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多晶硅:光伏上游的重要原料

2021-01-23 05:13

文 / 乐晴智库   编辑 / 庄梅

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  2020年下半年以来,国内光伏产业链价格迎来了涨价潮。其中,多晶硅材料价格上涨,向下游光伏制造企业展示了原材料供应的重要性。

  在太阳能发电平价上线之前,光伏发电行业一直在各国政策补贴的支持下发展,政策周期导致光伏新增机也具有较强的周期性。

  由于国内生产效率高、成本低,全球多晶硅产业向中国转移的趋势明显。多晶硅行业也经历了狂热投资、生产能力过剩、淘汰合并的过程,硅价格从十几年前到现在总体趋势下降,具有成本优势的龙头企业逐渐出现,行业集中度提高。

  德国分析机构Bernreuter的最新报告显示,随着太阳能成为最便宜的能源,今后几年世界光伏设备量的增加超出了很多想象,推动多晶硅的需求增加。

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  光伏产业链大致分为多晶硅、硅片、中游电池片、部件和下游光伏发电系统三个环节。

  光伏发电的技术路线主要包括晶硅光伏发电和膜光伏发电,其中晶硅光伏发电包括单晶硅片发电和多晶硅片发电。两者在成本和光能转换效率上各有优劣。单晶硅转换效率高于多晶硅,但制造成本也高于多晶硅。

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  图表来源:浙商证券

  从单、多晶材料的构成来看,世界单晶材料的供给量约为33万吨,单晶硅片的供给量约为32.4万吨,供求基本平衡的世界多晶铸锭的供给量约为15.9万吨,多晶硅片的供给量约为13万吨,有点过剩。

  多晶硅按产品纯度分为工业硅、冶金级多晶硅、太阳能级多晶硅、电子级多晶硅。

  太阳能级多晶硅作为光伏产品制造的基础材料,处于晶硅光伏产业上游,具有生产能力投资金额大、技术复杂、生产周期长等特点,具有较高的进入壁垒,行业附加值高。在光伏电站爆发初期,厂家为了快速扩大规模,满足电站建设的需求,多晶硅占据了大部分市场份额。

  目前,光伏产业链供应方主要集中在中国大陆,多晶硅和硅片的生产能力向中国西北和西南地区转移。

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  多晶硅制备主要是通过一系列化学手段纯化工业硅粉,可用于太阳能行业和电子行业的多晶硅材料。

  用于光伏生产的是太阳能级多晶硅,一般纯度在6N~9N之间,国标根据具体参数的不同,将太阳能级多晶硅分为太阳能级、太阳能级、太阳能级。

  多晶硅材料融化铸锭或拉动晶片后,可分别制成多晶硅材料和单晶硅材料,用于制造晶硅电池。

  据中国光伏行业协会统计,每生产1公斤多晶硅,生产10~15公斤四氯化硅,随着多晶硅下游光伏行业的快速发展,2015-2019年中国多晶硅年产量从16.5万吨增加到34.2万吨,复合增长率为20%。

  预计到2025年中国多晶硅的年产量将达到102.2万吨,副产的四氯化硅将达到1022万~1533万吨。原材料充足和产业链一体化的形成有效降低气凝胶材料成本中枢,在市场上的替代效果更加明显。

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  我国多晶硅产业比国外起步晚,2007年国内建设项目达2万吨,是国内多晶硅规模生产元年,2008年受金融危机影响,美国欧盟限制压迫中国光伏产品出口,多晶硅价格暴跌。

  2009年国发38号文将多晶硅作为生产能力过剩行业,限制了国内多晶硅项目的扩大,之后随着世界经济的变暖,欧洲一些国家如意大利加大了对光伏的支持,市场对多晶硅的需求恢复了。

  到2013年为止领先世界时期,在这个阶段中国的光伏设备持续扩大,需求增加,多晶硅企业竞争力增强,中国的多晶硅产量居世界第一。

  2018年,国内新建产能达15万吨,进口量首次减少,多晶硅生产布局进一步优化,逐渐迁移到能源价格洼地,如西北等地区,生产设备也更加先进。其实这一年可以认为是多晶硅进口替代的元年。

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  从多晶硅生产技术路线来看,据光协统计,世界前十大多晶硅生产企业采用三氯氢硅改良西门子法生产多晶硅。

  1955年,德国西门子公司成功开发了三氯硅烷在氢气氛下,在热硅芯/硅棒表面积累硅的技术,1957年开始工业生产,即西门子法多晶硅生产技术。

  但是,由于西门子法多晶硅转化率低,四氯化硅等副产品污染严重,提出了废气回收和四氯化硅氢化技术的改良。

  原料方面,目前多晶硅生产主要采用氢还原三氯氢硅改良西门子法生产,因此三氯氢硅和氢纯度和质量直接影响多晶硅质量。生产设备中的油污、氧化物和粉尘的混合也会严重影响多晶硅的结晶形状,生产技术中的反应物的比例、温度的控制也会对产品的质量产生很大影响。

  制备工艺和机制使多晶硅材料环节的制造偏向于精细化工属性,技术Know-How与中下游偏向于物理属性的硅材料、电池材料和组件环节的差异很大。

  由于下游电池正在储备新一代N型和HJT技术,对多晶硅纯度的要求也越来越高,整个行业的技术壁垒对新进入者也越来越高。

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  整个多晶硅的生产流程比较封闭,决定了其生产成本主要受生产过程中的能源、原材料的消耗和初期建设投资的影响。

  现在的主流多晶硅生产法-改良西门子法的生产成本中,电力成本、原料成本和折旧成本是主要部分,三者合计占总成本的80%左右,其中电力成本最大,占35%的硅粉成本占30%的折旧成本达到15%。因此,电力、原材料、折旧成为降低多晶硅生产成本的主要领域。

  2019年,全国多晶硅平均综合功耗降至70kWh/kgSi。未来,随着生产设备技术的提高、系统优化能力的提高、生产规模的增加等,预计到2025年将有5%以上的下降空间。

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  数据来源:硅业分会

  从下游市场方面来看,随着光伏技术的进步和成本的改善,光伏发电在许多国家已经成为清洁、低碳、具有价格优势的能源形式,光伏开始进入全面的平价期,世界市场增加巨大,同时产业链上游多晶硅加速发展。

  全球光伏历年新增装机量及增速:

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  图表来源:SolarPower Europe,财通证券

  随着新生产能力的持续优化,具有成本优势的龙头企业有望迎来量利上升的高增长。

  硅材料分会和国盛证券数据显示,世界现有硅材料领导企业主要有保利协鑫、通威株式会社、新能源、大新能源、东方希望、亚洲硅业韩国OCI、德国Wacker和内蒙古盾牌等,2019年世界硅材料CR5约为61.3%。

  世界上生产规模最大的5家公司在国内有4家,包括保利协鑫(18.1%市占有率)、通威永祥(12.3%市占有率)、新能源(11%市占有率)、大全新能源(10.7%市占有率)。

  保利协鑫共有11.8万吨生产能力,其中徐州基地年生产能力7万吨,新疆生产能力上升到4.8万吨,2020年底前有1万吨颗粒硅生产能力。

  国内硅材料生产能力第二位是通威集团,具有永祥工厂2万吨生产能力,乐山一期、包头一期共6万吨,计划中乐山二期、云南保山一期各4万吨生产能力,预计2021年底完成,逐步投入使用。

  特变电工旗下的新特能排名第三,预计2020年4月新生产3.6万吨生产能力,公司2020年底实际生产能力约为8万吨。大全新能源硅材料在国内排名第四,2019年9月新疆石河4A硅材料项目完成生产后生产能力达7万吨。

  从供应方面来看,目前国内多晶硅制造商的开工率维持高开工率,目前国内约11家多晶硅生产企业均正常运行,市场供应稳定,但目前高开工率不引起累积行为,企业订单普遍良好,1月订单完成,许多厂家陆续签订2月订单。

  多晶硅料产能情况:

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  图表来源:《2020年中国硅产业现状与发展趋势》,国盛证券研究所

  随着各创新技术的应用,光伏发电成本迅速下降,光伏协会预计2025年全球光伏年装机量将超过300GW,多晶硅年平均需求量将上升到70万吨以上(对应工业硅90万吨)。

  随着下游硅片生产能力的扩大和光伏终端的需求边界的提高,多晶硅价格的上涨具有一定的持续性。随着国内政策的修复,海外市场变暖,需求逐渐释放,高品质硅材料的需求提高,多晶硅有望在光伏持续高增长的背景下迎来上升拐点。

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