高風平,呂思一

(1.內蒙古科技大學 經濟與管理學院,內蒙古 包頭 014000;2.內蒙古自治區(qū)產業(yè)信息化與產業(yè)創(chuàng)新研究中心,內蒙古 包頭 014000)

0 引言

2020年,中國政府提出二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和(簡稱“雙碳”)。實現“雙碳”戰(zhàn)略目標,電力能源轉型是關鍵,打造新型電力系統(tǒng)是關鍵載體[1]。由化石能源主導的電力行業(yè)約占中國年二氧化碳排放總量的40%左右[2],擴大電力系統(tǒng)清潔能源占比對實現氣候目標和維護能源自主至關重要[3],但稀土等相關關鍵材料的供給壓力可能會阻礙清潔能源部署[4]。截止到2022年底,中國水電、風電和太陽能發(fā)電為主的清潔能源裝機占比約48%,其中風電裝機占比約14.25%,風力發(fā)電已經成為了中國第三大發(fā)電技術。從發(fā)展?jié)摿?、技術自主化、成本等角度來看,風力發(fā)電大有可為,據評估中國陸、?？砷_發(fā)風能資源超過1萬GW[5];從市場競爭角度來看,隨著目前國內主要裝機的風電機組關鍵部件已經實現全面國產化,陸上風電發(fā)電成本已低于火電,海上風電發(fā)電成本預計也將不斷下降,風力發(fā)電前景廣闊。

稀土元素共有17種,在風電應用領域,釹(Nd)、鏑(Dy)、鐠(Pr)、鋱(Tb)4種元素是關鍵元素,其主要用于永磁電機制造。為進一步降低風力發(fā)電成本,中國風機機組特別是在海上將會繼續(xù)延續(xù)大型化、高效化的發(fā)展趨勢[6],單機大功率風機對戰(zhàn)略稀土資源高度依賴。稀土可以大幅提升風力發(fā)電機磁體功率,在風機大型化發(fā)展趨勢下,永磁風機具有絕對優(yōu)勢[7]。另外用于超導風機的稀土釔(Y)預期在未來也有可能成為風電的關鍵元素。大規(guī)模應用導致了部分關鍵稀土元素相對稀缺,全球主要國家都提出對上述具有較高經濟價值元素進行回收或技術替代以緩解戰(zhàn)略資源供給壓力,但目前都尚處于起步階段,缺乏經濟可行性,回收率不足1%。

戰(zhàn)略稀土資源,在風電電機領域大規(guī)模生產應用將加速全球清潔能源轉型[8]。從技術層面看,不同類型的風機對稀土元素的需求量不同,面對電動汽車等稀土市場需求擠壓,有限的稀土關鍵元素供給,最終的風機裝機類型選擇需要技術路徑優(yōu)化和組合。傳統(tǒng)大型化風機在效率上不具備優(yōu)勢,但傳統(tǒng)渦輪機中不使用永磁體只有塔臺中需要少量的稀土元素;直驅永磁風機需消耗大量稀土,每裝機1GW的永磁直驅風機可能就需要大約500t的永磁體;半直驅永磁風機對永磁體的使用量雖然只有直驅型的10%左右,但也遠遠超過傳統(tǒng)風機的用量[9]。本文主要以中國風電產業(yè)為研究對象,探討中國風電發(fā)展在不同技術應用情景下對稀土的需求分析,并結合中國稀土供應能力分析中國風電產業(yè)結構,為中國風電稀土產業(yè)發(fā)展和能源轉型提供理論研究探索。

1 文獻綜述

氣候變化全球治理推進了世界能源轉型,非化石能源將成為主要能源,掌握能源新技術,有利于爭取到可持續(xù)發(fā)展的主動權。能源經濟學是一門以經濟學理論和方法為基礎,研究能源、資源開發(fā)與利用過程中的最優(yōu)配置的學科[10]。應對氣候變化和爭取2060年碳中和目標,清潔能源經濟將成為該學科研究的一個重點領域。其包括擴大清潔能源生產、提高能源效率、減少溫室氣體排放、廢物和污染、節(jié)約水和其他自然資源的研究[11]、清潔能源需求預測、能源結構分配、能源供給可持續(xù)性、 “雙碳”目標指引下清潔能源替代化石能源的成本問題等,這些研究需要結合在各種不同的技術當中進行成本的選擇和平衡[12]。

中國清潔能源包括水能、風能、太陽能、核能等,這些資源不僅綠色低碳,而且完全自主可控[13]。為實現“雙碳”目標,到2060年中國清潔低碳安全高效的能源體系將全面建立,水、核、風、光、電等非化石能源占比要達到80%以上[14],達成這一目標依賴于清潔能源的大規(guī)模發(fā)展。中國擁有豐富的風能、太陽能資源稟賦,能夠滿足清潔能源發(fā)展空間,相對于化石燃料的能源系統(tǒng),清潔能源技術驅動的能源系統(tǒng)建立需要關鍵礦產需求[15],風力渦輪機、太陽能光伏板、混合動力汽車電動機等關鍵部件高度依賴鈷、稀土元素等關鍵礦產,這些關鍵礦產的供給情況直接影響能源轉型進程,其供需狀態(tài)一直是全球主要經濟體產業(yè)安全政策的焦點問題。已有研究探討了關鍵礦產在清潔能源經濟中的作用和需求態(tài)勢[16],對具體的清潔能源技術的關鍵礦產需求風險進行核算并提出供需結構改進措施[17]。這些研究都認為關鍵礦產對清潔能源技術的廣泛部署至關重要,但其供應量增長難以匹配需求量增長,特別是以釹、鏑為代表的關鍵稀土元素。

在清潔能源技術研究中,風電機組中的風力渦輪機與稀土元素的關系密切。戰(zhàn)略稀土資源的供應可持續(xù)性將制約全球風電產業(yè)的發(fā)展。風電是清潔能源轉型戰(zhàn)略的重要支撐,其成本和可開發(fā)潛能的優(yōu)勢,被世界各國視作清潔能源轉型的重要一環(huán),中國、美國、歐盟等國家和地區(qū)都制定了自己的風能發(fā)展規(guī)劃藍圖。根據世界風能從業(yè)者所簽訂的《風能北京宣言》[18],中國為實現“雙碳”目標中國預計到2060年風電裝機總量將達到3 000GW以上,這需要包括稀土元素在內的大量關鍵礦產材料。清潔能源轉型對稀土特定元素的影響存在差異,傳統(tǒng)能源應用領域的稀土元素需求可能會降低,但針對清潔能源技術使用的稀土元素釹、鏑等將持續(xù)擴大需求。現有研究已經基于具體的氣候情景對世界[19]、區(qū)域[20]和個別國家[21]的風電裝機稀土需求進行核算,結果顯示在“碳中和”背景下風力發(fā)電將快速擴張,未來風電發(fā)展會導致稀土元素的全球供給短缺,該問題進而影響清潔能源轉型進程,為此,提出提高稀土材料效率和報廢稀土回收率等有效緩解措施。

風能利用不同風電機組對稀土元素的需求差異明顯,風電裝機的技術選擇會對最終的風電稀土需求產生巨大影響。當前學界針對風電產業(yè)的稀土需求研究,對主流風機根據是否使用永磁體進行區(qū)分,非永磁體風機在渦輪機中并不使用稀土,而基于永磁體風機不同類型,由于其不同的傳動形式對稀土的需求相差近10倍左右,隨著技術進步與替代未來可能出現的風機對稀土元素的需求可能更小。有部分學者對永磁直驅和永磁半直驅兩種機型在風電裝機中的份額變化對最終稀土需求的影響進行核算[22,23],但并沒有考慮到傳統(tǒng)機型的進步和新機型的出現對風電技術市場份額帶來的改變。也有研究針對當前和未來可能出現的電機都納入風電裝機技術情景分析其稀土元素需求[24,25],結果顯示在稀土元素供給受限的情況下傳統(tǒng)風機并不一定會完全被永磁電機所取代,并提出保留傳統(tǒng)風力渦輪機。這些研究的技術市場份額設置普遍依據美國能源部[26]、美國地質調查局[27]、歐盟[28]等機構發(fā)布的研究報告和相關學者研究文獻[29,30]中給出的數值,但隨著時間的推移,以及中國、美國清潔能源政策調整,如中國的風電電價補貼政策變動、美國的《通脹削減法案》等,這些早年的研究報告所設置的技術情景與當前風電技術發(fā)展形態(tài)相比研究參數存在較大差異。鑒于此,依據最新的風電市場狀態(tài)和未來發(fā)展動態(tài),對未來技術發(fā)展路徑多元選擇下中國風電產業(yè)對戰(zhàn)略稀土資源的依存度問題進行研究是必要的,同時本文還增加了稀土、風電對碳減排的討論。

2 研究方法與數據來源

為體現風電發(fā)展中的稀土材料需求,本文使用動態(tài)物質流分析方法對風電機組全生命周期的稀土使用情況進行動態(tài)跟蹤。物質流分析(MFA)是一種分析工具,可用于量化流量、庫存[31],是低碳技術材料需求領域的常用研究手段[32],已廣泛應用于風電發(fā)展的稀土需求研究。本文使用物質流分析軟件STAN,基于存量驅動(stock-drive)的動態(tài)物質流分析模型,根據6種風電機組的3種不同應用情景,結合其稀土需求(表1)對2008—2060年中國大陸(因數據統(tǒng)計原因,本文研究區(qū)域未包含我國臺灣地區(qū))境內5種稀土元素釹、鏑、鐠、鋱、釔在各情景下的存量進行分析,并預測在2023—2060年相對應的稀土元素未來需求量、報廢量。

表1 中國主要風力電機技術及其稀土需求

2.1 存量驅動模型

新安裝(流入)和退役(流出)風機容量,根據在用存量和壽命分布假設計算得出,inflowt和outflowt分別代表在t年新安裝和退役的風電裝機容量;stockt和stockt-1分別代表在t和t-1年中國風電裝機的存量;t0代表中國風電裝機開始的時間(2023年);Lt-T指風力發(fā)電機組的使用壽命分布,在t-T年后退役并進入回收流。計算公式如下:

inflowt=stockt-stockt-1+outflowt

(1)

(2)

(3)

(4)

不同型號的風力電機新裝機容量(inflowi,t)、退役量(outflowi,t),乘以對應的稀土元素含量(Cx),即可得到該機型的稀土元素需求量(di,x)、報廢量(oi,x),其中x為相對應的稀土元素(Nd、Dy、Pr、Tb、Y)。計算公式如下:

di,x=inflowi,t×Cx

(5)

oi,x=outflowi,t×Cx

(6)

風機中的稀土回收量(Ri,x)可通過不同機型的報廢風機量總的含稀土元素,乘以對應的回收率(rx)得到。各機型的裝機稀土元素需求量(di,x)減去回收得到的稀土元素量(Ri,x),得出該機型最終所需的稀土元素總量為(Di,x),加總各機型的需求總量得到中國風電裝機的各類稀土需求總量(Nx)。計算公式如下:

Ri,x=oi,x×rx

(7)

Di,x=di,x-Ri,x

(8)

(9)

2.2 裝機容量規(guī)劃遠景

中國風電發(fā)展自上世紀80年代開始但規(guī)模很小,直到2006年《可再生能源法》頒布才得以快速發(fā)展,2008年累計裝機容量首次突破10GW[34],因此歷史情景以2008年為基期。歷史情景考察2008—2022年間的中國風電裝機情況,其中假設2008年之前的裝機機型分配按照基年的風電技術市場份額進行,由于基年之前的裝機量很小(不足當前總量的2%),這種假設并不會對最終結果產生影響。2008—2022年間,中國風電裝機年復合增長率高達26.25%。截止到2022年底,風電累計吊裝量約為396.5GW,其中陸上風電裝機365.93 GW、海上風電裝機30.61GW,均為世界第一。

為實現“雙碳”目標,中國在2023—2060年風電裝機將快速擴張,根據全球風電行業(yè)從業(yè)者所提出的《風能北京宣言》,為實現碳中和目標,保障在“十四五”規(guī)劃期間年均新增在50GW 以上,2025 年后年均新增不低于60GW,確保到 2030 年裝機總容量至少達到800GW,到2060年實現至少裝機總容量3 000GW 的目標。陸、海風電裝機的形勢將發(fā)生轉變,海上風電的增長速度將遠超陸上風電,但總體裝機規(guī)模不會超過陸上風電。這歸因于中國風電場目前主要集中在風能資源豐富的“三北”地區(qū),但這些地區(qū)遠離主要用電區(qū),而海上風電場大多在近海,相較于陸上風電的遠距離輸電更具優(yōu)勢。海上的風力資源也更加平穩(wěn)、風速更快,風機利用效率相較于陸上要更高。同時考慮到當前風機大型化發(fā)展趨勢,陸海裝機的運輸能力差異更加彰顯海上風電裝機的優(yōu)勢。

未來裝機(2023—2060年)規(guī)模預測,以“雙碳”目標實現為基礎,結合“十四五”發(fā)展規(guī)劃和《風能北京宣言》,預設了“雙碳”目標實現下中國風電的裝機容量情景,簡稱“雙碳”情景(圖3)。在“雙碳”情景下,中國風電裝機總量在2030年將達到927.10GW,陸上裝機總量836.52GW、海上裝機總量90.58GW,2060年將達到3 001.90 GW(即inflow2023-2060=3 001.9),陸上裝機累計2 434.04GW、海上風電裝機567.86GW。

圖1 中國風電2008—2060年裝機情景(GW)

2.3 技術情景

2.3.1 風電技術發(fā)展現狀

根據是否使用永磁體可以將我國目前主流裝機的五種風電機組分為基于永磁體的風機和傳統(tǒng)風機兩大類,永磁同步直驅型(PMSG-DD)、永磁同步半直驅型(PMSG-HS、MS)為前者;雙饋異步型(DFIG)、鼠籠感應式(SFIG)、電勵磁直驅型(EESG-DD)為后者。除上述五種外,本文還將分析已經出現樣機但暫未投入市場的超導直驅風機(HTS-DD),相較于傳統(tǒng)風機HTS-DD可以在使用更少稀土元素的情況下解決未來大功率風機的設計問題[35]。中國目前陸上裝機總容量從大到小依次排列,分別為GDIF、PMSG-DD、PMSG-GB、SFIG、EESG-DD,其中前3種機型裝機量超過總量的90%以上。隨著風機大型化發(fā)展趨勢,近幾年的永磁風機裝機量明顯增加且將持續(xù)擴大。但若稀土難以供應風電裝機需求,傳統(tǒng)機型也可以成為永磁風機的重要補充[36,37]。

陸上與海上風電裝機由于其安裝環(huán)境的差異導致技術選擇的不同,海上裝機要求單機功率更大、可靠性與可維護性更好。在不考慮稀土可用性的前提下,直接驅動技術減少了渦輪機中額定值和易磨損部件的數量,使其更易于維護,因此在當前的海上風電裝機中PMSG-DD機型是首選。但隨著海上風電裝機補貼取消,PMSG-GB(高速、中速半直驅型的均值)機型憑借低成本、高可靠性和運輸便利性,成為海上裝機的新寵[38]。除上述兩大類外,目前已推出樣機的高溫超導電機(HTS-DD)與傳統(tǒng)電機和永磁電機相比可顯著提高功率密度[39],其一旦應用投產將在海上風電裝機中成為最佳選擇[40]。

這6種風機對稀土需求的差異明顯,其中DFIG與SFIG的情況完全相同,其渦輪機中并不使用永磁體,但在風機塔臺的內部需要一定量的釹和鏑用于內部固定裝置;PMSG-DD和PMSG-GB是兩款基于永磁體的機型,對稀土元素的需求量相較于其他機型要大得多,其中直驅機型遠高于使用齒輪箱的半直驅機型;HTS-DD因為是還未出現商業(yè)化應用的技術,其稀土需求量尚不明確,選取與其技術上最為接近的EESG-DD技術的稀土需求情況作為參考,同時因其使用超導材料所以還需要0.3 t/GW的稀土釔。

2.3.2 風電機組市場份額情景

雖然未來的技術發(fā)展路徑無法預測,但根據歷史數據和相關研究,在風機大型化、高效化發(fā)展趨勢下可以歸納出3種典型的未來技術情景(圖2),即基準情景、資源短缺情景和技術爆發(fā)情景?；鶞是榫笆且环N比較保守的觀點,其認為未來風機技術市場會按照當前的技術態(tài)勢繼續(xù)進行,資源短缺情景和技術爆發(fā)情景是兩種比較極端的觀點,前者認為稀土的可持續(xù)供應能力并不樂觀,在風電技術中去稀土化更能夠保障風電產業(yè)的順利發(fā)展;后者完全不考慮稀土的可用性,以發(fā)電效率和裝機成本為導向,將高性能、大容量風機作為未來技術的導向,快速增加單機容量。3種裝機情景的陸上風電裝機都不涉及HTS-DD機型、海上裝機都不涉及EESG-DD機型。

圖2 各技術情景下2023—2060年風電技術市場份額

基準情景,該情景被視作歷史情景的延續(xù),風力發(fā)電機將繼續(xù)延續(xù)輕量化、大型化的發(fā)展趨勢。在該情景下,陸上風電裝機中基于永磁體的風機預計會進一步搶占傳統(tǒng)風機市場,但DFIG機型由于其在小功率風機上的成本優(yōu)勢將仍舊保持一定的市場份額,SFIG、EESG-DD將完全退出陸上風電市場;海上渦輪機尺寸和容量不斷增加,傳統(tǒng)風機機組逐步退出市場,海上風電裝機將以基于永磁體的電機為主,但由于大機型下的成本優(yōu)勢PMSG-GB機型市場份額將高于PMSG-DD機型,基準情景下HTS-DD不進入風電裝機市場。

資源短缺情景,該情景預設未來稀土元素需求激增、價格暴漲,風力發(fā)電機需盡可能的避免對稀土元素的依賴。在該情景下,稀土供應缺口大,資源短缺情景中陸上環(huán)境中避免使用基于永磁體的電機,陸上風電裝機中SFIG、DFIG的市場份額將保持高位,EESG-DD逐步替代PMSG-DD的市場份額,基于永磁體的電機逐步退出市場;海上風電裝機中SFIG和DFIG技術將占據絕對優(yōu)勢,但基于永磁體的電機因為其在大功率風機上的優(yōu)越性仍舊保持一定的份額。對稀土元素的短缺,刺激超導風機的發(fā)展,以消除海上風機的稀土不足,HTS-DD在2030年便進入市場并占據部分市場份額,到2060年海上風電裝機將只有SFIG、DFIG和HTS-DD,其中DFIG占據大部分市場份額,SFIG和HTS-DD所占份額相當。

技術爆發(fā)情景,假設風電技術得到爆發(fā)式進步,風機單機容量快速增加到30 MW停止。在該情景下,陸上風電裝機中基于永磁體的電機快速取代傳統(tǒng)風機市場份額,到2030年傳統(tǒng)風機全部退出市場,半直驅技術到2040年左右反超直驅技術,成為陸上裝機最多的機型。海上風電裝機中HTS-DD技術2025年便進入市場,在2025年傳統(tǒng)風機便已完全退出海上風電市場,PMSG-GB技術反超PMSG-DD技術成為海上風電裝機最多的機型,HTS-DD市場份額快速增長擠占基于永磁體的風機,但基于永磁體的風機所占市場份額仍舊占據絕對優(yōu)勢,HTS-DD技術所占份額主要擠占PMSG-DD。

2.4 回收情景

報廢風機中的稀土元素具有很大的回收潛力,當前風電稀土元素的回收不足1%,如果能夠提高回收率,將極大的補充風電裝機的稀土需求缺口。在回收率(rx)問題上,設置3種技術情景即低水平回收情景、中水平回收情景和高水平回收情:低水平回收情景,按照當前風電稀土的實際回收情況設置,具體的元素回收率按照聯合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)所公布的《Recycling rates of metals: a status report》[42]而設置;中水平回收情景下,假設在該情景下電機中的稀土能夠實現當前技術手段下理論最高21%回收率[43];在高水平回收情景下,假設在該情景下回收技術取得突破式進展,在風電裝機中使用的稀土排除必要損耗能做到完全回收,回收率能夠達到100%。

2.5 數據來源

歷史數據(2008—2022年),中國風電吊裝容量數據來源于CWEA歷年中國風電吊裝容量統(tǒng)計簡報;2008—2018年裝機型號數據來源于《2018年中國風能產業(yè)地圖》,2019—2022年海上風電數據來源于4C offshore網站所公布的中國海上風電場數據,陸上風電裝機型號分配經歷年裝機數據和裝機商份額調查估算而來。風電電機的產品壽命數據來源于維斯塔斯(Vestas)公布的產品生命周期報告。

未來數據(2023—2060年),中國風電吊裝容量情景預設數據來源于《十四五現代能源規(guī)劃》《風能北京宣言》《世界風能報告2022》等;不同型號的風電電機裝機技術情景、稀土含量數據和風機報廢稀土回收率數據來源于文獻調研。

3 結果及情景分析

3.1 不同技術情景的風電稀土需求

在中國風電在“雙碳”情景裝機下,基準、資源短缺和技術爆發(fā)3種技術路線在2023—2060年對稀土的累計需求分別約為62.86萬t、11.06萬t和68.15萬t(圖3)。在基準情景中雖然仍舊保留了較少份額的傳統(tǒng)電機,但基于永磁體的電機得到了大面積裝機,特別是在海上風電裝機中,因此該情景下的海上風電裝機稀土需求為3種技術情景中最多的;資源短缺情景中風電裝機去稀土化,因此該情景下對稀土材料需求最少,但由于基于永磁體電機在海上風電大功率電機的優(yōu)越性能,其在超導風機投入市場之前仍舊無法拋棄,因此陸海風電裝機稀土需求是3種情景中最接近的;技術爆發(fā)情景下對稀土的累計需求最多,這歸因于永磁電機的大規(guī)模應用,并且逐步淘汰了傳統(tǒng)風機,海上風電方面,由于超導風機的進入替代了高稀土需求的永磁直驅市場份額,因此其海上風電裝機稀土需求相較于無未來技術介入的基準情景而言稀土需求反而同比減少了9.3%。

圖3 各技術情景下到2060年風電發(fā)展稀土累計需求(kt)

具體到稀土元素的需求(圖4),由于不同技術情景下所安裝的機型數量不同,不同的機型對稀土元素的消耗也不同,因此具有較大的差異?；鶞是榫跋?由于基于永磁體電機安裝占據大部分市場,需要較多的稀土金屬,由于基準情景下超導風機并未介入市場因此無金屬釔的需求;資源短缺情景為避免使用稀土材料,對稀土元素需求較少,由于超導風機在海上風電的優(yōu)越性和對稀土的低消耗量被大量裝機,因此在該請情景中對釔的需求要高于技術爆發(fā)情景;在技術爆發(fā)情景下,傳統(tǒng)機型逐漸完全退出市場,該情景下對稀土元素的需求除稀土釔之外是最多的。

圖4 各技術情景下稀土元素具體需求(kt)

圖5 2023—2060年中國風電產業(yè)稀土供需結構分析(kt)

3.2 回收對風電稀土需求的二次供給

在風力渦輪機達到使用壽命時,報廢風機稀土按3種回收情景進行回收,回收率分別為1%、21%和100%。在高回收(其他回收技術情景結果參照表2依比例變化)技術情景下,對3種風電技術情景下報廢風機稀土回收的二次供給分別達到總需求的33.5%、65.53%、36.69%。

表2 高回收技術情景下風電稀土報廢回收量

資源短缺技術情景下報廢稀土回收對最終需求的二次供給效果最為明顯,回收的稀土元素占總需求的65.53%,這主要是因為在該情景為“去稀土”情景,在該情景下對稀土元素的需求本身就是最少的,同時歷史裝機情景中永磁風機占據相當的份額,歷史裝機報廢時產生大量的可回收稀土,為該情景下的未來裝機提供了豐富的二次稀土供給。技術爆發(fā)情景下,回收的稀土元素占總需求的36.69%,是回收稀土元素量最多的情景,歸因于其在裝機技術市場份額中的“高稀土”存量,在超導風機投入市場后,其后續(xù)裝機中的稀土需求減少,且普遍未達到報廢年限,年報廢可回收稀土量大于年裝機稀土需求量?；鶞是榫跋?回收稀土占總需求的比例最少僅為33.5%,歸因于隨著時間的推移該技術情景下基于永磁體的機型裝機占比的增加,每年對稀土元素的需求越來越多,而報廢稀土的增加量不及需求量。

3.3 中國風電產業(yè)稀土供需結構分析

中國的稀土供應量主要取決于中國政府制定的稀土總量控制計劃,且輕重稀土供應差距巨大。當前國內稀土元素供應主要來自內蒙古白云鄂博礦、四川和山東氟碳鈰礦、南方離子吸附型稀土礦,具體的元素配比以日本《稀有金屬新聞》NO.2809給出的各礦種元素含量為準進行核算。2022年按照當年稀土總量控制計劃足額生產,中國大約可供給釹3.34萬t、鏑825.04t、鐠1.09萬t、鋱183.25t、釔4 775.41t。

本文參照過往研究文獻[44],設在2023—2060年間中國稀土供應最多25%左右可應用于風電產業(yè)。基于該假設在當前稀土供給能力下,以Dy為代表的中重稀土元素難以滿足中國風電在“雙碳”目標下的快速擴張,而以Pr為代表的輕稀土元素卻嚴重過剩,稀土元素間存在巨大的供需結構失衡。Pr、Y無論在何種技術情景下都不存在需求短缺,反而出現了較為嚴重的供給過剩;Nd存在輕微的供給短缺;基準和技術爆發(fā)情景對Dy、Tb的需求遠遠超過當前產能,其需求是當前稀土總體供給的2—4倍,風電稀土供給的8—16倍,即便是在需求量最小的資源短缺情景下,Dy仍舊處于需求遠高于風電稀土供給的情況。

鏑、鋱是最有可能限制中國風電產業(yè)發(fā)展的稀土元素,基于永磁體的風機市場份額增加是導致這兩種元素需求激增的最大原因。在稀土元素供給沒有出現大規(guī)模供給時,按照目前的永磁風機市場占有率延續(xù)裝機,稀土元素顯然難以滿足風電產業(yè)發(fā)展需要。傳統(tǒng)風機可以成為永磁風機的有效替代以保障能源安全,尤其是在陸上小功率領域傳統(tǒng)風機在成本上更具優(yōu)勢。超導風機投入市場后也可以減少海上永磁風機的使用,減緩釹、鏑、鋱的需求壓力。

稀土元素大多為伴生開采,難以剝離單一的元素進行生產。一般而言,輕稀土以Nd的需求量、中重稀土以Dy的需求量為參照進行開采生產。為滿足低碳技術領域稀土需求,當前用量極少的鑭、鈰等元素將大量過剩,所以簡單的增加生產總量,可能不僅不能解決當前存在的需求缺口,而且還會進一步加劇稀土元素間供需結構的失衡問題?；厥盏亩喂┙o可以在一定程度上緩解需求短缺情況,當風機報廢稀土回收率達到100%時,在所有技術情景下Nd基本都能夠實現供需平衡,基準和技術爆發(fā)情景下Dy、Tb的需求缺口也可以得到較大的緩解,資源短缺情景下的Dy供給短缺情況甚至直接可以得到解決,但回收也會進一步加大Pr、Y的供給過剩問題。

4 對“雙碳”問題的一些思考

4.1 稀土生產的碳排放核算

風力發(fā)電方式相較于傳統(tǒng)發(fā)電方式已經足夠低碳,其產生每千瓦時電量所排放的CO2平均約為24.9g,而火電的碳排為820g左右[45]。雖然風力發(fā)電本身不會對空氣和水造成污染,但它對環(huán)境的影響主要以間接排放為主,考慮到未來風電將大規(guī)模裝機,風機組全生命周期的溫室氣體排放需要得到重視。例如在風電機組的制造環(huán)節(jié)需要大量的高能耗、高污染材料,特別是稀土元素,稀土在開采冶煉環(huán)節(jié)中不僅會產生大量的溫室氣體,而且會產生其他環(huán)境影響[46]。無論在何種情景中的“雙碳”目標下,未來中國風電發(fā)展都需要大量的稀土元素支持,但稀土元素的生產過程會對環(huán)境造成較大的負面影響,在考慮制造環(huán)節(jié)的環(huán)境影響時是否會影響風力發(fā)電的減排預期呢?

表3根據2021年中國風力發(fā)電年利用小時數(2 246h)和有效利用率(96.69%)預測,在“雙碳”裝機遠景規(guī)劃下2023—2060年中國風力發(fā)電可以累計減少CO2排放約1 266.17億t(年均CO2減排33.32億t)。以中國包頭白云鄂博礦區(qū)稀土礦石生產稀土元素的過程為例,每產生1kg釹(由于各元素之間無法剝離,所以各元素生產的排放情況差異不大,所以以釹為代表進行討論)所排放的溫室氣體大概相當于98kg當量的CO2,這些排放主要集中在能源供給、化學材料和廢水處理等環(huán)節(jié)。即便在對稀土元素需求量最多的技術爆發(fā)情景下,2023—2060年中國風電應用的稀土元素累計排放CO2量也僅為6 678萬t左右(年均CO2排放175萬t左右),與風電所減排的CO2量相比僅占1/2 000左右,風電稀土的應用對其減排效果影響并不顯著。

表3 2023—2060年中國風電CO2減排量預測

4.2 稀土產業(yè)碳足跡管理仍需加強

風電產業(yè)作為低碳技術在中國“雙碳”目標實現過程中發(fā)揮著重要的作用,也為世界各國的氣候目標做出了突出貢獻,但其發(fā)展面對著越來越嚴峻的低碳政策環(huán)境,風電機組需要變得更加清潔低碳。隨著各國氣候目標的推進,產品生命周期碳排放的量化(即碳足跡)[47]的使用越來越普遍,它正在成為全新的貿易壁壘工具。單就風電產業(yè)來說,部分歐洲能源公司在舉行風機招標時已經明確要求供應商提供風機組的碳足跡信息,如果中國風電產業(yè)想在國際貿易中保持競爭力,就必須加強風機產品的碳足跡管理。風機碳足跡的管理重點在材料供應鏈,稀土供應鏈更是重中之重,稀土生產的本身對風電減排效果具有很強的正面貢獻,使用稀土可以大幅減少銅等高排放材料用量。隨著全球對碳排國際貿易政策的不斷收緊,歐盟、美國、英國等都在積極推進本國碳邊界調節(jié)機制(CBAM)的設立,針對進口產品征收碳關稅。

由于稀土的生產積極參與下游應用端的國際貿易,雖然風電稀土應用產生的排放量與其所實現的減排相比并不顯著,但是在全球貿易環(huán)境變化以及國內“雙碳”政策目標實現的背景下,稀土全產業(yè)鏈的低碳轉型具有政策緊迫性,同時也具有可實現性,提高清潔電力使用比例、實現各環(huán)節(jié)回收再利用被證明是較為有效的手段。以中國最大的稀土生產企業(yè)中國北方稀土為例,其所在的包頭被稱之為“稀土之都”,2022年獲得“世界綠色硅都”稱號,內蒙古正積極完成全球最大規(guī)?！吧掣昊摹憋L電光伏基地建設。相關綠電不僅可以增加該區(qū)域的產業(yè)能源成本優(yōu)勢,也可以增加企業(yè)綠電使用比例,滿足貿易新形勢下的“碳足跡”管理要求。

電力消耗是稀土供應鏈碳排放增加最主要的原因之一,使用水量、風能、太陽能、核能等清潔能源發(fā)電來取代化石能源發(fā)電能夠極大的減輕稀土元素生產對環(huán)境的影響。稀土生產各環(huán)節(jié)的電力消耗所產生的間接排放,導致溫室氣體和顆粒物大量排放。當前稀土生產所使用的電力來源基本還都是傳統(tǒng)技術發(fā)電,即火電,若能使用清潔能源發(fā)電(如風電、光電等)來取代火電,能夠在很大程度上減少碳排放量?；厥找矊⑹鞘癸L電變的更加清潔、綠色的重要一步,稀土元素回收再利用產生的污染排放相較于從礦石中直接生產稀土元素可以顯著地減輕對環(huán)境的影響,基于不同的回收工藝能夠比原始生產減少大約71%—84%對環(huán)境的損害[48]。根據上文結果在報廢產品100%可回收的情景下,在基準情景中預計到2060年可依靠回收減少21萬t的稀土元素需求,形成全生命周期稀土回收體系,不僅能夠緩解風電發(fā)展的稀土供給壓力,而且能夠減輕風電應用稀土所帶來的排放增加。

5 結論與建議

文章在“雙碳”背景下探索了3種風電技術市場份額情景,對2023—2060年中國風電產業(yè)發(fā)展中各稀土元素的需求狀況進行研究,結合當前中國稀土元素的供給能力檢驗了中國風電稀土的未來發(fā)展最優(yōu)技術選擇。若要如期實現“雙碳”目標,風電產業(yè)需要大量的稀土元素且各元素間存在較大差異,永磁體風機的市場占有率變化是導致稀土釹、鏑、鋱的需求在當前供給水平下難以滿足,特別是鏑和鋱元素。當關鍵資源稀土元素納入資源回收時,報廢風機稀土回收能帶來一定稀土元素供應補充,但回收的資源二次供給只能緩解并不能徹底解決供給短缺問題。

因此,中國風電產業(yè)面對上述稀土元素供需結構差異,需運用風電技術多樣性應對戰(zhàn)略資源需求問題。在大型化發(fā)展趨勢下,風力渦輪機技術將以永磁電機為主,稀土需求更高。在不能保證部分稀土元素供應的情況下,中國應保留傳統(tǒng)風機(電機不含稀土)的應用。從技術創(chuàng)新提高稀土資源利用效率的視角,中國需要加快對超導風機等一系列高性能未來風機的研發(fā)進程。此外,鑒于報廢風機回收的二次稀土資源供給,對風電產業(yè)稀土需求的改善作用,應當制定相關政策指引,加快構建風機全生命周期管理體系。在全球氣候合作方面,稀土應用對風電的減排效應貢獻顯著,然而稀土生產本身將面對下游出口越來越嚴格的國際貿易政策和規(guī)制,碳足跡管理將成為中國稀土加工生產與產業(yè)發(fā)展繞不開的問題,稀土產業(yè)需有序推進低碳轉型,如降低火電提高綠電配套。