“碳中和”系列专题六：中国工业硅工艺碳排放现状及国内外碳排放权交易跟踪

宏观经济政策解读2023年1月12日 “碳中和”系列专题六： 中国工业硅工艺碳排放现状及国内外碳排放权交易跟踪 一、“双碳”背景下，工业硅产业的发展分析 （一）工业硅产业链介绍 工业硅，又称金属硅、结晶硅，是硅石与碳质还原剂在矿热炉中反应得到的，是生产多晶硅、有机硅及硅铝合金的重要原材料。按照冶炼原料、生产装置可以分为原生硅、再生硅、97硅，按照铁、铝、钙杂质含量的不同可以分为SI5530、SI4210、SI4410、SI3303等多种牌号。 工业硅为固体形态时呈暗灰色，并具有金属光泽，质坚而脆，熔点1410℃左右，沸点3145℃，密度在2300-2400千克/立方米，导电率介于金属与非金属之间，因此通常被成为金属硅，工业硅在650℃之下不具有导电性，因此可用作绝缘材料，在650℃以上具有导电性，且温度越高导电性越强。工业硅在常温下化学性质不活泼，在高温下化学性质较为活泼，高温情况下可以跟氧、氯、卤族元素等多种元素结合生成化合物，不溶于水和任何浓度的硝酸、盐酸，但是可溶于碱液、硝酸或盐酸与氢氟酸的混合液。 图表1：工业硅产业链图 资料来源：WIND,广期所,宏源期货研究所 期货（期权）研究报告 请务必阅读正文之后的免责条款部分 工业硅的上游主要是硅石、碳质还原剂和电极。工业硅生产企业所用的碳质还原剂主要包括石油焦、洗精煤、木炭等，使用较普遍的石油焦分为国产和进口两个来源，国内主要来自江苏、广东、新疆等，进口主要来自中国台湾、沙特等；洗精煤主要来自新疆、宁夏、山西、陕 西、贵州等；木炭大多进口自缅甸。不同地区的工业硅生产企业选用不同的碳质还原剂和硅石，因此生产出来的工业硅品质也有所差异。 工业硅的下游主要是多晶硅、有机硅、硅铝合金和出口四大方向。 受益于终端光伏产业的快速发展，多晶硅是工业硅下游消费增速最快的行业，以2021年数据为例，多晶硅消费量占比22%，多晶硅主要用来制造多晶硅锭和单晶硅棒，多晶硅锭的流向是多晶硅片、多晶电池和光伏组件，单晶硅棒的流向是光伏单晶硅片和晶圆，光伏单晶硅片用于单晶电池、光伏组件，晶圆用于电子器件，最后用于半导体。多晶硅的终端产业主要是光伏发电、半导体、集成电路等。 有机硅是工业硅目前占比最大的行业，2021年消费占比29%，有机硅不仅可以作为工业中的基础材料大量应用，还可以对其他材料进行改性，改善或者提高传统材料的工艺性能和使用性能，终端应用十分广泛。有机硅可以进一步加工成硅橡胶、硅树脂、硅油、硅烷偶联剂等。硅橡胶分为室温胶和高温胶，室温胶具有耐高低温、耐候性、疏水性及良好的电气性能，主要用于建筑、电子、新能源等领域；高温胶具有优异的耐高低温、耐候性、抗压缩水久变形性及电气性能，主要应用于电子电器、电力、汽车、医疗、日化等领域；硅树脂具有优良的耐热、耐寒、耐候、憎水等特性，主要应用于建材、电子等行业；硅油是一种油状物，主要应用于纺织、日化、电子电气、化工等领域；硅烷偶联剂主要应用于光伏、橡胶、塑料、石材等领域。 硅可以与其他金属制成合金，包括硅铝合金、硅铜合金、硅锰合金等，其中，硅铝合金是合金硅的主要产品，2021年硅铝合金消费占比17%，由于铝合金具有较高的减重效果、安全性能，因此成为了汽车轻量化的主要应用材料，硅铝合金的终端应用包括汽车发动机、建材、建筑、交通制造等领域。 我国是世界工业硅生产大国，2021年，全球工业硅产量346.5万吨，我国工业硅产量270万吨，占比78%，除了满足国内下游需求，还有29%的工业硅出口至海外，从世界工业硅供给格局来看，中国、挪威和巴西是世界工业硅主要出口国，欧盟、日本、美国和韩国是世界工业硅主要进口国，受欧美长时间以来对我国工业硅实施的反倾销和反补贴政策，我国工业硅主要出口至日本、韩国等东亚及东南亚地区。 （二）工业硅&多晶硅生产工艺 工业硅是通过以硅石、碳质还原剂以及疏松剂为原材料，在矿热炉中连续电热化反应得到的，冶炼生产时，首先将生产所需的炉料由原料处理系统送到矿热炉车间的料堆场，然后根据炉料配比，将称量精准的炉料由输送设备送达矿热炉车间的炉顶料仓或操作平台的贮料仓，并由炉口操作人员将炉料加入炉膛内，通电后，矿热炉内的电极会释放电火花进而熔化炉料，经扒渣后注入锭模中铸造成锭块，等待硅锭冷却脱模后进行破碎、取样、化验、分级、包装、称量等步骤，最终入库。 图表2：工业硅生产流程 资料来源：硅业分会,宏源期货研究所 从成本角度来看，电力成本是工业硅最大的成本，占比达到35%左右，单吨工业硅的成本包括2.7-3吨硅石、2吨还原剂、0.1-0.13吨电价、11,000-13,000度电，我国主要生产工业硅的省份是新疆、云南和四川，其中，新疆生产工业硅主要是火电，全年电价和开工相对平稳，云南和四川则使用水电，由于枯水期电价远高于丰水期，因此云南、四川冶炼厂多在丰水期生产，开工率具有明显的季节性。根据碳质还原剂的不同，工业硅生产工艺可以分为全煤工艺和非全煤工艺两种，非全煤工艺的成本高于全煤工艺，全煤工艺生产过程中使用洗精煤为碳质还原剂，而非全煤工艺则使用木炭、烟煤和石油焦三种还原剂，其中，木炭的化学活性高，但是较为稀缺，价格高且不环保，因此只有特殊要求的品级中才会使用；烟煤的化学活性低于木炭但是高于石油焦，但是灰分较高，生产过程中的残留炉渣较多，所以不常使用；石油焦的固定碳含量高、灰分低，多应用于高品级工业硅的生产；我国主流生产工艺为成本较低的全煤工艺。 图表3：2021年工业硅成本构成 图表4：全煤工艺与非全煤工艺成本对比 非全煤工艺 全煤工艺 电耗（KWh）12000-13000 12000-13500 硅石（kg）2700-3000 2650-2900 低灰煤（kg）450-600 1100-1200 木炭（kg）500-950 石油焦（kg）800-1000 木块（kg）300-680 500-850 电极（kg）60-100 70-100 资料来源：SMM,宏源期货研究所 资料来源：SMM,宏源期货研究所 多晶硅的生产工艺包括改良西门子法、硅烷流化床法、无氯技术、VLD、冶金法等生产工艺，当前主流的生产技术是硅烷流化床法和改良西门子法，目前改良西门子法占到了市场的95%。 西门子法是1955年德国西门子公司研制开发的，主要利用氢气还原三氯硅烷，由于西门子法生产多晶硅存在转化率较低和副产品排放污染问题，改良西门子法利用尾气干法回收和四氯化硅再利用技术，实现了完全闭路的循环生产，在保证品质的同时，降低原料损耗和能源消耗，降低了多晶硅生产成本。改良西门子法主要包括五个流程：工业级硅料冶炼与提纯、三氯氢硅的合成与精馏、光伏多晶硅还原制备、尾气分离与再利用、副产品四氯化硅再利用。 图表5：多晶硅改良西门子法生产工艺 资料来源：中国光伏行业协会,宏源期货研究所 硅烷流化床法是上世纪70年代美国联合碳化合物公司研发的生产工艺，主要目的是降低多晶硅的生产能耗和成本，该工艺以四氯化硅、氢气、氯化氢和工业硅为原料，在硫化床内通过高温高压生成三氯氢硅，然后将三氯氢硅加氢进行反应，生成二氯二氢硅，得到硅烷气，最后将硅烷气通过以多晶硅晶种作为流化颗粒的硫化床中，使硅烷裂解并在晶种上沉积，从而得到 颗粒状的多晶硅。 图表6：多晶硅硅烷流化床法生产工艺 资料来源：中国光伏行业协会,宏源期货研究所 与改良西门子法相比，硅烷流化床法是连续生产过程，改良西门子法是间歇式生产过程，因此改良西门子法能耗更低，除此之外，硅烷流化床法转化率高、副产品污染小，但是其安全性较差、技术不成熟、产品纯度难以控制，目前硅烷流化床法市场占比较低，但是近两年随着大产能计划投产，市场占有率有望提高 图表7：改良西门子法与硅烷流化床法对比 改良西门子法 定性描述备注 硅烷流化床法 定性描述备注 综合能耗 高60-70度/公斤 低10-18度/公斤 制造流程 分批次每周一流程 连续6-18月一流程 原料 三氯氢硅相对安全 甲硅烷危险，遇空气自燃 产品形状 棒状，需破碎破碎成本<0.3美元/公斤 颗粒状，可直接销售没有额外处理成本 最终产品硅粉比例 低<5% 高高压流化床10-15% 人工要求 高万吨产线250-400人 低万吨产线100-150人 单位资本开支 稳定万吨产线约1.4亿美元 低万吨产线1亿美元 资料来源：硅业分会,宏源期货研究所 （三）工业硅产业链与“双碳” 在工业硅产业链生产中，电力成本是不可忽视的一大部分，工业硅的下游多晶硅行业近十年来更是被冠以“高耗能、高污染、资源型产业”的头衔，这种“两高一资”的观念在行业内外都根深蒂固，产业在发展过程中经历了多重阻碍、价格频频大涨大跌等，阻碍了产业链协同发展，更不利于“光能源、硅能源、可再生能源”的有序发展。 从耗能角度来看，工业硅全产业链每瓦耗电0.94度，每瓦发电33.7度，是电力的贡献者， 能量回收期仅需要0.81年，剩下的29.2年均为能量贡献期。 图表8：多晶硅“高耗能”误区 资料来源：硅业分会,宏源期货研究所 国家发展改革委、国家能源局等九部门2022年6月印发《“十四五”可再生能源发展规划》，该文件明确了可再生能源总量目标、发电目标、消纳目标和非电利用目标：2025年，可再生能源消费总量达到10亿吨标准煤左右。“十四五”期间，可再生能源在一次能源消费增量中占比超过50%；2025年，可再生能源年发电量达到3.3万亿千瓦时左右。“十四五”期间，可再生能源发电量增量在全社会用电量增量中的占比超过50%，风电和太阳能发电量实现翻倍；2025年全国可再生能源电力总量和非水电消纳责任权重分别达到33%和18%左右，利用率保持在合理水平；2025年太阳能热利用、地热能供暖、生物质供热、生物质燃料等非电利用规模达到6,000万吨标准煤以上。为了达到“十四五”规划目标，大力发展可再生能源是必然的。 2022年12月国际能源署（IEA）发布《2022年世界能源展望》，报告指出，预计到2030年前全球能源需求每年将增长约0.2%，碳排放量将在本世纪20年代中期达到峰值。电力在终端能源消费中的份额将从目前的20%上升到2030年的24%，到2050年增至39%。可再生能源发电量在总发电量中比重将从2021年的28%上升至2030年的49%，到2050年达到80%。化石燃料发电量的占比则从2021年的62%下降至2030年的47%，到2050年则降至26%。核发电量将持续上升，但在能源结构中的占比将与目前基本持平。在“2050年净零排放情景”中，国际能源署将电力视为能源成功转型的关键要素。电力在终端能源消费中的份额将从目前的20%上 升到2030年的28%，到2050年增至52%。总体而言，可再生能源的装机容量到2030年将达 到2021年的4倍以上，其发电量在总发电量中的占比将超过60%；到2050年，可再生能源发电量在总发电量中的占比将达到88%。化石燃料在总发电量中的占比将从2021年的62%下降至2030年的26%，到2050年则降至0。 国际能源署（IEA）《2020年世界能源展望》中曾指出，太阳能发电提供了目前历史上最便宜的电力，预测到2050年，太阳能发电将成为世界主要电力来源，作为光电转换的关键材料，多晶硅资源丰富，自身可塑性强，易于产业化，随着光伏产业的快速发展，多晶硅应用场景不断扩大，作为多晶硅的主要原材料，工业硅是实现“碳中和”必不可少的一环。 二、碳中和政策/事件追踪（2022.10.1-2022.12.31） （一）国内碳中和相关政策事件 图表9：国内碳中和相关政策事件(2022.10.1-2022.12.31) 部门时间政策内容 财政部、住房城乡建设部、工业和信息化部 2022/10/12 《关于扩大政府采购支持绿色建材促进建筑品质提升政策实施范围的通知》 各有关城市要深入贯彻习近平生态文明思想，运用政府采购政策积极推广应用绿色建筑和绿色建材，大力发展装配式、智能化等新型建筑工业化建造方式，全面建设二星级以上绿色建筑，形成