稀土矿物及其在能源转型中的作用

引言 世界正在经历能源转型，因为它试图摆脱对化石燃料的依赖。这种转变创造了对于不同种类的自然资源的新需求和供应链依赖，这种资源相对于日常消费者来说比较陌生。 随着气候目标和政策制定者强调对绿色技术的投资需求，对更多矿产投入的需求正在增长，特别是稀土矿物，以推动这种增长并实现气候目标。除了在支持可再生能源技术中发挥关键作用外，稀土矿物在现代 智能手机、电视、计算机、发光二极管（LED）灯和防御系统等技术的应用。当前的关键挑战在于确定是否有足够且安全的稀土矿物供应来支持这场能源转型。 背景 稀土矿物（REM）由一组化学性质相似的17种稀土元素（REE）组成。这些元素分为两类：轻稀土元素（LREE）和重稀土元素（HREE）。 稀土应用 稀土因其磁性、发光和电化学特性而具有独特性能，使其在各种高科技应用中至关重要，包括： •电机•硬盘驱动器 & 硬盘驱动电机•发电•执行器•麦克风 & 扬声器•核磁共振成像•防抱死制动系统•汽车零部件•通信系统•电动驱动与推进•无摩擦轴承•磁存储盘•微波功率管•磁制冷•磁致伸缩合金 历史背景 术语“稀土”(RE)起源于18世纪晚期th和早期19 th这些元素最初被发现于数个世纪之前。尽管名称如此，它们既不稀有，也不是稀土元素。然而，在当时，它们分离起来具有挑战性，并且仅在相对稀有的矿床中被发现。实际上，稀土元素在地球地壳中相对丰富，但与其它金属的矿石相比，它们很少以浓缩和具有经济开采价值的形式存在。 稀土元素如何影响能源转型？ 《巴黎协定》的总体目标是限制全球变暖温度的上升不超过2°C（高于工业革命前水平），并努力将升温幅度控制在1.5°C以内。¹⁶ 稀土永磁体对于提高电动汽车的效率、尺寸和重量至关重要。它们在直接驱动风力涡轮机的生产中也发挥着关键作用，与齿轮驱动替代方案相比，直接驱动风力涡轮机具有效率和可靠性的优势。这使稀土元素成为推动绿色革命和支持能源转型关键组成部分。 然而，专家们越来越认为这是难以实现的。为了实现这些目标，各国需要脱碳，并转向零碳的可再生能源技术，例如风力涡轮机、太阳能电池板、电动汽车（EV）和储能电池。这些技术比“传统”能源来源显著更密集地依赖矿物。 全球需求与供应趋势 转向清洁能源是稀土需求的关键驱动因素，预计到2040年需求将增加300-700%。清洁能源在总稀土需求中的占比预计也将从2010年的13%上升到2040年的41%。¹ 清洁能源技术比传统烃类系统需要显著更高的稀土投入。例如，电动汽车的矿物投入量（包括稀土）是内燃机汽车的六倍，而陆上风电场的矿物资源需求量是燃气发电厂的九倍¹。2023年，全球汽车销量中有大约18%是电动汽车¹¹，预计到2040年这一比例将上升到73%¹³。类似地，全球风电装机容量从2022年的904吉瓦增加到2023年的1021吉瓦（包括陆上和海上），一年内增长了13%¹²。这种增长严重依赖于钕、镨、镝和铽等稀土，这些对可再生能源技术发展至关重要。 中国在全球清洁能源采用方面发挥着领先作用，2023年约占全球电动汽车销量的60%。到2024年8月，中国宣布其风电和光伏发电装机容量目标提前六年完成，超过1,200吉瓦。⁵ 然而，截至目前，太阳能和风能仅占该国电力发电量的14%。因此，为了实现依赖于稀土的可再生能源目标，未来将需要大量投资。⁵ 稀土供应远比石油和天然气行业集中得多，中国供应了全球市场的60%。开采只是第一步，稀土加工涉及一个高度专业化的多阶段过程（分离、精炼和锻造），中国在这方面建立了主导性的竞争优势，负责全球90%的加工运营。¹中国的势力进一步扩张，因为该国还一直在投资海外资产，其中包括美国、澳大利亚和智利，增强其地缘政治影响力，这增加了潜在的贸易限制和供应中断的风险。 地域分布 全球稀土的估计总储量为1100万吨，主要分布在中国，中国拥有440万吨（主要发现于白云鄂博矿）。其他拥有显著储量的国家有越南（220万吨）、俄罗斯（210万吨）和巴西（100万吨）。美国拥有180万吨²。 在生产方面，中国也是稀土的最大生产国，2023年产量达到240,000吨，美国生产43,000吨，缅甸生产38,000吨，澳大利亚生产18,000吨。³ 由于这些变量，越来越多的汽车制造商和供应商正在开发不含稀土或稀土依赖度较低的电动汽车，例如特斯拉——2023年全球最大的电动汽车制造商——计划每辆车减少25%的重稀土，并目标是使其下一代电动汽车模型摆脱稀土。支持这一转型的关键技术进展是使用外部励磁同步电机（EESM），它与传统电机不同，通过电流产生磁场，因此不依赖由稀土制成的永磁体。⁶ 欧盟例如在采矿业和加工能力方面微不足道，该地区在世界风力涡轮机和电动汽车发展方面是领导者。然而，他们依赖来自中国的关键部件。美国在2018年重新开放了其唯一的稀土矿（芒廷帕斯矿），此后由一个包括中国拥有的公司的财团从破产（由中国供应商的竞争引起）中收购。所有稀土都送往中国进行加工；然而，美国正在努力重新启用一个分离工厂，以便在国内加工稀土。⁴ 该行业面临其他问题，如项目周期长。如果对新项目的投资推迟到出现赤字时才进行，可能会导致市场紧张和价格不稳定，从而引发对增加可再生能源生产能力的质疑。资源质量是另一个重要问题，因为在更困难的地方开采低品位矿石可能需要更多的能源，这将进一步增加生产成本和环境影响。 雷诺和Vitesco Technologies等公司的发展EESM技术，推动性能提升，这项选择提供了潜在的供应链安全和可持续性，以及与更常见的永磁同步电机（PMSM）相比的成本和节能效益。¹⁴ 欧盟和 USA 已启动对潜在替代供应方案的调查。联合国欧洲经济委员会（UNECE）在 2022 年报告称，瑞典拥有大量的稀土储备，其供应能力足以满足欧洲对预测稀土元素（HREE）的需求超过 20 年。¹⁷ 南部和东部欧洲地区也显示出稀土开采潜力，可以加以开发，然而任何投资决策及其可行性都需要在中国近乎垄断的市场环境下进行评估。 许多行业都存在技术权衡，然而，对非可再生能源依赖技术的轨迹提出了更大的问题，即预期的需求是否能够实现，以及这将如何影响未来投资的可行性。 最终，需求的走向取决于技术进步和政策制定。这种不确定性是由气候政策以及政府和国际机构将如何严格执法所驱动的。政策制定者通过明确其目标并将目标转化为行动来减少这种不确定性，发挥着至关重要的作用。这将是建立信任和投资、为绿色技术开放资金流动的关键。 稀土价格 自疫情以来，RE市场价格呈现下行趋势，主要受中国经济放缓和供过于求的推动。由于这些因素，生产商发现保持盈利变得更加困难，中国以外的两家主要稀土供应商（Lynas Rare Earths Ltd和MP Materials Corp）正在寻求提高运营效率以降低生产成本。¹⁵因此，中国的经济复苏被视为一个可能扭转价格趋势的重要因素。 供应安全 对中国依赖导致各国开始多样化其供应，尽管在这方面进展甚微。由于中国在稀土的供应和加工方面的主导地位，减少依赖最有效的策略是寻找远离制造商正在追求的稀土的技术解决方案，然而，如前所述，减少稀土的替代技术的扩散仍然处于发展阶段。 短期内，较低的价格可能会导致供应链更具可预测性，并为消费者提供稳定的成本，然而未来的投资肯定会受到影响，需要价格上涨以支持新项目的开发，并且由于美国政府的新的关税，市场价格可能会出现进一步的波动。 环境问题只是稀土开采问题的一部分，哈佛国际评论发现，采矿会产生巨大的废料问题，每开采一吨稀土总共会产生近2000吨有毒废料（30磅粉尘、9600-12000立方米废气，包括氟化氢和二氧化硫、75立方米废水和一吨放射性残渣）。⁷ 稀土提取带来了一系列不可忽视的环境问题。稀土作为可持续解决方案的主要问题在于，采矿过程很难不造成环境损害。一种提取工艺包括清除表层土壤，并在其中创建浸出池，使化学物质将稀土从矿石中分离出来。另一种方法是钻入地下，将化学物质泵入地下，将所得混合物泵入浸出池进行分离。这两种工艺都可能导致土地、水和空气污染，扩散有毒废物、森林砍伐和生物多样性丧失，这些都往往难以控制。 在中国白云鄂博矿，世界上最大的矿山，储存着7万吨放射性钍的尾矿库已经开始渗入地下水，最终可能会影响到黄河，一条重要的水源。⁷有许多其他的矿山是不安全的，如果没有得到适当的监控和保护，它们可能会造成灾难性的环境影响。 这是政府和国际机构应当采取积极行动的地方，需要在更清洁的提炼方法和依赖较少可再生能源的替代技术上加大技术投资。 稀土如何能更可持续地支持能源转型？ 首先，必须花时间评估RE机遇，确保考虑了社会和环境保障措施，并遵守政府和国际政策。技术的进步推动了提取过程更加可持续，替代方法包括； 替代材料是一种替代方案，公司投资研发并调整产品设计，减少或无需稀土元素。⁸先前讨论过的替代技术，展示了特斯拉、雷诺和宝马等制造商投资替代材料，但这可能会使电池功率降低，尽管主要在城市驾驶的汽车可能不需要那么长的电池寿命。⁸随着该领域的持续技术进步，包括磁替代品，对稀土元素的依赖已推动研发走向新的途径，这些途径可能为供应绿色科技提供更清洁的解决方案。 生物冶金其中使用天然产生的有机酸来提取稀土元素。这些细菌酸与盐酸相比效率较低，影响萃取的商业化进程。 电流已被用于从矿石中提取重稀土元素如镝和铽。这减少了化学品的使用量，污染更少，但能耗较高。 回收稀土怎么样？ 在中东地区，沙特阿拉伯拥有丰富的矿产和金属储备。红海沿岸的阿拉伯地盾含有钽等有价值的中重稀土。沙特阿拉伯拥有全球四分之一的储备量，这些储备用于电子产品、医疗器械和化工设备。此外，沙特阿拉伯还拥有用于储能技术（如电池）、航空航天和钢铁生产的热钽矿藏。¹⁰ 到2030年以后，随着需求的上升，即将成为过时的电动汽车电池的数量将激增，而回收利用的发展可以缓解供应需求，同时为更依赖清洁能源或储备量少的国家提供安全保障。 问题是，稀土元素（例如在智能手机中）常常与其他金属混合，导致其难以分离。传统的回收方法需要使用危险化学品（如盐酸）并消耗大量热量（因此需要大量能源）。该过程的环境影响和回收成本可能会影响回收作为一种解决方案的可行性。 作为沙特阿拉伯2030愿景的一部分，矿产资源已被确定为一个关键市场，旨在从石油和天然气中实现多元化，以使该行业的GDP贡献额增加三倍以上。正在进行的清洁能源转型和电动汽车数量的增加无疑会影响全球石油需求。因此，沙特阿拉伯和阿联酋正专注于建立一个不依赖化石燃料的模式，通过增加对矿产资源供应链的投资，沙特阿拉伯与日本成立合资企业来探讨开发项目。¹⁸ 这一潜在的新供应选项预计将为市场带来更大的稳定性。 对从电动汽车驱动单元中回收稀土的研究确定，回收的稀土成本将是从中国开采的稀土的两倍。⁹ 如果市场价格发生变化，那么回收的可行性可能会改变，然而，由于中国的竞争力和相对较低的生产成本，对开发这项技术的投资有限，这意味着资本可以更好地用于其他地方。 鉴于在沙漠地区需要耗水量大的工艺，如果没有考虑使用昂贵的海水淡化水、高能源成本以及对含水层的环境风险（这些采矿方法可能会导致含水层污染），这样的采矿计划可能不可行。 如果没有替代回收利用能源（REs）的方法，只有那些试图平衡商业动机与环境保护责任的全球法规，才可能是推动回收率提高的驱动力。 推荐 稀土的供应提供了新的和独特的挑战，需要在研究、政策和产业方面进行协调努力，以确保这些重要资源的稳定和可持续供应。这将通过以下 方式实现： 需要足够的投资来多元化新供应的来源。政府需要创造合适的环境来激励新项目的发展。明确能源转型的方向将支持及时的投资。 在新冠疫情和乌克兰战争之后，供应链韧性已成为国家风险管理中日益关键的一个方面。持续的市场脆弱性评估至关重要，而应对潜在的供应链中断或政府限制（如关税）则需依靠扩展供应路线和囤积选择来支持。 贯穿价值链的技术进步对于提高效率和减少浪费至关重要。开采、制造和回收流程中的创新应带来显