未來氫能經(jīng)濟所需的鉑金資源是否充足

        鉑金為全球氫能經(jīng)濟的發(fā)展作出了卓越貢獻：鉑金在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)應(yīng)用中，不僅可以對氫氣進行催化反應(yīng)來發(fā)電，而且還可以在該逆反應(yīng)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(yīng)用于各種化學(xué)催化劑、凈化柴油或汽油車輛尾氣的催化轉(zhuǎn)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(shù)億輛汽油和柴油汽車中的應(yīng)用足以證明其礦產(chǎn)供應(yīng)體系的優(yōu)勢和穩(wěn)健。
        不過，鉑金在制氫技術(shù)和燃料電池催化劑中的應(yīng)用還沒有廣為人知，尤其是在未來氫能和燃料電池技術(shù)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(zhì)疑。此文的目的是為了討論即使該行業(yè)出現(xiàn)了一個高增長的情況下，鉑金的供應(yīng)也不會成為氫能和燃料電池技術(shù)商業(yè)化發(fā)展的限制因素。我們將基于第三方研究咨詢機構(gòu)“E4tech”的鉑金需求預(yù)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(yīng)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(xué)品和工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的原料氣，但限制其廣泛應(yīng)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(jīng)過電解水工藝就可以生產(chǎn)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(zhì)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(lǐng)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(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施進行最小程度的改變，就可以將該領(lǐng)域的一部分的天然氣需求轉(zhuǎn)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(huán)境友好型的替代品，目前在世界各地已有了數(shù)個小規(guī)模的商業(yè)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(chǎn)生的冗余能量的理想解決方案。目前已有數(shù)個國家在他們的國家電網(wǎng)系統(tǒng)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(tǒng)來發(fā)電。燃料電池系統(tǒng)的反應(yīng)過程與制氫的正好相反，是從氫氣中釋放電能。這是氫能經(jīng)濟中鉑金需求的第二個領(lǐng)域，因為大多數(shù)質(zhì)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(yīng)用是在交通領(lǐng)域。值得關(guān)注的是，燃料電池技術(shù)在叉車領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成功，據(jù)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(shù)已經(jīng)在船舶和鐵路機車上有了小規(guī)模應(yīng)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(yè)與合作伙伴共同開發(fā)，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(chǎn)量約有1億輛，燃料電池的最大應(yīng)用潛力還是在于為該領(lǐng)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(jīng)達到了數(shù)萬輛。
1.3制氫和燃料電池技術(shù)的潛在需求有多大？相對應(yīng)的鉑金需求有多大？

        到底未來氫能經(jīng)濟會發(fā)展到多大規(guī)模仍具有許多不確定性，所以分析師們對該行業(yè)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(shù)的需求量，我們也尚不確定一系列燃料電池應(yīng)用場景下的鉑載量。對此，E4tech研究發(fā)布了一個需求范圍。根據(jù)E4tech提出的鉑載量上限，我們將為各種技術(shù)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(zhǔn)確的鉑金需求預(yù)測，但可以為該行業(yè)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(shù)的更多應(yīng)用可能意味著更大的研發(fā)支出，以及更好的控制鉑載量的能力，來實現(xiàn)行業(yè)對低鉑載量的最終目標(biāo)。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(zhì)子交換膜燃料電池或電解水制氫技術(shù)的應(yīng)用推廣，鉑金供應(yīng)可不可能是一個限制因素或約束。 

二、氫燃料電池汽車行業(yè)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(lǐng)域產(chǎn)生了興趣，一些國家的政府已經(jīng)確定了未來十年氫燃料電池汽車的銷售目標(biāo)，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(biāo)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(yù)測結(jié)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(jù)此估算，假設(shè)全球汽車的年銷量保持在1億輛左右，該預(yù)測數(shù)字相當(dāng)于每年氫燃料電池汽車銷量約占當(dāng)年輕型車銷量的1%左右。

        對鉑金的需求直接關(guān)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(shè)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(xiàn)代的Nexo)的功率水平。盡管有些中國汽車廠商生產(chǎn)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(shù)發(fā)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(lǐng)域?qū)︺K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(guī)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(shè)2020年至2030年全球?qū)⑸a(chǎn)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(jù)美國能源部的數(shù)據(jù)，典型的美國校車功率大致為150千瓦)，然后同樣按照E4tech預(yù)估的0.26克/千瓦的鉑載量來計算，那么下一個十年內(nèi)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(shù)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(chǔ)設(shè)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(shù)量能夠達到E4tech所預(yù)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(biāo)：0.125克/千瓦。 

三、來自電解水制氫行業(yè)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(nèi)電解槽的潛在市場規(guī)模是很棘手的，因為它與汽車不同的是，汽車除技術(shù)發(fā)展作為參考，目前一輛典型的柴油車排放系統(tǒng)中的鉑金含量為5~7克。

        即使銷售數(shù)量至少已有了充分的測算，但電解槽市場發(fā)展的總體規(guī)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(fā)展規(guī)劃。歐盟最近宣布了新的氫能戰(zhàn)略，重點發(fā)展的是可再生氫能。如上所述，目前“綠氫”的生產(chǎn)使用了質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)。該氫能戰(zhàn)略要求到2024年歐盟可再生電解水制氫發(fā)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(shù)字的5倍，即20萬兆瓦。

        鉑載量的多少也存在相當(dāng)大的不確定性。一方面是因為技術(shù)還不夠先進，另一方面是因為人們?nèi)狈ψ罱K市場規(guī)模的了解，這就意味著企業(yè)可能會缺少信心來支持關(guān)于低鉑載量方向的研發(fā)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(zhì)子交換膜電解槽或燃料電池系統(tǒng)也許會使用一定數(shù)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(chǎn)量的對比情況

        表1為按技術(shù)分類的鉑載量估算表。根據(jù)我們的計算，在2020年至2030年期間，表1中三個領(lǐng)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(dāng)汽車銷量處于預(yù)估的上限而鉑載量明顯會低很多時，這一累計數(shù)字很可能會低很多。

表1 按技術(shù)分類的鉑載量估算表

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

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

        雖然目前的鉑金總供應(yīng)量可以輕松地滿足氫能行業(yè)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(yè)是一個全新的需求來源，而汽車行業(yè)不是，目前除了少數(shù)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(jù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)來滿足氫能經(jīng)濟的大幅增長？當(dāng)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(fā)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(dāng)時已公布的南非礦業(yè)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(xiàn)實的、有最終可開采前景的礦體”)。實際的鉑金儲量，即地質(zhì)上存在的鉑金礦床將比預(yù)測的還要多，而且全球還有其他相當(dāng)大的鉑金礦床。美國地質(zhì)學(xué)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(chǎn)需求?？紤]到中長期的鉑載量下限目標(biāo)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)動機技術(shù)，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(nèi)燃式汽車的車主，氫燃料電池汽車適合喜歡載重多或續(xù)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(yīng)，也有部分來自于回收供應(yīng)。目前，作為新興市場的電解水制氫和氫燃料電池行業(yè)中鉑金的累計用量還相對較少，這意味著氫能領(lǐng)域的鉑金回收量可以忽略不計。但隨著該領(lǐng)域內(nèi)鉑金使用量的增加，經(jīng)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(yè)務(wù)一樣，也將成為鉑金的回收供應(yīng)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(jīng)濟的任何潛在需求。那么，最后一個問題是在氫能領(lǐng)域的鉑金回收量被實現(xiàn)之前，全球的采礦業(yè)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(yīng)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(shè)氫燃料電池汽車產(chǎn)量從2020年起穩(wěn)步增長，到2050年其市場占有率將達到25%左右。我們還假設(shè)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(shè)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(yīng)體系均保持穩(wěn)定不變。

        我們發(fā)現(xiàn)來自氫燃料電池汽車的鉑金總需求量會穩(wěn)步上升，到2050年將達到186噸(600萬盎司)，但扣除回收供應(yīng)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(yīng)的增加而下降。在未來的30年時間里，來自所有終端應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yè)的新增需求，但看起來這是一個可控的需求量。

        當(dāng)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(chǎn)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(shù)應(yīng)用場景，譬如在接下來的幾十年里可能將發(fā)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(jīng)讓我們對氫能經(jīng)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(yīng)的擔(dān)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(yè)成為了鉑金需求的關(guān)鍵來源，鉑金供應(yīng)也不應(yīng)該成為我們發(fā)展氫能經(jīng)濟而擔(dān)憂的問題。

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