關(guān)鍵原料的產(chǎn)能已無(wú)法滿足全球風(fēng)力發(fā)電的需求。

釹、鐠、鏑三種元素作為釹鐵硼永磁體的關(guān)鍵原料，被大量用于風(fēng)機(jī)中的發(fā)電轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，隨著風(fēng)電日益成為各國(guó)能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的重要部分，這些關(guān)鍵原料的供應(yīng)及其與風(fēng)電發(fā)展之間的關(guān)聯(lián)，備受業(yè)內(nèi)關(guān)注。

近日，山東大學(xué)藍(lán)綠發(fā)展研究院聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所、清華大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院、上海交通大學(xué)和華中科技大學(xué)等國(guó)內(nèi)外多家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，在Cell子刊 One Earth上發(fā)表文章，針對(duì)不同氣候目標(biāo)下釹、鐠、鏑等稀土元素的資源供應(yīng)與風(fēng)電可持續(xù)發(fā)展需求的關(guān)系進(jìn)行了最新研究。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前上述關(guān)鍵原料的產(chǎn)能已無(wú)法滿足全球風(fēng)力發(fā)電的需求，材料的循環(huán)利用、提高使用效率、擴(kuò)大生產(chǎn)以及革新風(fēng)機(jī)技術(shù)等，將在一定程度上緩解原料供應(yīng)短缺的難題。

關(guān)鍵原材料需求或增長(zhǎng)

山東大學(xué)博士生彭焜告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，釹、鐠、鏑是風(fēng)機(jī)中常用的關(guān)鍵原材料，可以使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率提升15%~30%，并且能夠減少發(fā)電機(jī)組的體積，從而降低風(fēng)電行業(yè)運(yùn)行的維護(hù)成本。

不僅如此，使用這類(lèi)元素的風(fēng)機(jī)還具有優(yōu)秀的電氣性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，極大地減少了維修頻率，并且能夠適應(yīng)不同的發(fā)電工況，有利于風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展。

據(jù)了解，釹、鐠、鏑總質(zhì)量約占永磁鐵質(zhì)量的30%，其中釹元素含量最高，占永磁鐵中其同族元素總添加量的70%以上。

國(guó)際能源署和國(guó)際風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，未來(lái)30年，全球風(fēng)電行業(yè)對(duì)于釹、鐠、鏑三種金屬的累計(jì)需求量約為46萬(wàn)~90萬(wàn)噸。而在當(dāng)前的生產(chǎn)水平下，這三種金屬未來(lái)30年內(nèi)累計(jì)供應(yīng)量只有63萬(wàn)噸。

“值得注意的是，新能源汽車(chē)、高鐵、工業(yè)機(jī)器人等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)也需要大量此類(lèi)元素。” 山東大學(xué)藍(lán)綠發(fā)展研究院研究員李佳碩告訴記者，“目前產(chǎn)出的這些元素流向風(fēng)電行業(yè)的比例約為10%，假設(shè)該比例不變，未來(lái)30年內(nèi)釹、鐠、鏑同族元素的產(chǎn)能要擴(kuò)張7~14倍，才能滿足風(fēng)電行業(yè)對(duì)此類(lèi)重要元素的需求。受生產(chǎn)技術(shù)水平和環(huán)境保護(hù)政策的限制，這很難實(shí)現(xiàn)。”

當(dāng)然，風(fēng)電也可能面臨其他原材料供應(yīng)的限制。據(jù)悉，聚氯乙烯泡沫作為風(fēng)電葉片的關(guān)鍵原材料，由于主產(chǎn)地意大利新冠肺炎疫情的加劇，導(dǎo)致供應(yīng)鏈被打亂，這也對(duì)風(fēng)電的發(fā)展造成影響。

“儲(chǔ)量豐富”但非“產(chǎn)能充足”

中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所汪鵬博士告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，全球釹、鐠、鏑等稀土元素儲(chǔ)量較為豐富，并在世界范圍內(nèi)廣泛分布，均高于目前的需求。但其生產(chǎn)供應(yīng)的產(chǎn)能卻十分有限。

雖然中國(guó)目前供應(yīng)了全球近80%的稀土元素，但中國(guó)的儲(chǔ)量也只有全球儲(chǔ)量的36%。而且，這些元素在開(kāi)采冶煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量廢水、廢氣以及放射性物質(zhì)，對(duì)環(huán)境影響很大。出于環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)成本的壓力，一些國(guó)家限制了對(duì)其的開(kāi)采，低價(jià)從中國(guó)購(gòu)置并儲(chǔ)備稀土資源，增大了全球釹、鐠、鏑等元素供應(yīng)的壓力。

“從這個(gè)角度來(lái)講，中國(guó)實(shí)際上是以消耗重要稀土資源和付出巨大環(huán)境治理成本為代價(jià)，給全球提供了物美價(jià)廉的原料，為全球的能源清潔化做出了重大貢獻(xiàn)。”汪鵬說(shuō)。

據(jù)汪鵬介紹，目前我國(guó)采用年度生產(chǎn)配額制度來(lái)規(guī)劃這類(lèi)元素的開(kāi)采和冶煉分離總量。而在這類(lèi)元素全球需求量不斷上漲的趨勢(shì)下，世界各國(guó)紛紛加強(qiáng)對(duì)其資源的勘查和開(kāi)采力度，全球形成多元供應(yīng)格局已定。比如，美國(guó)最近宣布對(duì)本國(guó)分離企業(yè)進(jìn)行資金贊助，試圖重建其稀土供應(yīng)鏈。

李佳碩認(rèn)為，雖然釹、鐠、鏑等元素全球儲(chǔ)量豐富，但是全球供應(yīng)要從“儲(chǔ)量豐富”轉(zhuǎn)為“產(chǎn)能充足”，還存在很多挑戰(zhàn)。首先，這類(lèi)元素的開(kāi)采和生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響較為嚴(yán)重，其生產(chǎn)過(guò)程的清潔化水平在很大程度上決定了供應(yīng)水平。其次，國(guó)際貿(mào)易糾紛也對(duì)這類(lèi)元素全球供應(yīng)鏈的安全、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展造成極大影響。

擺脫原料困局

彭焜提出，可以從稀土回收和替代的角度來(lái)減輕稀土產(chǎn)能壓力。前提是一些技術(shù)難題和成本可以得到有效解決。

他表示，稀土在風(fēng)機(jī)中屬于微量添加金屬，回收技術(shù)難度大，目前回收率不足1%，且回收成本高昂。而且，當(dāng)前的稀土風(fēng)機(jī)替代技術(shù)雖然在盡量擺脫對(duì)于稀土的依賴(lài)，但是這些技術(shù)的性能和經(jīng)濟(jì)性都遠(yuǎn)不如稀土風(fēng)機(jī)技術(shù)，難以推廣。

李佳碩認(rèn)為，風(fēng)電作為發(fā)展最快的一種可再生能源，清潔低碳，是落實(shí)氣候變化行動(dòng)、實(shí)現(xiàn)全球溫控目標(biāo)的重要手段。

目前風(fēng)電行業(yè)除了面臨重要元素供應(yīng)短缺風(fēng)險(xiǎn)，還面臨供電穩(wěn)定性和電網(wǎng)消納能力等問(wèn)題。為此，國(guó)家出臺(tái)了上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼、優(yōu)化平價(jià)上網(wǎng)投資環(huán)境、全額收購(gòu)等政策予以支持。

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也被納入了“十三五”規(guī)劃。據(jù)汪鵬介紹，“十三五”規(guī)劃設(shè)定的風(fēng)電目標(biāo)為，到2020年底，風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到2.1億千瓦。

李佳碩認(rèn)為，未來(lái)風(fēng)電作為重要的可再生能源，一方面，將會(huì)沿著當(dāng)前的發(fā)展態(tài)勢(shì)加速增長(zhǎng);另一方面，也會(huì)在空間上由陸地向海洋維度發(fā)展。

大力發(fā)展可再生能源，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)脫碳，被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)氣候變化的重要途徑之一。研究人員期待，高速發(fā)展的風(fēng)能產(chǎn)業(yè)擺脫原料困局，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.oneear.2020.06.009