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)機中的發(fā)電轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。近年來，隨著風(fēng)電日益成為各國能源轉(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)藍綠發(fā)展研究院聯(lián)合中國科學(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)等國內(nèi)外多家學(xué)術(shù)機構(gòu)，在Cell子刊 One Earth上發(fā)表文章，針對不同氣候目標(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、擴大生產(chǎn)以及革新風(fēng)機技術(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

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

不僅如此，使用這類元素的風(fēng)機還具有優(yōu)秀的電氣性能，結(jié)構(gòu)簡單、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。

國際能源署和國際風(fēng)能協(xié)會預(yù)測，未來30年，全球風(fēng)電行業(yè)對于釹、鐠、鏑三種金屬的累計需求量約為46萬~90萬噸。而在當(dāng)前的生產(chǎn)水平下，這三種金屬未來30年內(nèi)累計供應(yīng)量只有63萬噸。

“值得注意的是，新能源汽車、高鐵、工業(yè)機器人等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)也需要大量此類元素。” 山東大學(xué)藍綠發(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30年內(nèi)釹、鐠、鏑同族元素的產(chǎn)能要擴張7~14倍，才能滿足風(fēng)電行業(yè)對此類重要元素的需求。受生產(chǎn)技術(shù)水平和環(huán)境保護政策的限制，這很難實現(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，這也對風(fēng)電的發(fā)展造成影響。

“儲量豐富”但非“產(chǎn)能充足”

中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所汪鵬博士告訴《中國科學(xué)報》，全球釹、鐠、鏑等稀土元素儲量較為豐富，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。

雖然中國目前供應(yīng)了全球近80%的稀土元素，但中國的儲量也只有全球儲量的36%。而且，這些元素在開采冶煉過程中會產(chǎn)生大量廢水、廢氣以及放射性物質(zhì)，對環(huán)境影響很大。出于環(huán)境保護和生產(chǎn)成本的壓力，一些國家限制了對其的開采，低價從中國購置并儲備稀土資源，增大了全球釹、鐠、鏑等元素供應(yīng)的壓力。

“從這個角度來講，中國實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，給全球提供了物美價廉的原料，為全球的能源清潔化做出了重大貢獻。”汪鵬說。

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

李佳碩認為，雖然釹、鐠、鏑等元素全球儲量豐富，但是全球供應(yīng)要從“儲量豐富”轉(zhuǎn)為“產(chǎn)能充足”，還存在很多挑戰(zhàn)。首先，這類元素的開采和生產(chǎn)對環(huán)境的影響較為嚴(yán)重，其生產(chǎn)過程的清潔化水平在很大程度上決定了供應(yīng)水平。其次，國際貿(mào)易糾紛也對這類元素全球供應(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)機替代技術(shù)雖然在盡量擺脫對于稀土的依賴，但是這些技術(shù)的性能和經(jīng)濟性都遠不如稀土風(fēng)機技術(shù)，難以推廣。

李佳碩認為，風(fēng)電作為發(fā)展最快的一種可再生能源，清潔低碳，是落實氣候變化行動、實現(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，還面臨供電穩(wěn)定性和電網(wǎng)消納能力等問題。為此，國家出臺了上網(wǎng)電價補貼、優(yōu)化平價上網(wǎng)投資環(huán)境、全額收購等政策予以支持。

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)電累計并網(wǎng)裝機容量確保達到2.1億千瓦。

李佳碩認為，未來風(fēng)電作為重要的可再生能源，一方面，將會沿著當(dāng)前的發(fā)展態(tài)勢加速增長；另一方面，也會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，實現(xiàn)電力系統(tǒng)脫碳，被認為是應(yīng)對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，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。