晶硅太陽能在“雙碳”經(jīng)濟中的作用與影響

嚴大洲,劉艷敏,萬 燁,楊永亮,楊 濤,3,孫 強,2,趙 雄,張升學,張志剛

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038;2.洛陽中硅高科技有限公司,河南 洛陽 471003;3.硅基材料制備技術(shù)國家工程研究中心,河南 洛陽 471003;4.中國有色工程有限公司,北京 100038)

2020年9月,我國明確“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”,之后,在多個領(lǐng)域制定了減排方案。 在電力方面,提出發(fā)展風力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源,減少動力煤發(fā)電,提高能源使用效率等;在工業(yè)領(lǐng)域,提出在石化、化工、建材、鋼鐵、有色金屬、造紙、航空等重點行業(yè)應(yīng)用節(jié)能減排新工藝、新方法;在交通運輸方面,發(fā)展電動車、氫能源車、混動車,減少石油依賴;在建筑領(lǐng)域,發(fā)展建筑材料與電器等的節(jié)能減排技術(shù)。

未來40年,“雙碳” 將成為中國能源轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟發(fā)展的主線之一,清潔能源將成為未來能源發(fā)展新趨勢。 光伏在各類清潔能源中綜合優(yōu)勢明顯,有望成為“碳中和”主力,而晶硅作為光伏產(chǎn)業(yè)的核心材料,是碳達峰碳中和目標實現(xiàn)的重要驅(qū)動力。

1 我國能源消費現(xiàn)狀及碳排放情況

1.1 能源消費現(xiàn)狀

一次能源包括化石能源和非化石能源,化石能源有煤炭、原油和天然氣,非化石能源有風能、太陽能、水力能、核能和生物質(zhì)能。 其中,所有化石能源和非化石能源中的太陽能、生物質(zhì)能可用來為化工、動力、供熱等提供能源消耗;化石能源中的煤炭和天然氣及所有非化石能源可用來發(fā)電。 一次能源消費構(gòu)成見圖1。

圖1 一次能源消費構(gòu)成

當前,在我國一次能源消費中,化石能源尤其是煤炭占據(jù)主導地位,2019年煤炭消費比例為57.7%,非化石能源消費比例為15.3%。 近年來,非化石能源占一次消費比例逐年上升,非化石能源發(fā)電占全部一次消費比例逐年上升。

我國能源消費量以噸標煤(tce)計量,2019年我國一次能源總消費量為48.6 億tce,非化石能源消費量約7.1 億tce,占比僅14.6%,發(fā)電占比14.2%[1]。 2015—2019年非化石能源發(fā)電量及結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 2015—2019年非化石能源發(fā)電量及結(jié)構(gòu)

1.2 碳排放情況

據(jù)英國氣候政策網(wǎng)站Carbon Brief、國際可再生能源署(IRENA)2019年統(tǒng)計數(shù)據(jù)報道:中國的碳排放量居世界首位,占全球碳排放總量的27%;美國位居第二,占比11%;印度位居第三,占比6.6%。中國2020年共排放碳115 億t,電力、工業(yè)、交通運輸和建筑行業(yè)是CO2排放的主要部門(表1),有色金屬行業(yè)排放5 億t CO2[2]。 雖然我國單位GDP 碳排放已明顯下降,但仍高于世界平均水平,為美國的2 倍多,歐盟的3 倍多。

表1 中國2020年碳排放情況 億t

2 “雙碳”目標下我國能源規(guī)劃

國際可再生能源署于2021年3月發(fā)布《世界能源轉(zhuǎn)型展望:1.5 ℃路徑》,明確指出,到2050年可再生能源發(fā)電量占比提升到90%,其中,光伏和風電占比63%。 屆時,全球光伏裝機將超過14 000 GW[2]。 國際能源署(IEA)在2021年5月發(fā)布了《2050年凈零排放:全球能源行業(yè)路線圖》,明確到2050年約90%電力來自可再生能源,太陽能和風能占70%左右。

在全球減碳減排目標倡導下,我國積極響應(yīng),對國內(nèi)的能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略和光伏發(fā)展目標做出了規(guī)劃。

1)2020年非化石類能源占一次能源消費總量比重15%,2030年實現(xiàn)20%。

2)三個頂峰+一個中和。 2020年中國煤炭需求達到頂峰;2025年中國能源消費總量達到頂峰;2030年中國二氧化碳排放達到頂峰;2060年實現(xiàn)碳中和。

3)2050年一次能源總量達34 億tce,可再生能源占一次能源消費比例超60%,非化石能源電力占總電力需求的91%,電力消費比重從現(xiàn)在的不到30%提高到60%。

2019年中國光伏總發(fā)電量2 243 億kW·h,占全國總發(fā)電量(71 422.1 億kW·h)的3.1%,光伏利用小時數(shù)1 169 h。 《中國2050年光伏發(fā)展展望》原規(guī)劃預(yù)計2030年提高到5%,2040年提高到10%,2050年提高到20%。 經(jīng)過調(diào)整后,目前規(guī)劃2030年達28%,2040年達33%,2050年達39%。 詳細調(diào)整情況見表2。

表2 2020—2050年中國光伏發(fā)電規(guī)劃及調(diào)整

3 光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 光伏電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前,晶硅太陽能是光伏產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)。 全球范圍內(nèi),太陽能光伏電池技術(shù)有晶體硅電池、薄膜電池和第三代電池三種類型,其中晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率較好,而且技術(shù)成熟,2020年所占市場份額已達95.9%。 三種類型光伏電池技術(shù)的詳細轉(zhuǎn)換效率及市場份額情況見表3。 2011—2025年全球光伏新增裝機預(yù)測見圖3。

圖3 2011—2025 全球光伏新增裝機容量預(yù)測

表3 各類型太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率及市場份額

3.2 我國光伏制造業(yè)情況

2020年,中國已成為全球光伏制造與應(yīng)用大國,光伏年產(chǎn)值4 000 億元,制造了200 多萬人的就業(yè)崗位。 在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、CO2減排、霧霾治理等方面,多晶硅作為光伏產(chǎn)業(yè)重要原材料,扮演了舉足輕重的角色。

2020年世界與中國光伏制造業(yè)情況見表4[3]。

表4 2020年世界與中國光伏制造業(yè)情況

4 晶硅太陽能利用成本呈降低趨勢

4.1 多晶硅生產(chǎn)能耗呈下降趨勢

目前多晶硅生產(chǎn)方法常見的有三氯氫硅法和硅烷法兩種。 由于硅烷法存在極易燃、易爆、安全性差等問題[3],近10年來,市場份額一直在減少。三氯氫硅法是當前主流工藝,2020年產(chǎn)量占比達98.1%。

三氯氫硅法生產(chǎn)設(shè)備包括還原裝備、氣體凈化循環(huán)利用裝置、冷氫化裝備、提純系統(tǒng)、TCS 合成裝置和反歧化系統(tǒng),通過采用模擬優(yōu)化、過程氣體回收、物料回收等先進措施,還原熱量、系統(tǒng)制冷等能源得到了高效、合理地回收利用,能耗物耗得到降低。 目前,先進企業(yè)單位每公斤硅產(chǎn)品能源消耗已小于11.5 kgce。 2009—2020年多晶硅產(chǎn)品的綜合能耗情況見表5。

表5 2009—2020年多晶硅產(chǎn)品的綜合能耗情況

多晶硅產(chǎn)業(yè)10 多年來,能耗、物耗的持續(xù)降低,使得產(chǎn)品成本大幅下降,為太陽能普及應(yīng)用創(chuàng)造了條件。 2020年多晶硅產(chǎn)品綜合能耗相比2009年降低了70%以上;2018年7月多晶硅價格為8 萬元/t,2020年5月最低降到3 萬元/t。 多晶硅產(chǎn)業(yè)能耗物耗的降低促進了多晶硅產(chǎn)品價格的降低,為光伏發(fā)電降低成本創(chuàng)造了有利條件。

4.2 單晶硅技術(shù)與金剛線切割技術(shù)的發(fā)展大幅降低了硅料消耗

2017年,波蘭科學家J. Czochralski 發(fā)明了直拉法(CZ 法),該方法是直接從硅熔體中生長高質(zhì)量硅單晶最為成熟的方法。

太陽能單晶硅技術(shù)沿用了集成電路單晶硅拉制技術(shù),其晶體缺陷少于多晶硅,成為制備高效晶硅電池的理想材料。 隨著單晶硅技術(shù)與設(shè)備創(chuàng)新的快速發(fā)展,單晶硅單位非硅成本大幅低于多晶鑄錠成本,而且轉(zhuǎn)化效率高出至少1 ～2.5 個百分點。

金剛線切割技術(shù)的快速推廣應(yīng)用使得每公斤單晶硅出片率大幅提升,該技術(shù)不僅增加了產(chǎn)能、降低了硅料消耗,而且增加了太陽能晶硅片的應(yīng)用范圍。硅片越薄,柔性越好,對安裝環(huán)境的適應(yīng)性越強,薄太陽能晶硅片不僅適用于分布式光伏發(fā)電及地面電站,還可安裝在復(fù)雜物體表面,擴大了單晶組件的應(yīng)用。

目前,單晶硅技術(shù)已經(jīng)成為晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流,產(chǎn)能占比在90%以上,而且新增產(chǎn)能皆為單晶。

4.3 光伏發(fā)電成本在不斷降低

目前,在各種類型的發(fā)電站中,水電的發(fā)電成本最低,大概為0.3 元/kW·h,光伏的發(fā)電成本與煤電、風電持平,大概為0.4 元/kW·h,已實現(xiàn)平價上網(wǎng)。 隨著各項技術(shù)的不斷進步,晶硅光伏發(fā)電成本將會大幅下降,預(yù)計到2035年和2050年,新增光伏發(fā)電成本相比當前分別下降50%和70%,達到0.2元/kW·h 和0.13 元/kW·h。

光伏發(fā)電成本可持續(xù)降低的因素包括以下幾個方面:光伏電池效率持續(xù)快速提升;“晶硅+ 薄膜”雙結(jié)疊層電池技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用;光伏組件持續(xù)降本增效;光伏電站投資成本持續(xù)下降。 目前光伏電池轉(zhuǎn)換效率大概為22.3%,未來3 ～5年,效率有望提升至24%。 效率更高的N 型TOPCon 電池、異質(zhì)結(jié)電池或IBC 電池等則最有望成為產(chǎn)業(yè)化主流技術(shù),將轉(zhuǎn)換效率提高到26% 以上。雙結(jié)疊層電池(比如鈣鈦礦/硅疊層電池)具有更高的轉(zhuǎn)換效率。 在光伏組件成本大幅降低以及轉(zhuǎn)換效率持續(xù)提升的帶動下,2035年和2050年光伏電站投資預(yù)計將比當前的水平分別下降37% 和53% ,這其中晶硅電池和組件價格的下降貢獻最大,在光伏電站投資下降成本中的貢獻超過60%,而多晶硅在太陽能光伏系統(tǒng)中的成本變化則微不足道,見表6[4]。

表6 2008—2020年多晶硅在太陽能電池成本占比情況

5 晶硅太陽能是實現(xiàn)碳中和的主要途徑

5.1 晶硅太陽能現(xiàn)狀

2020年,中國光伏已實現(xiàn)市場化定價,光伏累計裝機量為253.4 GW,光伏發(fā)電量占比為3.5%。

2020年1月1日～10月22日,德國太陽能、風能、生物能、水力發(fā)電等清潔能源發(fā)電1 950 億kW·h,占全國總發(fā)電量的52.5%,其中太陽能發(fā)電430 億kW·h,占全國總發(fā)電的11.5%。

2020年,中國太陽能光伏發(fā)電2 605 億kW·h,當年生產(chǎn)的39.6 萬t 多晶硅耗電約273 億kW·h ,占當年光伏總發(fā)電量的10.4%。 當多晶硅年產(chǎn)量達到100 萬t 時,預(yù)計需消耗當年太陽能發(fā)電量的10% ～15%。

5.2 晶硅太陽能發(fā)電量預(yù)測

隨著全球晶硅太陽能電站成本不斷降低,光伏電站聯(lián)合儲能系統(tǒng)將是光伏從輔助電源走向主力電源的必經(jīng)之路,有望成為光伏可持續(xù)發(fā)展的動力。預(yù)計2025年全球光伏新增裝機368 GW,屆時儲能裝機56.48 GW·h,晶硅太陽能成為主體能源。2019—2025年全球光伏裝機量情況見圖4,2020—2025年裝機量為預(yù)測數(shù)據(jù)。

圖4 2019—2025年全球光伏裝機量情況

2019,國家發(fā)改委能源研究所在《中國2050年光伏發(fā)展展望(2019)》中預(yù)測,2050年我國的光伏發(fā)電累計安裝50 億kW,累計發(fā)電量60 000 億kW·h,發(fā)電量占比達到39%[5]。 具體規(guī)劃見表7。

表7 光伏電站量及發(fā)電量預(yù)測

5.3 能源回報與環(huán)境效益

從硅石到光伏電站建設(shè),全部能源消耗約0.65 kW·h/W,能源回報期已到0.54年(按二類計0.65/1.2 =0.54),晶硅光伏電池壽命30年,清潔能源回報達到55 倍。 按安裝100 萬kW(1 GW)晶硅電站計算,年發(fā)電量約12 億kW·h,按火力發(fā)電耗煤323 g/kW·h 計算,年減少耗煤38.8 萬t,CO2減排142.2 萬t,30年壽命期內(nèi),可實現(xiàn)節(jié)煤1 164萬t,減排CO24 266 萬t。

預(yù)計2050年,晶硅太陽能發(fā)電達到6 萬億kW·h,占當年全國發(fā)電量的39%,CO2減排約71 億t,是碳中和的絕對主力。

6 結(jié)語

在政府多項支持政策下,我國光伏發(fā)電已發(fā)展到大規(guī)模、高比例、高質(zhì)量躍升階段,而且擺脫了補貼依賴,開始實現(xiàn)市場化。 目前光伏發(fā)電政策的新思路是建立消納責任權(quán)重引導機制、并網(wǎng)多元保障機制、保障性并網(wǎng)競爭性配置機制,鼓勵多元化開發(fā)、多元化應(yīng)用,引導各地安排風電、光伏發(fā)電項目建設(shè),采取“能并盡并”原則,通過競爭配置統(tǒng)一組織。

我國的多晶硅工廠主要集中在新疆、內(nèi)蒙古、云南、四川,已具備光伏產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、實現(xiàn)碳中和的發(fā)展條件。 晶硅光伏發(fā)電可結(jié)合新能源汽車和特高壓技術(shù),利用中國廣闊的戈壁沙漠資源,兼顧生態(tài)修復(fù)與低成本發(fā)電,開發(fā)農(nóng)光、漁光、BIPV(光伏建筑一體化)等各種創(chuàng)新應(yīng)用,在成本持續(xù)下降的條件下,晶硅光伏發(fā)電有望成為主流電源,有助于大幅減少化石能源消耗,減少對進口石油的依賴,有效推動能源結(jié)構(gòu)調(diào)整并助力霧霾治理。 晶硅光伏發(fā)電技術(shù)綜合效益顯著,發(fā)展前景廣闊。