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    未來氫能經濟所需的鉑金資源是否充足

    發布時間:2021-01-12 11:32

            鉑金為全球氫能經濟的發展作出了卓越貢獻:鉑金在質子交換膜燃料電池(PEMFC)應用中,不僅可以對氫氣進行催化反應來發電,而且還可以在該逆反應中利用電能對水進行催化分解來制氫。

            幾十年來,我們開采的鉑金被廣泛應用于各種化學催化劑、凈化柴油或汽油車輛尾氣的催化轉化器,以及鉑金首飾等等。鉑金在地表下的儲量中超過80%主要集中在南非,另外在津巴布韋、俄羅斯和加拿大也有一些鉑金資源。鉑金已在全球數億輛汽油和柴油汽車中的應用足以證明其礦產供應體系的優勢和穩健。
            不過,鉑金在制氫技術和燃料電池催化劑中的應用還沒有廣為人知,尤其是在未來氫能和燃料電池技術可能將會普及的情況下,人們對它的可用性和可承受性提出了質疑。此文的目的是為了討論即使該行業出現了一個高增長的情況下,鉑金的供應也不會成為氫能和燃料電池技術商業化發展的限制因素。我們將基于第三方研究咨詢機構“E4tech”的鉑金需求預測,對2020年至2030年的鉑金需求量進行分析,并將其與潛在供應量進行比較。

    一、氫能需求的推動因素有哪些?

            長期以來,氫氣一直被用作各種化學品和工業產品生產工藝的原料氣,但限制其廣泛應用的因素之一是它通常源自于化石燃料。隨著廉價而且廣泛可獲得的可再生能源的充分利用,再經過電解水工藝就可以生產出成本頗具競爭力的“綠氫”,因此這種情況正在改變。

    1.1交換膜電解水裝置

            使用鉑金催化劑的質子交換膜電解水裝置,是利用可再生能源制“綠氫”的首選方法。這是推動鉑金需求的第一個領域?!熬G氫”的可用性從根本上擴大了它的潛在用途。例如:

            1)氫氣可以用作烹飪和取暖的能源。只需對現有基礎設施進行最小程度的改變,就可以將該領域的一部分的天然氣需求轉換為氫氣,并提供了一個減少碳排放的解決方案。

    2)氫氣為高爐的煉焦煤提供了一種環境友好型的替代品,目前在世界各地已有了數個小規模的商業示范項目。

            3)氫氣還提供了一種能量儲存以供未來使用的方法,它可能是儲存太陽能等可再生能源產生的冗余能量的理想解決方案。目前已有數個國家在他們的國家電網系統中開始實施儲氫項目。

    1.2 燃料電池

            氫氣也可以作為一種能源用于燃料電池系統來發電。燃料電池系統的反應過程與制氫的正好相反,是從氫氣中釋放電能。這是氫能經濟中鉑金需求的第二個領域,因為大多數質子交換膜燃料電池中都含有鉑金催化劑。

    燃料電池有哪些用途呢?

            1) 燃料電池最廣為人知的應用是在交通領域。值得關注的是,燃料電池技術在叉車領域已經取得了相當大的成功,據估計,目前全世界已有超過3萬輛氫燃料電池叉車在運行。

            2)燃料電池技術已經在船舶和鐵路機車上有了小規模應用。航空器和非道路車輛方面也在進行試驗,例如已公布的世界上第一輛氫燃料電池重型礦用卡車項目,該卡車由英美鉑業與合作伙伴共同開發,并將于2021年在其Mogalakwena礦場進行試驗。

            3)不過,鑒于道路車輛的年產量約有1億輛,燃料電池的最大應用潛力還是在于為該領域的車輛提供動力。至今,市場上的氫燃料電池電動汽車FCEV(包括乘用車、公交車和卡車)的保有量已經達到了數萬輛。
    1.3制氫和燃料電池技術的潛在需求有多大?相對應的鉑金需求有多大?

            到底未來氫能經濟會發展到多大規模仍具有許多不確定性,所以分析師們對該行業的潛在需求也有了許多不同的看法。

            除了無法確定未來對制氫和燃料電池技術的需求量,我們也尚不確定一系列燃料電池應用場景下的鉑載量。對此,E4tech研究發布了一個需求范圍。根據E4tech提出的鉑載量上限,我們將為各種技術路線選取一個合理的使用量上限來進行分析。這種估算方法并不能提供準確的鉑金需求預測,但可以為該行業對鉑金可能的需求上限提供一個很好的參考。

            實際上鉑金需求可能會低于這個水平。燃料電池技術的更多應用可能意味著更大的研發支出,以及更好的控制鉑載量的能力,來實現行業對低鉑載量的最終目標。然而,這種方法能讓我們有信心回答來自市場的這一疑問:對于質子交換膜燃料電池或電解水制氫技術的應用推廣,鉑金供應可不可能是一個限制因素或約束。 

    二、氫燃料電池汽車行業的鉑金需求

            過去幾年,氫燃料電池汽車的銷量一直在快速增長,但其所占的市場份額仍然很小。不過越來越多的汽車廠商對該領域產生了興趣,一些國家的政府已經確定了未來十年氫燃料電池汽車的銷售目標,例如中國計劃到2033年左右擁有100萬輛氫燃料電池汽車,而日本的目標是80萬輛。

            至于在這十年里累計能銷售多少輛氫燃料電池汽車,各方預測結果不一。E4tech認為到2030年為止,較為合理的輕型燃料電池汽車的銷量上限累計為1000萬(如圖3所示)。據此估算,假設全球汽車的年銷量保持在1億輛左右,該預測數字相當于每年氫燃料電池汽車銷量約占當年輕型車銷量的1%左右。

            對鉑金的需求直接關系到燃料電池額定功率的等級和鉑載量,即每單位功率所需的鉑金用量。我們可以假設每輛車的平均功率為100 千瓦,這接近于目前國際上的氫燃料電池汽車(如豐田的Mirai和現代的Nexo)的功率水平。盡管有些中國汽車廠商生產過30~40千瓦電堆功率的氫燃料電池汽車,但我們認為特別是在未來汽車廠商不太依賴政府補貼的情況下,氫燃料電池汽車的技術發展可能傾向于使用更高的電堆功率。

            E4tech估計在2020至2030年期間,鉑載量的上限水平為0.26克/千瓦,因此每輛氫燃料電池汽車需要使用26克鉑金,那么該領域對鉑金的總需求量為260噸(830萬金衡制盎司,以下簡稱“盎司”)。

            重型汽車市場規模遠遠小于輕型汽車,全球的年銷量約為500萬輛。如果我們假設2020年至2030年全球將生產400萬輛氫燃料電池公交車輛和卡車、重型汽車的電堆平均功率為150千瓦(根據美國能源部的數據,典型的美國校車功率大致為150千瓦),然后同樣按照E4tech預估的0.26克/千瓦的鉑載量來計算,那么下一個十年內重型汽車市場對鉑金的總需求為80 噸(250萬盎司)。我們認為基于燃料電池技術的重型汽車比輕型汽車更可能提升其市場份額,因為城市公交和卡車的行駛路線比較固定,非常容易配套加氫基礎設施。

            作為參考,E4tech認為的最低鉑載量為0.09克/千瓦。如果是這樣的話,即實際鉑載量并非0.26克/千瓦,那么交通車輛對鉑金的需求僅略高于上述總量的三分之一。實際上,如果氫燃料電池汽車的銷售數量能夠達到E4tech所預估的水平,那么鉑載量更可能接近于0.09克/千瓦,這也更接近美國能源部早已確定的燃料電池鉑載量目標:0.125克/千瓦。 

    三、來自電解水制氫行業的鉑金需求

    3.1電解水制氫對鉑金的潛在需求還有更多的不確定性

            評估未來10年內電解槽的潛在市場規模是很棘手的,因為它與汽車不同的是,汽車除技術發展作為參考,目前一輛典型的柴油車排放系統中的鉑金含量為5~7克。

            即使銷售數量至少已有了充分的測,但電解槽市場發展的總體規模仍有很大的不確定性。然而,我們可以參考市場上的一些發展規劃。歐盟最近宣布了新的氫能戰略,重點發展的是可再生氫能。如上所述,目前“綠氫”的生產使用了質子交換膜電解水技術。該氫能戰略要求到2024年歐盟可再生電解水制氫發電能力達到6千兆瓦,到2030年達到4萬兆瓦。到2030年的全球需求上限估計可能是這個數字的5倍,即20萬兆瓦。

            鉑載量的多少也存在相當大的不確定性。一方面是因為技術還不夠先進,另一方面是因為人們缺乏對最終市場規模的了解,這就意味著企業可能會缺少信心來支持關于低鉑載量方向的研發投入。E4tech建議的鉑載量上限為0.13克/千瓦,下限為0.04克/千瓦。

            基于該估算,在鉑載量為0.13克/千瓦的情況下,20萬兆瓦的電解槽裝機容量對鉑金的累計需求將達到26噸,或80萬盎司。質子交換膜電解槽或燃料電池系統也許會使用一定數量的銥金,不過因涂覆量較少所以銥金的使用量將小得多。

    3.2 上述鉑金需求量與目前產量的對比情況

            表1為按技術分類的鉑載量估算表。根據我們的計算,在2020年至2030年期間,表1中三個領域累計的鉑金需求量最高可能達到440噸(1410萬盎司)。盡管在實際計算中,當汽車銷量處于預估的上限而鉑載量明顯會低很多時,這一累計數字很可能會低很多。

    按技術分類的鉑載量估算表

    用途

    E4tech鉑載量

    預測/(/千瓦)

    2020~2030

    總需求預測

    鉑金總需求

    預測()

    輕型汽車

    0.09~0.26

    1000萬輛

    90.2~258.1

    重型汽車

    0.09~0.26

    400萬輛

    52.9~155.5

    電解槽

    0.04~0.13

    200吉瓦容量

    9.3~24.9

    總計:



    152.1~438.5

            鉑金的供應主要有兩種來源。第一種是原礦生產,第二種是貴金屬回收。據莊信萬豐估計,2019年全球開采的鉑金產量約185噸(600萬盎司)。此外2019年從汽車和珠寶行業回收的鉑金約70噸(220萬盎司)。

            假設未來十年的開采量和回收量保持現有的水平,則2020至2030年期間鉑金的累計供應量可達到2500噸,或8200萬盎司。此供應量大約是上述來自電解水制氫和氫燃料電池汽車領域累計的鉑金需求量的6倍。

            雖然目前的鉑金總供應量可以輕松地滿足氫能行業對鉑金的需求(如圖4所示),但值得注意的是,其中大部分鉑金需求將代表額外的增量需求。電解水制氫行業是一個全新的需求來源,而汽車行業不是,目前除了少數汽車使用鉑催化劑(主要用在柴油車上),其余都使用鈀銠催化劑。根據其他鉑金需求與用途的變化,這可能會需要增加鉑礦的開采量。這里討論的增量需求應該不是問題,因為世界各地的鉑族金屬礦山項目很有可能因此被啟動。

    四、如果鉑金的總需求會增加,那么其供應增長從何而來?

            從更長遠的角度來看,是否有足夠的鉑金供應來滿足氫能經濟的大幅增長?當然,眾所周知的是地下的鉑金儲量遠遠超過了目前的開采量。

            早在格蘭特·考索恩[1]于2010年發表的一份詳細研究報告中指出:南非每年的鉑金開采量約為124噸或400萬盎司,當時已公布的南非礦業公司的鉑金總儲量就有4700至6200噸 (1.5億至2億盎司)(參考考索恩的原話:“足夠的信息顯示,這些都是有把握可以開采的礦體”),而第三方的研究專家們估計南非的鉑金儲量超過了31000噸 (10億盎司)(參考考索恩的原話:“這些都是既合理又現實的、有最終可開采前景的礦體”)。實際的鉑金儲量,即地質上存在的鉑金礦床將比預測的還要多,而且全球還有其他相當大的鉑金礦床。美國地質學會估計,鉑族金屬資源總量超過93000噸(30億盎司),而其中50%可能會是鉑金。

            即使每輛車使用E4tech提出的26克的鉑載量上限,31000噸或10億盎司的鉑金儲量已完全滿足超過10億輛氫燃料電池汽車的生產需求??紤]到中長期的鉑載量下限目標為每輛車9克,這個儲量水平實際上可能滿足超過30億輛氫燃料電池汽車的生產需求。由于輕型和重型汽車的年銷量才1億多輛,這意味著即使每年銷售的輕型汽車都是氫燃料電池汽車,這個儲量水平也完全滿足未來10年到30年全球汽車的生產需求。

            盡管在未來幾十年里,氫燃料電池汽車將會變得越來越重要,但也不可能達到100%的市場份額。畢竟還有好幾種并存的低排放發動機技術,它們很可能會與氫燃料電池汽車形成互補。因此,純電動汽車適合喜歡本地短途出行的車主,混合動力電動汽車適合喜歡油耗更低的內燃式汽車的車主,氫燃料電池汽車適合喜歡載重多或續航里程更長的零排放汽車的車主。

            并不是所有的鉑金都來自于原礦供應,也有部分來自于回收供應。目前,作為新興市場的電解水制氫和氫燃料電池行業中鉑金的累計用量還相對較少,這意味著氫能領域的鉑金回收量可以忽略不計。但隨著該領域內鉑金使用量的增加,經過一段時間后(一般輕型汽車的平均壽命約為14年),就像目前成熟的汽車催化劑回收業務一樣,也將成為鉑金的回收供應來源。
            綜上所述,我們就能理解鉑金資源顯然足以滿足氫能經濟的任何潛在需求。那么,最后一個問題是在氫能領域的鉑金回收量被實現之前,全球的采礦業能否足夠快地將鉑金開采出來。

            基于氫燃料電池汽車到2050年將占汽車總銷量的25%的應用場景,讓我們用一個簡單的潛在需求模型來解答這個問題,如圖4和圖5所示。按照E4tech咨詢公司提出的2020至2030年間的高增長場景,我們假設氫燃料電池汽車產量從2020年起穩步增長,到2050年其市場占有率將達到25%左右。我們還假設到2040年,每輛氫燃料電池汽車的鉑載量將從上限值0.26克/千瓦下降到下限值0.09克/千瓦的水平,并且(為了便于估算)輕型汽車使用的燃料電池堆功率為100千瓦;假設氫燃料電池汽車回收期限為14年左右,有時會有兩年的偏差;而且非燃料電池汽車的回收供應體系均保持穩定不變。

            我們發現來自氫燃料電池汽車的鉑金總需求量會穩步上升,到2050年將達到186噸(600萬盎司),但扣除回收供應后的鉑金的凈需求在2038年就達到了124噸(400萬盎司)的峰值水平,之后凈需求量隨著鉑金回收供應的增加而下降。在未來的30年時間里,來自所有終端應用的鉑金需求量累計為8000噸(2.7億盎司)。其中,來自氫燃料電池汽車的鉑金總需求量為3000噸(或9400萬盎司),扣除回收供應后的鉑金的凈需求量為2000噸(6500萬盎司)。在這個需求模型中,每年鉑金原礦的供應增長率需要逐漸增加到8%左右才能滿足氫燃料電池汽車行業的新增需求,但看起來這是一個可控的需求量。

            當然,上述需求的場景分析只是考慮了未來氫燃料電池汽車的產量、鉑載量和鉑金的回收率,但是還沒有考慮來自重型汽車的額外鉑金需求,以及本文中未作討論的其他燃料電池技術應用場景,譬如在接下來的幾十年里可能將發展起來的鐵路機車和航運船舶市場。

           盡管如此,上文的分析已經讓我們對氫能經濟的前景有了更加全面的認識,并有望減輕人們對鉑金供應的擔心,同時使我們相信:即使氫燃料電池汽車和電水解制氫行業成為了鉑金需求的關鍵來源,鉑金供應也不應該成為我們發展氫能經濟而擔憂的問題。

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