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每年，美国有数百兆瓦至数千兆瓦的风力涡轮机会得到翻新。这些老旧的涡轮机会更换转子、更换叶片，并升级发电机等关键部件，以提高机器从风中发电的能力。这个过程被称为“再功率化”。有时会被更换的部件中包括由钕和镝等稀土元素制成的磁铁，这些元素在智能手机、笔记本电脑和电动汽车马达中也起着至关重要的作用。
稀土矿物的广泛应用意味着报废的风力涡轮机磁铁中的成分有多种潜在的再利用方式。但如今，这些磁铁大部分都进了垃圾填埋场。据估计，全球范围内（无论是来自风力涡轮机、报废的硬盘，还是其他所有来源）稀土的回收率不到 1%。
美国政府担心未来可能出现的稀土供应短缺会阻碍能源转型，希望改变现状。今年 1 月，美国能源部（DOE）宣布了其 510 万美元“风力涡轮机材料回收奖”第一阶段的 20 位获奖者。该奖项由 2021 年两党基础设施法资助，旨在为目前未被商业回收的风力涡轮机部件（包括风力涡轮机叶片和部分发电机中的超大型磁铁）开发“具有成本效益且可持续的回收产业”。每个获奖团队将获得 75,000 美元的现金奖励，以帮助他们推进回收理念。如果一个团队的初步成果令人鼓舞，它可能会获得额外的 50 万美元现金奖励，以及 10 万美元的 DOE 国家实验室技术援助代金券。
DOE 风能技术办公室的技术经理 Tyler Christoffel 表示，最终目标是在“能够影响清洁能源部署和我们脱碳目标的时间范围内”，将有前景的回收理念推向商业化。
稀土磁铁是目前最强的商用磁铁。它们有多种用途，包括电动汽车马达和几种类型的风力涡轮机发电机。尽管它们对清洁能源至关重要，但稀土元素的开采和提炼绝非绿色。为了挖掘这些金属，需要移动大量的土壤，并且需要苛刻的化学品来浓缩和分离它们。稀土开采对环境的影响，再加上预计未来几十年对稀土矿物的全球需求将飙升，这表明我们应该尽一切可能回收旧技术中的稀土，以便它们可以再次使用。考虑到风力涡轮机内部的发电机可以包含数百磅稀土金属，风力行业应尽快开始回收稀土磁铁，这似乎是理所当然的。
但这并没有发生。
“就我们目前所知，风力涡轮机中的稀土元素几乎没有被回收，”Christoffel 告诉 Grist，他引用了稀土回收技术的稚嫩、规模化新回收工艺带来的经济挑战以及目前需要回收的报废涡轮机磁铁数量有限。随着美国继续扩大其陆上风电场并转向海上（在那里偏爱使用稀土密集型发电机），磁铁回收选择的匮乏将“成为一个更紧迫的问题，”他说。
DOE 希望通过其新的回收奖项来解决这个问题。
在 20 个在上个月获得第一笔奖金的团队中，有四个团队明确专注于磁铁回收。Christoffel 表示，选择这些团队是因为他们的回收解决方案看起来新颖且有前途，并且他们证明了“有能力将技术推向商业化”。此外，这些团队中的大多数人都提出了比传统金属回收方法更清洁、更节能的替代方案。
“这个奖项确实有助于推动一些回收技术的发展，这些技术可以为磁铁提供低排放、低资源消耗的（途径），”Christoffel 说。
例如，在一种以前研究过的回收稀土磁铁的工艺中，将磁铁废料置于高温炉中，并暴露在氢气中以提取金属。如果废料已严重腐蚀或氧化，则可能需要一个额外的、耗能的步骤，称为熔盐电解，将这些元素还原成金属形态。犹他大学的一个一等奖获奖团队正在开创一种新方法，该方法依赖于高温下氢气和镁的化学反应，将钕从磁铁废料中分离出来，并将其转化为高纯度金属。通过这种工艺，回收商可以绕过熔盐电解，从而大大减少碳排放和能源消耗。
“我们在非常小的规模上证明了这种反应，这个概念是可行的，”犹他大学的冶金学家、项目负责人Zhigang Fang 告诉 Grist。在接下来的六个月里，该团队计划“扩大到更大的数量，以便我们能够证明……这是一个健壮的工艺，有潜力扩大到生产规模。”
在另一种流行的金属回收方法——湿法冶金中，回收商通常使用强酸从废料中提取金属。一等奖获得者 Critical Materials Recycling, Inc. 正在以一种更环保的方式采用这种方法，采用无酸溶解回收方法，这是在艾姆斯国家实验室开发的一种方法，通过水基溶液从磁铁中提取稀土。
Critical Materials Recycling 的母公司TdVib 于 2021 年签署了该技术的许可协议，并正在启动一个试点工厂，利用该技术回收电子垃圾中的稀土。在 DOE 的支持下，Critical Materials Recycling 现在将探索建立国内风力涡轮机磁铁回收行业的物流和经济问题。最终，在获得额外资金后，该公司希望能够利用其技术在试点规模上开始回收涡轮机中的磁铁。
该公司首席执行官Daniel Bina 告诉 Grist，与风力行业合作“对 Critical Materials Recycling 来说似乎是顺理成章的”。Bina 指出，该公司所在的爱荷华州是美国第二大风力发电州。“我们显然应该与我们后院的这些人民合作，从我们就在本地拥有的材料中回收稀土。”他说。
随着第一阶段比赛的结束，参赛团队现在正在准备他们的第二阶段提交，其中包括他们技术的原型演示和进一步扩展的详细计划。Christoffel 表示，多达六个团队将有资格获得 50 万美元的第二阶段奖金，DOE 预计将在夏末或初秋宣布这些奖项。
虽然竞赛本身不会催生一个全新的回收行业，但 DOE 希望能够产生一套技术，为从风力涡轮机中回收稀土磁铁的商业化奠定基础。目前，到达预估30 年使用寿命终点的风力涡轮机数量并不多。但这将在未来几十年内发生变化。与此同时，有一些磁铁可以从再功率化的涡轮机中回收，还有一些废料是在磁铁制造过程中产生的。
“希望这种竞争能引起更多关注，”普渡大学另一获奖团队的负责人 Linda Wang 说，该团队正在开发一种低碳、氢动力稀土回收工艺。“我们拥有技术……拥有风力涡轮机的公司应该进行一些长期规划来收集它们，而不是将它们运往垃圾填埋场。”
本文最初发表于 Grist，网址为 https://grist.org/energy/how-to-recycle-the-giant-magnets-inside-wind-turbines-these-scientists-have-a-few-ideas/。
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