关于颗粒硅的思考:既要乐观,更要客观

发布时间:2022-08-05




锦缎   |   林晓晨

 

 

技术总是向前不断迭代延展。

过去两年多来,光电风储领衔的新能源宏大叙事,在资本市场高潮迭起。其中一个接一个的泡沫吹起与破裂,令广大投资者时而亢奋时而扼腕。整个板块中枢上扬过程里,最终大家发现,最具韧性与价值的公司,终究还是那些遵从产业第一性的产业龙头们。

归根结底,叙事再努力,也要回归到对产业的价值贡献上。

比如在锂电板块,各种前沿技术路线屡屡成为市场焦点话题,但迄今为止仍是磷酸铁锂与三元二分天下。还比如当前最受资金追捧的储能领域,一家家电化学类型公司估值倒是打满了,但重点重大工程仍是属于数十年前即已成熟的抽水蓄能。

再比如本文探讨的光伏产业硅料这一分支,不少人都在预期基于硅烷流化床法的颗粒硅,将要颠覆掉既有的多晶硅供给格局,但我们目前看到的仍是下游企业不断用巨额长单锁定后者未来数年的产能。

技术总是向前不断迭代延展。但回溯人类工业史,常识在于,在规模性生态面前,一项后发技术对于产业的适配总是漫长的。长期看我们要乐观,但这个过程里我们更须时刻对产业的第一性保持敬畏,不断审视新技术的成熟度以及其之于产业生态的贡献度。如是,作为投资者,我们方能与产业进度保持协同成长。

1优势背后的现实悖论

市场对于颗粒硅技术的热忱期待,其来有自。

一直以来,硅料都是耗电大户。电费是多晶硅制备过程中的重要成本,占比约在31%-42%之间。此种背景下,降低电量消耗,就成为这一技术领域降本增效最为直接的方式。

 

图:TCS改良西门子法成本构成 资料来源:中国光伏行业协会,光大证券

目前,改良西门子法经过持续技术迭代后,综合耗电量已经由此前60kWh/kg.Si,下降至48kWh/kg.Si。虽然降幅明显,但与颗粒硅的硅烷流化床法相比,差距显著。

据协鑫2021年报披露的数据,其某基地的颗粒硅综合耗电成本已经控制在14.8kWh/kg.Si。以此数据计算,其耗电量仅为改良西门子法的30%,有着极大的降本空间。

除耗电更少这个优势外,颗粒硅还存在生产工序简单这个优势。

目前行业主流的改良西门子法,主要利用氢气还原三氯硅烷(SiHCl3)在硅芯发热体上沉积硅,通过还原尾气干法回收系统、SiCl4氢气工艺,实现物料闭路循环。整体而言,改良西门子法主要分为合成、提纯、还原、尾气回收、冷氢化、后处理六大工序。

 

图:改良西门子法的六大工艺流程 资料来源:《多晶硅生产工艺分析》,光大证券

与之相对,硅烷流化床法是将细小的硅颗粒种子铺在有气孔的床层上,然后从下面通入硅烷气体和其它反应气体,这时硅颗粒种子呈现出流体特征。在加热等反应条件下,硅单质沉积在硅颗粒种子上,生成体积较大的硅粒,通过出料管送出流化床反应器。

两相对比,硅烷流化床法需氢化、精馏、歧化、流化床还原、尾气回收等核心工序,由于硅烷裂解的化学原理决定其效率高于改良西门子工艺,整体设备体量更低。

在多晶硅供需持续紧张的情况下,无疑成本投入更低、耗电量更少的硅烷流化床法显得更具优势。因此市场中出现了颗粒硅将会全面颠覆多晶硅市场的说法,硅料行业似乎要变天了。

欲戴王冠,必承其重。颗粒硅想要取代改良西门子法传统硅成为市场主宰,那么就必须展现出碾压式参数表现,并接受市场的全面考验。

按理说,如果颗粒硅果真能耗成本比西门子法低60%以上,那么其完全可以通过价格优势对传统硅棒进行全面压制,但事实却并非如此:从现实层面看,在耗电量显著低于西门子法的情况下,颗粒硅的市场价格却几乎与传统硅棒价格相当,只是象征性的每吨便宜几百元。

由此,颗粒硅对外宣称的低成本与居高不下的市场价格之间,便形成了一个令人迷惑的悖论。其实,只要通过系统化的复盘,我们便不难发现在颗粒硅技术隐秘的角落,有些重要事实被忽略了。

2、颗粒硅的三重隐秘角落

制约颗粒硅价格下降的因素主要有三个方面,分别是蒸汽能耗、硅量消耗、硅粉消耗。之所以市场认为颗粒硅有很大的成本优势,其核心原因在于将电量消耗与综合能耗画上了等号。实际上,虽然颗粒硅电量消耗很低,但流化床法实则会用到一定量的蒸汽,这部分理应也算作能量消耗,但却被很多投资者所忽视。

以协鑫2021年财报中披露的数据为例:其徐州基地颗粒硅的综合蒸汽消耗量在15.3kg/kg.Si,目前蒸汽的折标煤系数为0.1286,颗粒硅的蒸汽消耗折合标煤为1.97kgce/kg.Si。这一数据甚至比其电能消耗折合标煤1.82kgce/kg.Si更高。

 

图:协鑫科技徐州基地颗粒硅能耗 来源:协鑫科技2021年报

综合计算可得,颗粒硅电量和蒸汽的综合折合标煤为3.79kgce/kg.Si。这些数据系完全以产业龙头数据为基准,颗粒硅行业中的平均参数很可能远高于此。

反观改良西门子法,现阶段已经可以做到0蒸汽消耗,因此在蒸汽这一隐藏能耗上,颗粒硅是要远高于传统硅棒的。如果将改良西门子法48kWh/kg.Si换算成标煤消耗,则为5.90kgce/kg.Si。这意味着颗粒硅当前的综合能耗约为改良西门子法的64%,远比电量能耗差距要小得多。

除蒸汽的隐藏消耗外,颗粒硅还需要比改良西门子法更高的硅量消耗。在最初的时候,颗粒硅与传统硅棒的硅耗比在1.2左右,虽然如今这个比例有所下降,但颗粒硅依然需要消耗更多的硅量。

更多硅量消耗有两方面问题:其一硅料本身的价格问题,其二制造硅料也需要消耗一定的能耗。无论从硅料成本考量还是从能源消耗考量,颗粒硅的成本优势与节能优势都要打上一个折扣。

同时,在颗粒硅从生产到运输的过程中,还会产生15-20%的硅粉损耗。虽然硅粉能够以低价出售,而且硅粉的损耗比例也呈现下降趋势,但这实则也会进一步影响颗粒硅的制备,让成本和能耗再次提升。

综合以上三方面因素,颗粒硅的综合成本与能量消耗几乎与传统硅棒处于同一量级,即使存在成本优势,其空间也很小,尚不足以产生颠覆性的降维冲击。

3、无法被忽视的质量比较

目前行业中对于颗粒硅的判断,实则是存在预期差的。如果颗粒硅并不能从本质上大幅降低成本和能耗,那么它与传统硅棒的竞争将重新回到产品质量层面。而这却正是当前颗粒硅技术的短板。

制备颗粒硅的流化床法并非一门新技术,早在1952年,美国联碳公司已经开始尝试流化床技术,并在随后被杜邦公司发扬光大。然而,在诞生60多年的时间中,这项技术却始终不温不火,究其原因就在于生产的硅片中杂质过多。

由于硅烷流化床法底部进料存在气流,因此工业硅颗粒会在反应器内处于悬浮状态,但底部蒸汽气流持续进入,会导致工业硅颗粒不断冲击反应器内部,在长期持续运作下,颗粒硅势必会在不断碰撞中遭到金属材料的污染。

同时,颗粒硅是在反复碰撞中制成的,长此以往会导致反应器内壁损坏,为了延长反应器的寿命,行业内普遍采用碳基材料的内衬作为耐磨结构。虽然这样做延长了反应器寿命,但却会造成颗粒硅中含碳量较高,从而影响颗粒硅的纯度。除这些污染物外,多晶硅还会存在施主杂质和受主杂质两项纯度指标。

在综合行业内多方数据后,可以总结出传统硅棒与颗粒硅杂质浓度情况:具体而言,施主杂质浓度和受主杂质浓度两项指标中,颗粒硅分别是传统硅棒的3.7倍和7倍;而在碳浓度、金属杂质浓度数据上,两者则存在数量级的差距。

 

图:传统硅棒与颗粒硅杂质数据 资料来源:公开数据

刨除杂质问题不谈,颗粒硅实际制造过程当中,还受到氢跳问题困扰。颗粒硅的制备并非简单的单次制备,而是一个连续的过程,在制造过程中,很容易因反应温度不够而出现内部氢键未断裂的情况,会出现小泡。为了成功将氢气排除,在拉晶环节必须增加反应时间,因此颗粒硅的能耗实际会比理想中更高。

正是因为这些因素影响,所以颗粒硅始终没有大规模全面进入市场。尽管市场中存在着颗粒硅单炉投料100%的说法,但下游第三方厂商依然将传统硅棒作为主流材料,颗粒硅的投料比例一般在15%-30%之间。

硅料供需如此紧张的情况下,下游厂家并没有全方面布局颗粒硅,这足以说明目前行业中对于颗粒硅的质量依然存在担忧。

4、更远的未来:既要乐观,也要客观

回溯光伏产业链发展史,不难发现,这是一个持续迭代的行业。无论是单晶太阳能电池对多晶太阳能电池的取代,还是电池片的连续升级,都体现了光伏企业不断学习的能力。

聚焦当下,PERC电池逐渐逼近能效天花板,从P型电池向N型电池升级已经成为行业内的共识。虽然HJT电池和TOPCon电池谁能胜出尚无定论,但N型电池无疑都将是电池片企业下一个进化方向。

P型电池向N型电池过渡的情况下,已然对上游多晶硅提出了更高的要求,而这些要求主要集中体现在硅的纯度上。目前来看,颗粒硅距离全面达标还存在差距。

 

杂质含量更少的传统硅棒无疑是能够达到N型电池需求的,有颗粒硅企业虽然也对外表示开始布局N型电池,但杂质依然是要高于N型电池用料的标准需求。

当然,根据技术进步曲线我们可以预期,颗粒硅一定存在纯度进一步提升的空间。如果颗粒硅能够达到跟传统硅棒相仿的纯度,那么颗粒硅一定具备更大的发展潜力,不排除其在某天成为行业中流砥柱。但这终究需要一个过程,需要包括投资者与产业建设者们一道持有耐心。

从整个产业链安全与升级发展角度出发,任何人都希望行业中多一些革命性的技术迭代方向。但对于新的技术方向,我们不仅需要包容,更应该客观。纵观历史发展,不乏伤仲永式捧杀案例。

一语以蔽之,颗粒硅这项技术值得长期关注,但在展望这项技术前景时,投资者也必须清楚判断这其中存在的曲折。最起码从当下的数据看,颗粒硅还是硅料行业的技术路线补充,尚未具备颠覆多晶硅行业格局的能力。在多重隐秘角落未被有效治理之前,其与传统硅棒间的辅主关系,或仍是未来一个周期行业的主旋律。