峰值矿物质：稀土金属短缺会威胁可再生能源

正如讨论的那样，不仅石油和天然气供应面临无法满足需求的迫在眉睫的威胁，而且各种贵金属以及铟，镓和锗以及其他重要元素（如磷和氦）也将面临威胁在本评论中。科学技术委员会在皇家化学学会的建议下发表的一份报告警告说，如果英国不确保战略金属的供应，其经济增长将受到严重危害。尤其值得关注的是用于触摸屏和液晶显示器的铟，以及稀土元素（尤其是钕和），其用于制造电动汽车和风力涡轮机的高效磁体。铂族金属也是一个问题，用于催化转换器和燃料电池。就像石油和天然气，乃至世界人口一样，此类资源在全球范围内分布不均，例如，可利用的新铂金的80％仅来自南非的两个矿山。世界上92％的铌（用于喷气发动机和火箭组件中的超导磁体和高耐热超级合金）从巴西出口，目前有97％的稀土从中国供应。在发展低碳运输基础设施时，建议在没有实际替代液体燃料的航空领域中，主要使用生物燃料。因此，冒险的是，电动汽车在提供个性化运输同时避免使用基于石油或天然气的燃料方面将变得越来越重要。连锁效应是，必须找到新的锂来源以及金属的开采和加工方法，再加上锂回收技术的启动。但是，人们可以立即对这一计划的两方面的实用性表示怀疑。在英国，约有五分之一的燃料用于飞机，约一千三百万吨。以952 L / ha的产量和0.88 g / cm3的密度计算，要生产这么多的生物柴油，将需要1550万公顷的耕地，而英国只有650万公顷。因此，如果我们要停止完全种植粮食作物而仅使用油菜籽，那么我们仍然只能为42％的航空机队提供燃料。显然，通过生物燃料最多只能将目前飞机数量的百分之几保留在空中。显然，廉价航空旅行的日子已经很多了，这也许是联军政府放弃在希思罗机场建造有争议且烦人的第三条跑道的计划的原因之一。鉴于目前道路上有3千万辆汽车是由石油提供燃料的，因此大规模实施电动汽车的情况似乎令人信服。但是，要想减少这种数量的车辆的前期时间，用于燃料的6000万吨原油充其量最好是数十年，即使必要的REE，锂和整体生产能力可以实现。电力最实际的用途是为大众运输提供动力，例如有轨电车和铁路网络，而不是单个车辆。

濒危元素：对绿色能源的威胁。

作为上述政治议程的基础，一份新的“濒危元素”清单已在一份新报告中发布，其中包括稀土元素（尤其是钕），据估计，稀土元素的产量将增加五倍。为足够数量的风力涡轮机制造足够的磁铁，这对于完全可再生的未来必不可少。但是，我的粗略计算表明，这仍然需要50到100年的时间来实施，具体取决于风力发电将满足可再生电力预算的比例，以及是否需要制造能力以及其他材料和能源资源。这项艰巨的任务将占上风。

钕是一种稀土金属，广泛用于生产永磁体，这种永磁体存在于从计算机硬盘和手机到风力涡轮机和汽车的所有事物中。钕磁铁是已知最坚固的永磁体，几克的钕磁铁可以举起其自身重量的一千倍。驱动丰田普锐斯（Prius）混合动力电动机的磁铁使用约1公斤钕，而其电池中则使用10-15公斤镧。有趣的是，钕磁铁是在1980年代发明的，以克服由于扎伊尔（现为刚果）内部战争而引起的全球钴供应冲击。需要大约一吨基于REE的永磁体来提供每兆瓦级的风力发电机功率。

在其他稀土元素中，对dy和ter的需求比与较轻的亲戚相比更难提取，因此供应将在十年之内超过需求。后者被描述为绿色能源生产的“奇迹”成分，因为少量的can可以使磁铁的重量仅为具有类似强度的常规永久磁铁的重量的十分之一，而be可以用于提供照明灯，其使用的能量低至普通照明消耗的功率的20％。通过将钕与s和ter合金化，可以制造出在混合动力汽车发动机的高温下更容易保持其磁性的磁体。

但是，相对于钕，所需的than要比稀土矿石中的naturally要多得多，这意味着如果要以很高的速度生产混合动力汽车，必须找到another的另一种来源。如前所述，几乎所有稀土元素都来自中国，看来在15年内，run和or将用尽，如果需求继续飙升，则更快，尽管中国对其未来能源项目的霸权可能意味着目前的稀土元素数量正在增加。释放到世界市场将受到严重遏制。几乎可以肯定的是，鉴于稀土元素对提供未来可再生能源至关重要，因此将寻求新的稀土元素。日本地质学家报告说，太平洋海底泥浆中可能有1000亿吨稀土元素。由于在海面以下3,500至6,000米（11,500-20,000英尺）的深度发现了这些矿物，因此，回收这些矿物的工作并非易事，企业的实用性还有待观察。

峰值油-峰值矿物质。

根据哈伯特理论，所有资源都是有限的，最终只会在可行的情况下开采到极限，因此，无论是财务成本还是能源成本，表明继续进行下去只会产生收益递减的情况。哈伯特理论最初应用于石油，其中生产曲线在最大产出点（当使用原始资源的一半时）“达到峰值”，在此曲线无情地下降。Ugo Burdi和Marco Pagini对天然气和煤炭的生产数据也可以进行类似的拟合，最近的分析报告使用该方法研究了57种不同的矿物。这些作者对美国地质调查局（USGS）的矿产数据都拟合了逻辑和高斯函数，而且有趣的是，对于汞，铅，镉和硒，“最终可采资源” URR之间找到了很好的一致性。根据对数据的曲线拟合以及报告为保留在USGS表中的数据确定（加上每个已提取的数量）。对于碲，磷，th，锆和rh，该协议相当接近，但其值往往小于累计生产量加上USGS储量的数字。对于镓，从拟合分析中获得的数字显着低于USGS的估计值（约为7倍）。

在许多矿物中发现了达到峰值的证据，例如1962年左右为水银； 1986年1990年的锆； 1994年的硒；镓在2000年。镓的结果非常显着，因为峰值出现在七年前，其总储量也是如此。与电子行业在全球范围内使用的储量相比，这意味着我们可能会在短期内用尽镓。碲和硒是支撑半导体产业的另外两种矿物质，它们的产量下降也可能对完全依赖于它们的未来技术产生负面影响，因为没有明显替代特性的明显替代材料。

对于钒来说，尽管在2005年表明产量达到峰值，但《矿物商品手册》中的数据显示了后来突然的产量激增，虽然没有完全解释，但认为可能与中国等国家报告的不确定性有关。因此，特别是中国经济可能会持续不断地出现生产激增，而中国经济与世界其他地区“不同步”，例如其大规模扩张，或者可能是红鲱鱼。

days是另一种金属，其编号已被编号，它是计算机芯片的重要组成部分，并且还用作核控制棒中的热中子吸收剂，据认为它可能会在十年内耗尽。我们都知道峰值石油，但是峰值天然气，峰值铀和峰值煤炭也会随之而来。实际上，在遥远的过去，所有材料的生产都达到了顶峰，我们正在以越来越高的速度消耗它们。

有趣的是，铜，锌，锡，镍和铂的产量几乎呈指数增长。但是，某些金属的库存可能不足以满足现代发达国家在遥远（甚至不久）将来的技术需求。还有一个问题是，与对铂的总体需求相比，稀有和难提取的金属（如铂）的生产速度有多快。到2006年，铜的生产可以采用指数函数，而逻辑函数可以提供相同的拟合质量，但表明在2040年达到峰值。后者与USGS估计的0.5-1.0吉吨的铜储量相当吻合，而拟合则为2吉吨。值得注意的是，过去几年世界铜价飞涨，这再次归因于中国的需求，以及今年初木材的成本和短缺。

以上分析基于以下情况：确定的“峰值”代表实际的全球最大产量。确实，如果我们对这些矿物孜孜以求，可能会发现所有矿物的储量更多。但是这里存在着在财务和能源方面支撑成本的问题。后者可能决定矿物的真正高峰和衰退，这超出了简单的事实，例如从粗矿石中开采和提炼金属。收集石油，天然气，煤炭和铀等能源材料所需的能源也产生了成本贡献，并因此将其转变为动力和机械。而且由于不断消耗化石燃料，生产它们将消耗无数的能量，从而导致总体上累积和不断增长的能源需求。

整个“提取系统”通过必需的化石燃料供应相互联系，这也许可以解释为什么在20世纪下半叶到20世纪20年代初这段期间，如此众多的矿物产量似乎达到顶峰。 21世纪，这是当时化石燃料生产在全球范围内遇到麻烦的时代的虚拟镜像。因此，可能是缺乏化石燃料决定了可带入世界市场的所有其他矿物的真实数量。即使我们设法解决了能源问题，也可能没有足够的“原料”来制造东西。从表17中的元素列表中可以明显看出有关潜在金属短缺的一些要点，表中列出了每种元素的全球总储量，基于当前生产率的预期耗尽时间及其主要用途。其中的数字基于已知的储量，并指出，如果对它们进行足够的艰苦探索，可能会发现更多的储量。但是，如表27所示，新兴技术和世界人口的增长意味着某些关键金属的消耗可能更快。资源的储备寿命（也称为R / P比率）定义为已知的经济可回收量（R）除以该资源的当前使用率（P），因此是表1和表2中的值。经济学预测，随着储备寿命的缩短，其价格也会上涨。因此，对该储备的需求减少，其他曾经认为太昂贵的资源进入市场。除了增加新储备的数量外，这还会使原始储备的使用寿命更长。例如，据估计铝土矿足以提供70年的铝，但是铝土是一种丰富的元素，并且有许多已知的替代来源，据认为它们的总价值超过1000年。实际上，还牵涉到许多其他因素，尤其是地缘政治局势，但基本的地质事实仍然存在：储量有限，因此，它们目前的消费和增长方式在长期内是不可持续的。尽管某些要素与所需要素的总量相比非常丰富，但其回收率却限制了可利用特定储备的速度。R / P比分析当然是粗略的近似，因为Hubbert类型适合生产，因为给定数量的资源/年不能生产到苦头。产量最终必定会下降，主要是因为能源投资回报率（EROEI）下降。

回收的作用。

面对资源枯竭，回收看起来越来越有吸引力。在这个废弃社会的发展阶段，现在也许是时候开始“挖掘”垃圾了。结果表明，路边灰尘中的铂含量为百万分之几，类似于下午三时之分。南非铂矿中的铜含量。建议从这种源自催化转化器的粉尘中提取铂金可能会有利可图，并且会扩大有限数量的可用铂金，即使现在仍无法满足其需求。丢弃的手机也可能是值得的。对于ha和铟之类的金属，回收利用是延长电子行业关键行业寿命的唯一途径。镓，碲和硒也是如此，因为它们都已经超过了生产高峰，这预示着即将出现的潜在生产短缺和价格上涨。尽管每年从废料中回收贱金属已经是一个价值1600亿美元的行业的成熟部分，但目前回收和回收稀有金属的工作还远远不够完善。然而，鉴于其目前的高价，现在已从炼油行业中使用的废金属催化剂中回收了recovered。由于对稀有金属的需求不断增长，这将带来可观的利润，因此我预计金属市场的高端市场将会扩大。可能有人争辩说，我们永远不会“耗尽”金属，因为它们的原子保持完好无损，但是在将浓缩矿石转化为最终产品时发生的分散越多，回收大量金属的难度就越大，因此就越耗能。 。从某种意义上讲，该问题与首先确定要开采的矿石质量相同：我们现在需要寻找更丰富的来源进行回收，或者首先安排如何使用这些材料来促进回收。最终，需要将回收故意设计成提取，使用和再利用的集成范例，而不是将其视为计划外的结果。

表格1。受到威胁的金属：每种金属的全球总储量，以及根据当前的生产率及其主要用途得出的预计耗尽时间。

铝，323.50亿吨，1027年（运输，电气，耐用消费品）砷，100万吨，20年（半导体，太阳能电池）锑386万吨，30年（某些药物和催化剂）镉，160万吨，70年（镍镉电池）铬，7.79亿吨，143年（镀铬）铜，9.37亿吨，61年（电线，硬币，水暖）镓1000-1500吨，5-8年（半导体，太阳能电池，MRI造影剂）。锗，500,000吨（美国储备基地），5年（半导体，太阳能电池），黄金，89,700吨，45年（珠宝首饰，“金牙”），H，1124吨，20年（计算机芯片，核控制棒）铟，6000吨，13年（太阳能电池和LCD电池）铅，1.44亿吨，42年（管道和铅酸电池）镍，1.43亿吨，90年（电池，涡轮叶片）磷497.50亿吨，345年（化肥，动物饲料）铂/铑79,840吨，Pt 360年（珠宝首饰，工业催化剂，燃料电池，催化转化器）硒170,000吨，120年（半导体，太阳能电池）银569,000吨，29年（珠宝首饰，工业催化剂）钽153,000吨，116年，（手机，相机镜头）hall，65万吨，65年（高温超导体，有机试剂）锡，1,120万吨，40年，（罐，焊料）铀，330万吨，59年（核动力）站和武器）4.6亿吨锌，46年（镀锌）。

表2。可以预见，随着世界人口的增长，以及新技术的出现，将导致某些关键金属的使用非常迅速，例如

锑15至20年镓5年10 10年铟5至10年白金15年银15至20年钽20至30年铀30至40年锌，20-30年。

被盗的催化转化器和铂金价格。

铂金价格刚刚触及每盎司1,722美元，原因是人们担心南非的主要金属生产商将无法跟上其不断增长的需求，并且被视为一种“投资”商品。金。大约40％的“新”铂金（每年以近150吨的速度提取）用于珠宝首饰，与制造催化转化器（“猫”）的使用量大致相同。据估计，废弃一百万只这样的猫将产生​​40,000盎司的铂（平均每只猫的40,000 x 31.10 g /金衡盎司= 1.244吨或1.244 g）。人们认为，全球“废白金”市场最终可能最终每年提供100万盎司（31.1吨）特洛伊盎司；同时，那些不愿等待的人不得不偷猫，每只猫的价值为69美元。相当于磅£43，这不是一个纯血统的野兽，但是由于设备很容易从停放的汽车中被盗（如果您知道在哪里和如何），这现在正在成为一种越来越普遍的现象。

相对于铂的数量，我们需要制造出任何规模的以氢为动力的车辆用燃料电池，其回收率存在很大的局限性。我以为世界上的高速公路上有6亿辆“汽车”，但实际上在谨慎方面并没有错。到2004年底，这一数字已接近5亿辆汽车和2亿辆卡车等（从1945年的约4000万辆汽车增加到现在），其中有5亿辆装有猫。制造燃料猫对铂的要求不如燃料电池，因为燃料电池每单位使用多达100克铂，例如，大发公司

美国咨询公司TIAX得出的结论是，世界铂金不会耗尽，当然，如果燃料电池中所需的Pt量下降（如所声称的那样，可能会达到目前使用量的三分之一），而且乐观得多。声称也占了大约六分之一），在现有的矿场中将有足够的能量来制造这6.8亿个燃料电池，但它是一种稀有金属，通常要花大约6个月才能从矿石中费力地摔跤。如前所述，世界Pt的80％来自南非的两个矿山，其余大部分来自乌拉尔的另一个矿山。如果不是不可能的话，增加新的Pt输出将非常困难。

我们极不可能放弃所有珠宝，我们需要现有的猫来将氮氧化物污染物（NOx）和其他交通废气排放保持在可接受的范围内。很难预测研究突破的日期，甚至更难预测其商业发展的时间表。尽管如此，我的观察期约为10年，到那时，根据几乎所有的估计，我们将超过石油产量的峰值，世界范围内的石油供应量将下降，可能降至目前水平的90％，真的会伤害我们的生活方式。

在“油污时代”的这段过渡时期，我们不能指望燃料电池对我们有很大帮助，即使我们交出了世界一半的新铂金（100吨）加上另外的30吨（这将涉及2400万辆汽车）从回收的铂金中弃掉它们的猫后，我们可以引入乐观的130 x 106克/比重60克/辆=每年217万个燃料电池。如果我们能从现在开始，在10年的时间里，我们可以拥有2170万辆新的“燃料电池”汽车，但是我们将为猫咪减少2.4亿辆的道路。这样一来，我们剩下的680-240 = 440辆石油动力汽车（报废了它们所载Pt的猫，而忽略了那些被盗的猫）加上2170万辆氢动力汽车，占68％，即三分之二当前号码。

不断上涨的燃料价格和燃料短缺将迫使这一数字大幅下降，在25年内，我们将拥有5400万辆氢能汽车，但是如果将这些猫的Pt报废，那将需要损失6亿辆石油动力汽车，或当前数量的大多数，仅剩下我们目前汽车运输水平的9％，其中石油是石油，然后是氢。这些金额仅是说明性的，可以接受批评，但我只是想强调一点，即氢经济如果能够实施，将只能提供目前运输水平的不到10％，而石油短缺预计将超过同样的25年，其开采和加工过程中无可避免的金钱和能源成本的上涨，将迫使当前大多数车辆驶离道路。

在不久的将来（从现在开始为期10年），我们会忘记基于氢的运输基础设施。尽管通过所谓的第二代工艺从生物质和藻类生产柴油提供了一些希望（并且不会损害粮食生产，不像最终必须这样做的第一代生物燃料那样），但这样的运输水平只能维持在15％左右。我们几乎可以在一夜之间简单地转换成氢气或其他任何规模的东西，以使我们能够保持目前的能量波动性，这是错误的想法。因此，社会将开始重新定位到较小的自我维持社区-如果人们不能如此轻易地走动，他们将留在原地，并需要寻找一种在地方一级生活的手段。拆除人口稠密的城市将是最艰巨的尝试，并且可能被证明是不可能的，但是世界需要一个明确的合作转型计划，而不是进一步的战争和因资源不断消耗而发生的流血冲突。

生物燃料使农业磷短缺更加严重吗？

几年前，我读了一篇有关“磷峰值”的文章，最近发表的一篇文章再次提醒我。磷是从植物到您和我的所有生物中必不可少的元素，此外还有氮和钾-以驱动生长的微量营养素的形式统称为P，N，K。预计全球对磷矿石的需求将以每年2.3％的速度增长，但这可能会增加，以生产用于生物燃料生产的生物质。如果过渡到纤维素乙醇作为燃料，则由于整个植物都在消耗，而不仅是种子等，因此还需要更多的磷，而可利用的植物（“糠”）更少。作为钾和磷的传统和天然来源，收获后返回为植物瓦砾。但是，磷矿的资源正在减少，对全球粮食生产构成威胁。与著名的哈伯特峰分析相似，后者预测单个油井或全球石油产量达到最大值，然后持续下降，世界磷酸盐产量也可以采用类似的功能。该方法可以根据Hubbert线性化方法进行调整，该方法最近被用于预测只有大约435 Gt的世界可采煤储量（903 Gt）实际上可以提取。这涉及绘制年产量（P）除以迄今为止的总产量（Q），即比率（P / Q）与迄今为止的总（累积）产量（Q）的关系图，从而在x轴上产生截距对应于最终可收回储备。

结果表明，磷酸盐的生产高峰发生在1988年的美国和1989年的全球。这篇文章真正具有说服力的方面是包括了一个世界石油产量与世界人口的关系图，对于这两个量，可以看出它们之间密切相关。结论是我们实际上是食用石油，因为石油几乎支撑着所有农业，当然是发达国家的基础，也正是绿色革命所要求的氮和磷，绿色革命使我们免受了马尔萨斯式的灭顶之灾-到目前为止，至少。由于廉价的磷酸盐矿床和廉价的能源来生产矿物质并将其运往世界各地的农场，因此人口仅在增长。磷的生产高峰时间已受到另一项分析的挑战，该分析预测磷的生产高峰将在2034年发生。与1970年代的石油生产峰值相似，得出的结论是，在1980年代末观察到的峰值不是真正的最大生产峰值，而是政治因素（例如前苏联解体）的结果。西欧对肥料的需求减少。无论如何，很明显，磷矿的储量在某个时候将无法满足需求，如果没有磷肥的替代来源，人类将开始挨饿，更不用说生产生物燃料了。

比方说，与化石燃料相比，磷可以循环利用，但是如果磷被浪费了，就没有替代品。有证据表明，世界正在消耗相对有限的浓缩形式的磷酸盐。在亚洲，通过将动物和人类的粪便（例如以污水污泥的形式）返回土壤，从而实现了农业发展。建议通过堆肥厕所，尿液转移，更有效的肥料使用方式和更有效的肥料技术，可以避免潜在的磷耗竭问题。这似乎总归于同一件事，我们将需要越来越少地使用更有效的资源，无论是化石资源还是食品，包括我们自己的人类废物。我们都束缚在这个星球上，并且相互依赖她的各种规定。现在我们太多了，我们将无法维持当前的挥霍行为。随着全球村庄将不可避免地减少运输而转移到本地社区的形式，这种策略对于地方一级的粮食生产似乎是明智的。正如舒马赫（Schumacher）多年前写的那样，“小是美丽的”，强调了一种“似乎人在乎的经济学”系统。

汽油不足。

氦气是一种非凡的材料，具有一些独特的特性，特别是在液态形式的氦气中用作冷却剂，例如在MRI（磁共振成像； X射线人体扫描仪的更安全替代品）应用中运行超导磁体。它也用作保护气体，使敏感材料与大气中的氧气隔绝，并使某些化学反应得以进行，并且在特殊的焊接操作中，当金属表面未暴露于反应性大气中时，焊接强度更高。氦气作为传热剂在气冷核反应堆中得到了进一步的应用。

世界上大多数氦气都在美国发现，并且通过将氦气从与之重合的天然气中分离出来进行回收。氦来自from和铀之类的放射性元素的衰变，它们的原子核衰变形成α粒子-氦核-通过捕获周围环境中的几个电子而形成元素氦。由于氦是一种低质量的物质，大部分氦仅会上升到大气中并逃脱地球的引力以扩散到外层空间，但是其中的一些氦会被困在气井的岩层中。可能以高达7％的浓度回收。

就像所有化石材料一样，天然气是在很长一段时间内被放下的，我们最终将用尽它，尤其是在当前对它的需求不断增长的情况下。对于石油，最终是煤炭，甚至是铀，情况都是一样的，因此我们目前的大多数能源生产方法都依靠借来的时间。氦也是一种化石材料，但正如我在瑞士Paul Scherrer研究所（PSI）工作时回忆的那样，氦可以回收利用，该研究所使用大量液态氦来冷却用于引导带电粒子束的大量磁体，尤其是介子，针对特定的实验安排。在PSI，由于氦是一种相对昂贵的物质，因此氦可以在现场进行回收和液化，因此可以回收利用，并且氦的另一种回收方式是，它扩散通过高压钢储存在钢瓶的钢壁中。如果您获得了一个新的氦气钢瓶，并且六个月内都没有使用它，那么当您安装压力阀时，大约有一半已经消失了！

如果世界上所有的粒子物理研究所都必须在没有氦气的情况下关闭，世界肯定不会磨碎，但是现代医学将处于不利地位，需要重新使用X射线作为“照相”的手段。像在CT扫描仪中替代MRI一样在人体内。但是，如果我们缺乏天然气，那么这个世界就不会在很大程度上被忽视，天然气的高峰期有望在2025年左右达到……仅仅10年的时间，并且越来越多的天然气被使用一年，与其他所有来源一起消除了干渴的能源需求。

通过。克里斯·罗兹教授

克里斯·罗德斯（Chris Rhodes）教授是一位作家和研究员。他在萨塞克斯大学（Sussex University）学习化学，并获得了理学学士学位和博士学位（D.Phil。）。在34岁时成为英国最年轻的物理化学教授。

克里斯（Chris）是一位多产的作家，已发表了400多篇研究和科普文章（有些在国家报纸上：独立和每日电讯报》他最近出版了他的第一部小说《大学混乱》，该小说于2009年4月出版（《梅尔罗斯丛书》）。 http://universityshambles.com