鉬：對風力發電機至關重要

為了防止氣候變化帶來*糟糕的結果，風能和太陽能等可再生能源在全球發電量中的份額必須要增加兩倍以上。鉬在多項綠色技術中都發揮了作用，且對于風力發電的作用尤為關鍵。因此，隨著對風力發電機需求的增長，許多風電設備部件對鉬的需求也將增加。

根據世界氣象組織的數據，2020年和2021年大氣中溫室氣體濃度創歷史新高。2021年7月是地球有記錄以來*熱的月份。疫情造成的經濟放緩未能遏制環境中的溫室氣體濃度，盡管溫室氣體排放量暫時有所下降。人類有太多的必要活動如供暖和交通，一直嚴重依賴或完全依賴化石燃料。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的估計，如果世界保持目前的排放水平，預計氣候變化將產生嚴重的負面影響，包括極端干旱和洪水，人類大規模流離失所以及糧食供應受到威脅。盡管風能、太陽能和水力發電等可再生能源技術已經占到當今發電總量的25%，但到2050年，它們的份額還需要增加到接近80%。為實現這一轉變，需要大量的土地和原材料。鉬就是這樣一種材料—一種不可替代的合金元素，提供足夠的機械性能來承受風力發電過程中巨大的作用力。

解決傳動系統的問題

風力發電過程會將龐大的葉片捕獲的巨大且變化的風力集中在相對較小的齒輪齒和其他部件上。風對部件施加的巨大應力甚至可能損害或破壞傳動系統。為了解決齒輪箱故障問題并提高效率，開發了無齒輪風力渦輪機或"直接驅動"系統。在這些系統中，轉子直接連接到發電機，免去了傳動系統。然而，大多數直接驅動系統要依靠釹等稀土金屬制造的大型磁鐵，這帶來了供應上的潛在風險，因為在未來幾十年，可再生能源對稀土金屬的需求將呈指數級增長。電動汽車和消費類電子產品等其他應用也在爭奪這些關鍵資源。與此同時，稀土金屬的開采特別是精煉集中在少數幾個國家，增加了供應風險。幸運的是，傳動系統的問題也可以通過添加鉬改善齒輪鋼性能來解決，鉬提高了這些鋼的硬度、強度和韌性。并且鉬的供應沒有風險，主要礦床遍布美洲和中國，地理分布較平衡。

目前，無齒輪傳動系統主要用于大功率的海上風力發電機和部分3兆瓦的陸上風電機，大部分在歐洲。而除了稀土磁體相關的供應鏈風險外，未來的趨勢是向更高功率的陸上渦輪機發展，這也有利于采用齒輪箱的設計�？紤]到未來設計的轉矩要求，若采用直接驅動系統，將需要十分巨大笨重的發電機，因此無法在現實中廣泛使用。

風力發電機概覽

目前，在所有可再生能源技術中，風力發電對于增加鉬的使用量具有*大的潛力。與其他發電技術相比，風電設備需要的鋼和鑄鐵數量*多。塔架重量中鋼占絕大部分（約98%），這兩種材料都用于機艙部件—渦輪機中容納所有發電部件的部分包括齒輪箱。鋼約占后者重量的一半。鑄鐵主要用于機艙（40%）和轉子（30%）中。海上風力發電機的機艙和轉子輪轂的重量可達900噸，還不包括由玻璃纖維增強聚合物材料制成的葉片的重量。海上風力發電機還需要固定在海床上的錨固結構，這通常是鋼制的單樁或三樁結構。

風力發電機按照它們在理想條件和風速下的發電量劃分功率等級。目前，陸上風力發電機的平均額定功率為3兆瓦（MW），但主要渦輪機制造商已經開始瞄準5兆瓦范圍的更大輸出功率的市場�？蓞⒖家韵聰祿�，*近建造的容量系數為42%的5兆瓦風力渦輪機足以為大約5000個中等大小的歐盟家庭供電。海上風力發電機要大得多，能夠產生更多的電力：目前它們的運行功率為7兆瓦，但正在探索設計功率高達16兆瓦的渦輪機。

在歐洲，目前陸上風電與海上風電裝機容量比為80:20，預計不會有大的變化。其他地區運行中的海上風電機組份額要低得多，但預計未來會接近歐洲的比例。

風力發電機的塔筒由單獨的環形構件組成。它們的長度為20-25米，由扁平軋制的碳鋼厚板制成。大多數現代風電塔筒高70-140米，直徑為4-5米。*新*大的海上風電塔筒一般由合金鋼S355（AISIA276）建造，其屈服強度約為350兆帕（或50ksi）。由于僅在生產屈服強度水平為500兆帕及以上的鋼板時才需要鉬，因此在可預見的未來，鉬不會被用于塔筒的環形構件。但鉬在連接固定塔筒方面發揮了重要作用。塔筒的各個部分通常使用不超過M72（直徑72毫米）的螺母和螺栓進行組裝。典型的螺栓用合金鋼是34CrNiMo6（1.6582）或30CrNiMo8（1.6580），鉬含量在0.2-0.5%之間，可滿足對強度和韌性的很高要求。

準備好迎接風的到來

含鉬合金鋼在風電機組的動力總成部件上應用*廣泛。轉子的低轉速必須被傳輸并轉換為較高的轉速，以適合驅動發電機，因此，需要軸和齒輪箱。由于這些部件在可靠性和性能方面十分關鍵，因此需要一個結合了優異的強度、韌性和抗疲勞性能的鋼種。調質鋼如42CrMo4（AISI4140）是驅動軸的*解決方案。CrNiMo合金滲碳鋼是齒輪部件的*。通常，這些鋼中鉬含量為0.2-0.3%。

然而，隨著風電機尺寸和額定功率的不斷增加，轉矩密度也不斷增加，齒輪鋼面臨著更苛刻的性能要求。受以往IMOA項目的啟發，齒輪制造方面的*新發展表明，通過將鉬含量提高到0.5-0.8%，可以大幅度提高材料性能。在減重要求的推動下，未來還會開發出其他有潛力的鉬應用。因此，等溫淬火球墨鑄鐵鑄件和超高強度鋼板在動力總成承載框架和殼體方面可發揮越來越重要的作用�，F在這些鋼材的鉬添加量通常在0.3-0.8%之間。

對當前風電機各種部件的詳細分析表明，每額定兆瓦需要100-120千克鉬�？紤]到技術的發展，特別是風力渦輪機的額定功率不斷提高，預計風力發電市場的很大一部分將會較密集地使用鉬。根據國際能源署"超越2度情景"對齒輪傳動和無齒輪傳動混合技術的預測，從現在到2050年，風力發電行業對鉬的需求量應該在30萬噸左右，超過了鉬一年的開采總量。對于建造必需的重型運輸和安裝設備（包括船舶、起重機和自升式鉆井平臺）所用的鋼鐵合金材料而言，考慮到鉬在其中的用量，這一數字還會大大增加。

為世界供電卻不產生碳排放似乎是不可能的，但就像開發有效的新冠疫苗和適應疫情一樣，人類完全有能力面對挑戰。無論未來哪種可再生能源發電的方案真正實現，鉬都會隨風而行，大有作為。