钕、镨、镝三种元素作为钕铁硼永磁体的关键原料，被大量用于风机中的发电转子结构。近年来，随着风电日益成为各国能源转型战略的重要部分，这些关键原料的供应及其与风电发展之间的关联，备受业内关注。
近日，山东大学蓝绿发展研究院联合中国科学院城市环境研究所、朝阳宏达机械清华大学、伦敦大学学院、上海交通大学和华中科技大学等国内外多家学术机构，在Cell子刊 One Earth上发表文章，针对不同气候目标下钕、镨、镝等稀土元素的资源供应与风电可持续发展需求的关系进行了最新研究。
研究发现，当前上述关键原料的产能已无法满足全球风力发电的需求，材料的循环利用、提高使用效率、扩大生产以及革新风机技术等，将在一定程度上缓解原料供应短缺的难题。
关键原材料需求或增长
山东大学博士生彭焜告诉《中国科学报》，钕、镨、镝是风机中常用的关键原材料，可以使得风力发电机的发电效率提升15%~30%，并且能够减少发电机组的体积，从而降低风电行业运行的维护成本。
不仅如此，使用这类元素的风机还具有优秀的电气性能，结构简单、稳定，极大地减少了维修频率，并且能够适应不同的发电工况，有利于风电的大规模发展。
据了解，钕、镨、镝总质量约占永磁铁质量的30%，其中钕元素含量最高，占永磁铁中其同族元素总添加量的70%以上。
国际能源署和国际风能协会预测，未来30年，全球风电行业对于钕、镨、镝三种金属的累计需求量约为46万~90万吨。而在当前的生产水平下，这三种金属未来30年内累计供应量只有63万吨。
“值得注意的是，新能源汽车、高铁、工业机器人等战略性新兴产业也需要大量此类元素。” 山东大学蓝绿发展研究院研究员李佳硕告诉记者，“目前产出的这些元素流向风电行业的比例约为10%，假设该比例不变，未来30年内钕、镨、镝同族元素的产能要扩张7~14倍，才能满足风电行业对此类重要元素的需求。受生产技术水平和环境保护政策的限制，这很难实现。”
当然，风电也可能面临其他原材料供应的限制。据悉，聚氯乙烯泡沫作为风电叶片的关键原材料，由于主产地意大利新冠肺炎疫情的加剧，导致供应链被打乱，这也对风电的发展造成影响。
“储量丰富”但非“产能充足”
中国科学院城市环境研究所汪鹏博士告诉《中国科学报》，全球钕、镨、镝等稀土元素储量较为丰富，并在世界范围内广泛分布，均高于目前的需求。但其生产供应的产能却十分有限。
虽然中国目前供应了全球近80%的稀土元素，但中国的储量也只有全球储量的36%。而且，这些元素在开采冶炼过程中会产生大量废水、废气以及放射性物质，对环境影响很大。出于环境保护和生产成本的压力，一些国家限制了对其的开采，低价从中国购置并储备稀土资源，增大了全球钕、镨、镝等元素供应的压力。
“从这个角度来讲，中国实际上是以消耗重要稀土资源和付出巨大环境治理成本为代价，给全球提供了物美价廉的原料，为全球的能源清洁化做出了重大贡献。”汪鹏说。
据汪鹏介绍，目前我国采用年度生产配额制度来规划这类元素的开采和冶炼分离总量。而在这类元素全球需求量不断上涨的趋势下，世界各国纷纷加强对其资源的勘查和开采力度，全球形成多元供应格局已定。比如，美国最近宣布对本国分离企业进行资金赞助，试图重建其稀土供应链。
李佳硕认为，虽然钕、镨、镝等元素全球储量丰富，但是全球供应要从“储量丰富”转为“产能充足”，还存在很多挑战。首先，这类元素的开采和生产对环境的影响较为严重，其生产过程的清洁化水平在很大程度上决定了供应水平。其次，国际贸易纠纷也对这类元素全球供应链的安全、稳定、可持续发展造成极大影响。
摆脱原料困局
彭焜提出，可以从稀土回收和替代的角度来减轻稀土产能压力。前提是一些技术难题和成本可以得到有效解决。
他表示，稀土在风机中属于微量添加金属，回收技术难度大，目前回收率不足1%，且回收成本高昂。而且，当前的稀土风机替代技术虽然在尽量摆脱对于稀土的依赖，但是这些技术的性能和经济性都远不如稀土风机技术，难以推广。
李佳硕认为，风电作为发展最快的一种可再生能源，清洁低碳，是落实气候变化行动、实现全球温控目标的重要手段。
目前风电行业除了面临重要元素供应短缺风险，还面临供电稳定性和电网消纳能力等问题。为此，国家出台了上网电价补贴、优化平价上网投资环境、全额收购等政策予以支持。
风电产业也被纳入了“十三五”规划。据汪鹏介绍，“十三五”规划设定的风电目标为，到2020年底，风电累计并网装机容量确保达到2.1亿千瓦。
李佳硕认为，未来风电作为重要的可再生能源，一方面，将会沿着当前的发展态势加速增长;另一方面，也会在空间上由陆地向海洋维度发展。
大力发展可再生能源，实现电力系统脱碳，被认为是应对气候变化的重要途径之一。研究人员期待，高速发展的风能产业摆脱原料困局，实现可持续发展。
