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光伏,碳中和“中军”:休息是为了更好的出发
2021.03.23 11:03 锦缎

工业革命以来的一百多年里,人类活动让大气中的二氧化碳浓度相对于工业革命之前的水平提高了47%,比自然环境下2万年时间能增加的浓度还多,全球平均气温也升高超过1.2℃。

因此带来了冰川融化、洪水和干旱频繁、蚊虫疾病加剧、呼吸道疾病增加等问题,气温升高还显著降低了农作物生长速度,气温每上升1℃,农作物产量就将降低10%。所以,由二氧化碳等温室气体排放引起的全球气候变化已经成为本世纪人类面临的最大挑战之一。

紧迫局势下,《巴黎协定》应运而生,协定的长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2摄氏度以内,并努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内。

在《巴黎协定》的框架下,到本世纪中叶实现碳中和就成为了全球应对气候变化的最根本的举措。

截至2020年底,全球共有44个国家和经济体正式宣布碳中和目标,美国新任总统拜登在上任第一天就签署行政令让美国重返《巴黎协定》,并计划设定2050年之前实现碳中和。

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中国则在2020年9月22日的第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布,将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。

根据世界资源研究所(WRI)数据,2017年能源活动排放量占全球温室气体总排放量的73%,是全球气候变化的罪魁祸首。而能源排放活动中,发电和供热行业排放占全球温室气体排放比重最高,达到30.4%,在中国,这一数字甚至高达41.6%。

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因此,要实现碳中和,能源活动领域的零碳燃料替代是主要内容。

所谓零碳燃料,即在能源生产、使用过程中不增加二氧化碳的排放,常见的有太阳能、风能、潮汐能、核能、沼气等。

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如今,煤炭、石油、天然气仍然是全球主要的能源消费,占比85%,零碳清洁能源占比小,太阳能和风能加起来不到5%。

根据《BP世界能源展望》对全球碳排放做出三种场景下的假设,包括一切如常场景、快速转型场景、净零场景,每种假设都对应着不同的碳排放变化结果和能源构成变化。

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不管是哪种场景,近几年碳排放将会达到顶峰都几乎是确定的,在2050年,上图中橙色的可再生能源占比都呈现巨幅增长。并且在可预见时期内,碳中和发展越快,力度越大,时间越长,可再生能源占比越高。

从能源的使用上看,电能、热能、液体燃料是三种最重要的能源终端形式。想要合理使用零碳能源,最佳方法就是转化为电力。

因为电力容易做到“标准化”和“可控化”,有着节能、清洁、高利用效率等优点,同时也是目前实现碳中和成本最低、最为成熟的技术路径。所以电力的应用必然是越来越广泛,根据世界能源署(IEA)测算,到2050年,全球电力消费量将是目前的2.5倍,届时,电力将占全球终端用能的一半。

那么,使用太阳能、风能、核能等零碳燃料发电,促进电力的绿色转型便成为实现碳中和的核心所在。

在碳中和的条件下,若要满足未来新增的电力需求,国际可再生能源署(IRENA)预计2050年全球电力消费中约有86%的电力来自非化石能源(可再生能源和核能),意味着未来30年全球可再生能源平均年度新增装机规模需达到700GW,是2019年新增装机容量的4倍。

哪种零碳能源可以担此大任呢?

我们首先在优先级上将水电和核能放在劣后位置。

水力发电初看很清洁,实际上会产生诸多问题。首先是水库运行引起的径流、水温、泥沙的大规模变化对于部分鱼类生存是不利的;其次是修建大坝将产生地质灾害、安全性、移民等问题;

最后从碳排放的角度来看,水库蓄水时水中好氧微生物的分解会产生CO2,水中产甲烷菌活动、消落带植被腐烂会产生CH4,这些都是不可忽视的温室气体来源,华盛顿州的研究者通过调研全球267个水坝和水库的200份有关气体排放的研究,结论是每年从水坝和水库排放的甲烷大约相当于十亿吨二氧化碳排放,占总人为产生温室气体的1.3%。

核能,极有可能在更久远的未来,成为人类的最佳能源。但是目前核电存在着核安全和核废料的担忧,核废料具有极强烈的放射性,处置成本大、技术要求高。我们距离“可控核聚变”技术的成熟,国际科学界主流观点是可能还需要半个世纪之久,因而不能作为实现2050碳中和的能源。

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所以,太阳能和风能发电成为碳中和目标的唯二候选人,被寄予厚望。

我们先来看看太阳能和风能是如何发电的。

太阳能的发电原理是半导体PN结的“光生伏特效应”,即我们口中的光伏发电。

半导体介于易导电金属与绝缘体之间,其中“硅”具有地壳含量大、性质稳定、提纯技术成熟的优点,所以高纯度硅材料成为光伏发电的主流产品。P型硅与N型硅就不过多介绍,只需要知道在硅晶体中,当N型硅和P型硅紧接在一起时,将它们的交界处称为PN结。

当光照射在PN结上时,产生“电子——空穴对”,受内建电场的吸引,电子流入N区,空穴流入P区,结果使得N区储存了过剩的电子,P区有过剩的空穴,它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外,还使P区带正电,N区带负电,在N区和P区之间的薄层就产生电动势,即光生伏特效应。此时,若在电池外接一根导线,电子就会从N型硅沿着外部导线向P型硅跑去,从而就产生了电流。

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风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。即把风的动能转变成机械动能,再把机械能转化为电能。

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可以看出,光伏与风电共同点在于取之不尽、清洁安全,完美符合人类当前对于能源的需求。还有个极其关键的一点,那就是成本低,这才是他们实现规模化的核心,我们后文会重点探究。

问题又来了,光伏和风电谁更有前景呢?这要通过分析他们的差异来思考。

通过前面介绍的发电原理,光伏是半导体电子技术,风电偏向机械制造,所以光伏技术迭代更快,降本能力也就更强。据IRENA测算,全球光伏发电成本在过去十年间累计下降了82%,远高于全球陆上和海上风电过去十年下降的39%和24%,且随着硅片、电池片等技术的提升,未来太阳能光伏的发电成本有望继续大幅降低。

另外,光伏需要在光照强度达到一定程度才能发电,风电需要看当地风力强度发电,相比而言,风电更不稳定,应用场景略显单一,“to B”属性强。光伏则更容易深入千家万户,从发电侧到用电侧,从城市到农村,从工厂到家庭。

光能的储量不用担心天花板问题,若地球表面0.1%的面积覆盖光伏系统,按照5%的光电转化率,发电量高达(5.6×10的12次方)kW·h/年,为世界年消耗能源的40倍。

最后,从我国实际的股票投资机会来说,在风电市场份额和核心技术方面,维斯塔斯、西门子、GE等国外巨头仍然举足轻重。反观光伏,中国光伏新增装机连续7年位居全球首位,累计装机连续5年位居全球首位,在产业链不同环节TOP10中,中国光伏企业都占据了绝大多数。后文会再聊中国产业链公司。

从侧面看,越来越多的顶级投资机构和投资人正加速进入光伏,如高瓴资本以158亿取得隆基股份6%股份,易方达、睿远、高瓴等获配通威股份定增项目等等。风电则鲜有所闻。

近十年,光伏与风电装机都实现了稳定增长,但是光伏的增长趋势显然更快。

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通过一层层的探究,我们得出结论:光伏发电优势显著,在可控核聚变技术成熟之前是所有能源品种中最理想的,是促进电力绿色转型的最佳选择,是未来三十年世界实现碳中和目标的希望之光。

下面我们来讨论遗留的两个问题。即光伏为什么可以实现规模化?中国有哪些光伏产业链的公司值得关注?

我国光伏发展经历了五个阶段。

初步导入期:1997年12月《京都议定书》获得通过,德国、美国等发布相关扶持可再生能源计划,以天合光能为代表的中国第一批光伏企业应运而生。

快速发展期:在欧美光伏政策的刺激下,中国光伏制造业利用国外的市场、技术、资本,迅速形成规模。全国先后建立了几十个光伏产业园,太阳能电池产量年均复合增速高达143.72%。2010年我国太阳能电池产量占全球份额的56.86%。

产业挫折期:前几年的狂热实际造成了大量产能过剩,且九成以上的原材料依赖进口,因此在2008年金融危机的冲击下,欧盟开始降低政策支持力度,需求端逐渐疲软,又叠加美国和欧盟对中国光伏企业的“双反”调查,国内光伏产业受到沉重打击。

国家补贴期:2012年12月,国务院常务会议确定了促进光伏产业发展的五项措施,2013年8月,《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》正式下发,实行三类资源区光伏上网电价及分布式光伏度电补贴。由此我国光伏需求由国外转向国内,企业经营得以好转。

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在上述的前四个时期,光伏的发展与政策息息相关,政策力度大产业发展就快,但是补贴只能作为一个辅助,不是长远之计。2020年开始,补贴退出,而光伏技术进步带来的成本降低真正实现了平价化,带来光伏大规模发电的时代。

所以光伏的规模化可以总结为:从扶持中来,到平价中去。降本增效才是最大驱动力。

光伏平价可以分为发电侧平价和用电侧平价。国内目前成本最低、利用最广的电力来源为煤电,因此光伏在我国实现发电侧平价的条件可以理解为光伏发电成本达到煤电水平,用电侧平价更好理解,只需光伏发电成本低于售电价格。

这里我们首先引入LCOE,即度电成本的概念。

度电成本,指能源项目在全生命周期中的各项成本和费用支出的现值和除以全生命周期发电量的现值,是用来衡量能源项目经济性的主要指标。因此,当光伏的度电成本不断降低到低于基荷电源(通常为燃煤发电)的上网价格时,便可以不依赖政府补贴即可实现盈亏平衡,实现“平价上网”。

过去的十年间,光伏产品不断提高光电转化效率,同时降低制造成本。自2011年至今,我国多晶硅电池的硅片、电池片和组件价格分别降低93%、90%和85%;单晶电池的硅片、电池片和组件价格也分别降低86%、87%和84%。

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因此,LCOE度电价格也呈现下降趋势。

我国脱硫燃煤电价平均值为0.3624元/度。2019年,全国光伏的年均利用小时数为1169小时,光伏电站建设成本4.5元/W,此时度电成本为0.44元/度,所以我国各省、市已基本实现用电侧平价。

目前,光伏电站建设成本平均可以达到3.5元/W左右,度电成本也降低到0.36元/度,我国半数的省和地区基本实现与煤电基准价同价,发电侧平价正处于进行时。

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后续随着光伏产业链各环节效率提升和成本下降,度电成本会越来越低。根据IRENA预计,光伏的全球加权平均LCOE到2030年将降至0.04美元/千瓦时,与2018年相比降幅达58%,继续保持成本优势。其实从全球范围看,2025年光伏发电成本就将全面低于煤炭发电成本。

经济性带来规模化。根据CPIA的数据作上图,在保守与乐观两种预测条件下,未来五年内全球新增装机每年平均增长率约为16%与21%。从长期市场空间来说,光伏的成长期还将长达20-30年。

为什么呢?因为2019年全球光伏发电量占全球总发电量的比重仅2.68%,国内为2.99%,就算是走在前面的意大利、德国等欧洲国家也不过8%左右,未来光伏发展的空间和潜力仍然较大。

聚焦国内细看,根据联合国马德里气候变化大会的《中国2050年光伏发展展望》,从2020年至2025年这一阶段开始,中国光伏将启动加速部署;2025年至2035年,中国光伏将进入规模化加速部署时期;到2050年,光伏将成为中国第一大电源,约占当年全国用电量的40%左右,即还有十几倍空间。

最后一个问题是中国在光伏产业链上实力强吗,有哪些值得关注的公司?

中国的光伏产业链实力毫无疑问是具有极强国际竞争力的。

首先,光伏制造的各个主要环节产量中国均超过全球总和的六成以上,且比例仍在持续提升;

其次,根据PBL挪威环评机构的数据,2018年碳排放量前五的国家和地区依次为中国(26%)、美国(13%)、欧盟(8%)、印度(7%)和俄罗斯(5%),我国碳排放问题重,光伏产业机会大,并且我国光伏发电新增装机已经连续6年全球第一,累计装机规模连续4年位居全球第一;

我国在产业技术上也一直全球领先,PERC、HJT等电池转换效率与产业化进程稳步推进;

最后,由于完善的配套环境、相对低廉的要素成本,以及产业规模效应,我国光伏产品的制造成本一直处于全球最低水平。

中国光伏产业链公司众多,可探讨的点更是不胜枚举,本文只能先对值得关注的企业进行一个简单概括与梳理。后续系列文章会选取部分龙头公司深入探究。

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光伏产业总体可以分为硅料、硅片、电池片、组件和系统五大环节。光伏设备主要集中在制作硅片、电池片及组件。

硅料环节是将硅矿多次提纯为Si纯度为99.99%-99.9999%的太阳能级多晶硅。可以重点关注龙头通威股份与保利协鑫。

硅片环节分为两大部分,单晶硅片与多晶硅片。硅片技术含量不高,属于资本密集型。单晶硅电池具有高电池转换率和良好的稳定性,且随着金刚线切割技术的大规模应用,单多晶硅片的成本差距逐渐缩小。因此单晶替代多晶是很明显的趋势,单晶硅片的产能正在快速扩大,可以关注单晶硅片双龙头隆基股份、中环股份。

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电池片是光伏产业链最核心环节,主要通过太阳能级硅片通过制绒清洗、扩散制结、硅片刻蚀等一系列工艺生产流程制成,对下游应用的性能以及成本有着至关重要的作用,属于资本与技术密集型。

PERC电池是当下的主流,不过异质结电池HJT具有标准硅基太阳能电池优异的光吸收性能和非晶硅薄膜的钝化特性,工艺简单,性能优异,未来很可能会随着成本的下降成为主流。可以重点关注HJT设备供应公司捷佳伟创、迈为股份、帝尔激光、晶盛机电等。

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光伏组件环节的企业可以分为垂直一体化组件厂商和专业组件厂商,全球前五大组件厂商晶科、隆基、天合、晶澳、阿特斯均采取的是一体化布局,以此实现降低成本、自控品质、提高效率。可以关注几大龙头隆基股份、天合光能、晶澳科技、中环股份等。

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其实,在光伏的几大环节都存在马太效应,头部企业凭借自身的技术及成本优势不断扩大规模,强者恒强,产业集中度不断提高。

在其他细分环节和部件中,还有很多值得研究的公司,例如EVA胶膜寡头福斯特,光伏玻璃双龙头信义光能、福莱特等等。

无论是光伏去年涨幅大,还是近期深调整,都阻挡不了行业趋势,优质股一定存在诸多投资机会。值得深入研究、持续关注。

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