美国能源部报告草案重申包括石墨在内的六种关键矿物的紧急状态
2023.06.17
随着清洁能源转型的快速推进，关键矿物现在处于国际讨论的前沿，因为它们是我们许多现代技术的基石，对国家安全和经济繁荣至关重要。
对于世界领先的经济体美国而言，确保这些矿产的可靠供应尤为重要，这不仅可以维持其主导地位，还可以摆脱对中国等主要竞争对手的供应依赖。
因此，该国一直忙于与其主要盟友联系，以加强关键矿物的供应并使其多样化。今年到目前为止，美国已与日本和澳大利亚签署了合作协议，以确保其拥有稳健的供应链和最新能源技术的专业知识。
日本的协议也有望成为备受期待的与欧盟达成协议的框架，该协议仍在谈判中。
早在 2022 年 6 月，在俄罗斯入侵乌克兰之后，美国及其七国集团伙伴已经启动了全球基础设施和投资伙伴关系 (PGII)，以建立清洁能源供应链。他们还签署了矿产安全合作伙伴关系，以生产、加工和回收关键矿产。
这些举措标志着一种通常被称为“联合产业政策”的现象的出现，即各国在国际层面协调其产业战略并共同建立供应链。
约翰霍普金斯大学的一项研究发现，民主国家之间的伙伴关系将能够生产足够的矿物 （参见下图），使世界能够将变暖限制在 1.5 摄氏度以内，这是《巴黎协定》中概述的更雄心勃勃的目标。
此类政策可能是美国等国家确保建设清洁能源基础设施所需的足够供应的前进方向。
美国关键矿物
美国有一份它认为对其经济和国家安全至关重要的 50 种矿产商品的清单。该名单是使用最先进的科学方法确定的，以评估矿物的所谓 “临界性”，这是一个经过多个机构的广泛过程。
与 2018 年创建的第一份清单相比，美国关键矿物清单包含的商品多了 15 种。正如美国地质调查局网站上指出的那样，大部分差异是将稀土元素和铂族元素拆分为单独条目的结果，而不是将它们包括为 “矿物组”。此外，2022 年关键矿物清单将镍和锌添加到清单中，同时去除了氦、钾、铼和锶。
新清单是根据 2020 年《能源法》的指令制定的，该指令表明，内政部必须至少每三年审查和更新一次关键矿物清单，更新用于识别潜在关键矿物的方法，采取通过联邦公报进行机构间反馈和公众评论，最终确定关键矿物清单。
根据《能源法》的定义，“关键矿物” 是对美国经济或国家安全至关重要的非燃料矿物或矿物材料。并且其供应链容易受到干扰。关键矿物还具有在产品制造中发挥重要作用的特征，如果缺少这些矿物，将对经济或国家安全产生重大影响。
2022 年关键矿产清单虽然在当时是 “最终” 清单，但并不是永久指定关键矿产，而是定期更新的动态清单，以反映有关供应、需求、生产集中度和当前政策优先事项的当前数据，美国地质调查局说。
美国地质调查局国家矿产信息中心主任 Steven M. Fortier 说：“矿物临界值不是一成不变的，而是随时间变化的。2022 年关键矿物清单是使用非燃料矿物商品的最新可用数据创建的。但是，我们一直在分析矿物市场并开发新方法来确定各种不断变化的关键矿物供应链风险。”
在发布 2022 年关键矿产清单之前，美国地质调查局完成了对从公众、利益相关者以及地方和州官员那里收到的一千多条评论的彻底审查。收到这些意见是为了回应 USGS 于 2021 年 11 月发布的征询公众意见的关键矿物清单草案。
DOE 关键矿物评估
与此同时，美国能源部 (DOE) 也在不断评估矿物的 “关键性”，以纳入其关键材料战略。虽然与 USGS 类似，但能源部评估的不同之处在于它们特别关注 “材料对能源和脱碳技术的重要性” 并且 “着眼于未来”。
5 月下旬，美国能源部发布了一份初步报告，其中汇总了其最新关键材料评估的核心分析，以征询公众意见。 DOE 正在积极征求公众对这些感兴趣领域的意见，以确保关键材料评估的全面性和准确性。
能源效率和可再生能源办公室 (EERE) 的先进材料和制造技术办公室 (AMMTO) 发布的信息请求旨在在 DOE 最终确定之前加强评估。
与之前的报告一样，该分析根据各种部署场景、子技术市场渗透水平和材料强度，提供了对选定材料的一系列可能需求。
为了评估供应风险，将预计需求与当前生产能力进行比较以估计供应缺口，同时还要考虑社会、政治和其他市场干扰因素。
美国能源部表示，目标不是预测未来，而是了解短期（2020-2025 年）和中期（2025-2035 年）能源部署的潜在障碍，这将有助于为研发投资和政策参与提供信息。
DOE 报告细节
本报告利用了美国能源部于 2022 年发布的 11 份 “供应链深入研究” 报告的结果，作为关于保护美国供应链的第 14017 号行政命令的一部分。这些报告旨在评估构成该国能源行业工业基础并有助于美国经济脱碳的供应链的潜在脆弱性。
候选材料清单首先源自这些 DOE 供应链评估。它们涵盖碳捕集、电网（包括变压器和高压直流输电）、储能、燃料电池和电解槽、水电（包括抽水蓄能水电）、稀土磁体、核能、铂族金属催化剂、半导体、太阳能光伏发电和风能。
候选材料清单在与能源部各办公室的专家协商后得到进一步完善。最终候选名单共有37种材料及其技术，如下表所示：
美国能源部指出，自 2019 年上一份 CMS 报告以来，全球材料供应链受到各种事件的严重影响，即 Covid-19 疫情导致劳动力和材料短缺、产能下降以及多种能源产品的产能开发延迟。此外，俄罗斯对乌克兰的入侵限制了对美国和欧洲国家的能源和物资供应，导致从其他亚洲国家获得供应的压力增加，价格上涨。
国际能源署 (IEA) 报告称，全球平均发电成本增加的 90% 是由燃料价格上涨造成的。
虽然全球大流行并未影响电动汽车 (EV) 等某些清洁技术的发展，但俄罗斯的入侵推动了对石油和天然气的近期需求，也改变了各国政府规划能源安全和部署清洁能源的方式美国能源部表示，中期目标是到 2050 年实现零碳排放。
筛选方法
正如美国能源部在其报告中指出的那样，对目前用于所有能源技术的元素周期表中的所有元素（加上各种工程材料）进行临界评估几乎是一项不可能完成的任务。元素周期表包括 118 种特定元素，其中大量元素在某种程度上被用于能源技术。
同样，能源技术的综合列表从特定的发电和存储技术到范围广泛的最终用途和提高效率的技术。更复杂的是，每个广泛的技术类别都包含一系列可用的新兴和成熟的子技术，
为了客观地确定更具针对性的关键材料和清洁能源技术清单，DOE 评估引入了一种正式的筛选方法来确定要更详细地评估哪些材料。筛选方法的目的是提供一种“简单且可复制的方法”，将材料分为两组：
(1) 关键材料，即在中短期内对清洁能源和脱碳技术有特定关注的材料，因此被纳入更广泛的材料关键性评估；和
(2) 低风险材料，这些材料有助于实现预计在未来 5 至 15 年内重要性降低的技术（例如，由于对成熟技术的需求减少或对较新的或非竞争性技术的需求不足）。
筛选方法使用基于三个因素的加权和的评分系统。这些因素用于评估：
- 更广泛的技术类别对能源系统的重要性；
- 在其技术类别中考虑的特定子技术或组件的相对重要性；和
- 具体材料的重要性。
例如，要对钕在风力涡轮机中的使用进行评分，首先要考虑风能的重要性，其次是带有直驱发电机的涡轮机的重要性，最后是该特定技术的增长所暗示的额外的钕需求增长。
下表显示了为衡量三个因素中的每一个而选择的指标的摘要，以及它们的相对权重和评分决定。
如上所示，每个指标都分配了一个阈值，这样每个材料/技术对都可以根据每个相应指标的值分配 1、2 或 3 的分数。每个指标也被赋予 2 到 4 的权重，总分为 9 分，以强调它们的相对重要性。因此，该框架总分最高为27分，最低为9分。
根据美国能源部的说法，筛选方法的开发正是为了筛选出具有特别大商品市场特征的材料或那些在个别应用中使用量可忽略不计的材料（例如，用于 NdFeB 磁体的铁或用于涂覆它们的镍）。
此类材料可能在技术和子技术/组件重要性方面获得高分，但在材料对技术的重要性方面得分最低（在此示例中，每种材料的得分均为 21）。出于这个原因，选择了 22 的阈值以包含在整体关键性评估中。
筛选和评估结果
共 37 份候选材料得到的筛选分数如下图所示。位于 “铁“左侧的所有材料都符合被视为关键材料的阈值，而其余材料则为低风险材料。
在关键性评估中，总共选择了 22 种材料进行进一步评估。
请注意，某些材料（即铝、钴、石墨、锗、锂、镁、铂和硅）用于多种应用，因此它们的分数范围很广。其他元素（例如镝和铀）仅评估其在一种或两种技术中的使用情况，并获得单一分数。
在评估 22 种突出材料的关键性时，美国能源部采用了一种由美国国家科学院 (NAS) 开发的方法，重点关注两个主要方面：1) 供应中断的影响； 2）供应风险。这两个维度按 1 到 4 的等级进行评级，并以矩阵形式呈现，以说明各种矿物的相对重要性。
DOE 评估专门解决了与能源技术相关的问题。首先，材料对能源部门的重要性取代了 “供应限制的影响” 的评估。其次，引入了五个不同的因素来评估材料的 “供应风险”。最后，评估采用前瞻性方法，考虑需求情景并分析短期和中期的供需动态，这可以为不同的政策应对方案提供信息。
关键材料在短期和中期的临界等级分别如下图所示：
据此分析，短期内关键材料有六种，分别是钴、镝、镓、天然石墨、铱和钕。这些关键材料的用途遍及稀土磁体、电池、LED 和氢电解槽。然后，有九种近临界材料，包括电工钢、氟、锂、镁、镍、铂、镨、碳化硅（SiC）和铀。最后，还有七种非关键材料，包括铝、铜、锰、磷、硅、碲和钛。
在短期和中期之间，大多数材料对能源和供应风险评分的重要性发生了变化。中期有 12 种关键材料、6 种近临界材料和 4 种非关键材料。例如，铜和硅的“对能源的重要性”分数增加，而它们的供应风险保持不变。此外，铝、铱、锰、钕、磷、铂和碳化硅的供应风险评分上升，但它们对能源的重要性保持不变。
镍对能源和供应风险的重要性都在增加。另一方面，由于中期的潜在替代品，镝在能源方面的重要性下降，但供应风险增加，仍然是一种关键材料。从短期到中期，所有其他关键材料都保持在同一类别。
总结
关键材料评估使我们能够全面了解相关供应链的脆弱性。重要的是，它进一步证实了美国地质调查局确定的某些矿物的临界状态。
正如美国能源部报告所强调的那样，有六种矿物在短期内被认为是 “关键” 的，其中之一是石墨。石墨也是 USG 列出的四种关键矿物之一，对 USGS 筛选的所有六个工业部门都至关重要。
过去，我们强调了天然石墨在世界汽车电动化进程中的重要性，以及100%依赖进口的美国迫切需要发展自己的供应。近年来，石墨的需求主要受其用作电动汽车和固定储能系统电池中的阳极活性材料的推动。
根据美国地质调查局的数据，2022 年美国进口了 82000 吨天然石墨，其中 77% 是片状和高纯度石墨。最大的进口国是中国（33%）、墨西哥（18%）、加拿大（17%）和马达加斯加（10%）。
但考虑到电动汽车电池需要原矿石墨进行提纯和涂层，这一过程由中国控制，美国在电池级石墨上对竞争对手的依赖程度实际上不是 33%，而是 100% .如果该国想继续争夺电动汽车的主导地位，这是一个不稳定的局面。
因此，石墨现已牢牢列入美国政府的关键矿物清单，并被确定为面临供应中断风险的五种关键电池矿物之一。其他四种——锂、镍、钴和锰——通常构成决定容量的阴极，因此往往会受到更多关注。但作为阳极材料的石墨可能是最重要的材料，因为它远远优于目前的替代品。
据美国地质勘探局称，自 2018 年以来，石墨的电池终端用途市场已经跃升了 250%。据认为，电池需求每年可能吞噬超过 160 万吨天然石墨。
就背景而言，2022 年的矿山供应量约为 130 万吨，这意味着我们已经非常接近（如果还没有的话）短缺期。 Benchmark Mineral Intelligence 预测，到 2030 年，天然石墨将成为所有电池材料中最大的供应缺口。
这只是计算电动汽车电池的使用量；采矿业仍然需要供应其他最终用户。汽车和钢铁行业仍然是当今最大的石墨消费者，这两个行业的需求每年增长 5%。
BMI 表示，到 2035 年，多达 97 个平均规模的石墨矿需要上线才能满足全球所有行业的需求。
综上所述，石墨市场有一座难以攀登的山峰，其关键矿物标签是有充分理由的。
Richard (Rick) Mills
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