分解反應制得顆粒狀多晶硅,單程轉化率可達99%,減少了尾氣回收和精餾環節,反應溫度也只有改良西門子法的60%,可以連續化生產,能耗和成本都大大降低?!笔Y立民告訴記者。

  據介紹,下游硅片廠家拿到傳統多晶硅后,還需要破碎、清洗然后用于拉單晶,而顆粒硅不需要破碎和清洗,可以直接投料拉單晶,而且流動性好,相比于傳統多晶硅更適合新一代連續投料直拉工藝。

  碳中和對光伏產業鏈提出更高要求

  早在多年前,光伏產業鏈登陸國內之時,就有聲音質疑光伏產業鏈能耗高,造成的污染和溫室氣體排放高于發電收益。

  隨著自主技術進步和實踐檢驗,這種質疑聲音已經逐漸消失。但是,硅料和硅片制造環節的較高能耗,不僅制約光伏發電的成本降低,也影響我國“碳達峰、碳中和”目標的實現。

  據業內人士介紹,目前光伏產業鏈中能耗最高的是硅料制造環節,能耗占比達45%。2020年5月,工信部發布《光伏制造行業規范條件(2020年本》(征求意見稿),該規范規定,新/擴建多晶硅綜合電耗不大于70千瓦時/千克。

  “根據我們實測,FBR顆粒硅綜合電耗僅為18千瓦時/千克,遠低于行業規范?!笔Y立民說。

  我國已承諾,到2030年風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上,這將帶動大批光伏發電項目投建運營。根據工信部規范要求,記者沿著FBR顆粒硅和改良西門子法多晶硅的生產流程,分別對二者生產的多晶硅組件,在整個光伏產業鏈的路徑進行碳足跡溯源,可以看出,僅硅料環節生產1吉瓦顆粒硅可減排13萬噸二氧化碳,較改良西門子法降低74%,從整個產業鏈來看,生產1吉瓦組件至少可降低二氧化碳排放量47.7%。

  憑借著產能、成本控制和技術等諸方面的優勢,世界光伏產業重心逐步向中國轉移。截至2019年,中國在多晶硅、硅片、電池片和組件環節的產量占全球比例均已超過60%,分別為67%、97%、79%和71%。

  按照2020年國內硅料產能約43萬噸測算,由FBR替代西門子法每年將減少二氧化碳排放1927萬噸。根據瑞士蘇黎世聯邦理工學院研究推論,一公頃樹冠面積每年可消耗205噸二氧化碳,1927萬噸二氧化碳需要9.4萬公頃樹冠面積,相當于每年多種了約9400萬棵樹。

  為淘汰落后光伏產能,工信部規范已明確提出“光伏制造企業應采用工藝先進、節能環保、產品質量好、生產成本低的生產技術和設備”。

  蔣立民向科技日報記者介紹,經過10年研究改進,FBR顆粒硅已經較好地解決產品質量、長周期連續運行、低成本等大規模產業化問題。2019年,實現了關鍵設備國產化及關鍵材料替代,保利協鑫還領銜主編了顆粒硅國家標準。未來,FBR顆粒硅將對我國光伏產業鏈碳減排起到至關重要的作用。


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