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多晶硅是信息产业和太阳能光伏发电产业的基础原材料，世界多个国家将其列为战略性材料，对我国实施技术封锁和市场垄断，国内需求长期依赖进口。多晶硅经过多年的努力，中硅高科依托中国恩菲2005年建成第一条产业化示范线，打破了多年的技术封锁和市场垄断，实现规模化供应，解决光伏产业“两头在外”的“一头”问题，初步形成一个具有战略意义的新型产业。但是，最近多晶硅行业一直受“高能耗、高排放”的困扰，各项优惠政策和科研受阻，对一个刚刚兴起的产业形成致命打击，本文分析了多晶硅乃至整个光伏行业生产过程中的能源消耗、能源贡献以及对降低GDP能耗的贡献，分析了多晶硅清洁生产过程，以利于行业的长久健康发展。1 、多晶硅生产能耗情况/ j3 s/ P# O: z1 S6 @' n+ s
1.1 光伏发电的生产电耗与寿命周期发电量对比& P* o6 v( j. D# } R5 P4 V
2009年，全世界光伏发电组件产量：10.1GW，其中，晶体硅太阳电池产量为8.5GW，薄膜太阳电池1.6GW，晶体硅太阳电池占总产量的84.16%，是当今市场主流，因此重点分析晶体硅太阳电池的能耗。2 R8 d9 w1 D7 d9 M0 {$ ?3 r
1.1.1 晶体硅光伏发电产业链 , r$ v Z" ?" Y; W3 v) A
7 q6 e1 X6 I8 M1 I+ y: w- \图1 晶体硅太阳电池产业链
1.1.2 能耗计算边界条件$ [2 a7 c; q; [7 W. x
以原料硅砂为起点，到制成晶体硅光伏发电系统，全部能量消耗EP表达式：7 ~$ S) J0 ]4 Y4 h
EP = EP1 + EP2 + EP3 + EP4 + EP5 + EP63 x) D# e' ]+ J5 i$ a
其中：EP1为“硅砂——冶金硅”的能耗：13kwh/kg 2 P" V( K* w7 n3 Z0 ~+ o
EP2 为“冶金硅——多晶硅”的能耗 200kwh/kg，（改良西门子法国内平均水平，世界先进水平为150-180 kwh/kg）
: J& L: o3 t- l) l" V) ? EP3为“多晶硅——多晶硅片”的能耗9 kwh/kg，（多晶硅铸锭重量270kg，[目前主流应为450kg，另单晶硅片的电耗比多晶硅略高，如考虑未来技术发展趋势，156×156mm硅片尺寸将成为主流，电耗还有降低的空间]，使用多线切割机切片能耗水平。单晶硅约为60kWh/kg）: y% R F( X! B0 h
EP4为“多晶硅片——多晶硅光伏电池”的能耗 0.2kwh/Wp；0 g5 ^6 ~7 H8 W T7 |7 U
EP5为“光伏电池——光伏组件”的能耗 0.15kwh/Wp，含封装材料（钢化玻璃，EVA，TPT等）的生产能耗；. L+ M2 j- y. F1 x3 J ?) k8 z5 m/ p3 z
EP6为“光伏组件——光伏系统”的能耗 0.31kwh/Wp；含并网控制逆变器、电缆、开关、支架、仪表等的生产能耗。
; R2 j4 |$ x! y# W/ |1.1.3 计算结果
( ]; T, g z/ i4 c$ C+ \多晶硅生产消耗工业硅原料：1.5kg，即每生产1kg高纯多晶硅需要1.5kg冶金硅；7 D6 G7 e3 J' S- J+ m6 |( N
拉制硅棒或浇铸硅锭消耗高纯多晶硅：1.2kg，即1kg硅锭/硅棒需要1.2kg高纯多晶硅；4 p1 ^ h! ~5 v
1kg硅棒或硅锭可以切60片125×125mm的硅片（薄片可切70~90片），每片平均制造2.4Wp太阳电池，合计为：144Wp/kg。; ?0 {0 O9 g# K/ m w* X0 y
制造每瓦太阳电池需要的高纯多晶硅： 1200g/144Wp = 8.3g/Wp，（国内先进水平：6g/Wp）；) p: j7 b) h& U5 E0 z: w6 ^
制造每瓦太阳电池需要的工业硅：1.2×1.5×1000g/144Wp = 12.5g/Wp;
$ i& i( G1 O) K$ |) C. B根据上述参数计算，得到各环节电力消耗情况如下：5 F+ q& H9 R/ x z6 w
EP1 =13kWh/kg×12.5g/Wp/1000 = 0.1625 kWh/Wp- b* _! ~0 u3 v. Y+ \
EP2 = 200kWh/kg×8.3g/Wp/1000 = 1.66 kWh/Wp4 L4 M& R) t: I& L! V/ \. z
EP3 =9kWh/kg÷144Wp/kg = 0.0625 kWh/Wp
2 o: s# A1 u( q) o& L) f全部能量消耗：EP = EP1 + EP2 + EP3 + EP4 + EP5 + EP6
, g k w. S2 I& p2 m( L2 K =2.545kWh/Wp% ? h# `* d3 m! c: f
太阳电池组件产率＝98％(即封装成品率)，全部能量消耗：3 u) F, V) C, ~9 F( ]9 j5 w
2.545 /0.98 = 2.597kWh/Wp
: F! W" x' a% z1 w- p A A1.1.4 能量回收期计算# f3 ]* {( d3 C/ Q2 y
光伏发电系统的能量回收期TP（年）＝制造光伏系统的全部能耗/光伏发电系统年发电量，即光伏发电的增值效应。
3  u5 Z2 D4 j! [8 R2 a根据上面的测算，可以得到光伏发电从硅石到系统的总能耗为2.597kwh/Wp2 @2 Y0 _- F: z7 Y1 l1 R. ~
中国西部的太阳能资源丰富，光伏发电系统的年平均利用小时数为3000小时（已经考虑了系统效率），东部差一些，约为1000小时，平均1500小时，即每峰瓦太阳电池一年可以发出1.5kWh的电。由此，可以计算出光伏发电的能量回收期：
$ }4 F$ M0 u, r4 s4 {TP = 2.597/1.5 = 1.73年
! B( l& m$ y5 U& H# x随着太阳级硅材料能耗下降（200kwh/kg—160kwh/kg），光伏电池效率继续提高（17%—22%），基片继续减薄，晶体硅光伏发电系统的能量回收期有可能降到1年。若按其工作寿命为30年计算，则光伏发电系统的能量增值效应可以达到20倍以上。薄膜太阳电池的能量回收期大约只有1年。按照测算结果，完全可以利用光伏发电来生产光伏电池，实现良性的，可永续的太阳能产业。' N; i3 D4 C) Q3 ]* [$ U$ H8 H/ q
目前，国内生产的太阳能组件的使用寿命25年，以此推算，生产出的太阳能组件在实现生产能耗回收后，几乎不用再消耗电量，即可发电约22年，并且没有任何污染物排放。事实上，即使25年之后，太阳能组件的发电效率大约相当于25年之前的80%，仍可使用很长一段时间。3 K% e5 \7 w. o0 a- @8 g
2009年，中硅高科代表团在访问德国康次坦茨国际太阳能研究中心时，看到该中心收集的一组1983年产的太阳能单晶硅电池，目前转化效率仍可稳定在17%，计算其寿命已达到27年。据国内专业人士介绍，国内还有1977年生产的单晶硅太阳能电池组件，用于气象观测站，目前仍可发电，计算寿命已达到33年。随着国内多晶硅质量提高、稳定，多晶硅供应逐步富裕，太阳能光伏发电高转化率、长寿命、低成本效益会更显著。' ^* j$ [1 H# @. f- d7 N5 K
我国已经向国际社会承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%，非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右。这其中，继风电、核电大发展之后，太阳能光伏发电将迎来发展的春天。”: F8 P G9 G9 D
1.2 晶硅光伏发电与传统煤电比较 _" z! n- @! n% w$ u: j
据统计：2009年全国发电煤耗平均为342克标准煤/kWh。光伏发电从硅石到系统的总能耗为2.597kWh/Wp，折标煤为888.2克标准煤/Wp。
8 b/ s' T# u* h晶硅太阳能电池寿命30年，基本免维护，寿命期内平均发电量1.5×30=45 kWh，折标煤为19.73克标准煤/kWh，仅煤电的1/17，多好的能源！
$ x- ~* u0 w- }2 E! m: Z2009年中国光伏发电装机容量140MW，占总产量的2%，截止到2009年底，全国历年光伏发电总装机容量为320MW，国内应用刚刚开始。随着光伏发电被社会认识，有识之士富有远见的投资，推广应用会更加普及，假设中国每年安装10GWp，其总能耗折标煤为31.9万吨，对应的多晶硅消耗量为8.3万吨，2009年全国耗煤量为31亿吨，仅占0.02865%，能耗微不足道。2009年中国的多晶硅产量约2万吨，消耗电力44.5亿千瓦时，2009年全国电力消耗为36973亿千瓦时，占0.1203%；折标煤152.19万吨，占全国总煤耗的0.04909%，能源消耗甚微。2009年多晶硅需求4万吨，仍有50%需要进口，能源消耗有限，但产业对国际社会影响和人类可再生能源领域的贡献巨大，实在不必大动干戈，打压这个新兴战略产业。( A( N: ?: J8 Z, ^3 }
近年来，我国多晶硅产量扩大，质量提高，为晶硅太阳能光伏发电提升转化率、降低成本、延长寿命创造良好条件。国内已有光伏企业将晶硅太阳能电池寿命目标调整为40年，发电效率：多晶硅光伏发电效率为18~20%，单晶硅光伏发电效率为20~22%，发电成本介于1.3~1.5元/ kWh，有望进一步降低。
. J& x& g0 q# [: E+ s. z4 R2008年4月28日，国内光伏行业上下游联合，在洛阳宣言，要在2012年使中国光伏发电成本降低到1元/kWh，按此要求多晶硅2008价格降低到700元/kg，2009价格降低到600元/kg，2010价格降低到500元/kg，多晶硅生产企业想方设法降低成本、提高质量，已全部按要求提前达到。光伏组建的价格也有3.5~5USD/Wp降低到目前的1.5~2USD/Wp，效果显著。另外：根据光伏产业的学习曲线，光伏发电装机容量每增长一倍，光伏发电成本降低20%，2009年全世界装机容量与比列见下表：
. c: U. g! _: {' v; Y/ ^! X1 u5 R1 n7 X$ L; U# O
国家 德国 西班牙 美国 日本 意大利 法国 中国 韩国 捷克 比利时 其他 合计
! Z& I0 p# F& E% u: b7 @' M2008年 1.53 2.28 0.35 0.23 0.34 0.1 0.04 0.28 0.03 0.048 0.29 5.52
7 L( u/ S" L: g; |, U2 Q) D' a2009年 3.8 0.15 0.475 0.484 0.70 0.285 0.14 0.17 0.411 0.292 0.373 7.30
. V* ~1 S0 R1 @" t) E09占有率% 52.1 2.1 6.5 6.6 9.6 3.9 2.0 2.3 5.6 4.0 5.1 100 ) \4 d! C; h" B, M8 c
由上表可看出，国际装机容量比较，数据说明，中国光伏情况与世界第一生产大国极不相称。
3 m* J0 g% F5 J* ~+ u$ w1.3 多晶硅生产与电解铝的耗能比较
! w6 H2 v9 V; \国内有些专家和政府官员，将多晶硅生产与钢铁和电解铝比较，认为：多晶硅耗电：200kWh/kg（折标煤68.4kgce/kg）；电解铝耗电：14kWh/kg（折标煤4.788kgce/kg）；理所当然是高能耗！但是，两者的用途不同、两者的价值不同、技术附加值和总能源消耗规模不同，对国家的贡献和战略意义不同，不宜简单处置。1 @ {% g+ v/ z: [. X: L" n) e) X
对电解铝来说，目前售价1.46万元/吨，其万元GDP产值耗能指标：4.788/1.46=3.279 tce/万元。2009年全国电解铝消费量1439万吨，耗电1.4万千瓦小时/t×1439万吨=2014.6亿千瓦小时，2009年全国电力消费量36973亿千瓦小时，占总用电量的5.45%。. h: |! f/ ?$ J T0 V5 u
对多晶硅来说，根据业内测算，即使多晶硅的价格从高峰时的每公斤400美元掉到目前约65美元的水平，每吨多晶硅电耗折算68.4吨标煤，GDP产值65×6.83×1000 =44.395万元/吨，其万元GDP产值值耗指标：68.4/44.395=1.54tce/万元。不到铝电解万元GDP产值能耗一半，低于全国2008年万元GDP工业产值耗能指标2.189。减少GDP二氧化碳排放量30%。通过限定多晶硅生产和进出口对降低GDP能耗和氧化碳排放量毫无帮助。; {7 a8 z& i5 B5 ~% Z" D8 K
如果年产多晶硅5万吨量，按多晶硅耗电200kWh/kg计算，满负荷生产后，全国多晶硅耗电200kWh/kg×5×10000×1000 = 100亿千瓦小时，占全国2009年总用电量的0.27%，不到全国电解铝耗电的1/20。5万吨多晶硅可制造6.25GW太阳能电池，每年发电量93.75亿千瓦小时，一年多的发电量，基本偿还电能消耗。此后，每年发电量93.75亿千瓦小时与煤电（按342gce/kWh、产生二氧化碳量0.85kg/kWh计算）比较，每年减少二氧化碳排放量7968.5万吨，真是一劳永逸的好事情。# L; I: o. c4 W) }
2 多晶硅生产污染物及处理) H6 p5 `' A% f0 a7  p$ N
2.1 多晶硅生产工艺与副产物处理
6 P$ V% q" U6 u1 l# y3 y6 Z7 I多晶硅生产以金属硅为原料，与氯化氢反应合成三氯氢硅，三氯氢硅经过精馏提纯后，用高纯氢气还原得到多晶硅产品。还原过程中，产生大量尾气，采用干法回收系统将尾气中的成份一一分离，其中：SiCl4、SiHCl3混合液送精馏提纯，得到高纯SiHCl3送还原生产多晶硅，SiCl4送氢化系统转化为三氯氢硅，提纯后再返回还原系统使用；HCl气体送三氯氢硅合成工序；氢气返回还原工序生产多晶硅。整个多晶硅生产系统是一个理想的物料循环、能量回收利用的闭路循环系统。$ o) C: z- K/ H: u3 M$ T
副产物及治理：四氯化硅是多晶硅生产的副产物，每生产1吨多晶硅产生10~20吨四氯化硅，如不妥善处理，将直接影响生产并导致环境污染。主流处理工艺：氢化转变为三氯氢硅，成为多晶硅原料，返回系统使用。辅助工艺：生产气相白碳黑、硅酸乙酯、高纯石英、光纤预制棒、有机硅等产业链其它产品。
: z; j& r' z1 J! E9 U2 r2.2 多晶硅生产“三废”处理
$ y+ q- e4 R* |! K多晶硅生产的“三废”：废气：主要成份N2 ，含少量H2 、HCl、Si2HCl2、SiHCl3、SiCl4等；废水：废气淋洗水、纯水制备排水等, 呈酸性；废渣：硅粉、二氧化硅、石灰石渣等，无害、不溶，属一般固体废物。4 r6 e9 I; z; H
处理办法：将系统产生的废气通过管道汇集至三废处理站中的废气处理塔，利用氯硅烷极易水解和酸碱中和的原理，在废气处理塔内用碱性水对废气进行喷林洗涤，从废气处理塔顶排出中性气体，主要成分是氮气和少量的氢气 ；氯硅烷水解产生的盐酸和二氧化硅，盐酸与碱反应形成中性水，进一步处理后达标排放；二氧化硅通过压滤固化后运至政府指定垃圾场。4 f1 Q" w9 D3 V0 d
多晶硅生产“三废”没有技术难题，国内千吨级规模的工厂都有“尾气干法回收”系统，环保评估和检测体系完善，需达标才能获得生产许可，工厂洁净，环境优美，不存在“高排放”。4 J$ @0 J! X% v/ D
2008年3月9日，西方某媒体发表了一篇题为“中国太阳能生产厂家将工业垃圾倾倒在厂后”的报道，在国内外太阳能产业领域中引起了不少议论，有关领导也给予关注。国家环保部、国家科技部、国家发改委、中央电视台等专家、领导和媒体，多次、随机到现场调查，当地环保部门也进行为期2周现场突击检测，最终结论是中硅高科 “三废”全部达标排放。2 K4 E' s/ y( c* a7 L
事后专家分析，当时在中国主办奥运会的背景下，西方媒体多条渠道寻找中国负面新闻。而太阳能光伏产业2007年已超过美国、日本，成为世界第一大生产国，其主原料多晶硅2007年产量1130吨，突破千吨大关，实现规模生产，技术封锁和市场垄断被打破，中硅高科当年产量506吨，约占全国50%，列首位，理所当然成为关注焦点，但该媒体将生产和调试过程中的偶发事件进行了报道和渲染，内容与实际情况相差甚远，是一次打压中国民族多晶硅产业的政治事件。但此报道到目前仍成为证明多晶硅有污染的重要依据之一。
: M0 C2 O) v8 c+ d* B* Y7  e; y3 美国的多晶硅政策
! Y" M& X$ `# F% |+ u美国是多晶硅产量最大的国家，2009年，美、日、德、韩四国多晶硅总产量84500吨，较2008年57400吨增长47.2%。其中美国4家公司5家多晶硅厂的总产48000吨，占世界总产量的45.8%。其中，黑姆洛克（Hemlock）公司2009年多晶硅产量27500t/a，位列世界首位；先进硅（REC）材料公司的产量11000t/a，列世界第三；MEMC的多晶硅产量9000t/a，列世界第五。美国的多晶硅企业中，国外股份占多数，黑姆洛克的股份分布：道康宁：63.25%、日本信越24.5%、日本三菱占12.25%；先进硅（REC）材料公司2005年时是全日资企业，当年在多晶硅市场兴起之时，将全部股份售给挪威，并更名为REC公司；三菱（美国）也是全日资企业。如果是“高能耗、高污染”产业，美国怎么会让其长期生产？而且“控制技术，垄断市场”如此之久？
) q6 f9 t% C1 Z' `: @" }6  O( i世界多晶硅重心集聚美国，得益于美国给多晶硅厂优惠电价，长期以来，电价2~3美分/kWh，具备明显优势，还有税收的优惠。5 r1 w( O+ T# V( \, Z3 \0 E& u2 b# T. J
德国瓦克拥有自备水电站和火力电站，日本德山曹达拥有自备火力电站。
2 t5 K3 y5 ^6 C6 v% p% b; Q( N, `时至今日，传统7大多晶硅公司依然没有一家在中国建厂，也没有一家对外转让技术。扩建仍在美国、德国、马来西亚等地。如果多晶硅生产是“高能耗、高排放”，美、日、德为何一直把多晶硅生产留在本国，产品高价出口？为何一直封锁技术、垄断市场？如果出口多晶硅是出口“宝贵的能源”，为何美、日、德仍然乐此不疲？
2 p. N% ?: w9 X8 l. v4 网上关于“高能耗、高污染”传说
* _5 @, C/ @' O; P; h7 ^' q$ z k网上传言，商务部拟将多晶硅列入六大“高能耗，高排放”的“两高”行业名单，拟出台“限制多晶硅产品出口，并禁止相关的加工贸易”的政策。
' R0 c; d' k7 C前已叙及，多晶硅的能耗与“三废”排放情况。如有疑问，可去现场调查。2009年底，工信部分3个小组全国调查，很有成效，现场没有发现“高排放、高污染”问题。
2 E; a7 d* k4 e3 F3 S \& w多年来，中国多晶硅需求依赖进口，在艰苦、被动的环境下发展壮大光伏产业，连续3年成为世界第一！国际前十位光伏企业中，可见到4家中国企业，多么自豪的事情！中国一大批光伏企业进军国际市场，解决国内就业、增加税收的同时，培养了一大批国际型企业，按照“出口多晶硅就是出口优质能源”的逻辑，国际多晶硅公司为何还要低价出口中国？ y6 M9 K1 u! t/ \, y" Y
多晶硅和煤炭、石油等是具备同样属性的产品，是一种重要的、高效的能源材料，如果考虑到未来光伏产业的大趋势，多晶硅产业更是关系到未来一个大国竞争力的核心产业，如果发展的比较弱，就会像今天的石油、铁矿石一样受制于人。. H% R! e( t L% ~* ^
2010年以来国外多晶硅企业扩产迅速。其中德国瓦克公司的产能将在今年底达到2.2万吨以上；美国的海姆洛克公司也宣布将产能扩大一倍；本的德山曹达公司也忙着扩产，国外多晶硅在中国多晶硅发展的幼稚期间，低价进口到中国，与中国本土多晶硅企业争抢客户，竞争已异常激烈。
9 |$ C2 e# Y% a' @( v( ]/ H多晶硅行业发展仅3年时间，打破了国外的封锁与垄断，是典型的“幼稚产业”，需要呵护与支持，多晶硅产业在中国需要高水平发展。) b" ?, h, u/ X) m7 s7 y- ?
5 结论与建议# V2 @$ i. |0 C' `$ W$ e% A, ~% Z
综上所述，多晶硅是信息产业和太阳能光伏发电产业的基础原材料，作为多晶硅太阳能光伏发电的基础原材料，在其作为光伏发电材料寿命长达25-40年，工作25年效率下降20%，发电零排放，无燃料消耗，无噪声，无污染；发电不用水，可以在荒漠地区建设，改善沙漠环境；运行可靠，无机械转动部件，使用安全，免维护，无人值守；生产原料丰富，硅储量为地壳上仅次于氧，排列第二，达到26%。
R2 ?* A, S$ `1 S+ n- u+ S4 b4 Y太阳能光伏发电可以安装到建筑上（BIPV），规模大小皆宜，10W-100GW，可以“搭积木”式建设和安装，安装容易，建设周期短，安装成本低；太阳能发电规律性强，调峰效果明显，调度比风力发电容易。德国、日本、美国等发达国家，依靠政府力量，推进产业发展，值得我们学习和借鉴。多晶硅作为高效能源材料，不能简单归为“高能耗”。多晶硅生产“三废”排放极为有限，处理容易，各大公司都已做到达标排放，不存在“高污染”。
( W/ z0 \2 J/ j* ~; | G/ X0 [7 M多晶硅是“幼稚工业”，是战略性新型产业的基本原材料，需要政府客观对待，提供产业政策支持：8 f9 |- P- |) } N+ }' ~: x! p$ x
1、受金融危机影响，多晶硅暴利时代一去不复返了，多数多晶硅企业处在市场与技术困难重压下，在市场调节下，投资与建设已归为理智，政策宜适应变化的条件。
7 K' F* f) Y8 l2、落实上网电价法：参照德国、日本等国的成熟经验，加快国内光伏发电项目实施，让中国制造的清洁能源在中国发挥作用，造福子孙后代。
3 e4 o: ^% ?) Z" ]. M3、支持科技研发：国家进一步支持、加大科技投入，提升技术水平，提高质量、稳定质量，降低消耗，提高综合利用能力。, R6 D) t, i; c" g- g2 \9 G0 H8 D
4、鼓励多晶硅企业兼并、重组，利用具备良好基础的企业，帮助新上企业或处于困境的企业，提升技术，尽快实现达产达标，减少行业损失。
5 U) k" z% _/ \; i" f5、电力直购，电价优惠。美国多晶硅电价2~3美分/kWh，日本德山曹达、德国瓦克拥有自备电站。为多晶硅企业参与国际竞争创造平等条件。
2 e& t9 l& `' W f$ t6、税收、融资政策支持。) u/ ^7 s1 v+ ^5 S# e, Y& _
致谢：本文数据来源：国家发改委能源研究所 王斯成研究员、中国电子材料行业协会秘书长袁桐教授、中国电子材料行业协会半导体分会 朱黎辉教授，特此致谢！ |
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狗仔卡
发表于 2010-10-9 21:08
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