多晶硅生产不存在“高能耗、高

332

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150-180 kwh/kg）
      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）
      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 = 0.1625 kWh/Wp
EP2 = 200kWh/kg×8.3g/Wp/1000 = 1.66 kWh/Wp
EP3 =9kWh/kg÷144Wp/kg = 0.0625 kWh/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。”
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=45 kWh，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 5.52   
2009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   
09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  
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=3.279 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%。
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。
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。
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：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。
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。
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。

332

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！