满足“碳达峰、碳中和”要求 光伏材料颗粒硅新工艺来了
光伏产业需要的多晶硅纯度达99.9999％以上 。 目前 ， 世界上绝大部分厂家生产的硅料 ， 均采用传统的改良西门子法 ， 这是最为成熟、应用最广泛的工艺技术 。 而与改良西门子法生产的多晶硅相比 ， 硅烷流化床法（FBR）生产的颗粒硅体积更小 ， 能耗和成本大大降低 。
投资减少30% ， 生产电耗降低65% ， 人员降低30%……
保利协鑫近日发布公告称 ， 该公司硅烷流化床法（FBR）颗粒硅1万吨项目投产后 ， 经过生产运营及下游客户使用实证 ， 颗粒硅各项指标再获新突破——头尾寿命、尾碳、成晶率、单产、转换效率均领先行业水准 。
该公告发布后 ， 引起资本市场和光伏产业界高度关注 。
目前 ， 光伏发电的上游原材料主要是改良西门子法制备多晶硅 ， FBR颗粒硅问世后 ， 有业内专家判断 ， 颗粒硅有望引发多晶硅制造的一场颠覆性技术革命 。 那么FBR颗粒硅究竟是一个什么样的工艺产品？它与传统多晶硅有什么不同又为何能异军突起？科技日报采访人员4月2日就这些问题对业内专家进行了专访 。
硅料的价格和质量对光伏发电至关重要
众所周知 ， 光伏产业有着一条明确而清晰的产业链 ， 硅料、硅片、电池片、组件、应用系统是产业链上的5大环节 。 其中 ， 硅料和硅片处于光伏产业链上游 。
硅料环节不仅制造及研发门槛高 ， 而且资金投入极大 。 同时 ， 硅料的价格和质量对光伏发电的成本和效率也起着至关重要的作用 。
近年来 ， 光伏行业发展势头越来越猛 ， 2020年我国光伏新增装机规模48.2GW ， 同比增长60% 。 在终端市场带动和国家法规的倒逼下 ， 各家原料企业都在研发硅料新工艺 。 在这一背景下 ， 颗粒硅逐渐走入人们视线 。
硅料即多晶硅 ， 光伏产业需要的多晶硅纯度达99.9999％以上 。 目前 ， 世界绝大部分厂家生产的硅料 ， 均采用传统的改良西门子法 ， 这是最为成熟、应用最广泛的工艺技术 。
“改良西门子法主要原理是 ， 把石英砂放在电炉中冶炼还原制成99%的工业硅粉 ， 再与四氯化硅和氢气反应得到三氯氢硅 ， 经过精馏、提纯、高温还原、尾气回收等一系列工艺流程 ， 最终产出棒状多晶硅 。 ”保利协鑫研究院副院长蒋立民介绍说 。
FBR颗粒硅也是多晶硅 ， 但与改良西门子法多晶硅相比 ， 颗粒硅更小 ， 仅有绿豆般大 。 自2010年开始 ， 保利协鑫子公司中能硅业便开始自主研发颗粒硅技术 ， 并通过收购海外资产 ， 最终实现颗粒硅量产 。
“保利协鑫颗粒硅采用独创的硅烷流化床法制造 ， 将原料三氯氢硅歧化制得硅烷 ， 硅烷在流化床中进行分解反应制得颗粒状多晶硅 ， 单程转化率可达99% ， 减少了尾气回收和精馏环节 ， 反应温度也只有改良西门子法的60% ， 可以连续化生产 ， 能耗和成本都大大降低 。 ”蒋立民告诉采访人员 。
据介绍 ， 下游硅片厂家拿到传统多晶硅后 ， 还需要破碎、清洗然后用于拉单晶 ， 而颗粒硅不需要破碎和清洗 ， 可以直接投料拉单晶 ， 而且流动性好 ， 相比于传统多晶硅更适合新一代连续投料直拉工艺 。
碳中和对光伏产业链提出更高要求
早在多年前 ， 光伏产业链登陆国内之时 ， 就有声音质疑光伏产业链能耗高 ， 造成的污染和温室气体排放高于发电收益 。
随着自主技术进步和实践检验 ， 这种质疑声音已经逐渐消失 。 但是 ， 硅料和硅片制造环节的较高能耗 ， 不仅制约光伏发电的成本降低 ， 也影响我国“碳达峰、碳中和”目标的实现 。
据业内人士介绍 ， 目前光伏产业链中能耗最高的是硅料制造环节 ， 能耗占比达45% 。 2020年5月 ， 工信部发布《光伏制造行业规范条件（2020年本》（征求意见稿） ， 该规范规定 ， 新/扩建多晶硅综合电耗不大于70千瓦时/千克 。
“根据我们实测 ， FBR颗粒硅综合电耗仅为18千瓦时/千克 ， 远低于行业规范 。 ”蒋立民说 。
我国已承诺 ， 到2030年风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上 ， 这将带动大批光伏发电项目投建运营 。 根据工信部规范要求 ， 采访人员沿着FBR颗粒硅和改良西门子法多晶硅的生产流程 ， 分别对二者生产的多晶硅组件 ， 在整个光伏产业链的路径进行碳足迹溯源 ， 可以看出 ， 仅硅料环节生产1吉瓦颗粒硅可减排13万吨二氧化碳 ， 较改良西门子法降低74% ， 从整个产业链来看 ， 生产1吉瓦组件至少可降低二氧化碳排放量47.7% 。
凭借着产能、成本控制和技术等诸方面的优势 ， 世界光伏产业重心逐步向中国转移 。 截至2019年 ， 中国在多晶硅、硅片、电池片和组件环节的产量占全球比例均已超过60% ， 分别为67%、97%、79%和71% 。
按照2020年国内硅料产能约43万吨测算 ， 由FBR替代西门子法每年将减少二氧化碳排放1927万吨 。 根据瑞士苏黎世联邦理工学院研究推论 ， 一公顷树冠面积每年可消耗205吨二氧化碳 ， 1927万吨二氧化碳需要9.4万公顷树冠面积 ， 相当于每年多种了约9400万棵树 。
为淘汰落后光伏产能 ， 工信部规范已明确提出“光伏制造企业应采用工艺先进、节能环保、产品质量好、生产成本低的生产技术和设备” 。
蒋立民向科技日报采访人员介绍 ， 经过10年研究改进 ， FBR颗粒硅已经较好地解决产品质量、长周期连续运行、低成本等大规模产业化问题 。 2019年 ， 实现了关键设备国产化及关键材料替代 ， 保利协鑫还领衔主编了颗粒硅国家标准 。 未来 ， FBR颗粒硅将对我国光伏产业链碳减排起到至关重要的作用 。
【颗粒|助力节能减排 光伏材料颗粒硅新工艺来了】本报采访人员 张 晔 实习生 季天宇
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