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大宗商品视角下的光伏产业系列专题之上游篇:硅料、硅片的供需分

发布日期:2022-05-26 17:01   来源:未知   阅读:

  本文通过对硅料和硅片的产业链分析,介绍了光伏上游原材料的供需历史表现,以及流通产品变化、技术发展带来的成本耗能变化。同时,通过对企业投产计划和开工率水平的预测,结合下游及终端需求的预期,模拟了不同情景下,硅料和硅片至2030年的供需平衡情况。

  2022年多晶硅供需偏紧,2023年后多晶硅或出现过剩:从供应端看,2021年在国内多晶硅紧缺的背景下,多晶硅利润率达到80%以上,促使国内企业纷纷加速投产,预期至2025年,中国国内产能将由51.9万吨增至400万吨,在海外投产不明和较为稳定的历史产能表现基础上,我们假设海外产能不变,则全球产能将由67.1万吨增至415.2万吨。上游工业硅的投产完全能够覆盖其产量。从需求看,全球多晶硅在乐观/中性条件下,2025年在光伏行业需求为57/87万吨,2030年在光伏行业需求为67/113万吨。多晶硅的主要用途为光伏,电子级多晶硅占比极小,目前对于终端需求多晶硅产能已存过剩,在光伏产业链中,由于下游扩产速度较快,造成阶段性紧缺,预计在2023年开始多晶硅出现过剩。

  2022-2023年硅片供需偏松,后期供需缺口或收窄:从供应看,2021-2023年全球硅片产能急剧扩张至620GW左右,由于最近三年硅片原料的短缺,硅片产能利用率低于70%。我国硅片产能最近三年占全球市场95%以上,硅片主要以出口为主。硅片生产过程中,生产成本逐年下降,单晶硅片降幅超过多晶硅片。从需求看,全球光伏硅片在乐观/中性条件下,2025年需求为305GW/198GW,2030年需求为395GW/233GW。硅片尺寸需求逐步形成182mm和210mm的占比格局,硅片厚度主要向超薄方向发展,2030年N型硅片厚度有望降低至130μm左右。从供需平衡看,全球硅片在2017、2018年存在供需缺口,供给不足;2019至2021年处于供需紧平衡状态。预计2022年全球硅片供需边际宽松,2023年后供需缺口或逐步收窄。

  过去10年,全球多晶硅每年产能产量均实现快速增长,据CPIA数据,产能由2011年28.3万吨,增至2021年67.1万吨,复合增速达9%;产量由2010年16万吨年产量,增至2021年63万吨,复合增速达13%。全球多晶硅产能产量的快速增长更多受益于中国的增产,中国多晶硅产能由2011年16万吨增至2021年51.9万吨,复合增速达12%;产量由2010年5.2万吨增至2021年50.5万吨,复合增速达23%,增速远高于传统行业。中国产量占比由2010年的33%增至2021年的80%,成为全球绝对意义的多晶硅主产国。

  从开工率角度来看,中国产能产量在全球的份额逐步走高,全球开工率与中国开工率愈发趋同。随着下游光伏产业的快速发展,近几年多晶硅开工率始终维持较高位置,在双碳政策引导下,2021年国内开工率升至97%,多晶硅的紧俏程度可见一斑。

  从区域分布来看,截至2021年底,我国多晶硅产能主要分布在新疆、江苏、内蒙和四川,分别占国内总产能的47%、14%、12%和11%,四省产能合计占比84%。我国多晶硅产量主要分布在新疆、内蒙、四川和江苏,分别占比55%、14%、11和9%,四省合计产量占比89%,呈现生产地域较集中的特点,主要原因是当地电价较低,同时与其原料工业硅产地靠近。

  我国多晶硅企业集中度极强,从企业分布来看,截至2022年5月,产能排名前9的企业合计产能达国内总产能的87%。但需要注意的是,多家公司开始涌入多晶硅赛道,未来4年投产计划显示多晶硅供应将快速增加,行业集中度可能下滑。常规来看,多晶硅产能建设周期约12-18个月,产能爬坡周期约3-6个月,整体扩产周期长于下游环节,经调研显示,多晶硅生产有着极高的技术门槛,技术人才的匮乏也是导致很多企业投产进度不及预期的重要原因之一,所以投产计划的可落地性仍待进一步跟踪观测。

  目前多晶硅生产主要使用三氯氢硅法,也就是改良西门子工艺,其次是硅烷流化床法。根据CPIA数据,我国2020年三氯氢硅法生产占比98%,硅烷法生产仅占比2%。

  目前流化床颗粒硅工艺有逐步普及的势头,根据CPIA数据,2021 年硅烷法颗粒硅产能和产量小幅增加,颗粒硅市占率有所上涨,同比提升了1.3 个百分点,达到4.1%,棒状硅占95.9%,未来颗粒硅市场占有率将逐步提升。其主要优势是电耗低,据硅业分会数据,硅烷流化床法直接电耗为西门子法的10%,综合电耗为西门子法的1/3;其次颗粒硅无需破碎,可以直接拉晶使用,能填补硅块空隙,提高坩埚装填量,进而提高拉晶产出;颗粒硅大小形状比较均匀,熔化时对拉晶炉热场扰动小,是重复直拉单晶理想的复投,可以用机器自动加料或连续加料。而缺点是硅料表面存在悬挂键,使得加料时易跳料,对炉壁寿命造成损伤;颗粒硅比表面积大,易引入表面污染;硅烷生产存在安全隐患。随着技术发展,颗粒硅的弊端有望进一步解决。

  多晶硅生产环节包括电耗、水耗、蒸汽耗量、硅耗等。以西门子工艺为例,据CPIA报告,2021 年单炉致密料占比维持70%-80%,多晶硅平均还原电耗较2020 年下降6.1%,为46kWh/kg-Si。未来随着气体配比的不断优化、大炉型的投用和稳定生产、以及单晶厂家对于菜花料的试用,还原电耗仍将呈现持续下降趋势,到2030年还原电耗有望下降至42kWh/kg-Si。目前流化床法还原电耗仅3kWh/kg-Si。

  2021 年,冷氢化平均电耗在4.7kWh/kg-Si 左右,同比下降11.3%,到2030 年有望下降至4.1kWh/kg-Si以下。技术进步的手段包括反应催化剂的开发、提高工艺环节中热能回收利用率、提高反应效率等。

  2021年,多晶硅平均综合电耗已降至63kWh/kg-Si,同比下降5.3%。未来随着生产装备技术提升、系统优化能力提高、生产规模增大等,预计至2030 年有望下降至55kWh/kg-Si。目前硅烷流化床法颗粒硅综合电耗较三氯氢硅法棒状硅低40%-50%。预计到2030 年,通过余热利用降低蒸发量,精馏塔排出的物料再回收利用降低残液处理水耗等措施,可将耗水量控制在0.09t/kg-Si 的水平。

  2021 年,多晶硅平均水耗在0.1t/kg-Si 的水平,同比下降16.7%。新疆地区气候干燥,蒸发量大,水耗较行业平均值高。

  2021 年企业蒸汽耗量均值为18.4kg/kg-Si 左右,同比下降20%,在新疆等寒冷地区蒸汽耗量较其他地区高。随着企业还原余热利用率提升、提纯、精馏系统优化等,2030 年企业蒸汽耗量将降至8.8kg/kg-Si。因为西门子法还原温度高,利用热能可生成较多蒸汽,外采蒸汽需求较低,目前甚至部分企业不需要外采蒸汽,而硅烷流化床法蒸汽消耗约20kg/kg-Si。

  2021 年,硅耗在1.09kg/kg-Si 水平,基本与2020 年持平,且近5 年变化幅度不大。随着氢化水平的提升,副产物回收利用率的增强,预计到2030 年将降低到1.07kg/kg-Si。

  百川盈孚数据,2022 年5月中旬,多晶硅总生产成本约为6万元/吨,成本受工业硅价格和电价影响权重较大,其中工业硅占比43%,电费占比28%,三氯氢硅用来模拟计算氯气成本。但也要注意多晶硅行业生产利润率达到80%,这也是驱动企业增产扩产的主要动力。

  百川盈孚数据,2022 年5月中旬,多晶硅总生产成本约为6万元/吨,成本受工业硅价格和电价影响权重较大,其中工业硅占比43%,电费占比28%,三氯氢硅用来模拟计算氯气成本。但也要注意多晶硅行业生产利润率达到80%,这也是驱动企业增产扩产的主要动力。

  我国多晶硅以进口为主,可以看到近年随着国内多晶硅产能不断提升,2021年中国多晶硅进口10.7万吨,同比增加12.7%,2017年-2021年进口复合增速为-9.3%。目前国内进口占表观消费比例已降至20%以下。

  2021年中国多晶硅表观消费量为61.9万吨,同比增长25%。2018年受下游光伏行业“531”政策影响,光伏装机下滑至44.26GW,使得当年多晶硅表观消费有所下降,但近年来随着光伏组件成本下降,补贴退坡影响减弱,双碳背景下新增光伏装机量不断走高,带动多晶硅消费维持高增速。

  根据CPIA数据,2020年太阳能(行情000591,诊股)级多晶硅消费占比91%,故下游消费以光伏行业为主。在多晶硅直接下游硅片生产中,因单晶硅片纯度更高,转化效率更高,消费占比不断走高,至2020年,单晶硅片占比已达90%的水平。

  3. 中性/乐观情景下,2030年全球多晶硅光伏需求或达到67/113万吨

  2021年全球光伏新增183GW,根据BP预测,全球光伏在2030年有望增加至2500-3300GW。2021年中国光伏新增54.88GW,根据中信期货研究测算,中国光伏在2030年有望增加至1025-1200GW(详见:【中信期货研究】大宗商品视角下的光伏产业系列专题之总量篇:能源转型,春“光”正好——专题报告20220415)。在乐观条件下,全球和中国在2025年光伏新增装机量分别为254GW、93GW,2030年光伏新增装机量分别为329GW、121GW;在中性条件下,全球和中国在2025年光伏新增装机量分别为165GW、77GW,2030年光伏新增装机量分别为194GW、91GW。

  根据光伏装机量与光伏组件容配比1.2和每万吨硅料对应3.5GW光伏组件计算,2025年全球光伏多晶硅在乐观和中性条件下分别需求87万吨和57万吨,2030年光伏多晶硅在乐观和中性条件下分别需求113万吨和67万吨。

  1. 供应端预测:2030年中国/全球多晶硅产量或达到360/373万吨

  根据投产计划能够正常投产落地、年新增产能对应半年产量和已存产能维持90%的高开工率假设,预计至2025年,中国年产量达318.4万吨,海外产能预期不变,则全球年产量达331.4万吨。2025年-2030年,在产能过剩的背景下,假定无新增产能产量,而开工率维持不变,则中国年产量将达360万吨,全球年产量将达373万吨。

  基于原料工业硅行业的快速投产,预期2025年工业硅产能可达650万吨,另外2021年工业硅行业开工率仅为65%,仍有提升空间,多晶硅的预期产出完全可实现。预计多晶硅在工业硅消费中的占比将从当前的28%提升至2025年的52%,光伏对于工业硅定价的边际影响力增强。

  在国内快速扩产的背景下,多晶硅进口将集中在高纯度的电子级多晶硅,数量较小,可忽略不计。基于假设,在海外此前能够保持出口的沿革下,光伏级多晶硅没有进口需求,而是以下游硅片进口需求代替。所以进出口影响对多晶硅供需影响将极少。

  2. 基于终端的需求预测:中性/乐观情景,2030年多晶硅消费量或达到74/121万吨

  从终端光伏装机和半导体行业来看,多晶硅行业已经进入产能过剩周期。根据我们对于未来光伏新增装机的预测,以及基于FortuneBusiness预测未来半导体行业的复合增长率8.6%来计算:

  乐观情境下,至2025年,全球和中国消费量将分别增至92万吨和32万吨,至2030年,全球和中国消费量将分别增至121万吨和42万吨。

  中性情境下,至2025年,全球和中国消费量将分别增至62万吨和26万吨,至2030年,全球和中国消费量将分别增至74万吨和31万吨。

  2021年至今,多晶硅仍表现供不应求,其真正原因是下游硅片产能的高速扩张所带来的阶段性需求。我们以预测的一种硅片产量发展的情景进行分析,即下文硅片中的第二种假设情况,若2022年硅片产量475GW,产量过剩210GW;2023年硅片产量减产至100GW,基本可以抵消2022年过剩产量;2024年产量恢复至310GW,以后每年产量递增10GW,至2030年硅片产量370GW,每GW硅片需0.3万吨多晶硅计算,2023年开始全球和中国多晶硅均过剩。

  光伏行业快速增长,带动全球硅片产能的急剧扩张,国内硅片产能占全球产能比例逐年提高,由2017年国内硅片产能占比87%提升至2020年97%;全球硅片产能逐步扩张,由2017年120GW扩张至2020年260GW左右。市场普遍预测,2021-2022年国内硅片产能占全球比例仍在97%以上,按97%保守计算,2022年全球产能在620GW左右。

  2021年我国硅片产量227GW,硅片产能400GW(CPIA)。2022年国内产能将进一步扩张,隆重咨询预计产能将扩充至600GW以上。最近五年,硅片产能以31%的年复合增长率扩张,硅片产量以20%的年复合增长出货,主要受多晶硅原料供给的影响,硅片厂设备产能没有充分利用,硅片厂实际产能利用率由2018年71%,递减至2021年的57%,平均产能利用率67%。

  国内硅片产能较为集中,2018至2020年CR5由68.6%逐年递增至88.1%,受下游组件厂与硅片辅材厂产业链延伸的影响,2021年硅片行业CR5回落至84%,隆基、中环在硅片行业产能排名前二。

  硅片环节资本密集,技术含量相比光伏电池低,新入场企业可直接采用现有技术和装备,大大缩短产线建设周期。据隆重咨询调研,某公司建设年产50GW大尺寸单晶硅片项目,从项目立项-采购设备-签订建筑外包合同-首期点火投产,仅用四个月左右时间。其次,新建硅片厂若需场地平整、厂房建设,整个流程形成有效产能需要1.5-2年。

  2020年投资单晶硅片产能投资额:单晶炉约1.4亿元/GW,切片设备约0.4亿元/GW,机器加工设备0.3亿元/GW,其他设备约0.2亿元/GW,合计设备投资2.3亿元/GW。其中,单晶炉价值占比60%,切片设备价值占比13%。

  硅片投资成本下降。随着单晶市场份额增加以及生产技术的进步,单晶设备投资成本呈现下降趋势;切片环节设备成本也呈现逐年下降趋势。2021年拉棒环节(主要生产单晶硅)、铸锭环节(主要生产多晶硅)单位产能设备投资额分别为5.3万元/吨和2.0万元/吨,较2020年均有小幅下降。随着单晶拉棒技术进步与设备智能化的提高,设备投资呈现逐年降低的趋势,CPIA预计2025年、2030年拉棒环节单位产能设备投资较2021年分别降低21%、28%;铸锭设备由于其产品多晶硅片市场需求急剧降低,企业技改动力不足,预计2021-2030年设备投资成本维持在2万元/吨。2021年切片环节设备投资额20.3万元/百万片,随着自动化金刚丝切片设备技术的进步,CPIA预计2025年、2030年切片环节设备投资较2021年分别降低20%、24%。

  我国硅片在全球范围内占据主导地位,硅片出口大于硅片进口量,进口依赖度较低。2021年单晶硅片出口51071吨,进口5010吨,净出口46061吨;多晶硅片2021年市场占有率低于7%,占比较小。从单月出口结构可以看出,近三年一季度单晶硅片出口较高,而近五年同期四月份开始单月单晶硅片出口呈现逐月递增,主要受下游需求的旺盛的影响。整体来看,近五年单晶硅片累计出口17万吨,受国内光伏电池、组件需求增长的影响,近三年单晶硅硅片出口增速回落,19年出口增速79.6%,2020年下降至21.6%,2021年增速回落至4.7%。

  在硅片生产中,直拉法主要生产单晶硅棒,加工制备单晶硅片;铸锭法主要生产多晶硅锭,加工制备多晶硅片。

  单晶硅市场份额持续提升:2018年以前多晶硅片生产成本相比单晶硅生产成本低,市场硅片主要以多晶硅片为主(占比50%以上)。2019年开始,随着单晶硅片(技术+成本优势)光电转换效率比多晶硅片高,且单晶硅片生产成本不断下降,单晶硅片市场份额占比不断提高。预计2025年单晶硅片市场份额占比将到达97%,2030年单晶硅片市场份额占比有望提升至98%以上。

  晶拉棒电耗:直拉法生产单位合规单晶硅棒所消耗电量,企业通过生产技术改进电耗水平呈现下降态势。据中国光伏协会统计,2020年平均电耗26.2kWh/kg,2021年将至23.9kWh/kg,预计2025年将至20.9kWh/kg,相比2021年降幅12.5%;2030年有望将至19.5kWh/kg,相比2021年降幅18.4%。

  铸锭电耗:通过定向凝固生产硅锭所消耗的电量。由于多晶硅片市场份额占比大幅减小,企业对于多晶锭生产技术改进动力减弱,2021年铸锭电耗6.5 kWh/kg,相比2020年微幅下降,预计至2025铸锭电耗将至6.3kWh/kg左右,相比2021年降幅3%;2030年铸锭电耗6.2kWh/kg左右,相比2021年降幅4.6%。

  拉棒单炉投料:单只干锅用于多次拉棒生产的总投料量,在干锅单价和使用时间一定的条件下,单炉投料数量越大,越有利于降低成本。2021年拉棒单炉投料量2800kg,较2020年提升47%。随着单晶硅片市场份额扩大,厂家通过提升拉棒设备和工艺,单炉投料有望进一步增加,CPIA预计2025年单炉投料4000k左右,2030年有望达到4600kg左右。耗硅料(单位硅棒所需多晶硅原料)方面,拉棒耗硅料维持在1.06,未来随着工艺技术的进步,该工艺耗硅料仍在1.05-1.06之间变化。

  铸锭投料:单只干锅最大装料量。2020-2021年铸锭单炉平均投料量维持在1100kg左右,主要因为目前铸锭炉仍以1100-1200kg,未来随着低端产能的淘汰,铸锭炉有望以1500kg左右主流投料量为主。铸锭耗硅料基本维持在1.1左右,相比拉棒工艺多余0.4左右。

  耗水量:切片工艺耗水主要集中于脱胶、清洗、切片等设备,2021年切片环节耗水量910t/百万片,随着行业降本增效,2025年和2030年耗水量相较于2021年有望分别降低13%、18%。

  出片量:2021年每公斤单晶方棒出P型166mm尺寸硅片64片(P型158mm尺寸每公斤单晶方棒出片量70片,P型182mm尺寸每公斤单晶方棒出片量53片,P型210mm尺寸每公斤单晶方棒出片量40片),多晶方锭每公斤出片59片。随着切片用金刚线直径降低,硅片厚度下降,单位质量出片数增加,加之单晶硅片市场占有份额逐步提高,预计2025年、2030年相比2021年每公斤单晶方棒出P型166mm尺寸硅片分别增加12.5%、22%。;方锭出片量由于多晶硅片市场占有率降低,基本无变化。

  拉棒/铸锭环节人均产出率:2021年拉棒/铸锭环节人均产出率23.8t/年/人,切片人均产出率1.7百万片/年/人,随着生产设备智能化、切片效率提高,CPIA预计2025年、2030年拉棒/铸锭环节人均产出率较2021年分别提高68%、101%,预计2025年、2030年切片人均产出率较2021年分别提高64%、117%。

  硅片毛利及成本:2021年硅片行业毛利率16.95%,相比2020年行业毛利上涨41%。硅片成本中:硅料成本占比超过50%,其次是设备等固定资产折旧占比12%,随着硅料产能扩张,以及上述各类非硅成本的下降,预计未来几年硅片制造成本也将逐年递减,硅片行业毛利预计将维持在相对稳定的范围。

  2021年全球光伏新增183GW,根据BP预测,全球光伏在2030年有望增加至2500-3300GW。2021年中国光伏新增54.88GW,根据中信期货研究测算,中国光伏在2030年有望增加至1025-1200GW(详见:【中信期货研究】大宗商品视角下的光伏产业系列专题之总量篇:能源转型,春“光”正好——专题报告20220415)。在乐观条件下,推测出全球和中国在2025年光伏新增装机量分别为254GW、93GW,2030年光伏新增装机量分别为329GW、121GW;在中性条件下,推测出全球和中国在2025年光伏新增装机量分别为165GW、77GW,2030年光伏新增装机量分别为194GW、91GW。

  根据光伏装机量与光伏组件容配比1.2计算,全球光伏硅片在乐观/中性条件下,2025年需求为305GW/198GW,2030年需求为395GW/233GW;中国光伏硅片在乐观/中性条件下,2025年需求112GW/93GW,2030年需求145GW/109GW。

  大尺寸硅片占比提高。当前光伏硅片主流尺寸有5种,分别为156.75(M2)、158.75(G1)、166mm(M6)、182mm(M10)、210mm(G12)。根据PVinfolink预测,2022-2025年182mm硅片占比分别达到38%、41%、37%、30%;210mm硅片占比分别达到32%、43%、58%、60%,未来逐步形成182mm和210mm的占比格局。光伏硅片尺寸变大,不仅能大幅降低硅材料的制造费用,也能够全面地带来切片、电池组件的单位面价制造成本,对减低硅片、电池的制造成本,提升产能、材料利用率和生产效率有重要意义。

  未来几年硅片厚度往薄片方向发展。2021年,多晶硅片平均厚度178μm,P型单晶硅片平均厚度在170μm,N型硅片平均厚度160μm,相比于2020年,对多晶硅片平均厚度降低2μm,P型单晶硅片平均厚度降低5μm,N型硅片平均厚度降低8μm。根据相关公司公布的《技术创新和产品规格创新降低硅料成本倡议书》可知,N型电池对超薄片的适应性更高,相关机构预测2025年N型硅片厚度将降低至150μm左右,有望达到148微米,2030年N型硅片厚度有望降低至130μm左右,硅片厚度每降低10μm,硅片成本降低约3%。因此,未来几年硅片厚度往薄片方向发展,不仅可以提高电池对硅片的适用性,而且对降低硅片成本有重要意义。

  全球硅片产量从2022年开始逐渐宽松。全球硅片在2017、2018年存在供需缺口,供给不足;2019至2021年处于供需紧平衡状态。2022年随着国内硅片原料企业的扩产(多晶硅),以及国内硅片企业的扩产,全球硅片产量预计开始边际宽松,供给端扩产的计划预计在2023年出现停滞。

  第一种情况,2023年供给仍过剩,但后期过剩逐步缓解。按供给2023年多晶硅产量供给142万吨,产能600GW,预计产量475GW,若2023-2030年全球硅片每年产量保持2023年预计的硅片产量475GW,则全球硅片供给仍将过剩,但随着下游光伏装机需求的增加,供给过剩量在2023年以后将出现递减。

  第一种情况下:国内硅片产量大于硅片消耗量,从最近五年和未来几年硅片产量推算出,国内硅片除用于国内光伏电站装机以外,剩余一部分可用于硅片出口,以及用于组件生产、出口。

  第二种情况,2023-2030年供需基本平衡。若2022年硅片产量475GW,产量过剩210GW;2023年硅片产量减产至100GW,基本可以抵消2022年过剩产量;2024年产量恢复至310GW,以后每年产量递增10GW,至2030年硅片产量370GW,则2022-2030年全球硅片供需处于相对平衡的状态。

  第二种情况下:国内硅片产量仍大于硅片消耗量,国内硅片除用于国内光伏电站装机以外,还能剩余一部分,用于硅片出口,以及用于组件生产、出口。

  第三种情况,2023-2030年供需缺口收窄,甚至可转为供不应求。若2023-2030年全球硅片平均每年产量保持325GW,全球硅片在乐观状态装机下,2023-2030年基本可以处于供需紧平衡状态;在中性状态装机需求下,硅片产量将过剩。

  第三种情况下:国内硅片产量仍大于硅片消耗量,国内硅片除用于国内光伏电站装机以外,还能剩余一部分,用于硅片出口,以及用于组件生产、出口。

  2022年1月至5月单晶硅片价出现微幅上周,210单晶硅片上涨18.5%、182单晶硅片上涨16.9%、166单晶硅硅片上涨15.8%,210年硅片因制备难度和产能等原因影响,产量有限,同期相比182、166单晶硅片价格涨幅较高。同期,多晶硅片涨幅50.5%,主要受多晶硅片产量减少的影响。其次,从全球硅片供需平衡可知,2022年全球硅片供需开始由2021年供需紧平衡,向供需宽松开始转变;2023年全球硅片将出现大幅过剩,预计硅片价格重心将逐步下移。中汽试验募投项目上演“先上车后补票” 关联交易数据生意社:5月9日杭州韦氟化工制冷剂报价动态...

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