能源材料(能源材料就业方向)

 

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2022年5月9日，国际可再生能源署（IRENA）发布报告《能源转型中的关键原材料——稀土元素》（Critical Materials for the Energy Transition-Rare Earth Elements），基于对电动汽车和风力涡轮机需求和市场增长的预测，分析了稀土的使用效率、稀土开采和加工的前景以及提高稀土供应安全的途径，并深入探讨了创新在降低稀土依赖方面可以发挥的作用以及相关的政策影响。本文简要介绍其主要内容，以供参考。

1 需求和市场增长预测

2020年，稀土产量达到24万吨稀土氧化物当量。2020年，电动汽车使用了大约6000~9 000吨的钕，占永磁体总使用量的15%~20%。大约10%的永磁体（4000吨钕）用于风力涡轮机，特别是海上涡轮机和中国陆上涡轮机。2020年电动汽车和风力涡轮机合计占永磁体使用量的1/3左右。

风力涡轮机的产量预计将在这十年翻一番，而电动汽车的产量预计将增长一个数量级。永磁体材料的供应将需要大幅增加，以满足日益增长的电动汽车行业的需求。在雄心勃勃的能源转型情景下，从现在到2030年，电动汽车和风能对永磁体及其稀土元素的总需求可能会增加一倍以上。

全球大气监测网的监测结果表明，北京、沈阳、西安、上海、广州 这五座城市的大气中总悬浮颗粒物日均浓度分别在每立方米 200-500微 克，超过世界卫生组织标准3-9倍，被列入世界十大污染城市之中。

2 供应前景

稀土天然资源远远超过目前的消耗量。虽然已知的稀土资源足够满足能源转型的所有需求，但主要挑战是随着需求的增长，扩大整个价值链的开采和加工活动。天然稀土矿床通常含有稀土的混合物。钕平均占这些矿藏的20%左右。但每种稀土的供应需要单独评估。许多矿床还含有放射性的铀或钍，这使尾矿的管理变得复杂。事实上，稀土元素通常伴生在一起，而它们的市场却是不同的，这意味着一些是稀缺的，而另一些是供过于求的。这种矛盾在未来几年还将扩大。由于矿床的组成各不相同，其价值也有所不同。理解单个稀土元素而不是把它们作为一个整体来处理至关重要。

稀土矿床分布广泛。在许多地方扩大采矿在经济上是可行的，但加工处理能力却不容易扩大，这取决于多种因素，包括集中在某些国家的专有技术。增加采矿还需要结合循环经济概念，如回收和再利用，以及减少需求增长的创新。中国南部和缅甸的离子粘土矿床中存在相对高浓度的镝。该区域的其他国家，如越南，拥有类似的资源，但尚未开发。除了自然资源，某些残渣流，如赤泥（产铝）、煤燃烧的粉煤灰和石膏（产煤发电），都含有大量可回收的稀土元素。此外，最近还发现了新的离岸矿藏。然而，这些选择在经济上尚不可行，因此可能无法满足需要。稀土冶金，包括分离、金属制造、铸造和磁体制造，在技术上具有挑战性。这就限制了新供应商的进入。

3 降低供应链风险

绝大多数稀土开采（2020年为58%）、稀土提纯（90%）以及永磁体生产（90%）都集中在中国。这种集中引起了供应方面的担忧。中国境外的加工成本和环境问题限制了产能的发展，甚至导致工厂关闭。近年来，中国政府也试图以环境原因限制稀土开采的增长。中国庞大的稀土资源储量、有利的政策框架以及长期以来掌握相关分离和加工技术促进了稀土资源的增长，而其他国家在过去30年里没有投资于这一价值链。电动汽车行业的出现，让人们关注到多样化供应的必要性，许多举措正在进行中，以实现供应链的多样化和降低风险。近年来，越来越多的人认识到，仅仅关注采矿是不够的，必须考虑整个供应链。

中国的市场主导地位造就了其极具竞争力的全国供应链。一个例外是目前用于汽车的烧结高性能永磁体市场。虽然日本公司拥有一些关键的原始技术专利，但中国和美国近年来加快了对粘结磁体和烧结磁体的专利申请，在过去十年中已经申请了超过500项烧结磁体新专利。表明了这个未来市场的重要性。

与此同时，有电动汽车扩张计划的国家正在寻求减少对中国出口的依赖。然而，短期内很难做到这一点。当前，全世界只有11个主要矿山和7个主要加工厂；后者有6家在中国，1家在马来西亚，还有一家较小的工厂在爱沙尼亚。澳大利亚、加拿大、挪威、南非、美国和数个非洲国家正在开发新的矿山和加工设施。但由于环境问题和开发时间长，这些项目存在争议。例如，格陵兰议会最近禁止开发世界上最大的未开发稀土矿藏之一。

在中国以外建设产能，战略投资是必要的；在投资可行之前，通常必须获得设备制造商和最终用户的预先承诺。政府也可以在消除必要投资的风险方面发挥作用。需要一个多阶段战略来降低整个供应链的供应风险。在可预见的未来，中国仍将是稀土产品的主要供应国。与此同时，中国越来越依赖稀土原材料进口。未来，应加强稀土资源供应商与用户之间的国际对话。技术开发商、供应商和政策制定者之间也需要更多的对话。如果各方在供应链上更紧密地合作，战略投资是必要的。

在国家氢燃料电池车示范城市，重点在重卡、物流车辆需求密集区，因地制宜建设分布式电制氢加氢站和充电站融合的综合能源服务站。

4 减少稀土依赖的创新

汽车制造商已经认识到汽车行业对稀土元素的依赖，并开发了避免永磁体的替代发动机设计。然而，这些设计的性能较低。如何限制或完全消除永磁体中镝的使用，是目前研究和开发工作的一个主题。新的磁体处理技术正在开发中，可以减少对烧结永磁体的依赖，并降低对关键稀土元素的需求。生产特定形状限制了当前的加工选择，这反过来又限制了材料的组成。

5 政策影响

未来几年，扩大永磁体关键材料的供应至关重要。由于所需的材料比较少，这种努力对环境的影响可能有限。为了制定有效的稀土资源战略，识别供应链中的不同环节及其特点是至关重要的。虽然采矿步骤有据可查，但加工处理和永磁体生产却鲜为人知。建议提高公开数据的可用性，以促进全球市场的透明度。

有必要更好地了解新供应能力发展中的瓶颈。此外，不应混淆增加供应量和减低供应链风险的双重目标，因为它们需要不同的方法。

应适当考虑减少对关键材料依赖的创新。能源技术设计提供了减少甚至消除关键稀土元素使用的机会。

欧洲建立了欧洲原材料联盟，该联盟最初专注于稀土。欧洲有一份包含30种关键原材料的清单。美国政府已经指示整个政府采取方法来评估包括矿产在内的关键供应链的脆弱性，并加强其恢复能力，最初的工作重点是稀土元素。中国、日本等主要消费国家也出台了相关政策。

与此同时，拥有自然资源的国家看到了经济机会。国际合作将是必要的，而公平的长期价格和需求确定性将需要说服供应商投资于长期采矿。环境问题和社会问题必须并行处理。此外，不应该只关注采矿，处理与加工的优先级更高。

在与成员国协商后，IRENA启动了能源转型关键材料合作框架，以加强其对关键材料的关注，并促进包括欧盟在内的167个成员国之间的对话，以促进关键材料与能源转型之间的联系。

转载本文请注明来源及作者：中国科学院兰州文献情报中心《地球科学动态监测快报》2022年第10期，刘学 编译。

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