能量转换的关键材料 ： 稀土元素

关键能量转移材料 ：稀土元素技术文件 2 / 2022由 DOLF GIELEN 和 MARTINA LYONS © IRENA 2022除非另有说明 ， 否则本出版物中的材料可以自由使用、共享、复制、复制、印刷和 / 或存储 ， 前提是作者作为来源和 IRENA 作为版权所有者给予适当的承认。本出版物中属于第三方的材料可能受单独的使用条款和限制的约束 ， 以及在使用此类材料之前 ， 可能需要获得这些第三方的适当许可。ISBN:978-92-9260-437-0引文:Gielen ， D. 和 M. Lyons （ 2022 ） ， 能源转型的关键材料 ： 稀土元素 ， 国际可再生能源机构 ， 阿布扎比。关于 IRENA国际可再生能源机构 （ IRENA ） 是国际合作的主要平台，是卓越中心，是政策，技术，资源和金融知识的储存库，也是推动全球能源系统转型的实地行动的驱动力。IRENA 成立于 2011 年，是一个政府间组织，促进广泛采用和可持续利用各种形式的可再生能源，包括生物能源，地热，水电，海洋，太阳能和风能，以追求可持续发展，能源获取，能源安全和低碳经济增长和繁荣。.Acknowledgements许多专家提供了宝贵的意见和建议，有助于提高本技术论文的质量 ： Larie Hayley，Camille Boliae，Nathalie Ross，Michael Paesc （ 加拿大自然资源部 ） ，米兰 · 格罗霍尔 (欧盟委员会) 、塞缪尔 · 卡拉拉、米哈利斯 · 克里斯图、安卡 · 伊图尔 (欧盟委员会联合研究中心) 、罗兰 · 高斯 (欧洲原材料联盟 (ERMA)) 、西尔维亚 · 布尔戈兹 · 罗德里格斯 (ENEL 基金会) 、惠子 · 希夫 · 南赛 (日本国家环境研究所) 、约克 · 哈恩 · 哈恩 · 哈恩 · 张永克 (日本)保罗 · 科莫 （ IRENA ） 提供了内部技术审查，内容由史蒂文 · 肯尼迪编辑。本技术论文由 Dolf Gielen 和 Martina Lyons 撰写 ， IRENA 同事 Francisco Bosshell 和 Francesco Pasimeni 提供了有关专利活动的宝贵投入。有关更多信息或提供反馈 ：免责声明本出版物中表达的观点是作者的观点 ， 不一定反映 IRENA 的观点或政策。本出版物不代表 IRENA 对任何主题的官方立场或观点。员工技术论文由 IRENA 人员编写 ， 作为对技术讨论的贡献 ， 并传播相关主题的新发现。此类出版物可能受到相对有限的同行评审。它们由个别作者撰写 ， 应相应地引用和描述。本文表达的发现 ， 解释和结论是作者的发现 ， 解释和结论 ， 不一定反映 IRENA 或其所有成员的意见。 IRENA 不对本工作的内容承担责任 ， 也不保证本文数据的准确性。IRENA 或其任何官员，代理商，数据或其他第三方内容提供商均不提供任何明示或暗示的保证，他们对使用本文的出版物或材料的任何后果不承担任何责任或责任。提到特定的公司、项目或产品并不意味着它们得到 IRENA 或作者的认可或推荐。本文所采用的名称和材料的呈现并不意味着 IRENA 或作者对任何地区、国家、领土、城市或地区或其当局的法律地位或对边界或边界的划定表示任何意见。 能量转移的关键材料 ： 稀土元素 |3CONTENTS 4 | 能量转移的关键材料 ： 稀土元素Figures图1:最终使用部门对稀土的需求和磁体的细分按质量划分的需求 ， 2020 年 12图2:在风力涡轮机中使用永磁体的方案 15图3:用于电动汽车的稀土永磁体的预测 ，2020-2030.............................................................................16图4:专利趋势应用程序................................................................................................................20图5:基于申请人居住国的专利申请总数 ，1980-2020...................................................................................................................................................... 20图6:加拿大稀土元素项目.............................................................................................................26图7:生产的加工方案钕 .........................................................................................................30图8:白云鄂博稀土加工流程 32图9:生产分离稀土氧化物项目的运营支出 35图 10:生产项目的实际和预测资本支出分离稀土 35TABLESTable1:稀土氧化物价格 11Table2:选定来源矿物的稀土含量 （ 稀土氧化物的百分比 ） 22Table3:各国稀土产量 24Table4:各国稀土产量和储量 25Table 5: 初级稀土元素生产中的浸出技术概述 31BOXESBox1:粘结和烧结磁体中的专利活性 19Box2:氟烷沸石和独居石处理的新方法 32Box3:离子吸收粘土的处理 33 能量转移的关键材料 ： 稀土元素 |5缩写EV电动汽车GW吉瓦特HCl盐酸IRENA国际可再生能源机构kg千克kt千吨LED发光二极管MtmagatonneNaOH氢氧化钠NdFeB 钕 - 铁 - 硼PVC 聚氯乙烯REE稀土元素wt%重量百分比 6 | 能量转移的关键材料 ： 稀土元素执行摘要稀土是一组 17 种化学元素，其中几种对能量转变至关重要。钕，镨，铯和 ad 是生产电动汽车 （ EV ） 和风力涡轮机中使用的永磁体的关键。就体积而言，钕是最重要的。钇和钪用于某些类型的氢电解槽，而铕，tr 和钇用于节能荧光灯。传统的能源还依赖于稀土元素 （ REE ），例如生产汽车尾气催化剂。但是，未来需要的与能源相关的稀土元素的组合与过去不同。需求和市场增长预测2020 年稀土产量达到 240t 。尤其是对预期在未来几年中大幅增长的永磁体的需求。所有稀土材料中约有 29 - 35 ％ 用于永磁体，其中不到 15 ％ 用于电动汽车。2020 年，电动汽车使用了大约 6 - 9 千吨 （ t ） 的钕，2020 年占所有永磁体使用量的 15 - 20 ％ 。大约 10 ％ 的永磁体 （ 4 t 钕 ） 用于风力涡轮机，特别是海上涡轮机和中国陆上涡轮机。电动汽车和风力涡轮机合计占 2020 年永磁体使用量的三分之一左右。尽管风力涡轮机产量预计将在这十年翻一番，但电动汽车制造业预计将增长一个数量级。在永磁体中加入少量的铯和较小程度的铒 ， 以提高热稳定性。尽管与钕相比 ， 铯的量较小 ， 但却比钕少得多。因此 ， 就稀土供应而言 ， 铯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。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所含稀土的总需求可能会增加一倍以上。一些消息来源甚至建议翻两番。由于关键需求类别的增长不确定性，需求预测差异很大。供应前景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 ， 在整个价值链中扩展采矿和加工活动。天然稀土矿床通常含有稀土元素的混合物。平均而言，钕约占这些沉积物的 20 ％ 。但是每种类型的 REE 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性水平。许多矿床还含有放射性铀或钍，这使尾矿的管理复杂化。不同的稀土是共同生产的，而它们的市场却在分化，这一事实意味着有些人感到恐惧，而另一些人供过于求。这种分歧将在未来几年扩大。由于矿床的组成不同，有些比其他更有价值。重要的是要了解单个 REE，而不是将它们作为一个群体来处理。 能量转移的关键材料 ： 稀土元素 |7增加的采矿还需要与循环经济概念相结合, 如回收和再利用, 以及减缓需求增长的创新。中国南方和缅甸的离子粘土矿床中都存在相对较高的浓度。该地区其他国家 ， 如越南 ， 拥有类似类型的资源 ， 尚未开发。除自然资源外 ， 某些渣油流 ， 如红泥 （ 来自铝生产 ） 、煤燃烧产生的飞灰和石膏 （ 来自煤炭发电 ） 含有大量可以回收的稀土。此外 ， 最近发现了新的近海矿床。然而 ， 这些选择在经济上还不可行 ， 因此可能无法满足需求。稀土冶金 ， 包括分离 ， 金属制造 ， 铸造和磁铁制造 ， 在技术上具有挑战性。这限制了新供应商的进入。降低供应链风险大部分稀土开采 （ 2020 年为 58% ） 和净化 （ 90% ），以及大部分永磁生产 （ 90% ） 都集中在中国。这种集中带来了供应问题。中国以外的加工成本和环境问题限制了产能发展，甚至导致关闭。近年来，中国政府也出于环境原因试图限制稀土开采的增长。中国的大量稀土储量、有利的政策框架以及长期以来掌握相关分离和加工技术的努力促进了增长，而其他国家在过去 30 年中没有对这一价值链进行投资。电动汽车行业的出现将注意力集中在供应多样化的必要性上，许多举措正在进行中，以使供应多样化和降低风险的供应链。近年来，人们越来越认识到，仅专注于采矿是不够的，必须考虑整个供应链。中国的市场主导地位导致了一个非常有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。尽管一家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强了粘结和烧结磁体的专利申请，并且在过去十年中已申请了 500 多项新的烧结专利。这表明了未来市场的重要性。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，很难很快做到这一点。如今，全世界只有 11 个主要矿山和 7 个主要加工厂 ； 后者中有 6 个在中国，1 个在马来西亚，还有一个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。但这些项目由于环境问题和开发的长期框架而引起争议。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床之一。战略投资对于在中国以外建设能力是必要的 ； 设备制造商和最终用户的预先承诺通常必须在投资可行之前得到保证。政府也可以在降低必要投资风险方面发挥作用。 8 | 能量转移的关键材料 ： 稀土元素需要采取多阶段策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。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，应加强稀土供应商和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。在各方在供应链上更紧密地合作的情况下，战略投资是必要的。减少稀土依赖性的创新汽车制造商已经认识到行业对稀土元素 （ REE ） 的依赖，并开发了避免永磁体的替代电机设计。然而, 这些设计的性能较低, 特别是驱动范围的减小, 这是一个关键因素。研究继续发现新的永磁材料，为重量不太关键的某些应用提供足够的性能。Research also continues to find new permagneric materials that reduce the dependence on REE. The includes alternatives for certain electronics applicat