ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Создание комплексного производства поликристаллического кремния и изделий на его основе»

Рекомендуемая область пременения

ТЭК, теплоэнергетика, химическая, радиоэлектронная и фармацевтическая промышленность, строительство:
- получение кремния солнечного и электронного качества высокой чистоты,
- получение двуокиси кремния, моносилана высокой чистоты, тетраэтоксисилана, кремнезоля.

Назначение, цели и задачи проекта

Цель проекта.

Создание в России собственного (независимого от зарубежных поставок) производства высокочистых моносилана и поликристаллического кремния-сырца (ПКК) для нужд полупроводниковой электроники ( в том числе спецтехники) и полупроводниковой солнечной энергетики.

Данный проект нацелен на решение особо важной  государственной задачи «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии и новые методы её преобразования и аккумулирования».

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Быстрый рост производства СЭ вызвал нехватку  ПКК солнечного качества (рис. 1). Ситуацию можно без преувеличения назвать ажиотажной, поскольку цены на солнечный ПКК с 25-30 $/кг  подскочили до 50-60 $/кг и рост цен продолжается. Свободного материала на рынке практически нет. Вслед за кремнием поднялась стоимость самих СЭ.

До 2000-2002 г.г. солнечная энергетика имела в качестве сырьевой базы получения ПКК только отходы  электронной индустрии – так называемый скрап и бракованные пластины монокристаллического кремния.

В 2003-2004 г.г. картина стала меняться и уже около 60% (свыше 8000 тонн в 2005 г.) общей потребности обеспечивал ПКК, специально произведенный для солнечной энергетики. При этом лидируют три технологических направления: 1. традиционная технология очистки металлургического кремния через синтез трихлорсилана (ТХС) с осаждением ПКК в виде стержней в «Сименс-реакторе»;   2. переработка ТХС в моносилан (МС) с пиролизом МС в «реакторах кипящего слоя» конструкции фирмы МЕМС в виде гранул ПКК; 3. специальные технологии разработанные для производства солнечного ПКК.

Рис.1. Динамика мирового производства солнечных элементов

Остальные 40% мировой потребности по-прежнему покрываются за счёт отходов электроники:  около 14% (~1500-2000 т в 2005 г.) – не кондиция стержней ПКК «электронного» качества, 18-20%  (около 2000 т в 2005 г.) использование верхних и нижних частей монокристаллических слитков, а также остатков кремния в тигле после выращивания слитков.

Всего в 2005 г. из различных источников солнечная энергетика смогла получить около 11400 т сырья, а  для производства ~1800 МВт в 2005 г. (при расходе 13 т ПКК на 1МВт СЭ) требуется около 20000 т ПКК. Таким образом,  дефицит сырья на рынке,  впервые появившийся в 2004 г., весьма значителен и наблюдается тенденция его роста. К 2010 г. ожидаемый «дефицит» может вырасти до ~15 тыс. т (рис. 2).

В сумме для электроники и солнечной энергетики мировые производители прогнозируют рост  выпуска кремния ПКК до 65 000 т в 2010 г. (рис. 3), причем из них  около 10 000 т будет выпускаться в странах Юго-Восточной Азии (Китай, Тайвань, Южная Корея).

В России на 2006 год не существует промышленного выпуска кремния ПКК. Предприятия Минобороны, электронной промышленности и изготовители СЭ работают на монокристаллическом кремнии, получаемом из импортного ПКК.

Рис. 2. Дефицит ПКК для производства солнечного кремния

Из-за дефицита кремния ПКК на мировом рынке, имеющиеся в России производственные  мощности по выращиванию слитков монокристаллического кремния (ПХМЗ г. Подольск, КЗЦМ г.Красноярск, ГХК г. Железногорск, ЭЛМА г. Зеленоград) недозагружены.

Единственным производителем моносилана в России в количестве нескольких сот кг/год является частная фирма Хорст, которая на небольшой установке в г.Дзержинске воспроизвела технологию существовавшую на заводе «Кремнийполимер» в г.Запорожье.

В Минатоме России при участии специалистов ГИРЕДМЕТ на базе Красноярского Горно-химического комбината много лет ведутся работы по созданию  независимого от поставок сырья из других стран производства кремния ПКК для электронной промышленности в объеме 120 т/год, с последующим ростом до экономически выгодного объема производства свыше 1000 т/год. В принятой хлорсилановой технологической схеме использован метод очистки кремния через получение хлористых соединений,  которые создают экологические проблемы. Кроме того, эта технология не позволяет кардинально повысить степень чистоты кремния, снизить расход электроэнергии и себестоимость кремния.  Именно по этой причине за рубежом интенсивно ведутся поиски альтернативных методов очистки кремния и одним из самых перспективных называется  предлагаемый нами бесхлорный алкоксисилановаый способ очистки кремния (БАС-процесс). Министерство энергетики США через лабораторию нетрадиционных источников энергии (NREL) в течение ряда лет частично финансирует работы российских ученых по созданию бесхлорной технологии очистки кремния. Целевого финансирования из средств бюджета РФ пока не было.

Основы технологии получения моносилана и кремния ПКК каталитическим диспропорционированием триэтоксисилана были впервые разработаны в СССР ещё в 1959 году коллективом сотрудников ГНИИХТЭОС и ИРеА АНСССР. Триэтоксисилан получался из реакции трихлорсилана со спиртом. В связи с потребностью в особо чистом кремнии ПКК для спецтехники в СССР на заводе «Кремнийполимер» в г. Запорожье в 1982 году по этой технологии было создано производство моносилана мощностью 12,5 т/год, которое успешно действовало вплоть до распада СССР.

Общим недостатком всех известных способов получения моносилана являются: большой расход сырья, энергии, экологическая вредность и высокая стоимость.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Предлагается экологически чистая бесхлорная алкоксисилановая технология получения ПКК, состоящая из трёх основных стадий.           

На первой стадии в присутствии медного катализатора и температуре около 2600С происходит прямое взаимодействие металлургического кремния (98% кремния) с безводным спиртом для получения триалкоксисилана по реакции:

                         ката-р

Si  +  3 ROH      >      SiH(OR)3  +  H2

На второй стадии происходит  диспропорционирование триалкоксисилана с использованием в качестве катализатора раствора этилата натрия в тетраалкоксисилане:

                         ката-р                                                 

4 SiH(OR)3        >              SiH4  +  3 Si(OR)4

На третьей стадии от моносилана отделяется тетраэтоксисилан, который подвергают гидролизу для получения спирта и чистого диоксида кремния, являющегося ценным побочным продуктом при получении различных изделий, содержащих двуокись кремния. Спирт после очистки возвращается на первую стадию процесса.

Полученный моносилан проходит абсорбционную и адсорбционную очистку. Абсорбционная очистка моносилана охлажденным до минус 800С тетраалкоксисиланом позволяет снизить содержание углесодержащих примесей (алкоксисиланов) до 1.10-3 % (объемных). После финишной очистки на хемосорбентах содержание углерода и кислорода становится менее 1.1015 ат/см3 при сохранении содержания бора менее 1.1011 ат/см3.

Очищенный моносилан пиролитически разлагается в стержневом реакторе или в установке получения гранул ПКК в псевдокипящем слое по известной технологии.

SiH4   >   Si  + 2 H2

Проблемы безопасной работы с моносиланом надежно решаются, при организации производства ПКК на единой производственной линии.  Дополнительной гарантией безопасности является то, что все стадии, связанные с моносиланом, проводятся при давлении немного выше атмосферного и невысокой температуре.

Оригинальными стадиями  процесса являются:

Прямое алкоксисилирование мелаллургического кремния безводным спиртом с полученнием  триалкоксисилана.

Получение моносилана каталитическим диспропорционированием триалкоксисилана. Благодаря своей избирательности этот процесс является эффективным способом получения чистого моносилана.

Гидролиз тетраэтоксисилана – попутного продукта при получении моносилана, позволяет получать безводный этиловый спирт и возвращать его в техпроцесс.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Полупроводниковый кремний получаемый из ПКК является базовым сырьевым материалом электронной и электротехнической промышленности, производящей сотни миллионов дискретных и интегральных полупроводниковых приборов, микропроцессоров. Более 80% изделий вычислительной техники, радио-, видео-  и робототехники, средства связи, автоматизации и контроля, солнечной энергетики и других объектов современной техники изготавливается с применением кремния ПКК.

Мировое производство солнечных элементов (СЭ) достигло в 2005 году 1800 МВт. Из этого количества около 80% приходится на производство СЭ из кремния ПКК.  На изготовление  СЭ с установленной мощностью 1 МВт  современные технологии расходуют 13 т ПКК.  Для СЭ используется низкосортный менее чистый, чем для электроники кремний. Обычно низкосортного ПКК получается около 10% от всего выпуска ПКК для электроники.  За последние годы рост мирового производства СЭ на много опережал рост выпуска кремния для электроники и в ближайшие годы выпуск кремния ПКК солнечного качества превысит объёмы выпуска кремния ПКК электронного качества. Поскольку резервы производства низкосортного кремния оказались исчерпаны ведущие производители кремния ПКК приступили к созданию  специализированных производства ПКК солнечного качества.

Основным сдерживающим фактором для широкого использования фотоэнергетики и организации массового выпуска СЭ является высокая стоимость кремния. При условии снижения  стоимости ПКК в несколько раз, стоимость СЭ может снизиться вдвое до 1 долл./Вт. Тогда вырабатываемая СЭ электроэнергия станет конкурентоспособной  с традиционными источниками энергии.

Кремний для энергетики может стать «нефтью 21 века», так как изготовленные из 1 кг кремния ПКК СЭ могут за свой срок службы выработать электроэнергии, содержащейся в нескольких тоннах нефти.

В настоящее время используется два способа очистки кремния до высокой (полупроводниковой) степени чистоты: через трихлорсилан - SiHCl3 и через моносилан - SiH4.

При получении кремния из трихлорсилана происходят реакции восстановления кремния водородом и термическое разложение трихлорсилана:

SiHCl3 + H2 > Si + 3 HCl

4 HSiCl3 > Si + 3 SiCl4 + 2 H2

В этих реакциях в качестве побочных продуктов образуются четыреххлористый кремний и хлористый водород, что ведет к снижению выхода кремния и  попаданию в кремний вредных  примесей, образующихся в результате коррозии стенок реакционной камеры.  Поэтому через трихлорсилан трудно получить кремний сверхвысокой степени чистоты. Образование побочных хлор содержащих продуктов ведёт к возникновению экологических проблем.

Любая моносилановая технология даёт ниже следующие преимущества :

термическое разложение моносилана происходит при сравнительно низкой температуре (около 8500С вместо 11000С для трихлорсилана) с меньшим расходом энергии;

в продуктах реакции отсутствуют химически агрессивные агенты (хлористый водород, хлорсиланы и др.), снижающие чистоту получаемого кремния;

очистка моносилана от большинства вредных примесей при прочих равных условиях является более эффективной из-за значительного различия физических и химических свойств моносилана и примесных соединений;

наряду с кремнием товарным продуктом является моносилан и его смеси, необходимые для тонкопленочной технологии изготовления полупроводниковых изделий, в том числе,  для быстро увеличивающего выпуска солнечных батарей из аморфного кремния.

Однако, все известные способы получения кремния через моносилан являются сложными, а затраты на их осуществление более существенны по сравнению с трихлорсиланом.

Так, например, для очистки моносилана перегонкой при низкой температуре требуется охлаждение жидким азотом и даже гелием, что сильно увеличивает стоимость кремния ПКК. Кроме того, известные способы изготовления моносилана требуют дополнительных технологических стадий, что обусловливает более высокую стоимость моносилана высокой степени чистоты по сравнению с трихлорсиланом.

По этой причине моносилан пока производится в ограниченных масштабах лишь для получения кремния ПКК особо высокой чистоты, с последующим выращиванием слитков монокристаллического кремния методом бестигельной зонной плавки.

Предлагаемый в проекте моносилановый метод производства ПКК имеет следующие достоинства:

Исходные материалы (металлургический кремний и этиловый спирт) доступны в неограниченных количествах по относительно низкой цене. Мировое производство металлургического кремния достигает 1.500.000 тонн в год и только 2% используется для производства кремния ПКК.

Соединения хлора не используются и процесс экологически безопасен

Реакционные продукты не взаимодействуют со стенками реактора, сводя к минимуму загрязнение конечных продуктов, что позволяет создавать оборудование из обычных конструкционных  материалов

Все процессы идут при нормальном  давлении и температуре не выше 2600С

Химические реакции связаны только с кремнием и происходят практически без переноса посторонних примесей, что снижает стоимость процесса очистки

Практически все производственные отходы используются для получения ценных побочных продуктов

Большинство реагентов (~95%) непрерывно возвращается в процесс

Расход электроэнергии может составить около 30 кВт.ч/кг ПКК, против ~200 кВт.ч/кг для обычного трихлорсиланового метода.

Помимо ПКК выходной продукцией являются: моносилан, газовые смеси моносилана, тетраалкоксисилан, изделия волоконной оптики, кварцевые тигли, трубы или гранулированная двуокись кремния, отличающиеся очень высокой степенью чистоты.

При изменении коньюктуры рынка технологический процесс позволяет менять ассортимент и пропорции производимой  товарной продукции:

ПКК электронного качества для электронной промышленности

ПКК солнечного качества для фотоэнергетики

ПКК для инфракрасных фотоприемников и детекторов ядерных частиц

Высокочистый моносилан и его смеси с водородом и аргоном

Тетраалкоксисилан особой чистоты

Диоксид кремния особой чистоты.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

По предварительной оценке,  при создании завода производительностью по ПКК  ~1000 тонн в год, себестоимость ПКК составит около 20 долл. США/кг, что  в несколько раз ниже существующего сейчас уровня цен на ПКК. Основная доля всех затрат связана с энергопотреблением. Себестоимость ПКК солнечного качества, получаемого в виде гранул можно снизить ещё более, если вместо стержневого Сименс-реактора использовать менее энергоемкую технологию – пиролиз  моносилана в псевдокипящем слое кремния.

В таблице 1, 2 и 3 представлено сравнение предлагаемой бесхлорной алкоксисилановой технологии (БАС-процесс) с современными зарубежными технологиями получения кремния ПКК.

Экологические условия производства по БАС-технологии несравненно менее опасны, чем по принятым в мире технологиям, использующим в больших количествах хлор и его соединения. Технологический процесс практически является безотходным.

Новые потребительские свойства продукции

Исключительно высокая чистота получаемых по новой технологии моносилана и кремния ПКК подтверждены результатами измерений. Присутствие примесей находится на уровне пределов обнаружения современными методами анализа. Удельное сопротивление изготовленных бестигельной зонной плавкой монокристаллических образцов кремния из ПКК превышает 10 000 Ом.см, а время жизни неосновных носителей 1000 мкс. Существовавшее в СССР на заводе «Кремнийполимер» в г. Запорожье моносилановое производство 12,5 т/год ПКК обеспечивало потребность спецтехники в особо чистом кремнии.
Предлагаемый БАС-процесс является развитием существовавшей в СССР технологии, обеспечивая экологическую чистоту производства в сочетании с меньшей себестоимостью кремния. Новая технология способна обеспечить потребность в ПКК не только производство солнечных элементов, но и любых кремниевых приборов для электронной промышленности.
Важным побочным продуктом производства ПКК является диоксид кремния очень высокой степени чистоты, широко используемый для изготовления различных кварцевых изделий.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Исходные материалы (металлургический кремний и этиловый спирт) доступны в неограниченных количествах по относительно низкой цене. Мировое производство металлургического кремния достигает 1.500.000 тонн в год и только 2% его используется для производства кремния. В России производственные мощности по металлургическому кремнию составляют около 100000 т\год.
Основное сырье для производства ПКК

№ Наименование сырья ГОСТ, ТУ Расход на 1 тонну ПКК, тонны Цена, тыс. руб
1 Кремний молотый металлургический ТУ 6-02-1-515-86 6,08 19,0
2 Спирт этиловый абсолютированный ТУ 6-59-168-88 1,47 27,3
3 Этилат натрия - 0,02 12,0
4 Термолан ТУ 384-0296-86 0,35 20,4
5 Уголь активированный ГОСТ 23998-80 - 30,0
6 Затравочные стержни кремния ТУ –48-4-86 - 1,0

Стадия и уровень разработки

По данному проекту около половины технологических процессов прошло стадию промышленной апробации на заводе «Кремнийполимер» г. Запорожье, выпускавшем 12,5 т/год ПКК по моносилановой технологии. «Гипросинтез» в г. Волгограде разработал проект увеличения производства до 50 т/год. Стадии алкоксисилирования и очистки моносилана по БАС-процессу реализованы в лабораторных установках. Стадия гидролиза тетраэтоксисилана для получения чистой двуокиси кремния и возврата спирта на первую стадию прошла промышленную проверку на Ангарском химическом заводе, где с 1980 г. существовал цех по переработке 1200т/год тетраэтоксисилана в различные изделия из кварца, в том числе для волоконной оптики и кварцевых труб.
В настоящее время разработан проект пилотной линии по БАС-процессу производительностью 1000 кг/год моносилана и ПКК высокой степени чистоты и ведётся подготовка к монтажу этой линии. В начале 2007 г. пилотная линия начнёт работать с целью отработки технологии и выдачи исходных данных на технический проект крупнопромышленной установки производительностью по кремнию 1 000 т/год. Общее время необходимое на создание 1 000 т/год производства кремния составляет 2-3 года.
Основная доля всех затрат при получении кремния приходится на энергетику, поэтому дополнительное снижение стоимости кремния можно ожидать в случае использования при пиролизе моносилана не традиционного стержневого реактора, а освоение технологии разложения моносилана в “кипящем” слое, что позволит свести к минимуму энергозатраты до 10 кВт.ч/кг. Такая разработка выполнена в Сибирском институте неорганической химии г. Новосибирск с использованием плазменного нагрева моносилана.
Большие экономические выгоды можно получить от замены в исходном сырье относительно дорогого безводного этилового спирта на дешевый метиловый.

Предлагаемые инвестиции

Общие инвестиции в проект составят 5200 млн. руб., в том числе:
Капвложения - 3800 млн. руб. (см. Спецификацию на оборудование и календарно – стоимостной график работ);
Текущие затраты - 1400 млн. руб.
План проектных, строительно-монтажных работ и прочих расходов, обеспечивающих реализацию капвложений, рассчитан на 2,5 года.
План производства и реализации (см. Таблицу 2)
Объемы производства и реализации
При планировании объемов производства и реализации ПКК приняты следующие ограничения:
Планирование ведется по годам;
Расчеты проводятся по более дорогому варианту использования спиртов – этиловому варианту;
Первый год является годом выхода на проектную мощность предприятия в 1000 тонн и среднегодовой выход продукции за год и ее реализации равен 500 тонн;
Складские запасы в расчетах не учитываются;
Дебиторская и кредиторская задолженности не учитываются, то есть предполагается гладкое течение реализации и обеспечение быстрых платежей;
Принят пессимистический вариант производства и реализации, поскольку не учитывается самый дорогой передельный продукт – моносилан высокой чистоты, цены на ПКК солнечного и электронного качества принимаются предельно малые из рыночных цен, а реализация ориентируется на реализацию самого дешевого ПКК солнечного качества.
Из конечной продукции предприятия в расчетах учитывается 3 вида: ПКК солнечного качества (90% от общего выпуска и реализации ПКК), ПКК электронного качества (10% от общего выпуска и реализации ПКК), двуокись кремния (100% побочного продукта, получаемого из тетраэтоксисилана).

Рынки сбыта

В настоящее время в Россию ввозится около 400 т/год кремния ПКК для выращивания слитков монокристаллического кремния на общую сумму около 20 млн.долл.США (50 долл.США/кг). Реализация данного проекта сделает Россию из импортёра в крупного экспортёра кремния ПКК.
Цены на ПКК и монокристаллический кремний различного качества на Лондонской бирже металлов на ноябрь 2006 г. колеблются в пределах 100 – 300 $/кг (см. Таблица …). Свободного материала на рынке практически нет, так как он весь запланирован производителями ПКК для традиционных крупных потребителей, имеющих многолетние контракты. Как следует из рис. 1, 2, вследствие быстрого роста производства СЭ (по 25-30% в год) возник огромный дефицит кремния ПКК.
Масштабы прироста рынка потребности в ПКК электронного и солнечного качества в денежном выражении оценивается к 2010 году по современным ценам мирового рынка следующими величинами:
ПКК электронного качества - 6 млрд. долларов;
ПКК солнечного качества - 3 млрд. долларов;
Реализация проекта обеспечит сырьём (кремнием ПКК) электронную промышленность России, потребность которой составляет около 50 т/год, позволит многократно увеличить производство солнечных модулей, доведя их выпуск до 50 МВт/год, на что пойдёт около 500 т/год кремния ПКК, а оставшиеся 450 т/год продавать на мировом рынке.
Из попутно производимого тетраалкоксисилана можно изготовить около 10000 т/год высокочистого порошка кварца, используемого в качестве сырья для получения оптических волокон, кварцевых тиглей, труб и других изделий, которые можно реализовать на мировом рынке.
Моносилан и его производные необходимы для электронной промышленности и производства солнечных батарей из аморфного кремния на линии отечественной фирмы “Совлакс”. Оборонная промышленность будет обеспечена высокоомным монокристаллическим кремнием для изготовления инфракрасных фотодиодов и детекторов ядерных частиц.
Россия на рынке продаж кремния электронного и солнечного качества, а также моносилана, являющегося основным сырьем для изготовления пленочных солнечных элементов из аморфного кремния, может быстро окупить все расходы по данному проекту, получая миллиарды долларов в год.. Снижение себестоимости ПКК и пластин кремния для электроники и солнечных элементов окажет огромное влияние на создание в России конкурентоспособной фотоэлектрической промышленности и превратит в крупнейшего поставщика кремния на мировой рынок.
Получение в виде попутной продукции тетраэтоксисилана квалификации ОСЧ позволяют обеспечить высококачественным сырьем (чистая двуокись кремния) производство оптических волокон и кварцевых резонаторов, а также организовать изготовление кремнезоля, используемого для изготовления точных литьевых форм, и аэросила необходимого в качестве наполнителей в парфюмерии и резиновой промышленности. До сих пор в Россию эта продукция поступает из других стран.

Возможность и эффективность импортозамещения

Замещение импорта поликристаллического кремния в объеме 600 тонн в год.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36
Ожидаемый уровень чистой дисконтированной стоимости (NPV) за плановый период в 12 лет – 17 млрд. руб. Рентабельность инвестиций (IRR) – 0,41 (41%)

Дата поступления материала

30.11.2006