中国风电稀土应用及碳减排效应研究

高风平,吕思一

(1.内蒙古科技大学 经济与管理学院,内蒙古 包头 014000;2.内蒙古自治区产业信息化与产业创新研究中心,内蒙古 包头 014000)

0 引言

2020年,中国政府提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和(简称“双碳”)。实现“双碳”战略目标,电力能源转型是关键,打造新型电力系统是关键载体[1]。由化石能源主导的电力行业约占中国年二氧化碳排放总量的40%左右[2],扩大电力系统清洁能源占比对实现气候目标和维护能源自主至关重要[3],但稀土等相关关键材料的供给压力可能会阻碍清洁能源部署[4]。截止到2022年底,中国水电、风电和太阳能发电为主的清洁能源装机占比约48%,其中风电装机占比约14.25%,风力发电已经成为了中国第三大发电技术。从发展潜力、技术自主化、成本等角度来看,风力发电大有可为,据评估中国陆、海可开发风能资源超过1万GW[5];从市场竞争角度来看,随着目前国内主要装机的风电机组关键部件已经实现全面国产化,陆上风电发电成本已低于火电,海上风电发电成本预计也将不断下降,风力发电前景广阔。

稀土元素共有17种,在风电应用领域,钕(Nd)、镝(Dy)、镨(Pr)、铽(Tb)4种元素是关键元素,其主要用于永磁电机制造。为进一步降低风力发电成本,中国风机机组特别是在海上将会继续延续大型化、高效化的发展趋势[6],单机大功率风机对战略稀土资源高度依赖。稀土可以大幅提升风力发电机磁体功率,在风机大型化发展趋势下,永磁风机具有绝对优势[7]。另外用于超导风机的稀土钇(Y)预期在未来也有可能成为风电的关键元素。大规模应用导致了部分关键稀土元素相对稀缺,全球主要国家都提出对上述具有较高经济价值元素进行回收或技术替代以缓解战略资源供给压力,但目前都尚处于起步阶段,缺乏经济可行性,回收率不足1%。

战略稀土资源,在风电电机领域大规模生产应用将加速全球清洁能源转型[8]。从技术层面看,不同类型的风机对稀土元素的需求量不同,面对电动汽车等稀土市场需求挤压,有限的稀土关键元素供给,最终的风机装机类型选择需要技术路径优化和组合。传统大型化风机在效率上不具备优势,但传统涡轮机中不使用永磁体只有塔台中需要少量的稀土元素;直驱永磁风机需消耗大量稀土,每装机1GW的永磁直驱风机可能就需要大约500t的永磁体;半直驱永磁风机对永磁体的使用量虽然只有直驱型的10%左右,但也远远超过传统风机的用量[9]。本文主要以中国风电产业为研究对象,探讨中国风电发展在不同技术应用情景下对稀土的需求分析,并结合中国稀土供应能力分析中国风电产业结构,为中国风电稀土产业发展和能源转型提供理论研究探索。

1 文献综述

气候变化全球治理推进了世界能源转型,非化石能源将成为主要能源,掌握能源新技术,有利于争取到可持续发展的主动权。能源经济学是一门以经济学理论和方法为基础,研究能源、资源开发与利用过程中的最优配置的学科[10]。应对气候变化和争取2060年碳中和目标,清洁能源经济将成为该学科研究的一个重点领域。其包括扩大清洁能源生产、提高能源效率、减少温室气体排放、废物和污染、节约水和其他自然资源的研究[11]、清洁能源需求预测、能源结构分配、能源供给可持续性、 “双碳”目标指引下清洁能源替代化石能源的成本问题等,这些研究需要结合在各种不同的技术当中进行成本的选择和平衡[12]。

中国清洁能源包括水能、风能、太阳能、核能等,这些资源不仅绿色低碳,而且完全自主可控[13]。为实现“双碳”目标,到2060年中国清洁低碳安全高效的能源体系将全面建立,水、核、风、光、电等非化石能源占比要达到80%以上[14],达成这一目标依赖于清洁能源的大规模发展。中国拥有丰富的风能、太阳能资源禀赋,能够满足清洁能源发展空间,相对于化石燃料的能源系统,清洁能源技术驱动的能源系统建立需要关键矿产需求[15],风力涡轮机、太阳能光伏板、混合动力汽车电动机等关键部件高度依赖钴、稀土元素等关键矿产,这些关键矿产的供给情况直接影响能源转型进程,其供需状态一直是全球主要经济体产业安全政策的焦点问题。已有研究探讨了关键矿产在清洁能源经济中的作用和需求态势[16],对具体的清洁能源技术的关键矿产需求风险进行核算并提出供需结构改进措施[17]。这些研究都认为关键矿产对清洁能源技术的广泛部署至关重要,但其供应量增长难以匹配需求量增长,特别是以钕、镝为代表的关键稀土元素。

在清洁能源技术研究中,风电机组中的风力涡轮机与稀土元素的关系密切。战略稀土资源的供应可持续性将制约全球风电产业的发展。风电是清洁能源转型战略的重要支撑,其成本和可开发潜能的优势,被世界各国视作清洁能源转型的重要一环,中国、美国、欧盟等国家和地区都制定了自己的风能发展规划蓝图。根据世界风能从业者所签订的《风能北京宣言》[18],中国为实现“双碳”目标中国预计到2060年风电装机总量将达到3 000GW以上,这需要包括稀土元素在内的大量关键矿产材料。清洁能源转型对稀土特定元素的影响存在差异,传统能源应用领域的稀土元素需求可能会降低,但针对清洁能源技术使用的稀土元素钕、镝等将持续扩大需求。现有研究已经基于具体的气候情景对世界[19]、区域[20]和个别国家[21]的风电装机稀土需求进行核算,结果显示在“碳中和”背景下风力发电将快速扩张,未来风电发展会导致稀土元素的全球供给短缺,该问题进而影响清洁能源转型进程,为此,提出提高稀土材料效率和报废稀土回收率等有效缓解措施。

风能利用不同风电机组对稀土元素的需求差异明显,风电装机的技术选择会对最终的风电稀土需求产生巨大影响。当前学界针对风电产业的稀土需求研究,对主流风机根据是否使用永磁体进行区分,非永磁体风机在涡轮机中并不使用稀土,而基于永磁体风机不同类型,由于其不同的传动形式对稀土的需求相差近10倍左右,随着技术进步与替代未来可能出现的风机对稀土元素的需求可能更小。有部分学者对永磁直驱和永磁半直驱两种机型在风电装机中的份额变化对最终稀土需求的影响进行核算[22,23],但并没有考虑到传统机型的进步和新机型的出现对风电技术市场份额带来的改变。也有研究针对当前和未来可能出现的电机都纳入风电装机技术情景分析其稀土元素需求[24,25],结果显示在稀土元素供给受限的情况下传统风机并不一定会完全被永磁电机所取代,并提出保留传统风力涡轮机。这些研究的技术市场份额设置普遍依据美国能源部[26]、美国地质调查局[27]、欧盟[28]等机构发布的研究报告和相关学者研究文献[29,30]中给出的数值,但随着时间的推移,以及中国、美国清洁能源政策调整,如中国的风电电价补贴政策变动、美国的《通胀削减法案》等,这些早年的研究报告所设置的技术情景与当前风电技术发展形态相比研究参数存在较大差异。鉴于此,依据最新的风电市场状态和未来发展动态,对未来技术发展路径多元选择下中国风电产业对战略稀土资源的依存度问题进行研究是必要的,同时本文还增加了稀土、风电对碳减排的讨论。

2 研究方法与数据来源

为体现风电发展中的稀土材料需求,本文使用动态物质流分析方法对风电机组全生命周期的稀土使用情况进行动态跟踪。物质流分析(MFA)是一种分析工具,可用于量化流量、库存[31],是低碳技术材料需求领域的常用研究手段[32],已广泛应用于风电发展的稀土需求研究。本文使用物质流分析软件STAN,基于存量驱动(stock-drive)的动态物质流分析模型,根据6种风电机组的3种不同应用情景,结合其稀土需求(表1)对2008—2060年中国大陆(因数据统计原因,本文研究区域未包含我国台湾地区)境内5种稀土元素钕、镝、镨、铽、钇在各情景下的存量进行分析,并预测在2023—2060年相对应的稀土元素未来需求量、报废量。

表1 中国主要风力电机技术及其稀土需求

2.1 存量驱动模型

新安装(流入)和退役(流出)风机容量,根据在用存量和寿命分布假设计算得出,inflowt和outflowt分别代表在t年新安装和退役的风电装机容量;stockt和stockt-1分别代表在t和t-1年中国风电装机的存量;t0代表中国风电装机开始的时间(2023年);Lt-T指风力发电机组的使用寿命分布,在t-T年后退役并进入回收流。计算公式如下:

inflowt=stockt-stockt-1+outflowt

(1)

(2)

(3)

(4)

不同型号的风力电机新装机容量(inflowi,t)、退役量(outflowi,t),乘以对应的稀土元素含量(Cx),即可得到该机型的稀土元素需求量(di,x)、报废量(oi,x),其中x为相对应的稀土元素(Nd、Dy、Pr、Tb、Y)。计算公式如下:

di,x=inflowi,t×Cx

(5)

oi,x=outflowi,t×Cx

(6)

风机中的稀土回收量(Ri,x)可通过不同机型的报废风机量总的含稀土元素,乘以对应的回收率(rx)得到。各机型的装机稀土元素需求量(di,x)减去回收得到的稀土元素量(Ri,x),得出该机型最终所需的稀土元素总量为(Di,x),加总各机型的需求总量得到中国风电装机的各类稀土需求总量(Nx)。计算公式如下:

Ri,x=oi,x×rx

(7)

Di,x=di,x-Ri,x

(8)

(9)

2.2 装机容量规划远景

中国风电发展自上世纪80年代开始但规模很小,直到2006年《可再生能源法》颁布才得以快速发展,2008年累计装机容量首次突破10GW[34],因此历史情景以2008年为基期。历史情景考察2008—2022年间的中国风电装机情况,其中假设2008年之前的装机机型分配按照基年的风电技术市场份额进行,由于基年之前的装机量很小(不足当前总量的2%),这种假设并不会对最终结果产生影响。2008—2022年间,中国风电装机年复合增长率高达26.25%。截止到2022年底,风电累计吊装量约为396.5GW,其中陆上风电装机365.93 GW、海上风电装机30.61GW,均为世界第一。

为实现“双碳”目标,中国在2023—2060年风电装机将快速扩张,根据全球风电行业从业者所提出的《风能北京宣言》,为实现碳中和目标,保障在“十四五”规划期间年均新增在50GW 以上,2025 年后年均新增不低于60GW,确保到 2030 年装机总容量至少达到800GW,到2060年实现至少装机总容量3 000GW 的目标。陆、海风电装机的形势将发生转变,海上风电的增长速度将远超陆上风电,但总体装机规模不会超过陆上风电。这归因于中国风电场目前主要集中在风能资源丰富的“三北”地区,但这些地区远离主要用电区,而海上风电场大多在近海,相较于陆上风电的远距离输电更具优势。海上的风力资源也更加平稳、风速更快,风机利用效率相较于陆上要更高。同时考虑到当前风机大型化发展趋势,陆海装机的运输能力差异更加彰显海上风电装机的优势。

未来装机(2023—2060年)规模预测,以“双碳”目标实现为基础,结合“十四五”发展规划和《风能北京宣言》,预设了“双碳”目标实现下中国风电的装机容量情景,简称“双碳”情景(图3)。在“双碳”情景下,中国风电装机总量在2030年将达到927.10GW,陆上装机总量836.52GW、海上装机总量90.58GW,2060年将达到3 001.90 GW(即inflow2023-2060=3 001.9),陆上装机累计2 434.04GW、海上风电装机567.86GW。

图1 中国风电2008—2060年装机情景(GW)

2.3 技术情景

2.3.1 风电技术发展现状

根据是否使用永磁体可以将我国目前主流装机的五种风电机组分为基于永磁体的风机和传统风机两大类,永磁同步直驱型(PMSG-DD)、永磁同步半直驱型(PMSG-HS、MS)为前者;双馈异步型(DFIG)、鼠笼感应式(SFIG)、电励磁直驱型(EESG-DD)为后者。除上述五种外,本文还将分析已经出现样机但暂未投入市场的超导直驱风机(HTS-DD),相较于传统风机HTS-DD可以在使用更少稀土元素的情况下解决未来大功率风机的设计问题[35]。中国目前陆上装机总容量从大到小依次排列,分别为GDIF、PMSG-DD、PMSG-GB、SFIG、EESG-DD,其中前3种机型装机量超过总量的90%以上。随着风机大型化发展趋势,近几年的永磁风机装机量明显增加且将持续扩大。但若稀土难以供应风电装机需求,传统机型也可以成为永磁风机的重要补充[36,37]。

陆上与海上风电装机由于其安装环境的差异导致技术选择的不同,海上装机要求单机功率更大、可靠性与可维护性更好。在不考虑稀土可用性的前提下,直接驱动技术减少了涡轮机中额定值和易磨损部件的数量,使其更易于维护,因此在当前的海上风电装机中PMSG-DD机型是首选。但随着海上风电装机补贴取消,PMSG-GB(高速、中速半直驱型的均值)机型凭借低成本、高可靠性和运输便利性,成为海上装机的新宠[38]。除上述两大类外,目前已推出样机的高温超导电机(HTS-DD)与传统电机和永磁电机相比可显著提高功率密度[39],其一旦应用投产将在海上风电装机中成为最佳选择[40]。

这6种风机对稀土需求的差异明显,其中DFIG与SFIG的情况完全相同,其涡轮机中并不使用永磁体,但在风机塔台的内部需要一定量的钕和镝用于内部固定装置;PMSG-DD和PMSG-GB是两款基于永磁体的机型,对稀土元素的需求量相较于其他机型要大得多,其中直驱机型远高于使用齿轮箱的半直驱机型;HTS-DD因为是还未出现商业化应用的技术,其稀土需求量尚不明确,选取与其技术上最为接近的EESG-DD技术的稀土需求情况作为参考,同时因其使用超导材料所以还需要0.3 t/GW的稀土钇。

2.3.2 风电机组市场份额情景

虽然未来的技术发展路径无法预测,但根据历史数据和相关研究,在风机大型化、高效化发展趋势下可以归纳出3种典型的未来技术情景(图2),即基准情景、资源短缺情景和技术爆发情景。基准情景是一种比较保守的观点,其认为未来风机技术市场会按照当前的技术态势继续进行,资源短缺情景和技术爆发情景是两种比较极端的观点,前者认为稀土的可持续供应能力并不乐观,在风电技术中去稀土化更能够保障风电产业的顺利发展;后者完全不考虑稀土的可用性,以发电效率和装机成本为导向,将高性能、大容量风机作为未来技术的导向,快速增加单机容量。3种装机情景的陆上风电装机都不涉及HTS-DD机型、海上装机都不涉及EESG-DD机型。

图2 各技术情景下2023—2060年风电技术市场份额

基准情景,该情景被视作历史情景的延续,风力发电机将继续延续轻量化、大型化的发展趋势。在该情景下,陆上风电装机中基于永磁体的风机预计会进一步抢占传统风机市场,但DFIG机型由于其在小功率风机上的成本优势将仍旧保持一定的市场份额,SFIG、EESG-DD将完全退出陆上风电市场;海上涡轮机尺寸和容量不断增加,传统风机机组逐步退出市场,海上风电装机将以基于永磁体的电机为主,但由于大机型下的成本优势PMSG-GB机型市场份额将高于PMSG-DD机型,基准情景下HTS-DD不进入风电装机市场。

资源短缺情景,该情景预设未来稀土元素需求激增、价格暴涨,风力发电机需尽可能的避免对稀土元素的依赖。在该情景下,稀土供应缺口大,资源短缺情景中陆上环境中避免使用基于永磁体的电机,陆上风电装机中SFIG、DFIG的市场份额将保持高位,EESG-DD逐步替代PMSG-DD的市场份额,基于永磁体的电机逐步退出市场;海上风电装机中SFIG和DFIG技术将占据绝对优势,但基于永磁体的电机因为其在大功率风机上的优越性仍旧保持一定的份额。对稀土元素的短缺,刺激超导风机的发展,以消除海上风机的稀土不足,HTS-DD在2030年便进入市场并占据部分市场份额,到2060年海上风电装机将只有SFIG、DFIG和HTS-DD,其中DFIG占据大部分市场份额,SFIG和HTS-DD所占份额相当。

技术爆发情景,假设风电技术得到爆发式进步,风机单机容量快速增加到30 MW停止。在该情景下,陆上风电装机中基于永磁体的电机快速取代传统风机市场份额,到2030年传统风机全部退出市场,半直驱技术到2040年左右反超直驱技术,成为陆上装机最多的机型。海上风电装机中HTS-DD技术2025年便进入市场,在2025年传统风机便已完全退出海上风电市场,PMSG-GB技术反超PMSG-DD技术成为海上风电装机最多的机型,HTS-DD市场份额快速增长挤占基于永磁体的风机,但基于永磁体的风机所占市场份额仍旧占据绝对优势,HTS-DD技术所占份额主要挤占PMSG-DD。

2.4 回收情景

报废风机中的稀土元素具有很大的回收潜力,当前风电稀土元素的回收不足1%,如果能够提高回收率,将极大的补充风电装机的稀土需求缺口。在回收率(rx)问题上,设置3种技术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,按照当前风电稀土的实际回收情况设置,具体的元素回收率按照联合国环境规划署(UNEP)所公布的《Recycling rates of metals: a status report》[42]而设置;中水平回收情景下,假设在该情景下电机中的稀土能够实现当前技术手段下理论最高21%回收率[43];在高水平回收情景下,假设在该情景下回收技术取得突破式进展,在风电装机中使用的稀土排除必要损耗能做到完全回收,回收率能够达到100%。

2.5 数据来源

历史数据(2008—2022年),中国风电吊装容量数据来源于CWEA历年中国风电吊装容量统计简报;2008—2018年装机型号数据来源于《2018年中国风能产业地图》,2019—2022年海上风电数据来源于4C offshore网站所公布的中国海上风电场数据,陆上风电装机型号分配经历年装机数据和装机商份额调查估算而来。风电电机的产品寿命数据来源于维斯塔斯(Vestas)公布的产品生命周期报告。

未来数据(2023—2060年),中国风电吊装容量情景预设数据来源于《十四五现代能源规划》《风能北京宣言》《世界风能报告2022》等;不同型号的风电电机装机技术情景、稀土含量数据和风机报废稀土回收率数据来源于文献调研。

3 结果及情景分析

3.1 不同技术情景的风电稀土需求

在中国风电在“双碳”情景装机下,基准、资源短缺和技术爆发3种技术路线在2023—2060年对稀土的累计需求分别约为62.86万t、11.06万t和68.15万t(图3)。在基准情景中虽然仍旧保留了较少份额的传统电机,但基于永磁体的电机得到了大面积装机,特别是在海上风电装机中,因此该情景下的海上风电装机稀土需求为3种技术情景中最多的;资源短缺情景中风电装机去稀土化,因此该情景下对稀土材料需求最少,但由于基于永磁体电机在海上风电大功率电机的优越性能,其在超导风机投入市场之前仍旧无法抛弃,因此陆海风电装机稀土需求是3种情景中最接近的;技术爆发情景下对稀土的累计需求最多,这归因于永磁电机的大规模应用,并且逐步淘汰了传统风机,海上风电方面,由于超导风机的进入替代了高稀土需求的永磁直驱市场份额,因此其海上风电装机稀土需求相较于无未来技术介入的基准情景而言稀土需求反而同比减少了9.3%。

图3 各技术情景下到2060年风电发展稀土累计需求(kt)

具体到稀土元素的需求(图4),由于不同技术情景下所安装的机型数量不同,不同的机型对稀土元素的消耗也不同,因此具有较大的差异。基准情景下,由于基于永磁体电机安装占据大部分市场,需要较多的稀土金属,由于基准情景下超导风机并未介入市场因此无金属钇的需求;资源短缺情景为避免使用稀土材料,对稀土元素需求较少,由于超导风机在海上风电的优越性和对稀土的低消耗量被大量装机,因此在该请情景中对钇的需求要高于技术爆发情景;在技术爆发情景下,传统机型逐渐完全退出市场,该情景下对稀土元素的需求除稀土钇之外是最多的。

图4 各技术情景下稀土元素具体需求(kt)

图5 2023—2060年中国风电产业稀土供需结构分析(kt)

3.2 回收对风电稀土需求的二次供给

在风力涡轮机达到使用寿命时,报废风机稀土按3种回收情景进行回收,回收率分别为1%、21%和100%。在高回收(其他回收技术情景结果参照表2依比例变化)技术情景下,对3种风电技术情景下报废风机稀土回收的二次供给分别达到总需求的33.5%、65.53%、36.69%。

表2 高回收技术情景下风电稀土报废回收量

资源短缺技术情景下报废稀土回收对最终需求的二次供给效果最为明显,回收的稀土元素占总需求的65.53%,这主要是因为在该情景为“去稀土”情景,在该情景下对稀土元素的需求本身就是最少的,同时历史装机情景中永磁风机占据相当的份额,历史装机报废时产生大量的可回收稀土,为该情景下的未来装机提供了丰富的二次稀土供给。技术爆发情景下,回收的稀土元素占总需求的36.69%,是回收稀土元素量最多的情景,归因于其在装机技术市场份额中的“高稀土”存量,在超导风机投入市场后,其后续装机中的稀土需求减少,且普遍未达到报废年限,年报废可回收稀土量大于年装机稀土需求量。基准情景下,回收稀土占总需求的比例最少仅为33.5%,归因于随着时间的推移该技术情景下基于永磁体的机型装机占比的增加,每年对稀土元素的需求越来越多,而报废稀土的增加量不及需求量。

3.3 中国风电产业稀土供需结构分析

中国的稀土供应量主要取决于中国政府制定的稀土总量控制计划,且轻重稀土供应差距巨大。当前国内稀土元素供应主要来自内蒙古白云鄂博矿、四川和山东氟碳铈矿、南方离子吸附型稀土矿,具体的元素配比以日本《稀有金属新闻》NO.2809给出的各矿种元素含量为准进行核算。2022年按照当年稀土总量控制计划足额生产,中国大约可供给钕3.34万t、镝825.04t、镨1.09万t、铽183.25t、钇4 775.41t。

本文参照过往研究文献[44],设在2023—2060年间中国稀土供应最多25%左右可应用于风电产业。基于该假设在当前稀土供给能力下,以Dy为代表的中重稀土元素难以满足中国风电在“双碳”目标下的快速扩张,而以Pr为代表的轻稀土元素却严重过剩,稀土元素间存在巨大的供需结构失衡。Pr、Y无论在何种技术情景下都不存在需求短缺,反而出现了较为严重的供给过剩;Nd存在轻微的供给短缺;基准和技术爆发情景对Dy、Tb的需求远远超过当前产能,其需求是当前稀土总体供给的2—4倍,风电稀土供给的8—16倍,即便是在需求量最小的资源短缺情景下,Dy仍旧处于需求远高于风电稀土供给的情况。

镝、铽是最有可能限制中国风电产业发展的稀土元素,基于永磁体的风机市场份额增加是导致这两种元素需求激增的最大原因。在稀土元素供给没有出现大规模供给时,按照目前的永磁风机市场占有率延续装机,稀土元素显然难以满足风电产业发展需要。传统风机可以成为永磁风机的有效替代以保障能源安全,尤其是在陆上小功率领域传统风机在成本上更具优势。超导风机投入市场后也可以减少海上永磁风机的使用,减缓钕、镝、铽的需求压力。

稀土元素大多为伴生开采,难以剥离单一的元素进行生产。一般而言,轻稀土以Nd的需求量、中重稀土以Dy的需求量为参照进行开采生产。为满足低碳技术领域稀土需求,当前用量极少的镧、铈等元素将大量过剩,所以简单的增加生产总量,可能不仅不能解决当前存在的需求缺口,而且还会进一步加剧稀土元素间供需结构的失衡问题。回收的二次供给可以在一定程度上缓解需求短缺情况,当风机报废稀土回收率达到100%时,在所有技术情景下Nd基本都能够实现供需平衡,基准和技术爆发情景下Dy、Tb的需求缺口也可以得到较大的缓解,资源短缺情景下的Dy供给短缺情况甚至直接可以得到解决,但回收也会进一步加大Pr、Y的供给过剩问题。

4 对“双碳”问题的一些思考

4.1 稀土生产的碳排放核算

风力发电方式相较于传统发电方式已经足够低碳,其产生每千瓦时电量所排放的CO2平均约为24.9g,而火电的碳排为820g左右[45]。虽然风力发电本身不会对空气和水造成污染,但它对环境的影响主要以间接排放为主,考虑到未来风电将大规模装机,风机组全生命周期的温室气体排放需要得到重视。例如在风电机组的制造环节需要大量的高能耗、高污染材料,特别是稀土元素,稀土在开采冶炼环节中不仅会产生大量的温室气体,而且会产生其他环境影响[46]。无论在何种情景中的“双碳”目标下,未来中国风电发展都需要大量的稀土元素支持,但稀土元素的生产过程会对环境造成较大的负面影响,在考虑制造环节的环境影响时是否会影响风力发电的减排预期呢?

表3根据2021年中国风力发电年利用小时数(2 246h)和有效利用率(96.69%)预测,在“双碳”装机远景规划下2023—2060年中国风力发电可以累计减少CO2排放约1 266.17亿t(年均CO2减排33.32亿t)。以中国包头白云鄂博矿区稀土矿石生产稀土元素的过程为例,每产生1kg钕(由于各元素之间无法剥离,所以各元素生产的排放情况差异不大,所以以钕为代表进行讨论)所排放的温室气体大概相当于98kg当量的CO2,这些排放主要集中在能源供给、化学材料和废水处理等环节。即便在对稀土元素需求量最多的技术爆发情景下,2023—2060年中国风电应用的稀土元素累计排放CO2量也仅为6 678万t左右(年均CO2排放175万t左右),与风电所减排的CO2量相比仅占1/2 000左右,风电稀土的应用对其减排效果影响并不显著。

表3 2023—2060年中国风电CO2减排量预测

4.2 稀土产业碳足迹管理仍需加强

风电产业作为低碳技术在中国“双碳”目标实现过程中发挥着重要的作用,也为世界各国的气候目标做出了突出贡献,但其发展面对着越来越严峻的低碳政策环境,风电机组需要变得更加清洁低碳。随着各国气候目标的推进,产品生命周期碳排放的量化(即碳足迹)[47]的使用越来越普遍,它正在成为全新的贸易壁垒工具。单就风电产业来说,部分欧洲能源公司在举行风机招标时已经明确要求供应商提供风机组的碳足迹信息,如果中国风电产业想在国际贸易中保持竞争力,就必须加强风机产品的碳足迹管理。风机碳足迹的管理重点在材料供应链,稀土供应链更是重中之重,稀土生产的本身对风电减排效果具有很强的正面贡献,使用稀土可以大幅减少铜等高排放材料用量。随着全球对碳排国际贸易政策的不断收紧,欧盟、美国、英国等都在积极推进本国碳边界调节机制(CBAM)的设立,针对进口产品征收碳关税。

由于稀土的生产积极参与下游应用端的国际贸易,虽然风电稀土应用产生的排放量与其所实现的减排相比并不显著,但是在全球贸易环境变化以及国内“双碳”政策目标实现的背景下,稀土全产业链的低碳转型具有政策紧迫性,同时也具有可实现性,提高清洁电力使用比例、实现各环节回收再利用被证明是较为有效的手段。以中国最大的稀土生产企业中国北方稀土为例,其所在的包头被称之为“稀土之都”,2022年获得“世界绿色硅都”称号,内蒙古正积极完成全球最大规模“沙戈荒”风电光伏基地建设。相关绿电不仅可以增加该区域的产业能源成本优势,也可以增加企业绿电使用比例,满足贸易新形势下的“碳足迹”管理要求。

电力消耗是稀土供应链碳排放增加最主要的原因之一,使用水量、风能、太阳能、核能等清洁能源发电来取代化石能源发电能够极大的减轻稀土元素生产对环境的影响。稀土生产各环节的电力消耗所产生的间接排放,导致温室气体和颗粒物大量排放。当前稀土生产所使用的电力来源基本还都是传统技术发电,即火电,若能使用清洁能源发电(如风电、光电等)来取代火电,能够在很大程度上减少碳排放量。回收也将是使风电变的更加清洁、绿色的重要一步,稀土元素回收再利用产生的污染排放相较于从矿石中直接生产稀土元素可以显著地减轻对环境的影响,基于不同的回收工艺能够比原始生产减少大约71%—84%对环境的损害[48]。根据上文结果在报废产品100%可回收的情景下,在基准情景中预计到2060年可依靠回收减少21万t的稀土元素需求,形成全生命周期稀土回收体系,不仅能够缓解风电发展的稀土供给压力,而且能够减轻风电应用稀土所带来的排放增加。

5 结论与建议

文章在“双碳”背景下探索了3种风电技术市场份额情景,对2023—2060年中国风电产业发展中各稀土元素的需求状况进行研究,结合当前中国稀土元素的供给能力检验了中国风电稀土的未来发展最优技术选择。若要如期实现“双碳”目标,风电产业需要大量的稀土元素且各元素间存在较大差异,永磁体风机的市场占有率变化是导致稀土钕、镝、铽的需求在当前供给水平下难以满足,特别是镝和铽元素。当关键资源稀土元素纳入资源回收时,报废风机稀土回收能带来一定稀土元素供应补充,但回收的资源二次供给只能缓解并不能彻底解决供给短缺问题。

因此,中国风电产业面对上述稀土元素供需结构差异,需运用风电技术多样性应对战略资源需求问题。在大型化发展趋势下,风力涡轮机技术将以永磁电机为主,稀土需求更高。在不能保证部分稀土元素供应的情况下,中国应保留传统风机(电机不含稀土)的应用。从技术创新提高稀土资源利用效率的视角,中国需要加快对超导风机等一系列高性能未来风机的研发进程。此外,鉴于报废风机回收的二次稀土资源供给,对风电产业稀土需求的改善作用,应当制定相关政策指引,加快构建风机全生命周期管理体系。在全球气候合作方面,稀土应用对风电的减排效应贡献显著,然而稀土生产本身将面对下游出口越来越严格的国际贸易政策和规制,碳足迹管理将成为中国稀土加工生产与产业发展绕不开的问题,稀土产业需有序推进低碳转型,如降低火电提高绿电配套。