“鎂經(jīng)濟”前景廣闊，我國應抓住引領(lǐng)機遇

王亦楠

鎂既有重要的工業(yè)價值，又可實現(xiàn)能源循環(huán)利用。地球上能單獨作為金屬材料應用且資源最豐富（豐度大于1%）的元素只有鋁、鐵、鎂三種，但從目前全球年產(chǎn)量來看，鋁約為8000萬噸，鋼鐵約為18億噸，而鎂卻只有100萬噸左右，其重要工業(yè)價值和巨大市場價值還遠未釋放出來。

得益于鎂燃料電池關(guān)鍵技術(shù)出現(xiàn)重大突破，以鎂作為循環(huán)介質(zhì)，建立“鎂經(jīng)濟”綠色循環(huán)體系，為性能優(yōu)異的鎂材料和鎂能源的大規(guī)模推廣應用掃除障礙，已成為可行。

而在這一前景廣闊的新領(lǐng)域新賽道上，中國有著得天獨厚的引領(lǐng)優(yōu)勢，應高度重視并抓住難得的機遇，以在激烈的國際競爭中贏得更多發(fā)展主動權(quán)。

“鎂經(jīng)濟”潛力巨大，或?qū)⑸羁逃绊懯澜?/h3>

“鎂經(jīng)濟”是新能源與新材料相融合的綠色循環(huán)經(jīng)濟?！版V經(jīng)濟”綠色循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈的源頭，從原料講是取之不盡的海鹵水，從能源講是用之不竭的可再生能源。利用鎂既是工業(yè)材料又是能源載體的雙重屬性，“鎂經(jīng)濟”可同時實現(xiàn)新能源和新材料兩大產(chǎn)業(yè)的綠色循環(huán)、優(yōu)勢整合：既解決了風光電的儲能難題，又將無法處理的鹽化工行業(yè)廢棄物苦鹵“變廢為寶”，變成可帶動國民經(jīng)濟眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級的重要基礎(chǔ)材料。

“鎂經(jīng)濟”核心產(chǎn)業(yè)鏈的綠色循環(huán)過程如右圖所示，簡而言之是：以東部沿海/西部鹽湖大量堆積的苦鹵為原料，利用風光電將其電解，產(chǎn)生金屬鎂和氯氣。氯氣是有廣泛用途的化工原料，如生產(chǎn)溴素、氯乙烯等，金屬鎂既可發(fā)展鎂合金制造，也可通過鎂燃料電池來發(fā)電，若是后者，產(chǎn)物除了清潔穩(wěn)定的電能外，就是當前在全世界范圍內(nèi)都非常稀缺且昂貴、與高端制造密切相關(guān)的尖端材料——粒度在納米級、純度高達99.5%以上的氧化鎂（以下簡稱“超純超細氧化鎂”）。

“鎂經(jīng)濟”核心產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)全過程無工業(yè)三廢和二氧化碳排放，不僅讓所有產(chǎn)物“物盡其用、可循環(huán)利用”，而且可實現(xiàn)三大突破，即超純超細氧化鎂在世界上首次實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、金屬鎂/鎂合金的生產(chǎn)成本和鎂燃料電池的發(fā)電成本可大幅降低，這將在工業(yè)領(lǐng)域和能源領(lǐng)域引發(fā)深刻變革。

“鎂經(jīng)濟”的兩大材料突破將大大帶動高端制造發(fā)展。目前純度達到98.5%的氧化鎂即稱為“高純氧化鎂”，能在2850℃高溫下保持優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、抗侵蝕性、電絕緣性、光透過性、高導熱性等，因此作為高溫耐熱和精細化工原料，廣泛用于冶金陶瓷、石油化工、國防航空、電子電器、光學儀表等眾多行業(yè)的高端制造領(lǐng)域。鎂合金是目前世界上最輕的高強度金屬結(jié)構(gòu)材料，比剛度和比強度顯著高于鋼鐵和鋁合金，且阻尼減振性好、導熱散熱性好、電磁屏蔽能力強、機加工性能優(yōu)、無毒易回收，在汽車、航空航天、武器裝備、軌道交通、電子通信、生物醫(yī)用等領(lǐng)域顯示出巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

但是，目前高純氧化鎂和金屬鎂的生產(chǎn)工藝均存在高能耗高污染高成本的問題。國際上高純氧化鎂主要通過海水提取，化學制備工藝非常復雜，且技術(shù)被少數(shù)發(fā)達國家壟斷，而我國高溫煅燒菱鎂礦的工藝還無法實現(xiàn)氧化鎂98.5%以上的高純度?！捌そā鄙a(chǎn)金屬鎂在環(huán)保的壓力下產(chǎn)能嚴重受限且價格波動大，制約著下游鎂合金產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。中國金屬鎂冶煉的90%以上都采用的是被稱為“皮江法”的硅熱還原法，其工藝流程主要包括白云石煅燒、粉磨與壓球、真空熱還原等過程，以煅燒白云石為原料、硅鐵為還原劑、螢石為催化劑，將白云石還原成金屬鎂。

“鎂經(jīng)濟”以顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新和綠色循環(huán)，讓高純氧化鎂和金屬鎂的生產(chǎn)從此“物美價廉”。保守測算，金屬鎂的成本可比目前至少降低2/3，將帶動鎂合金的應用大大提速；超純超細氧化鎂比高純氧化鎂的性能更優(yōu)異，以普通氧化鎂的成本實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應用后，將極大促進高溫材料的性能突破，比如可合成目前世界上還無法實現(xiàn)的高純度鎂鋁尖晶石、開發(fā)能承受極端苛刻環(huán)境的陶瓷集成電路基板等。作為高端制造的重要基礎(chǔ)材料，金屬鎂/鎂合金和超純超細氧化鎂的突破，將在眾多領(lǐng)域產(chǎn)生巨大關(guān)聯(lián)效應。

“鎂經(jīng)濟”核心產(chǎn)業(yè)鏈的綠色循環(huán)圖

“鎂經(jīng)濟”為能源低碳轉(zhuǎn)型和安全保障開創(chuàng)了新路徑?！版V經(jīng)濟”利用風光電制金屬鎂，鎂再通過鎂燃料電池發(fā)電，產(chǎn)出清潔穩(wěn)定的電能。鎂燃料電池與氫燃料電池的發(fā)電原理相同，只是燃料不同，前者是金屬鎂，后者是氫氣。雖然氫燃料電池的能量密度比鎂燃料電池高，但氫能源的產(chǎn)業(yè)化一直存在重大技術(shù)難題：因為氫氣非常容易泄漏和爆炸，其泄漏率比天然氣高出6倍，只要環(huán)境濃度達到4%即進入爆炸區(qū)間，所以從制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫的全過程都存在重大安全風險；而且儲氫運氫的成本很高，因一般碳鋼會產(chǎn)生氫脆從而導致強度大大下降，所有管道、儲罐都必須用特殊材料，目前還沒有又安全又經(jīng)濟的技術(shù)手段。相比之下，鎂能源從生產(chǎn)、使用到儲運的全過程及長期儲存都沒有易燃易爆和腐蝕性問題，產(chǎn)業(yè)化難度比氫能源要小得多。

鎂燃料電池既能量密度高，理論上是鋰離子電池的15倍，又能確保安全，還沒有回收利用難題，前景一直被業(yè)內(nèi)高度看好，但目前包括氫燃料電池在內(nèi)的所有燃料電池，都必須使用稀有貴金屬鉑做催化劑，從而導致資源受限、電池成本居高不下。

針對這一痛點，我國科研人員已成功開發(fā)出完全替代鉑的新型催化劑，可使鎂燃料電池成本至少降低60%以上，在軍用和民用領(lǐng)域的推廣也成為可行。比如，鎂燃料電池能承受如擠壓、穿刺、水淹等極端苛刻工作環(huán)境，非常適合做緊急狀況下的應急電源、軍用裝備的保障電源、偏遠海島的發(fā)電站等。與目前普遍使用柴油發(fā)電機做備用電源相比，鎂燃料電池可使發(fā)電成本降低50%。此外，離網(wǎng)充電（即充電樁設置不受電網(wǎng)限制）是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一，可有效解決電動汽車的充電難，并避免大規(guī)模集中充電對電網(wǎng)的沖擊。鎂燃料電池可采用模塊化靈活部署，是實現(xiàn)離網(wǎng)充電的極佳手段，建設成本低、充電速度快，而且投資回報高（副產(chǎn)品是超純超細氧化鎂）、運行維護便捷。

我國有開創(chuàng)和引領(lǐng)“鎂經(jīng)濟”的顯著優(yōu)勢

我國的鎂資源儲量位居世界第一。我國擁有世界鎂資源儲量的70%。目前我國鐵礦和鋰礦的對外依存度已分別高達82%和65%，發(fā)展“鎂經(jīng)濟”不僅可培育出眾多綠色增長點，而且鎂合金和鎂能源的大規(guī)模推廣應用將顯著降低我國鐵、鋰等金屬礦產(chǎn)資源的進口依賴，在復雜多變的國際形勢下尤其有重要戰(zhàn)略意義。

“鎂經(jīng)濟”的資源獲取可先從消納鹽化工廢棄物苦鹵開始。目前全國累積的苦鹵總量至少高達數(shù)億噸，且還在以2000萬噸/年的速度增加，既浪費資源，又破壞環(huán)境。“鎂經(jīng)濟”將苦鹵變成高端制造重要基礎(chǔ)材料，實現(xiàn)了資源化、高值化再利用，同時把礦石鎂資源留給子孫后代。

我國自主掌握最關(guān)鍵的核心技術(shù)?！版V經(jīng)濟”的綠色循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈能以經(jīng)濟高效的方式打通，關(guān)鍵在于鎂燃料電池技術(shù)取得重大突破——不再受制于鉑的稀缺昂貴。催化劑之關(guān)鍵相當于燃料電池的心臟，新型的碳基催化劑及其在燃料電池中的應用，目前已獲得30余項專利，并在美國、英國、日本、新加坡等多國獲得了專利權(quán)。相比于氫能源的核心技術(shù)幾乎全被發(fā)達國家壟斷，鎂能源的核心技術(shù)全部為中國自主，且處于世界領(lǐng)先水平，沒有“卡脖子”風險。目前，通過鎂燃料電池生產(chǎn)超純超細氧化鎂，已在河北唐山建成了年產(chǎn)300噸級的生產(chǎn)線，生產(chǎn)工藝的先進性可靠性已得到實踐檢驗，標志著“鎂經(jīng)濟”綠色循環(huán)從技術(shù)和經(jīng)濟上都已可行。該產(chǎn)線是模塊化設計，通過簡單復制即可擴大產(chǎn)能。

我國有完整的配套產(chǎn)業(yè)鏈支撐。目前全球90%的金屬鎂產(chǎn)能和2/3的氧化鎂產(chǎn)能都在我國。與氧化鎂應用緊密關(guān)聯(lián)的耐火材料產(chǎn)業(yè)，我國產(chǎn)量高居世界65%以上，且品類最齊全；再下游的應用如鋼鐵、玻璃、水泥、陶瓷等基礎(chǔ)制造業(yè)，我國產(chǎn)量都占全球1/2以上?！版V經(jīng)濟”及其延伸領(lǐng)域，在我國既有龐大的配套產(chǎn)業(yè)做支撐，又有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級的內(nèi)在動力。比如，我國在鋼水潔凈度控制上與發(fā)達國家還有很大差距，目前高端特鋼還要依賴進口。高純氧化鎂對鋼水潔凈度起著至關(guān)重要的作用，超純超細氧化鎂若實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應用，可大大助力我國高端特鋼的冶煉和鋼鐵產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

當前推動“鎂經(jīng)濟”的關(guān)鍵問題和對策建議

“鎂經(jīng)濟”的綠色循環(huán)體系關(guān)聯(lián)領(lǐng)域眾多、發(fā)展前景廣闊，但要真正將其巨大潛力變成現(xiàn)實的生產(chǎn)力、創(chuàng)造出巨大經(jīng)濟社會效益，需要新能源、新材料實現(xiàn)跨行業(yè)的交叉融合甚至重構(gòu)，并和眾多高端制造業(yè)實現(xiàn)上下游協(xié)同推進，才能發(fā)揮出最大效能。比如，目前鎂燃料電池生產(chǎn)出來的超純超細氧化鎂，并不是各領(lǐng)域高端制造可直接拿來就用的產(chǎn)品，還要針對不同應用場景，如硅鋼涂層、高溫材料、陶瓷材料、電子器件等，專門調(diào)節(jié)它的晶體形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、堆積密度、水化率、灼燒失量等系列物理指標，才能滿足特定需求；而在再加工的過程中，超純超細氧化鎂的物理指標不同，所需要的工藝、設備和產(chǎn)線也不同，因此必須有下游用戶提出明確需求并實現(xiàn)應用聯(lián)動，超純超細氧化鎂的重要價值才能真正發(fā)揮出來。而下游行業(yè)的產(chǎn)品升級通常需要企業(yè)在初期做相當大的投入以改變現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝、技術(shù)和設備，很多情況下單靠市場的力量或某個企業(yè)的力量難以啟動。正如歐美國家在能源轉(zhuǎn)型等問題上的經(jīng)驗總結(jié)：“無形之手”托不起綠色經(jīng)濟、“對國家整體最優(yōu)的方案”不會依靠市場自然而然地發(fā)生。

因此，當前推動“鎂經(jīng)濟”，要在資源、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈三大優(yōu)勢基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮我國的制度優(yōu)勢——通過國家力量來啟動這個綠色循環(huán)體系、高效鏈接各個行業(yè)，讓政府“有形之手”和市場“無形之手”協(xié)同作用。為此，提出4點建議：

一是切實做好我國“鎂經(jīng)濟”發(fā)展的頂層設計。“鎂經(jīng)濟”有助于我國加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力，引領(lǐng)世界科技和產(chǎn)業(yè)變革，應從國家戰(zhàn)略高度認識“鎂經(jīng)濟”的重要性，并制定清晰的發(fā)展路線圖。包括但不限于：明確產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向、目標、重點任務及優(yōu)先順序；建立統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理機構(gòu)，明確產(chǎn)業(yè)政策、法規(guī)標準和監(jiān)管要求；搭建技術(shù)創(chuàng)新平臺，集中優(yōu)勢資源開展以先進應用為導向的基礎(chǔ)研究等。

二是積極開展沿?！版V經(jīng)濟”循環(huán)示范區(qū)建設。沿海省區(qū)苦鹵堆積的壓力最大，同時鋼鐵、化工、陶瓷、金屬加工等產(chǎn)業(yè)完備，可與“鎂經(jīng)濟”的綠色循環(huán)形成完美的上下游配套。據(jù)測算，2GW的海上風電場電解苦鹵，即可形成每年40萬噸金屬鎂、66萬噸超純超細氧化鎂和5萬噸溴素的產(chǎn)能，直接創(chuàng)造的經(jīng)濟效益十分可觀，還未考慮下游產(chǎn)業(yè)的關(guān)聯(lián)效益。“鎂經(jīng)濟”可為向海圖強、高質(zhì)量發(fā)展注入內(nèi)生動力。

三是有序推進鎂燃料電池的規(guī)?；a(chǎn)和應用。鑒于鎂燃料電池在軍用民用領(lǐng)域均有巨大發(fā)展?jié)摿?，建議依托鎂燃料電池的最新創(chuàng)新成果，率先開展兩個應用示范：第一，建設規(guī)模約200千瓦的海島發(fā)電站，目標是滿足大約100人的生活用電和工作用電（如無人機、水面艦船、便攜式電源、通信裝備等）需求；第二，在大型港口建設離網(wǎng)充電站，滿足碼頭電動車輛的用電需求，減輕港口電動化升級帶來的供電壓力。

四是加快推進鎂質(zhì)新材料在高端制造業(yè)的應用。對于金屬鎂/鎂合金，應基于創(chuàng)新工藝有序擴大行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模，增加鎂合金牌號種類，完善產(chǎn)品標準體系。對于超純超細氧化鎂，應針對主要應用場景，盡快開展從氧化鎂再加工到終端用戶整個鏈條上所需要的工業(yè)研發(fā)試驗和技術(shù)改造示范。比如特鋼冶煉，應從國家層面組織特鋼企業(yè)、耐火材料企業(yè)和工業(yè)設計院聯(lián)合攻關(guān)，并對技術(shù)改造給予必要的啟動資金支持。

（本文作者系國務院發(fā)展研究中心研究員）