Перспективы организации производства по добыче и глубокой переработке кварцсодержащих пород Восточной Сибири

Sergey N. Mozulev

Executive director of Baikal Center for Economic Education and Entrepreneurship, Baikal State University, Irkutsk, Russia

The article deals with the organization of rational use of a unique raw material base - quartz-containing rocks of a number of ore deposits located on the territory of the Republic of Buryatia, on the basis of scientific, energy and production base of a number of enterprises and organizations of the Irkutsk region in order to produce highly competitive, highly profitable products for various high-tech sectors of the national and world economy. The key point is the high potential for import substitution and the development of strategically important sectors of domestic industry. As the leading direction of the project for the development of East Siberian quartzites, the creation of a production base for the manufacture of structural elements for solar energy is considered, as a result of which the project was named «solar silicon». The optimal scheme for the implementation of this project through the organization of pilot production at the stage of the pilot project, and then the transition to large-scale industrial production.

Keywords: solar energy, quartz raw materials, quartz, import substitution, pilot project, silicon solar, multi-field high-tech cluster

Конец XX - начало XXI века можно без преувеличения назвать началом кремниевой эры в истории человечества. Этот элемент, который, по смелым гипотезам ученых, мог бы дать основу жизни, альтернативной углеродной, прочно вошел в огромное количество отраслей мировой экономики. Кремний и основной источник его получения - кварц, занимающий более 60 % массовой доли земной коры, в современной промышленности и экономике является ресурсной базой для получения продукции важнейших рынков: производства полупроводников (в том числе фотоэлектрических преобразователей для солнечной энергетики), сплавов и силиконов самого широкого спектра применения. Устойчивая тенденция роста требований к уровню качества и технических характеристик, а также потребительских свойств этой продукции приводят к возрастающей потребности в сырье, имеющем высочайший уровень чистоты, однородности и т.д.

Технологическая схема переделов кварцевого сырья и основные группы получаемой из него продукции, которые используются в качестве элементов на следующих технологических переделах представлены на рис. 1.

По оценке компании Elkem (Норвегия), являющейся мировым лидером в производстве высоких сортов кремния, в ближайшие десятилетия годы спрос на кремниевый материал будет увеличиваться: в сегменте металлургических сплавов на 5-6 % в год, в сегменте силиконовых полимеров на 6-10 %, в сегменте солнечной энергетики и микроэлектроники более чем на 10 % в год при одновременном среднем росте цен на уровне 6% в год [1]. добыча переработка кварцсодержащий месторождение

К 2019 г. сложилась ситуация, когда на фоне баланса производство/потребление кремния для солнечной энергетики тренд роста рынка солнечных электростанций начинает создавать дефицит на рынке поликремния и стимулирует ввод новых мощностей с тенденцией снижения стоимости кремниевых пластин для фотоэлектрических преобразователей тока (рис. 2). К 2019 г. ситуация на рынке солнечной энергетики не изменилась. Для сравнения: суммарные установленные мощности солнечных энергосистем в мире сравнялась с установленной мощностью атомных электростанций, причем прирост мощностей солнечной энергетики составляет величину более 25 % ежегодно [2, 3].

Рис. 1. Технологическая схема переделов кварцевого сырья

С технической точки зрения поликремний для производства СЭС характеризуется содержанием основного вещества (Si) не менее 99,9999% (6N), а для производства полупроводниковых приборов не менее 99,9999999% (9N и более) - это область применения сверхчистых материалов.

Основной технологией в мировом производстве кремния для солнечной энергетики является технология компании «Siemens AG» (по схеме металлургический кремний - трихлорсилан - поликремний) - более 80 % мирового производства. Еще приблизительно 10 % - на технологию осаждения на гранулах в кипящем слое моносилана (FBR). Оба метода используют около 1,5 кг высокочистого металлургического кремния для получения 1 кг поликремния. Затраты электроэнергии на производстве поликремния по традиционным технологиям составляют порядка 120-170 кВт-час/кг. Остальные 10 % относятся к категории «другие» и представлены такими компаниями, как Dow Corning (USA), Ferroglobe (UK), Elkem (NOR) и рядом других.

Рис. 2 Динамика спроса и кремниевый материал для солнечной и полупроводниковой промышленности

Институтом геохимии СО РАН на основе использования уникальной по своим природным химическим характеристикам ресурсной базы кварцитов месторождения Бурал-Сардык (Республика Бурятия) на рубеже XX и XXI веков разработана принципиально новая бесхлорная (а, значит, снижающая нагрузку на окружающую среду) технология производства мультикремния прямым методом из высокочистого сорта металлургического кремния (Umg- Si), обеспечивающая существенное снижение энергозатрат до 40 кВт/ч (в более чем 8 раз по сравнению с традиционной технологией, построенной на Сименс-процессе) на производство 1 кг мультикремния. Важной особенностью является также то, что используется принципиально новое недефицитное сырье - высокочистые кварциты - вместо довольно редкого ограниченного по запасам горного хрусталя и гранулированного кварца [4].

На основе использования сырья данного месторождения и созданной технологии его обогащения и осуществления целого ряда последующих технологических переделов разработан проект «Солнечный кремний», ориентированный, в первую очередь, на интенсивно развивающийся мировой рынок солнечной энергетики, а также ряд сегментов отечественного рынка кварцевого стекла, используемого в производстве радиопрозрачных обтекателей высокоскоростных летательных аппаратов, оболочек ламп накачек мощных лазеров, опорных труб волоконно-оптических линий связи, оптического и однородного кварцевого стекла.

Основные переделы кварцевого сырья на рынках солнечной энергетики и кварцевого стекла в рамках проекта приведены на рис. 3 и рис. 4.

Рис. 3. Основные технологические переделы кварцевого сырья в сегменте солнечной энергетики

Рис. 4. Основные технологические переделы кварцевого сырья в сегментах кварцевого стекла

При оценке значимости проекта необходимо особо обратить внимание на то, что он позволяет существенно снизить зависимость России от поставок из дальнего зарубежья сырья и готовой продукции для различных, в том числе стратегически важных, отраслей. Сегменты металлургического кремния для солнечных электростанций и полупроводников в России не представлены, собственных производств этой продукции в нашей стране нет. Кроме того, в России в принципе отсутствует производство силиконов различного назначения. Не менее сложная ситуация сложилась с производством кварцевого стекла и кварцевой керамики (рис. 5). Все это в совокупности все более существенно влияет на обеспечение как экономической, так и национальной безопасности в целом, безальтернативным способом улучшения которой является дальнейшее развитие импортозамещающих производств [5-7].

Несмотря на то, что месторождение расположено в Республике Бурятия, именно Иркутская область располагает всем необходимым для создания крупного многопрофильного высокотехнологичного кластера на основе использования высококачественных сортов кремниевого материала, сравнимого по своему потенциалу с производственным комплексом одного из мировых лидеров в этой сфере - норвежской компании Elkem.

1. Иркутская область - единственный регион России, имеющий возможность создавать производства энергоемкостью порядка 1 ГВт;

2. В регионе уже отработана схема технологической кооперации по производству металлургического кремния в рамках программы Русала по производству сплавов: кварцевое сырье (Черемшанка, Бурятия) - металлургический кремний (ЗАО «Кремний», Шелехов);

3. В Иркутской области существуют по меньшей мере два предприятия (бывший Усольехимпром и Саянскхимпром) использующие синтетический хлористый водород - основной компонент, используемый вместе с кремнием для производства силиконов;

4. Область обладает достаточным научным потенциалом в лице, в первую очередь, Института геохимии СО РАН, который уже имеет целый ряд подготовленных технологических ноу-хау, апробированных в лабораторных условиях, и способен полноценно осуществлять научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки по данной тематике.

Рис. 5. Зависимость России от поставок из дальнего зарубежья кварцевого сырья и готовой продукции на его основе для различных отраслей

Таким образом, считаем, что именно Иркутская область в силу своего природного, технического и научного потенциала, а также исторического опыта развития крупных, системообразующих производств, является оптимальной площадкой для такого масштабного проекта [8].

Для реализации данного уникального потенциала разработан проект «Солнечный кремний» проработан алгоритм его двухэтапной реализации (пилотный проект и промышленное производство), обеспечивающий устранение или значительное снижение целого спектра рисков при отработке технологических и бизнес-процессов в условиях опытно-промышленных производств. Вывод на рынок образцов рассматриваемой продукции обеспечит формирование производственных мощностей промышленного производства и их последующий рост, что сделает данный проект более привлекательным для инвесторов. Реализация пилотного проекта, охватывающего все переделы, снизит, в частности, экономические риски, поскольку производственная программа пилотного проекта сформирована на основании результатов испытаний опытных образцов продукции, востребованных конкретными потребителями.

Предварительно заявленные потребности этих предприятий легли в основу экономических расчетов подготовленного бизнес-плана пилотного проекта.

Производственные мощности пилотного проекта обеспечивают решение двух принципиальных задач:

1. Создание сбалансированного, с технологическими минимумами критических переделов полного производственного цикла: от исходного сырья до кремниевой пластины фотоэлектрического преобразователя тока солнечной батареи с поставкой образцов продукции каждого передела на соответствующие внешние сегменты рынка.

2. Создание производства высокочистых кварцевых концентратов и наплава прозрачного кварцевого стекла с поставкой продукции в согласованных с потенциальными потребителями объемах и номенклатуре.

В сложившейся ситуации для реализации представленных возможностей крайне остро стоит вопрос о скорейшем запуске цепочки производственных мощностей опытно-промышленных производств пилотного проекта: рудник - опытно-промышленное производство кварцевых концентратов - опытно-промышленное производство кварцевого стекла.

Создание производственных мощностей опытно-промышленного производства прозрачного и непрозрачного кварцевого стекла позволяет решить задачу импортозамещения, при этом суммарный объем заказов по кварцевому стеклу всех типов может составить величину порядка 400-500 т. Большие объемы производства не востребованы сегодня на внутрироссийском рынке. Мировой рынок высококачественных кварцевых концентратов и кварцевого стекла относительно стабилен и монополизирован компаниями США. Для конкуренции на этом рынке требуется создание только высокоэффективного производства, что возможно только при достаточно больших производственных мощностях.

Существенное значение реализация проекта имеет и для развития кадрового и научного потенциала как Байкальского региона (Иркутская область, Республика Бурятия), так и России в целом, поскольку необходима организация высокоэффективной системы подготовки кадров для проектирования и строительства инновационных производств [9, 10].

Основным продуктом пилотного проекта, с которым предполагается выйти на мировой рынок, являются кремниевые пластины для изготовления фотоэлектрических преобразователей тока. В то же время, за счет двойного назначения технологий на переделах глубокой переработки кварцевого сырья обеспечить и решение задачи импортозамещения, за счет возможности отдельной поставки кварцевых концентратов и кварцевого стекла по заявкам отече-ственных потребителей, и задачи вывода продукции по проекту «Солнечный кремний» на внешний рынок солнечной энергетики.

Произведенные на основе разработанной инвестиционно-финансовой модели расчеты показали, что проект экономически эффективен, а поэтапная схема его реализации существенно снижает уровень влияния рисков и повышает уровень устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов различной природы. Качественные результаты реализации проекта можно сформулировать следующим образом:

1. Обеспечение монопольного положения на сегментах отечественного рынка высокочистых кварцевых концентратов сверхглубокого обогащения, опорных труб ВОЛС, легированных кварцевых оболочек (колб), а также блоков однородного кварцевого стекла широкого спектра применения, кварцевых тиглей для выращивания слитков моно-, мультикремния и пластин мультикремния для фотоэлектрических преобразователей;

2. Обеспечение доли не менее 50 % рынка на сегментах высокочистых кварцевых концентратов глубокого обогащения, однокомпонентного кварцевого стекла для обтекателей высокоскоростных летательных аппаратов, прозрачного кварцевого стекла общего применения.

3. Обеспечение доли не менее 5 % на мировом рынке кремниевых платин мультикремния для фотоэлектрических преобразователей.

Список использованной литературы

1. 10 Trends That Will Shape the Global Solar Market in 2018. GTM Research [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://www.greentechmedia.com/articles/read/solar-trends-2018-gtm- research#gs.6163lm (дата обращения 10.04.2019 г.)

2. IRENA: 140 Gigawatts of Solar and Wind Capacity Installed Globally in 2018 [Электронный ресурс] / Режим доступа https://www.greentechme- dia.com/articles/read/140-gigawatts-of-solar-and-wind-capacity-added-in-2018- irena-says (дата обращения 10.04.2019 г.)

3. 17 миллионов кв. километров солнца / Д. Стребков, А. Шогенов // Советская Россия. - 2019. - 21 мар. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http ://www. s ovros s. ru/articles/1819/43372.

4. Непомнящих А.И., Демина Т.В. и др. Оптическое кварцевое стекло на основе суперкварцитов Восточных Саян / А.И. Непомнящих, Т.В. Демина и др. // Физика и химия стекла. - 2017. - №3 (Том 43). - С. 288-295.

5. Самаруха В.И. Экономическая безопасность Российской Федерации в современном мире / В.И. Самаруха // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2016. № 1 (16). С. 63-67.

6. Трофимов Е.А., Трофимов С.Е. Энергетическая безопасность в системе рыночных отношений / Е. Трофимов, С. Трофимов // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2018. № 6. С. 18-23.

7. Федосеева Г.А. Мировой опыт развития импортозамещения промышленного производства / Г.А. Федосеева // Известия Иркутской государственной экономической академии. 2015. Т. 25. № 6. С. 1036-1043.

8. Суходолов А.П. Исторические этапы и экономико-географические предпосылки промышленного развития Иркутской области и Восточной Сибири / А.П. Суходолов // Иркутский историко-экономический ежегодник: 2015. - Иркутск, 2015. С. 30-43.

9. Самаруха А.В. Инновационные принципы модернизации экономического потенциала с целью ускорения неоиндустриализации регионов России на основе новой кадровой политики и ритмологического метода / А.В. Самаруха // Активизация интеллектуального и ресурсного потенциала регионов Материалы 4-й Всероссийской научно-практической конференции: в 2 частях. Под науч. ред. Н.Н. Даниленко, О.Н. Баевой. 2018. С. 45-52.

10. Самаруха В.И. Проблемы формирования институциональной сферы и инновационной инфраструктуры в Сибирском федеральном округе, в целях устойчивого социально-экономического развития его регионов / В.И. Самаруха // Научный вестник Байкальского государственного университета экономики и права. 2015. № 2 (26). С. 24-33.

Размещено на Allbest.ru