2022-03-24 鉑金族金屬之間的替代
鉑金族金屬之間的替代By 世界鉑金投資協會
07 MAR 2022
汽車催化劑中的鉑金族金屬
汽車需求是鉑金最大的單一需求部分，汽車鉑金需求約佔鉑金總需求的40%。汽車用鈀和銠分別佔鈀和銠總需求的80%和90%左右。
鉑金及其姊妹鉑金族金屬(PGM)、鈀和銠都具有必要的物理和化學特性，使其非常適合自催化。它們的催化特性使汽車催化劑內的反應能夠發生，包括在車輛冷啟動期間存在的低溫條件下，此時排放量最高。耐用性也很重要，因為催化轉化器需要在車輛的整個生命週期內發揮作用。如果沒有PGM，催化轉化器中的預期轉化反應將不會發生，從而導致車輛無法滿足排放法規。已經嘗試過其他材料，但未能滿足現代排放控制系統的長期活性、耐用性和成本效益要求。
儘管鉑金作為所有PGM的汽車催化劑擁有最長的記錄，其在柴油和汽油車輛中的使用歷史可以追溯到1970年代，但今天它主要用於柴油車輛。哪種鉑金族金屬最適合特定的排放控制系統（和最佳負載）以及鉑金、鈀和銠在何種程度上可以相互替代的問題很複雜。
PGM的使用取決於多種因素，包括每種金屬的有效性、可用性和價格，以及日益嚴格的排放標準。每種金屬（每種特定排放物）的催化效率受發動機溫度、燃料類型、燃料質量以及用於製造汽車催化劑的PGM塗層或“塗層”類型的耐久性的影響。
例如，柴油發動機在比汽油發動機更低的溫度下運行，並且使用含有大量氧氣的更稀薄的空氣/燃料流運行。在這些條件下，鉑金是一種更活躍的催化劑，可將CO 和碳氫化合物轉化為無害排放物。
在1990年代，鈀的低價導致它取代了汽油汽車催化劑中的鉑金，儘管達到相同排放控制水平所需的鈀是鉑金的兩倍。這個2:1的取代比在當時是必要的，因為鈀的催化效率會因硫的存在而受損；汽油的硫含量相對較高。
在本世紀初，燃料中的硫含量降低了；汽油的硫含量從百萬分之400以上大幅下降到百萬分之100以下。這種硫含量的降低以兩種方式影響了PGM 在汽車催化劑中的使用模式。首先，在汽油汽車催化劑中，鈀的使用量不再是鉑金的兩倍，這意味著兩種金屬之間的“取代比”從 2:1 變為 1:1。其次，降低柴油硫含量意味著在柴油汽車催化劑中使用一些鈀變得可行。
由於市場失衡，鉑金在汽車催化劑中的歷史性替代鈀
到1990年代後期，鈀金的需求一直超過供應。年度短缺由俄羅斯國有庫存提供；鈀在生產初期作為俄羅斯鎳銅礦的副產品被認為沒有什麼價值或應用，其中大部分庫存幾乎是意外積累並轉移到國家庫存中。2000年，俄羅斯的行政失敗與南非的加工失敗同時發生，導致鈀的價格從200美元/盎司左右上漲。超過1,000美元/盎司。幾個月內。
這種短期價格飆升至遠高於鉑金價格水平的後果是鉑金替代鈀金，對較便宜的鉑金的需求顯著增加。如圖 1 所示，1999年至2002年間，汽車催化劑中鈀的總用量減少了48%。鈀價隨著需求下降至260美元/盎司而下降。到2003年1月。鉑金汽車催化劑的使用量在同一時期增加了60%。
圖 1：鈀金和鉑金汽車需求和鈀金價格，1996–2005年
資料來源：Johnson Matthey、彭博、WPIC研究
儘管到2003年鈀金已大量替代鈀金，但將鈀金納入其中的工作仍在繼續，特別是在重型車輛中，因為此時鈀金價格已回到鉑金價格以下，從而為汽車製造商提供了財務激勵。此外，在以鉑金為主的自催化劑中加入一些鈀可以提高其熱穩定性。在減少排氣中的柴油顆粒物時，這是一個優勢。這個過程包括將顆粒物質捕獲在過濾器中，然後提高系統的溫度以將物質氧化成二氧化碳。在這些更高的溫度下，鈀提高了催化劑的熱耐久性，幫助其在車輛的使用壽命內發揮最佳性能。
到2012年，莊信万豐(JM)的數據顯示，每年800 koz的當時便宜得多的鈀已經取代了柴油汽車催化中的鉑金（圖2）。這種情況從2014年開始逆轉，因為鈀金連續第三次出現赤字，其成本效益下降。儘管JM停止發布相關數據來證明這一趨勢，但人們認為，隨後的鈀金短缺推動了柴油汽車催化劑中鉑金替代鈀金的進程，這一過程在2019年基本完成，但柴油催化劑中的一些殘餘鈀金仍用於熱穩定性。
圖2：2006-2012年用於柴油汽車催化劑中鉑金替代的鈀
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資料來源：Johnson Matthey，WPIC 研究
由於當今市場失衡，鉑金替代鈀在汽車催化劑中
自2017年以來，鈀金的價格再次超過鉑金金，到2020年超過每盎司1,500美元。今天的鉑金族金屬市場繼續反映這種不平衡，每年汽車鈀金需求超過開採供應，導致鈀金持續短缺。這導致了鉑金和鈀金價格之間的扭曲，後者目前的交易價格仍高於鉑金金。
鈀金的持續需求加上其價格溢價和供應限制，繼續推動鉑金汽車需求因替代而增長。事實上，全球化學品巨頭巴斯夫已經展示並測試了一種帶有新塗層的汽車催化劑，該塗層可以在不影響排放的情況下，在已經上路的輕型汽油車中用相對較低價格的鉑金部分替代高價鈀金標準。
迄今為止，汽車製造商和催化劑製造商的公開討論主要集中在已上市車型催化劑中用鉑金替代鈀。這些替代努力始於2016年，當時是由迫在眉睫的鈀短缺而非價格差異推動的。一旦每年節省的成本可能超過測試和重新認證成本，實施速度就會加快，這很可能是在更大的高鈀含量模型上。製造商預計以這種方式定義的替代鉑金需求量將在2021年增加至約150 koz，到2025年增加到約1.5 moz。北美市場是自然的早期替代目標，因為其監管環境要求測量整個汽車製造商車隊的排放量，排放控制系統在5-10年的下限實施期內逐漸更換。
然而，在歐洲和中國，必須在指定日期之前達到新的較低排放水平。由於歐盟6d 和中國6a 是在2021年1月之前實施的，因此在該日期之後計劃在歐洲和中國銷售的所有車型都在過去三年中重新開發了排放系統，以應對變化。這意味著鉑金可以用來代替鈀，幾乎不需要額外的工程、測試或認證成本，也不需要公開披露這些專有和機密的發展。推論是，到2021年，預計在中國（約2000萬）和歐洲（約890萬）生產的汽油車已經採用鉑金替代鈀。採取保守的觀點，假設只有約 25% 的車輛被考慮改變金屬組合，而鈀金被鉑金取代的部分僅為約30%，2021 年歐洲推出前金屬替代品帶來的額外鉑金需求僅中國就可以為OEM利潤增加約 4.4億美元，重要的是每年增加約320 koz的鉑金需求。
收緊排放法規作為進一步替代的驅動力
鉑金族金屬含量的增加是另一個影響更多鉑金替代鈀的動力。
術語“裝載量”是指排放控制系統中使用的金屬量。車輛上的每個系統都包含一個或多個自動催化劑“磚”，有時與廢氣再循環和液態尿素噴射結合使用。該系統的所有部分都與傳感器和電子發動機點火控制緊密集成。
如圖 2 所示，從歷史上看，嚴格的排放法規，而不是汽車銷量的實際變化，推動了PGM汽車需求的增長。隨著系統變得越來越複雜，以應對更嚴格的排放限制和道路測試的出現，而不是實驗室測試，金屬負載也增加了。
例如，在歐洲，繼2015年“柴油門”醜聞(Dieselgate scandal)之後，人們對減少柴油車中氮氧化物 (NOx)的關注度增加，導致尿素投加率更高，每個催化劑的鉑金更多，以將氮氧化物轉化為二氧化氮，從而優化去除氮氧化物。
在中國，國六標準的實施目前正在影響鉑金的負載量。自2021年7月起適用於重型車輛，催化劑製造商已公開表示，為了符合國六規定，卡車上的鉑金族金屬裝載量比之前滿足先前法規要求所需的裝載量增加三倍，其中鉑金佔這一增長的大部分.
圖 3：鉑金族金屬汽車催化劑總需求增長遠高於28年來全球汽車銷售增長（6.2倍對1.6倍）
資料來源：OICA、LMC汽車、Johnson Matthey。1990 = 1的索引圖表
自2021年1月起，在歐洲和中國銷售的所有輕型汽油車都必須滿足新的、更低的排放限制。這些限制（分別稱為 Euro 6d 和中國6法規）的綜合影響導致這些地區生產的汽油車的鈀含量顯著增加。這些更高的負載要求正在加劇鈀市場的短缺，該市場在2020年連續第九次出現供需短缺。除了鈀的價格顯著超過鉑金的價格並為替代提供實質性的經濟激勵外，汽車製造商對鈀供應的擔憂增加了替代的可能性和幅度。
替代是鉑金需求增長的驅動力
受全球半導體持續短缺對汽車行業的影響，2021年鉑金汽車需求在疫情后復甦弱於最初預期，2021年全球輕型汽車產量從預期的8700萬輛減少至約7600萬輛.儘管有所減少，但由於排放標準和替代品的收緊，2021年汽車對鉑金的需求增長了14%（+340 koz）至2,704 koz。相比之下，2019年新冠疫情前的需求為 2,836 koz，而汽車產量為8,900萬輛。
到2022年，汽車對鉑金的需求將增長20%（+533 koz）至3,237 koz，基於8500 萬輛輕型汽車的產量，高於2021年的水平，但仍低於COVID之前普遍的預測以及隨之而來的半導體短缺。儘管如此，2021年的預測反映了汽車行業的溫和復甦，因為半導體短缺的影響開始緩解，並使該行業對鉑金的需求高於大流行前的水平。
2021 年汽車鉑金需求包括 200 koz 替代，到 2022 年是預測的兩倍。然而，實際鉑金替代鈀的規模可能被低估了，特別是考慮到中國近期的 - 無法解釋的 - 趨勢鉑金淨進口量持續超過該國的可識別需求。
值得注意的是，在中國六下，每輛車的鉑金負載量似乎明顯低於其他地區達到可比排放標準的車輛。例如，在重型汽車領域，據估計，到2021年，中國每輛車的鉑金裝載量低於3克，而歐洲估計每輛車的鉑金裝載量超過20克（儘管中國六僅實施2021年7月）。這種影響可能被忽視了，因為從歷史上看，中國的排放限制落後於歐洲和北美，而中國六和中國六首次比其他兩個主要市場的排放限制更嚴格。
預測替代的年度需求影響的一個重要考慮因素是，例如，一旦催化劑中的鉑金取代了鈀，其設計是每個車型平台的定制匹配，相關的年度需求每年都會保持不變該車輛平台的c.7年壽命。如果鉑金和鈀金價格隨後趨於平價（反映它們的1:1替代率），從而消除替代鈀金的經濟激勵，則鉑金的年度需求水平將在平台生命週期內保持不變。
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