多晶硅研究系列2:多晶硅生产成本的构成与控制

在第一篇文章中,通过对多晶硅主要生产工艺(TCS改良西门子法、硅烷流化床法和冶金法)的比较我们发现:

 

1.基于TCS的改良西门子法仍是多晶硅生产最主要的方法
改良西门子法目前为全世界提供了85%以上的太阳能级多晶硅;截至2011年底,全球TOP4多晶硅供应商(保利协鑫、德国Wacker、美国Hemlock、韩国OCI)的18.165万吨产能中有18.1万吨是TCS改良西门子法,占比超过99.6%。

 

2.TCS改良西门子法仍是综合成本最低的多晶硅生产方法
由挪威REC(REC.OL)主导的硅烷流化床法尽管能耗更低,但在考虑折旧后的综合成本上并无优势(4Q11,REC硅烷流化床法多晶硅的综合成本是$26/kg,同期,保利协鑫的综合成本是$19.3/kg),而且这个局面似乎在未来一段时间仍将保持(REC预计今年Q4将降至$23/kg,这个数值仍高于保利协鑫去年底实现的$18.6/kg)。


接下来,我们以改良西门子法为对象,研究太阳能级多晶硅生产成本的构成和控制。

 

一、多晶硅生产成本的构成

以成本领先的$保利协鑫能源(03800)$为例 ,我们考察一下太阳能级多晶硅综合成本的构成情况。


(3Q11保利协鑫多晶硅综合成本的构成情况,来源:国泰君安国际评级报告)

 

如上图所示,电力成本、TCS(三氯氢硅)成本和折旧是多晶硅生产中最大的三项独立成本,分别占到总成本的32%、21%、16%;排在其后的是蒸汽成本和人力成本,占比降低到7%和6%;其他成本主要包括气体成本(如氢气、氯气)、用水成本、设备维护和保养成本等,占比达到18%。

 

不难看出,在产业层面上,降低多晶硅综合成本的关键是控制电力成本、TCS成本和折旧成本。


二、多晶硅生产的成本控制和新工艺

 

1. 电力成本的控制

多晶硅生产最主要的成本是电力成本。要降低电力成本,办法无外乎两个:减少综合电耗和寻找便宜的电。

 

(1) 寻找便宜的电

所以,我们看到许多企业把多晶硅产能建在了电力成本相对低廉的地区——水电丰富的西南地区和电力富余、电价很低的新疆地区,如下游产能位于浙江嘉善的$昱辉阳光(SOL)$选择了在四川眉山建设多晶硅产能,一期工程位于重庆万州(利用当地水电资源)的$大全新能源(DQ)$把二期工程放在了电力成本更低的新疆石河子(用电成本约为0.3元/度,而产能位于江苏徐州的保利协鑫电价成本在0.65元/度之上);而A股$特变电工(SH600089)$旗下的新疆硅业和$航天机电(SH600151)$旗下的神舟硅业则分别选址新疆乌鲁木齐和内蒙古呼和浩特。另外,也有一些产能位于中部地区的多晶硅企业是通过寻求当地政府支持的办法,来获得优惠电价以降低电力成本。

 

(2) 减少综合电耗

关键是要减少还原电耗,因为将高纯TCS在CVD炉中还原为太阳能级多晶硅是整个生产过程中电耗最高的环节,还原电耗一般会占到总电耗的50%-60%。保利协鑫在4Q11财报会议上表示,“最新还原炉电耗可低至每公斤40千瓦时,综合电耗可低至每公斤65千瓦时”,还原电耗占总电耗的62%;国内另一家多晶硅主要供应商目前的综合电耗为100度,还原电耗占到55%-58%。

 

(CVD还原炉示意图,来源:瓦克化学《FIFTY YEARS OF WACKER POLYSILICON》)

 

如上图所示,高纯TCS气体被氢气还原成高纯多晶硅的反应是发生在电加热至1000~1100℃的预制硅棒表面(气相沉积),为防止还原炉内表面发生气相沉积,也为维持炉体的机械强度,整个炉体的内表面需要用冷却液进行冷却。而电加热高温硅棒与炉体内表面之间的巨大温差使得大量的热能通过冷却表面损失掉,还原过程中需要对硅棒进行持续加热,这正是还原电耗很高的主要原因。

 

CVD还原炉生产是一个非连续过程,要降低多晶硅的单位电耗就要提高还原炉的单炉产能和缩短单炉生产周期。现实情况中,提高单炉产能比缩短生产周期更为可行,目前的收效也更为明显。

 

全球CVD还原炉主要供应商$GT Advanced(GTAT)$(原GT Solar)的研究表明,增加预制硅棒数量和提高还原炉运行压力是提高单炉产能的有效办法。

 

如下图所示,单台还原炉的产能随着硅棒数量的增加而增加;相同条件下,常压还原炉(1bar,1个大气压)的产能只有加压还原炉(6bar)的三分之一。


(CVD还原炉单炉产能与硅棒数量、反应压力的关系,来源:GTAT研究报告)

 

正是如此,我们看到CVD还原炉的硅棒数量在持续增加,从之前的10对棒、12对棒、18对棒、24对棒发展到目前的36对棒、48对棒,PolyPlantProject公司(PPP)去年还推出了54对棒的还原炉。

 

当然,需要明确的是,也不是硅棒数量越多越牛B。当硅棒数量(包括还原炉尺寸)大到一定程度后,继续增加带来的节能效益变得微乎其微(如下图所示)。


(单位还原电耗与硅棒数量、反应压力的关系,来源:GTAT研究报告)

 

由上图可以发现,其他条件相同的情况下,加压还原炉(6bar)的单位电耗不到常压还原炉的一半。典型例子是,大约10年前,常压还原炉为主的时代,日本三菱通过48对棒的常压还原炉才实现了还原电耗83度/公斤,单炉产量5吨,而现在36对棒的加压还原炉就能实现还原电耗低于50度/公斤,且单炉产量超过5吨。目前,6bar的加压还原炉已经普及。


近年来,通过工艺优化CVD还原炉的单炉年产能和单位电耗都取得明显的进步。GTAT提供产品参数显示,从2006年4月推出的第一代产品——SDR100型还原炉到2010年9月推出的第四代SDR400型还原炉,单炉年产能从150吨提高到400吨以上,单位电耗从90度/公斤降至45度/公斤。GTAT 2011财年年报披露,将要推出产能更大、能耗更优的第五代产品——SDR600型还原炉,按计划2011年夏天会在客户现场进行样机测试。

 

(近年来CVD还原炉产量和能耗的进步,来源:GTAT产品宣传册)


值得投资者注意的是,在实际生产过程中,我们和厂商都不应该只追求某一两项指标的超越,无论这个指标是“硅棒对数”还是我们的目标——“单位电耗”。基于既有条件,在高单炉产能、低单位电耗和恰当的投资成本、运维成本之间寻求平衡才是生存之道。

 


2. 折旧成本的控制

 

影响多晶硅生产单位折旧成本的因素主要是产能的单位建设成本、开工率和折旧年限的选择。

 

(1) 产能的单位建设成本


关于产能的单位建设成本有一个经验法则是,年产量1万吨工厂的单位建设成本是年产量1500吨工厂的一半。这跟传统化工厂的CAPEX情况类似,因为多晶硅厂的蒸汽、冷却水、氢气等的供给及循环利用装置、精馏提纯装置、尾气回收装置、热能回收装置、凝水回收装置、控制系统的建设成本,乃至整个工厂的设计成本、工艺成本都有很强的“规模效益”。

 

与之类似的情形是,多晶硅厂在原有产能基础上进行扩张时也会受益于过程装置的共享,从而使单位建设成本较前期有显著下降。典型案例是韩国OCI(036490.KQ)和保利协鑫。@周旭辉1007 先生撰写的深度研究报告《OCI 与保利协鑫成本下降之路》显示,韩国OCI P3期多晶硅产能的初始规模是1万吨,对应的单位建设成本是88美元/公斤(2010年12月建成);之后在原有产能基础上进行扩建,首次新增的8000吨产能,单位建设成本陡降至40美元/公斤(2011年10月建成);再次扩建的7000吨产能,单位建设成本进一步降至35美元/公斤(原计划2011年12月建成,后延至今年Q2)。保利协鑫IR负责人@汪满健 先生在雪球i访谈中表示保利协鑫2011年新增产能的单位建设成本低于30美元/公斤。当然,除新旧产能间装置共享产生的“协同效益”之外,单位建设成本的大幅下降也得益于近期设备价格的明显降低。


(新旧产能的协同效益使OCI的单位建设成本大幅降低,来源:长江证券《OCI 与保利协鑫成本下降之路》)

 

除了规模效益和协同效益之外,提高设备国产化率也是国内厂商降低单位建设成本的途径。保利协鑫(江苏中能)一期产能完全采用进口设备,到四期、五期产能时设备的国产化率已经超过了80%,还自主设计了关键设备——还原炉和单体10万吨、目前世界上最大的冷氢化装置。类似的情况还有昱辉阳光,其二期产能(今年Q3投产)采用的CVD还原炉和冷氢化装置就是自行提供设计方案、托国内厂商生产的。

 

最后,选择合适的工艺方案和恰当的生产设备也可以降低单位建设成本。GTAT提供的资料显示,一个年产6000吨的多晶硅项目,配备20台300吨(MTA)还原炉将比配备30台200吨(MTA)还原炉节省数千万美元的资本支出(CAPEX),因为每台还原炉都需要配备气体供给、冷却水供给、尾气回收、冷却水回收、电源系统、控制系统,30台还原炉还需要更大的厂房面积(当然,后续运营时需要更多的操作人员,运营、维护成本也更高)。氢化工艺及装置(将STC氢化为TCS)的选择也是如此,保利协鑫2011年9月投入运行的单体冷氢化装置已经达到10万吨(MTA),而目前市场上最大的热氢化转化炉产能也不会超过500吨(MTA),这使得冷氢化装置的单位建设成本更低。下图是2009年GTAT测算的不同工艺方案和产能规模对氢化装置单位建设成本的影响,尽管有点过时(冷氢化工艺现在的优势应该更为明显),但仍具有指导意义。

(工艺方案和产能规模对单位建设成本的影响,来源:GTAT研究报告)

 

(2) 开工率

 

高的开工率能有效地摊薄单位产量的折旧成本。国内新建的多晶硅项目从正式投产到实现设计产能至少需要一年的时间(通常是18个月,甚至更久),在此期间,单位生产成本随着产能利用率的上升持续下降。

(昱辉阳光的产能利用率和多晶硅生产成本,来源:据公司财报整理)

注:按扩产后3500吨的年产能计算,昱辉阳光4Q11的产能利用率是124%(扩产前产能为3000吨/年),不过考虑到昱辉阳光在4Q10财报会议中指出,扩产过程并无资本性支出(CAPEX),计算产能利用率对单位折旧成本影响时,4Q11的产能利用率可以算作145%(上图中红色数字)。


(3) c折旧年限


折旧年限对单位折旧成本的影响更像是个“财务技巧”。通常情况下,多晶硅企业生产设施的折旧年限是10年。少数企业,如保利协鑫,把生产设施折旧年限定在了15年,有业内资深人士认为这个差别使其“虚减多晶硅生产成本$2/kg”。


3. TCS成本的控制

 

(1)冷氢化工艺


降低TCS成本,目前最直接、最有效的方式是实施冷氢化改造,因为较之“古老”的热氢化工艺,冷氢化不仅可以降低TCS的生产成本,还能提高TCS的自产率。

 

之前,受制于专利保护和技术门槛,国内多晶硅企业全部采用的是热氢化工艺。近年,随着专利失效,国内工艺及设备配套的逐步完善,保利协鑫(江苏中能)、洛阳中硅(前身是我国多晶硅“老四厂”之一的洛阳硅业)、$南玻A(SZ000012)$(宜昌南玻)、昱辉阳光(四川瑞能)、大全新能源、$赛维LDK(LDK)$、特变电工、乐电天威、天威硅业、航天机电(神舟硅业)、四川永祥(上市公司$通威股份(SH600438)$于2010年2月将持有的四川永祥股份全部回售给母公司通威集团,退出多晶硅生产)、东汽峨半(前身是我国多晶硅“老四厂”之一的峨嵋半导体)等国内主要多晶硅厂商都相继推出了冷氢化技改计划或在新建产能中采用冷氢化工艺。其中,保利协鑫(江苏中能)是实施最早,也最成功的一家,使多晶硅生产成本显著降低(从公开数据来看,保利协鑫太阳能级多晶硅的生产成本目前已经是全球领先)。

 

a. 降低TCS生产成本

——冷氢化工艺需要的反应温度在550℃左右,远低于热氢化需要的反应温度1000~1250℃,而且硅粉被氯化氢气体氯化的次要反应是放热反应,可以被主反应(氢化反应)吸收利用,所以冷氢化工艺的单位电耗在0.7-1.2度/公斤,热氢化工艺则要达到2.5-4.0度/公斤;

 

——热氢化工艺需要使用碳加热元件加热,这不仅会引入碳污染,而且碳加热元件属于“耗材”(一般寿命在3000小时左右),增加了运行成本;

 

——冷氢化工艺的TCS转化率更高,可以达到25%-28%,热氢化的TCS转化率只有16%-20%;

 

——采用冷氢化工艺后氢化尾气中的氯化氢气体不需要回收,在STC(四氯化硅,还原反应最大的副产品)氢化为TCS的同时,冶金级硅粉也被氯化氢气体氯化为TCS;

 

——冷氢化工艺的反应装置是流化床,理论上可以连续运行一年甚至更长的时间(与TCS合成反应的流化床不同,冷氢化反应中金属硅粉的杂质变成了挥发性物质随反应气体一起离开了流化床,不在床内累积,流化床不需要每隔6-10周停机清理一次)。

 

国际多晶硅巨头美国Hemlock、德国Wacker(WCH.DE)、韩国OCI都采用了冷氢化工艺。从国内的情况来看,目前使用热氢化工艺生产的多晶硅最优成本也要30美元/公斤(如昱辉阳光4Q11,主流热氢化厂商在35-40美元/公斤),这基本上已经是热氢化工艺的成本底限了,而同期冷氢化工艺的最优成本已降至19.3美元/公斤(保利协鑫4Q11)。

 

不过,@周旭辉1007 先生2011年3月撰写的研究报告指出,国内的冷氢化装置还不能很好地处理冶金级硅粉连续加料和固体粉尘回收问题,影响了连续生产,使“设备实际运行率在60%以下,与国际平均 90% 的水平相差甚远”。

 

国内参与冷氢化设备供应的上市公司主要有精功科技和东方电热。$精功科技(SZ002006)$是国内多晶硅铸锭炉的主要供应商,2011年9月它与朝阳科技成立合资公司开始进入多晶硅生产线冷氢化改造市场。$东方电热(SZ300217)$是国内电加热器的主要供应商,通过与保利协鑫、洛阳中硅的合作,成为国内冷氢化装置耐腐蚀、耐高压电加热器的主要供应商。


b. 提高TCS自产率

由于TCS转化率更高、单体反应装置产能更大(10万吨 VS. 500吨)、伴随有氯化反应等,采用冷氢化工艺后可以显著提高多晶硅项目的TCS自产率。

 

资料显示,通过氢化STC自产TCS的成本仅是外购TCS成本的三分之一,这使得多晶硅生产成本随TCS自产率的提升而降低。典型案例是保利协鑫,该公司从2009年开始实施冷氢化技改,2010年7月首期20万吨冷氢化装置(4×5万吨)投产后,总的氢化产能已达到50万吨/年。公司2010年度业绩报告会提供的数据显示,氢化产能加大后带来TCS自产率上升,多晶硅生产成本随之下降。

 

(TCS自产率提高使多晶硅生产成本下降,来源:保利协鑫2010年度业绩报告)


(2)其他方法

 

降低TCS生产成本的其他办法有,通过尾气干法回收和深冷回收提高原料利用效率;通过凝水回收、热能回收、废水综合回收、高效精馏技术、优化物料输送提高能源利用效率;通过增加反歧化装置将易燃易爆的将DCS(二氯二氢硅)转化为TCS,提高TCS的转化率。


冶金级硅粉是生产多晶硅的重要原料,为降低冶金级硅粉的获取成本,保利协鑫(江苏中能)今年收购了工业硅供应商四川协鑫硅业的全部股权。四川协鑫硅业建在四川省阿坝州理县,利用当地丰富和廉价的水电资源生产工业硅,目前已经投资建设了2台16500千伏安(KVA)和4台33000千伏安(KVA)的工业硅炉,设计年产能8万吨,可以满足下游江苏中能目前6.5万吨多晶硅年产能对冶金级硅粉的全部需求。


4. 运营团队的多晶硅生产经验

 

与下游的硅片切割、电池制造和组件封装环节不同,多晶硅生产是一个非常复杂的化工生产过程,对运营团队的生产经验要求很高。国内多晶硅生产企业产能利用率偏低的一个重要原因就是,缺乏运营经验,项目达产周期过长:很多新产能从建成到量产都需要一年左右的时间,至于满产并获得持续的运行和稳定的产品质量,更是需要数年时间。而有的多晶硅项目干脆一直都没能实现满产或稳定的产品质量。

 

(2010年国内多晶硅企业的产能利用率,来源:长江证券《OCI 与保利协鑫成本下降之路》)

 

来自GTAT的资料显示,国外一流多晶硅企业凭借其丰富的运营经验,新建项目通常在半年之内就可以达到设计产能并稳定运行。

 

当然,国内有几家多晶硅企业最近两年也进步很快。通过招募有美国MEMC($休斯电子材料(WFR)$)、挪威REC等传统大厂任职经验的专业人员,以及在生产实践中认真摸索,它们开始积累和应用自己的生产经验,不仅生产本逐步减低,有的项目实际产量也已经超过了设计产能,在多晶硅生产上表现得越来越娴熟。

 

  

 《多晶硅研究系列1:三大生产工艺的比较》

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全部评论

随便看看ing2017-10-23 21:40

站在现在的时点,光伏又是另一番景象。认真学习了两篇,感谢分享!

汶河-2017-03-01 09:24

电池片PERC、黑硅各据一方效率谁来领跑?-搜狐  网页链接

汶河-2017-03-01 09:17

老司机告诉你,“单晶+PERC”VS“多晶金刚线切+黑硅+PERC”哪个更强?  网页链接

汶河-2016-11-23 08:35

多晶硅

笑纳世界2013-11-14 22:05

谢谢回答。我之进入雪球,就是冲着先生的光伏贴的,作为投资人真是积累丰厚啊。我可否换个问法,多晶硅铸锭炉可否用于硅烷流化床法?实在不好意思