研究背景与重要性 [page::0][page::1]

• PEMEL技术制备绿色氢气依赖铱作为阳极催化剂，铱资源极其稀缺，全球年产仅约7.5吨。

- 过去研究多局限于局部市场或乐观假设，欠缺全球视角的递归需求模型。

模型框架与参数设定 [page::2][page::3][page::4][page::5]

• 采用递归模型计算铱需求：年度新增电解槽容量×铱特定功率密度 + 寿命届满替换需求 - 回收铱量。

- 关键参数包括铱特定功率密度(ω)、电解槽寿命(τ)、年扩展容量、回收效率(γ)。

• 两种容量扩展情景：BAU（现有项目线性外推）和IEA净零排放方案，两种铱负载优化路径(保守与乐观)。

铱需求与供应分析及价格预测 [page::6][page::7]

• 2024-2050年PEMEL容量预计大幅增长，尤其IEA-NZE情景下容量超1400GW。

- 铱负载密度有望大幅降低，助力降低整体需求。

• 铱供应集中，受铂族金属矿产副产影响，未来扩产不确定。

- 电气和其他领域铱需求对价格敏感，存在一定替代可能。

不同情景下铱需求与供应缺口分析 [page::8][page::9][page::11][page::12][page::14]

• BAU保守情景需求将短期超供，长期可因库存调节缓解。

- BAU乐观情景需求较为平稳，回收效率70%即可基本满足需求。

• IEA-NZE保守情景需求远超供应，需额外补充大量铱资源，难以满足。

- IEA-NZE乐观情景通过提升技术和回收达到较优匹配，仍存在小幅缺口。

• 寿命缩短前期可降低需求峰值，但长期会增加累计铱需求。

产能限制及铱负载密度关键性 [page::15][page::16][page::17]

• 铱供应与回收受限于铂族金属矿产开采，短期内难大幅提升。

- 预计产能提升需求对应铂族金属总产量需增加25%-110%不等。

• 铱特定功率密度（ω）降低是控制铱需求的核心驱动因素，技术进步关键。

- 现有技术已接近实现10年寿命与较低铱负载的平衡，但更长寿命需求技术突破。

• 提高催化剂稳定性（降低溶解率）对实现更高效率和寿命的铱负载降低至关重要。

策略建议与未来展望 [page::18][page::19]

• 缩短电解槽寿命能快速增加回收铱，提高短期供应，代价是长期铱需求增长。

- 推进替代技术（AEM、电解槽）、新型催化剂开发及铱回收流程对缓解瓶颈至关重要。

• 产业政策应整合材料资源约束与技术进步，平衡技术推广与供应安全。

- 加强跨行业铱需求替代与协作，减轻PEMEL领域的资源竞争压力。

金融研究报告详尽分析报告

报告标题： Critical Iridium Demands arising from future Expansion of Proton Exchange Membrane Electrolysis
作者： B. Wortmann, D. Stolten, H. Heinrichs
发布机构： Forschungszentrum Jülich GmbH, RWTH Aachen University, University of Siegen
发布日期： 2024年（未明确具体月份）
研究主题： 针对未来质子交换膜电解水制氢（PEMEL）技术扩展中铱金属的关键需求与供应约束分析

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1. 元数据与概览

本报告聚焦于绿色氢能制备领域的关键原材料——铱（金属元素之一）在质子交换膜电解水制氢技术（PEMEL）大规模应用中的需求预测与供应瓶颈风险。作者通过建立递归模型涵盖装机容量增长、使用年限、回收率及供应限制，分析不同情境下铱的使用需求，评估其对净零排放目标实现的影响。报告核心结论强调：

• 达成2050年净零排放目标需质子交换膜电解装机量大幅扩增，导致铱需求剧增。

- 受限于全球铱年产量约7.5吨、且几乎完全作为铂矿副产物供给，铱供应极度紧张，可能于2030年前出现短缺。

• 需求预测显示，2040年后所需铱量被传统模型低估，未来需技术进步与高效率回收共同缓解资源瓶颈。

- 报告强调技术创新和供应链策略（提升材料效率、催化剂回收等）为确保氢能可持续发展的关键。

该报告为能源政策制定者和行业投资者提供了基于资源约束的极具前瞻性的技术部署风险提示与规划工具。[page::0,1,2]

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2. 逐节深度解读

2.1 引言部分

作者首先指出绿色氢（尤其是电解水制氢）在未来低碳能源体系中的战略价值，包括其在重型运输、化工原料、储能和工业燃料的应用特性。二者主流电解技术为碱性电解（AEL）和质子交换膜电解（PEMEL），其中PEMEL因功率密度高、负载响应快，更适合搭配可再生能源波动性，且更具技术改进潜力，预计成为未来主导路线之一。

文章特别点出铱作为PEMEL阳极的不可替代催化剂，具有极佳稳定性，但全球产量极为有限（约7.5吨/年），且供应受限于铂矿开采，造成潜在瓶颈。国内外已有研究对铱需求和供应不足进行了区域和行业分析，但普遍忽视循环利用和终端替换需求递归计算导致需求低估。本研究即基于此建立新模型。[page::0,1,2]

2.2 方法论

核心模型将当年铱总需求定义为当年新增装机铱需量 + 终端替换装机需求 - 回收铱供应（公式1），其中：

• 新增装机需求 = 新增电解容量 × 单位功率铱使用量（${\omega}^i$）

- 终端替换需求 取决于装机寿命（$\tau$），根据当年装机寿命分布确定落寿命机组需求

• 回收供给 = 终端拆卸装机数量 × 回收率（$\gamma$），假设运行过程中铱基本不损失

模型设定了两种装机扩张情景：

• BAU（Business-As-Usual）：基于IEA数据库当前项目走向，线性推算2050年装机489GW，反映当前政策延续。

- IEA-NZE（净零排放）：IEA净零排放情景，假设2050年装机1468GW，PEMEL占比40%，对应高度激进的市场扩展。

报告引入两种铱特定功率密度情景：

• 保守：铱利用率改善有限，负载降低受性能和寿命限制。

- 乐观：催化剂设计快速进步，推动铱使用量显著减少。

考虑电解池寿命范围5-20年，回收率由目前70%线性提升到2035年97%，确保逐步实现高效闭环回收。铱供应被假定为固定7.5吨/年，考虑到其作为铂族金属副产物且集中于南非等少数地区，供应增长难以预期。报告同步分析铱其他消费领域的需求动态，特别是电气和“其他”类的价格敏感需求，采用阻尼趋势模型预测价格和需求变化。[page::3,4,5,6]

2.3 数据与图表深度解读

图1（第7页）详解：

• 图1a（装机容量扩张）：IEA-NZE路径扩张远超BAU，到2050年IEA-NZE达约1468GW，BAU为约489GW。曲线形态显示IEA-NZE为加速增长，BAU相对平缓。

- 图1b（铱特定功率密度）：乐观情境铱使用量迅速下降，2024年约0.2 mg/W降至2048年约0.1 mg/W；保守情境下降缓慢，2024年约0.7 mg/W至2048年约0.1 mg/W。

• 图1c（2014-2023年铱需求分领域）：需求稳定但略有波动，电气、化学、电化学、其他领域需求各占比不同，电化学（PEMEL相关）增长显著。黑线为年供给7.5吨基准。

- 图1d-f（价格与需求预测）：价格在不同阻尼（$\phi=0.8$与$0.9$）下差异明显，高阻尼对应快速价格上涨；电气部门需求随价格上升显著下降，“其它”部门需求下降幅度较小且更为缓慢，反映价格敏感性不同。

上述图表为后续铱需求-供应平衡及政策制定提供数据基础与情景设定。[page::7]

2.4 结果解析

2.4.1 保守BAU场景（图2，第9页）

铱需求初期迅猛增长，2028年达到峰值约2.1吨，随后因单位功率铱使用效率改善降至2037年1.1吨谷底，之后因市场扩展和替换需求再度攀升至3.1吨高点。

• 在强供应情景下，需求超出供给直到2031年，合计欠缺约4.5吨；2032-2046年供应过剩，理论上可形成约10.2吨库存，用于抵消2047年后的2.2吨短缺。

- 弱供应情景下，需求始终超出供应，总短缺达到30.2吨，供应需提升超过15%。

• 回收率变化对短期影响较小，但长远影响较大，截至2050年差异达1吨铱（占当年供应13%）。

- 电解池寿命对初期需求影响显著，较短寿命促使快速进入回收循环，减轻初期压力，但因替换增加导致累计需求提升，最优寿命约10-11年。

2.4.2 乐观BAU场景（图3，第11页）

• 需求仅在2041年后才超出弱供应预测，累计短缺降至3.1吨，供应盈余4.6吨可通过库存调节。

- 回收率70%已足以满足需求，寿命调整显示14年能最小化总需求，乐观技术进展明显降低资源压力。

2.4.3 保守IEA-NZE场景（图4，第12页）

• 由于装机急剧扩张，需求始终大于供应，强供应下缺口达101吨，弱供应高达135吨，分别对应额外供应需提升49%和66%。

- 回收率及寿命敏感性变化对短缺规模影响有限。

• 表明在现有铱产能限制下，此情景不可实现。

2.4.4 乐观IEA-NZE场景（图5，第14页）

• 需求于2028-2040年间落后于供给，有初期和2040年后短缺。初期约短缺1.07吨，可用库存补足。2040-2050年可积累6.9吨盈余抵消9.7吨短缺，最终净短缺2.7吨。

- 弱供应依然表明持续超出供给，累计短缺38吨。

• 回收率提升对该场景实现至关重要，影响量达9.2吨。寿命调节趋势与前述一致，低寿命减初期需求但增累计总需求。

综合以上，铱需求受装置寿命、铱特定功率密度和回收率高度影响。PEMEL持续扩张要求技术进步和供应链策略的有力配合。[page::8-14]

2.5 讨论部分（第15-17页）

• BAU情景风险主要在弱供应+保守技术水平叠加下出现，乐观情景均较易实现。

- 实现IEA-NZE场景需同时满足乐观技术进步、高循环利用率和供应提升。

• 由于铱为铂族金属副产物，其供应受铂和钯需求强烈影响，未来产量是否提升尚不明朗。当前需求中，约40%铂用于汽车催化器，未来将因电动汽车普及减弱，但燃料电池等新领域需求可能推动总体产能增长。

- 估算指出，未来议定的铂族金属总产量增幅在25%-110%间，且不同情景下最大可达到2050年1300GW装机。

• 铱特定功率密度$\omega^i$极为关键，需要快速降低以支撑铱需求可持续。类似铂催化剂的使用强度降低历史经验表明，目标为2030年前降低$\omega^i$三倍为现实需求。

- 电催化剂溶解速率的降低等技术指标需取得显著进展，以保证催化剂低用量高寿命兼备。

此外，技术上若$\omega^i$降低不及预期，策略上可通过缩短电解装置寿命，实现快速回收再用，短期内缓解原料压力，但总体替换成本与需求将提升，经济合理性待进一步评估。[page::15-18]

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3. 估值分析

报告核心为基于数学模型的定量需求估算，不涉及传统金融估值模型如DCF或P/E估值。其“估值”主要体现在对铱资源“可用量”的约束分析，即不同场景下铱供应限制与需求扩张的比较及缺口量的计算。

模型以四关键参数为核心：

• $P_{el}^i$：当年新增PEMEL电解容量（GW）

- $\omega^i$：当年电解容量单位铱需求量（kg/GW）

• $\tau$：电解器平均寿命（年）

- $\gamma^i$：当年回收效率

在此基础上递归计算初装用料和替换用料，减去回收有效供给。通过不同场景设置（装机扩容、功率密度进步、回收率提升等）比对7.5吨固定年产供应产生的供需差距，进而估算所需供应扩容倍数及产能极限。此方法为政策和产业规划提供量化的资源风险“估值”，有助理解技术发展速度与资源限制之间的权衡。[page::3-6,15-17]

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4. 风险因素评估

报告详尽分析了影响铱需求和供应的多重风险因素：

• 供应风险：铱产量固定，且仅为铂族金属的伴生产物，难以按需扩充。产地集中（南非占90-95%），政治、劳工冲击等均可能扰动其供应稳定。

- 技术风险：铱特定功率密度降低需催化剂性能、稳定性革新，相关技术尚不成熟，进步速度不确定，影响需求最关键。

• 回收技术风险：高回收率是缓解材料紧缺的关键，但回收技术成熟度、产业链回收体系建立仍存不确定性。此外回收材料收集效率也影响。

- 生命周期风险：电解器寿命不稳定，过短将增加替换频率和总需求，过长可能导致回收进度延缓，影响供应循环。

• 市场竞争风险：铱在其他电气、化学等行业的需求受价格影响波动，市场需求调整存在不确定性，可能影响供应分配给PEMEL的量。

- 经济风险：缩短电解器寿命以促进回收的策略，可能引起成本、投资回报问题，影响产业推广。

鉴于铱供应链特殊性和市场多重不确定，报告建议制定弹性的供应应对策略并加速新能源催化材料创新。[page::5,6,15]

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5. 批判性视角与细微差别

• 模型假设局限：尽管采用递归结构涵盖了终端替换和回收，但仍基于不少非公开或者估计参数，诸如装置寿命分布、回收率增长速率和价格敏感需求等，存在较大不确定。

- 供应视角假设年产量长时间保持7.5吨不变，且只讨论有限增长空间，忽视了可能的技术革命或地质新发现带来的供给潜力。

• 需求场景反映了较乐观和保守两极，但中间路径的混合成长曲线缺少明确描述，或导致实际应用时的劣势。

- 技术进步速率是整篇分析的核心，然而对催化剂溶解率下降、寿命提升的技术路径、研发进度缺少深入实证支持，增加了预测的风险。

• 经济可行性方面，主动缩短电解池寿命以加快回收循环的建议缺乏经济成本评估和市场接受度分析，有较大争议。

- 部分图表时间跨度和数据质量依赖公开文献和企业内部数据，存在透明度不足及数据更新滞后的风险。

整体而言，报告观点严谨，数据基础扎实，但对于未来技术突破的乐观假设需要结合更多实测数据和产业动态验证。[page::17,18]

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6. 图表深度解读

图2（第9页，保守BAU场景）

• 该组图清晰展示了铱需求、回收供给、强/弱供给情境下的供需缺口及变化。

- 图2b、2c的红绿分界区分期内供过于求或需求超供的情况，供需失衡区域面积量化了历史和预测供应缺口和剩余的大小。

• 图2d回收率变化示意回收提升对长期需求的积极调节作用，尤其超过2030年后影响显著。

- 图2e、2f展示电解器寿命敏感度，寿命越短，初期需求越低但累积需求越高，辅证技术开发与更新节奏对资源需求影响深远。

图3（第11页，乐观BAU）和图4（第12页，保守IEA-NZE）图组展示同类型对比不同情景结果，显现乐观场景下供需紧张度大幅缓解；IEA-NZE保守情境下需求始终高于供应，凸显紧张瓶颈。

图5（第14页，乐观IEA-NZE）进一步体现高回收率及装置寿命适中对平衡未来铱需求的核心作用。

图6（第16页，讨论部分）

• 图6a图示了实现IEA-NZE铱需求对铂族金属整体产量需增加的幅度，最高超过100%，凸显资源制约的系统性影响。

- 图6b展示不同组合下最大可达到的电解水制氢装机容量极限，尤其保守与弱供应条件下难以承载IEA目标。

• 图6c基于催化剂溶解率理论推算满足寿命要求的溶解率变化轨迹，揭示技术提升的挑战与潜力。

整体视图为政策制定和技术研发重点提供直观指引。




[page::7,9-12,14,16]

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7. 结论性综合

本研究围绕质子交换膜电解水制氢中核心且稀缺材料铱的需求展开深度数理建模分析，系统揭示了铱供需动态及其对未来绿色氢能扩展的关键制约。报告得出以下精要结论：

• 铱作为PEMEL阳极关键催化剂的需求将大幅增长，满足IEA净零排放目标的装机扩容需与大量铱资源支撑密切关联。

- 当前全球铱年产约7.5吨，且受制于铂族金属副产特性，供应短期内难以大幅改善，2030年或更早出现结构性短缺风险。

• 技术改进尤其是铱特定功率密度的大幅降低、延长寿命和提升回收率是缓解资源瓶颈的最重要途径。乐观情景显示，通过2060%铱使用效率升高和回收率接近97%，能部分避免严重的供需不平衡。

- 报告建议为应对资源限制，应发展多元技术路径（如阴离子交换膜电解、碱性电解），并配合催化剂创新和供应链循环利用，同时考虑经济合理性，部分情况下可以战略性缩短电解设备寿命以加快回收效率。

• 从政策和产业角度，需将材料供给约束纳入氢能推广规划，协调铱供应与需求，支持技术研发与回收体系提升，保证未来能源转型顺利进行。

总体来看，报告通过多场景、多参数敏感性递归分析深度揭示了铱这一稀缺资源对氢能技术拓展的制约与机遇，为能源规划者提供科学决策依据，具有重要学术和应用价值。[page::19]

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综上所述，本报告通过严谨的数据建模和多场景对比，全面解析铱需求的演变规律和影响因素，展示了物质供应瓶颈对未来绿色氢能发展的深远影响。其提出的技术路线、供应应对和循环利用策略为能源转型中的关键资源管理提供了重要指导，尤其强调了跨学科创新与多技术路径发展的必要性，是理解及应对未来氢能扩容中材料资源挑战的核心参考文献。

报告