多晶硅生产能耗计算.docx
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多晶硅生产能耗计算
多晶硅生产不存在“高能耗、高排放”？
2010-10-908:
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cygrass|查看数:
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摘要:
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...
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
1.1光伏发电的生产电耗与寿命周期发电量对比
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。
1.
1."1晶体硅光伏发电产业链
图1晶体硅太阳电池产业链
1.
1."2能耗计算边界条件
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：
EP=EP1+EP2+EP3+EP4+EP5+EP6
其中：
EP1为“硅砂——冶金硅”的能耗：
13kwh/kg
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150-180kwh/kg）
EP3为“多晶硅——多晶硅片”的能耗9kwh/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）
EP4为“多晶硅片——多晶硅光伏电池”的能耗
0."2kwh/Wp；
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；
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。
1.
1."3计算结果
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；
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；
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。
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）；
制造每瓦太阳电池需要的工业硅：
1."2×
1."5×1000g/144Wp=
12."5g/Wp;根据上述参数计算，得到各环节电力消耗情况如下：
EP1=13kWh/kg×
12."5g/Wp/1000=
0."1625kWh/Wp
EP2=200kWh/kg×
8."3g/Wp/1000=
1."66kWh/Wp
EP3=9kWh/kg÷144Wp/kg=
0."0625kWh/Wp
全部能量消耗：
EP=EP1+EP2+EP3+EP4+EP5+EP6=
2."545kWh/Wp
太阳电池组件产率＝98％（即封装成品率），全部能量消耗：
2.545/
0."98=
2."597kWh/Wp
1.
1."4能量回收期计算
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。
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/Wp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：
TP=
2."597/
1."5=
1."73年
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。
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。
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。
我国已经向国际社会承诺到20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。
”
1.2晶硅光伏发电与传统煤电比较
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。
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=45kWh，折标煤为
19."73克标准煤/kWh，仅煤电的1/17，多好的能源！
2009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。
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。
2008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：
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
2008年
1."53
2."28
0."35
0."23
0."34
0."1
0."04
0."28
0."03
0."048
0."29
5."522009年
3."8
0."
150."
4750."
4840."
700."
2850."
140."
170."
4110."
2920."3
7."3009占有率%
52."1
2."1
6."5
6."6
9."6
3."9
2."0
2."3
5."6
4."0
5."1100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。
1.3多晶硅生产与电解铝的耗能比较
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。
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."279tce/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%。
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：
6
8."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."1
89。
"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。
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×5×100×1000=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。
2多晶硅生产污染物及处理
2.1多晶硅生产工艺与副产物处理
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：
SiCl
4、"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。
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。
2.2多晶硅生产“三废”处理
多晶硅生产的“三废”：
废气：
主要成份N2，含少量H
2、"HCl、Si2HCl
2、"SiHCl
3、"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。
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。
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”。
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。
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。
"
3美国的多晶硅政策
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？
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。
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。
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？
4网上关于“高能耗、高污染”传说
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。
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。
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？
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。
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。
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。
5结论与建议
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%。
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”。
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：
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。
2、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、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。
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、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。
6、税收、融资政策支持。
致谢：
本文数据
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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