能源转型的关键材料：稀土元素

国际可再生能源署发表报告，题目是：“Critical Materials for the Energy Transition: Rare Earth Elements”（能源转型的关键材料：稀土元素），摘要如下：

稀土是由17种化学元素组成的，其中有几种对能源转型至关重要。钕、镨、镝和铽是生产电动汽车（EV）和风力发电机用永磁体的关键。就体量而言，钕是最重要的。钇和钪用于某些类型的氢电解槽，而铕、铽和钇用于节能荧光照明。传统能源还依赖于稀土元素（REE），例如生产汽车尾气用的催化剂。

需求和市场增长预测
2020年，全球稀土产量达到24万吨。尤其是对永磁体的需求，预计在未来几年将大幅增长。大约29-35%的稀土材料用于永磁体，其中不到15%用于电动汽车。2020年，电动汽车使用了约6000-9000吨钕，占2020年所有永磁体使用量的15-20%；大约10%的永磁体（4000吨钕）用于风力发电机。2020年，电动汽车和风力发电机合计约占永久磁铁使用量的三分之一。虽然风机产量预计在未来十年内将翻一番，但电动汽车制造业预计将增长一个数量级。

镝和少量铽被添加到永磁体中，以提高热稳定性。虽然与钕相比，镝的数量很少，但镝的资源比钕少得多。因此，就稀土元素供应而言，镝供应是一个关键因素。永磁材料的供应将需要大幅增加，以满足不断增长的电动汽车行业的需求。根据各国雄心勃勃的能源转型方案，从现在到2030年，电动汽车和风能对永磁体及其所含稀土元素的总需求量可能会翻一番以上。

供应展望
尽管有足够的已知稀土资源来满足能源转型的所有需求，但主要挑战是根据需求增长在整个价值链上扩大采矿和加工能力。天然稀土矿床通常含有稀土的混合物。钕平均占这些矿床的20%左右。但每种稀土元素的供应需要单独评估；整个群体的数据价值有限，不能反映实际的稀缺程度。许多矿床也含有放射性物质铀或钍，使尾矿管理复杂化。事实上，不同的稀土元素是共同生产的，而它们的市场正在分化，这意味着一些稀土元素供应面临短缺，而另一些稀土元素则供过于求，这种状况在未来几年将进一步加剧。关键是要了解单个稀土元素，而不是将其作为一个整体来处理。

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，但加工能力不太容易扩大，这取决于各种因素，包括集中在某些国家的专有技术。增加的采矿业还需要与循环经济概念相结合，如回收和再利用，以及减少需求增长的创新。中国南方和缅甸的离子粘土矿床中存在较高浓度的镝。该区域其他国家如越南，拥有类似的资源有待开发。

除自然资源外，某些残渣流，如赤泥（来自铝生产）、燃煤飞灰和石膏（来自燃煤发电）含有大量可回收的稀土元素。此外，最近还发现了新的海上矿床。然而，这些方案在经济上尚不可行，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，这限制了新供应商的进入。

降低供应链风险
稀土元素开采（2020年占58%）和提纯（90%）以及大部分永磁生产（90%）集中在中国。这种集中度会引起供应问题。中国境外的加工成本和环境问题限制了产能发展，甚至导致停产。

近年来，由于环境原因，中国政府也试图限制稀土开采的增长。中国的大型稀土矿床、有利的政策框架以及掌握相关分离和加工技术的长期努力促进了增长，而其他国家在过去30年中没有对这一价值链进行投资。电动汽车行业的兴起使人们关注到供应多样化的必要性，许多旨在实现供应多样化和降低供应链风险的举措正在落实中。近年来，人们越来越认识到，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一个极具竞争力的国家供应链。一个例外是目前用于汽车的烧结高性能永磁体的细分市场，是一家日本公司拥有关键的原始技术专利。但近年来，中国和美国已经加强了粘结和烧结磁体的专利申请，在过去十年中已有500多项新的相关专利申请。

这是未来市场重要性的一个指标。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。今天，全世界只有11个主要矿山和7个主要加工厂；后者中有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、美国和几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较长，这些项目存在很多争议。例如，格陵兰议会最近禁止在当地开发世界上最大的未开发稀土矿床之一。

所以，我们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。虽然供应多样性是有益的，但纯粹的国家供应方法将在经济和贸易方面具有挑战性。因此，应加强稀土元素供应商和用户之间的国际对话。技术开发人员、供应商和决策者之间还需要更多对话，在供应链上进行更密切的合作。

减少稀土依赖的创新
汽车制造商已经认识到该行业对稀土元素的依赖性，并开发了避免使用永磁体的替代电机设计。然而，这些新的技术的性能较低，尤其是行驶里程的减少，这是一个关键因素。

科学家们还继续寻找新的永磁材料，以减少对稀土元素的依赖。风力涡轮机设计中也有替代方案，如何限制甚至消除镝在永磁体中的使用，是当前研究和开发工作的课题。同时，科学家正在开发新的磁铁加工技术，以减少对烧结永磁体的依赖，并减少对关键稀土元素的需求。

欧洲建立了欧洲原材料联盟（ERMA），该联盟最初专注于稀土元素，包含30种关键原材料的清单。美国政府评估包括矿产在内的关键供应链的脆弱性并加强其恢复力，重点是稀土元素。此外，中国和日本等其他主要消费国也制定了相关政策。