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满足“碳达峰、碳中和”要求光伏材料颗粒硅新工艺来了

科技日报发布时间:2021-04-08 10:29:18

  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?科技日报记者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。”蒋立民告诉记者。

  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,记者沿着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”。

  蒋立民向科技日报记者介绍,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。

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