未來氫能經濟所需的鉑金資源是否充足

        鉑(bó)金爲全球氫能經濟的發展作出瞭(le)卓越貢獻：鉑(bó)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，我們開採的鉑金被廣泛應用於各種化學催化劑、淨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産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爲人知，尤其是在未來氫能和燃料電池技術可能将會普及的情況下，人們對它的可用性和可承受性提出瞭質疑。此文的目的是爲瞭讨論即使該行業出現瞭一個高增長的情況下，鉑金的供應也不會成爲氫能和燃料電池技術商業化發展的限制因素。我們将基於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，並将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産品生産工藝的原料氣，但限制其廣泛應用的因素之一是它通常源自於(yú)化石燃料。随著(zhe)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産出成本頗具競争力的“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(bó)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(bó)金需求的第一個領域。“綠氫”的可用性從根本上擴大瞭(le)它的潛在用途。例如：

        1)氫氣可以用作烹饪和取暖的能源。隻需對現有基礎設施進行最小程度的改變，就可以将該領域的一部分的天然氣需求轉換爲氫氣，並(bìng)提供瞭(le)一個減少碳排放的解決方案。

2)氫氣爲高爐的煉焦煤提供瞭(le)一種環境友好型的替代品，目前在世界各地已有瞭(le)數個小規模的商業示範(fàn)項目。

        3)氫氣還提供瞭(le)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産(chǎn)生的冗餘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

        氫氣也可以作爲一種能源用於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，因爲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) 燃料電池最廣爲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(chē)領域已經取得瞭(le)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(chē)在運行。

        2）燃料電池技術已經在船舶和鐵路機車上有瞭(le)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夥伴共同開發，並(bìng)将於2021年在其Mogalakwena礦場進行試驗。

        3）不過，鑒於道路車輛的年産量約有1億輛，燃料電池的最大應用潛力還是在於爲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)的保有量已經達到瞭數萬輛。
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(què)定性，所以分析師們對該行業的潛在需求也有瞭(le)許多不同的看法。

        除瞭(le)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研究發布瞭(le)一個需求範圍。根據E4tech提出的鉑載量上限，我們将爲各種技術路線選取一個合理的使用量上限來進行分析。這種估算方法並(bìng)不能提供準確的鉑金需求預測，但可以爲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於(yú)這個水平。燃料電池技術的更多應用可能意味著(zhe)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标。然而，這種方法能讓我們有信心回答來自市場的這一疑問：對於(yú)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産生瞭(le)興趣，一些國家的政府已經確(què)定瞭(le)未來十年氫燃料電池汽車的銷售目标，例如中國計劃到2033年左右擁有100萬輛氫燃料電池汽車，而日本的目标是80萬輛。

        至於(yú)在這十年裏累計能銷售多少輛氫燃料電池汽車，各方預測(cè)結果不一。E4tech認爲到2030年爲止，較爲合理的輕型燃料電池汽車的銷量上限累計爲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(cè)數字相當於(yú)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(bó)金的需求直接關系到燃料電池額定功率的等級和鉑(bó)載量，即每單位功率所需的鉑(bó)金用量。我們可以假設每輛車的平均功率爲100 千瓦，這接近於(yú)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産過30~40千瓦電堆功率的氫燃料電池汽車，但我們認爲特别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於(yú)使用更高的電堆功率。

        E4tech估計在2020至2030年期間，鉑載量的上限水平爲0.26克/千瓦，因此每輛氫燃料電池汽車需要使用26克鉑金，那麽該領域對鉑金的總需求量爲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於(yú)輕型汽車，全球的年銷量約爲500萬輛。如果我們假設2020年至2030年全球将生産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爲150千瓦(根據美國能源部的數據，典型的美國校車功率大緻爲150千瓦)，然後同樣按照E4tech預估的0.26克/千瓦的鉑(bó)載量來計算，那麽下一個十年内重型汽車市場對鉑(bó)金的總需求爲80 噸(250萬盎司)。我們認爲基於(yú)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，因爲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。

        作爲參考，E4tech認爲的最低鉑載量爲0.09克/千瓦。如果是這樣的話，即實際鉑載量並(bìng)非0.26克/千瓦，那麽交通車輛對鉑金的需求僅略高於(yú)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，那麽鉑載量更可能接近於(yú)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标：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年内電解槽的潛在市場規模是很棘手的，因爲它與汽車不同的是，汽車除技術發展作爲參(cān)考，目前一輛典型的柴油車排放系統中的鉑(bó)金含量爲5~7克。

        即使銷售數量至少已有瞭(le)充分的測(cè)算，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。歐盟最近宣布瞭新的氫能戰略，重點發展的是可再生氫能。如上所述，目前“綠氫”的生産使用瞭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。一方面是因爲技術還不夠先進，另一方面是因爲人們缺乏對最終市場規模的瞭(le)解，這就意味著(zhe)企業可能會缺少信心來支持關於低鉑載量方向的研發投入。E4tech建議的鉑載量上限爲0.13克/千瓦，下限爲0.04克/千瓦。

        基於(yú)該估算，在鉑(bó)載量爲0.13克/千瓦的情況下，20萬兆瓦的電解槽裝機容量對鉑(bó)金的累計需求将達到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，不過因塗覆量較少所以銥金的使用量将小得多。

3.2 上述鉑金需求量與目前産量的對比情況

        表1爲按技術分類的鉑(bó)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(bó)金需求量最高可能達到440噸(1410萬盎司)。盡管在實際計算中，當汽車銷量處於(yú)預估的上限而鉑(bó)載量明顯會低很多時，這一累計數字很可能會低很多。

表1 按技術分類的鉑載量估算表

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

        假設未來十年的開採(cǎi)量和回收量保持現有的水平，則2020至2030年期間鉑(bó)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(bó)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将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，目前除瞭少數汽車使用鉑催化劑(主要用在柴油車上)，其餘都使用钯铑催化劑。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採量。這裏讨論的增量需求應該不是問題，因爲世界各地的鉑族金屬礦山項目很有可能因此被啓動。

四、如果鉑金的總需求會增加，那麽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，衆所周知的是地下的鉑金儲量遠遠超過瞭(le)目前的開採(cǎi)量。

        早在格蘭特·考索恩^[1]於2010年發表的一份詳細研究報告中指出：南非每年的鉑金開採量約爲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採的礦體”)，而第三方的研究專家們估計南非的鉑金儲量超過瞭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、有最終可開採前景的礦體”)。實際的鉑金儲量，即地質上存在的鉑金礦床将比預測的還要多，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産需求。考慮到中長期的鉑載量下限目标爲每輛車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産需求。由於(yú)輕型和重型汽車的年銷量才1億多輛，這意味著(zhe)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年全球汽車的生産需求。

        盡管在未來幾十年裏，氫燃料電池汽車将會變得越來越重要，但也不可能達到100%的市場份額。畢(bì)竟還有好幾種並(bìng)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，純電動汽車适合喜歡本地短途出行的車主，混合動力電動汽車适合喜歡油耗更低的内燃式汽車的車主，氫燃料電池汽車适合喜歡載重多或續航裏程更長的零排放汽車的車主。

        並不是所有的鉑金都來自於原礦供應，也有部分來自於回收供應。目前，作爲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。但随著該領域内鉑金使用量的增加，經過一段時間後(一般輕型汽車的平均壽命約爲14年)，就像目前成熟的汽車催化劑回收業務一樣，也将成爲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。那麽，最後一個問題是在氫能領域的鉑金回收量被實現之前，全球的採礦業能否足夠快地将鉑金開採出來。

        基於氫燃料電池汽車到2050年将占汽車總銷量的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産量從2020年起穩步增長，到2050年其市場占有率将達到25%左右。我們還假設到2040年，每輛氫燃料電池汽車的鉑載量将從上限值0.26克/千瓦下降到下限值0.09克/千瓦的水平，並(bìng)且(爲瞭(le)便於估算)輕型汽車使用的燃料電池堆功率爲100千瓦；假設氫燃料電池汽車回收期限爲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年将達到186噸(600萬盎司)，但扣除回收供應後的鉑金的淨需求在2038年就達到瞭(le)124噸(400萬盎司)的峰值水平，之後淨需求量随著(zhe)鉑金回收供應的增加而下降。在未來的30年時間裏，來自所有終端應用的鉑金需求量累計爲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爲3000噸(或9400萬盎司)，扣除回收供應後的鉑金的淨需求量爲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隻是考慮瞭(le)未來氫燃料電池汽車的産量、鉑(bó)載量和鉑(bó)金的回收率，但是還沒有考慮來自重型汽車的額外鉑(bó)金需求，以及本文中未作讨論的其他燃料電池技術應用場景，譬如在接下來的幾十年裏可能将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瞭更加全面的認識，並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爲瞭鉑金需求的關鍵來源，鉑金供應也不應該成爲我們發展氫能經濟而擔憂的問題。

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