锦缎
2022.08.03 08:22

关于颗粒硅的思考:既要乐观,更要客观

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。

01 “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。

图片:颗粒硅

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。

02 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。

03 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。

04 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。

从 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。$通威股份.SH $协鑫科技.HK

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