严重依赖关键矿产 清洁能源转型需关注资源约束
“2024年全球近地面年平均温度比1850至1900年平均温度高1.55℃±0.13℃，是175年观测记录中最温暖的一年。”世界气象组织日前发布的《2024年气候状况报告》显示，人类活动导致的气候变化，正持续加剧生命、经济和地球所面临的风险
面对气候变化的风险与挑战，以光伏太阳能和风力发电为核心的清洁能源转型被寄予厚望。“然而，清洁能源的发展比传统能源更依赖关键矿产资源。”中国科学院数学与系统科学研究院研究员汪寿阳告诉《中国科学报》，“由于关键矿产资源的限制，太阳能和风能对实现《巴黎协定》目标的贡献率远低预期。”
针对这一难题，汪寿阳团队联合中国科学院教授段宏波团队等将资源勘探、回收技术、贸易风险等纳入气候情景分析，首次揭示了关键矿产对转型路径的制约效应。5月14日，相关研究成果发表于《自然-通讯》。
能源转型的十字路口
“要实现净零排放目标，到2050年全球近90%的电力将来自可再生能源，其中太阳能和风能将占70%。”国际能源署曾发布《全球能源行业2050净零排放路线图》，对我国而言，大规模部署太阳能、风能等可再生能源，促进能源绿色转型至关重要。
然而，相较传统的化石能源系统，可再生能源对矿物资源的需求较高，太阳能发电厂每安装1吉瓦的发电能力要耗费4000吨铜，是传统发电厂需求量的4倍。
“这类矿物通常被称为‘关键’矿物，因为其供应中断的风险较高。”论文通讯作者段宏波告诉记者，各国或各地区的矿物关键性不同，目前关键矿物尚未有统一定义，但基于我国工业条件的特殊考虑，我国约有铝、铜、银、硅等20种关键矿物，“能源系统的清洁转型将显著增加对关键矿产资源的需求。”
因此，汪寿阳和段宏波团队瞄准这一关键问题，对矿物需求和矿物供应风险进行评估，“本研究旨在从矿物贸易的角度解决供需不匹配的问题，并探讨贸易带来的矿物约束在碳中和的作用。”汪寿阳说。
考虑到不同矿物资源的供应和短缺问题会影响发展路径的规划，进而误导能源投资和碳减排策略的制定，为了构建稳健的评估模型，揭示关键矿产对清洁能源转型路径的制约效应，研究团队做了诸多方面的准备。
“我们整合了AIM/CGE、IMAGE等5种国际权威综合评估模型提出的能源转型路径，构建了涵盖中国和全球范围的‘储量-生产-需求’的一体化评估框架。”段宏波介绍道，该研究针对《巴黎协定》设定的两个气候目标，考虑了材料回收对缓解矿产供应压力的影响，设置了不同的技术组合情景，以及低回收率和高回收率等不同矿物回收情景，“为了准确评估我国清洁能源转型所需关键矿产的供需关系，我们还进一步考虑了其他行业对关键矿产的净需求。”
研究发现，《巴黎协定》颁布十周年之际，全球能源转型已走到十字路口，我国清洁能源转型路径也需要进行重新评估。
“初级矿物供应的限制可能会阻碍我国在所有情景下的清洁能源转型。”汪寿阳举例称，锡和镉面临的短缺风险最为严重，全球储量仅能支持我国能源转型计划到2031年，而银的短缺风险相对较小，“若忽视矿产约束，光伏和风电装机容量至2060年或下降超50%，我国或将面临着‘化石能源消费回弹-碳减排缺口扩大’的风险，这可能甚至将阻碍全球温控目标的实现。”
守住1.5°C生存底线
“碳中和不仅是能源革命，更是资源管理革命。将矿产约束纳入气候模型，是如期完成温控目标的重要一环。”汪寿阳反复强调，这一研究也为我国“双碳”战略实施提供了重要参考。
此外，汪寿阳指出，地缘政治风险也会降低资源的可得性，进一步加剧我国能源转型所面临的资源约束挑战。
“鉴于光伏太阳能和风力发电的扩张，到2060年，我国对矿产的总需求将是2020年的12倍，约占全球相关矿产需求的四分之一。”段宏波告诉记者，如此巨大的关键矿产需求增长，从全球储量和矿产贸易潜在风险的角度，将对清洁能源的发展形成严格限制。他举例称，“与当前情况相比，到2060年，锡、镉、锌和银的储量分别需要增加300%、151%、91%和62%，才能满足太阳能和风能产业扩张带来的需求。”
而在实现碳中和目标的整个时期内，在1.5°C和2°C的升温限制下，我国在大多数年份里将是铝、铬、锰、硼等矿物的净进口国，太阳能和风能的供应减少所导致的能源缺口，也将阻碍我国实现碳中和以及《巴黎协定》的承诺。
“同时，鉴于我国水电、地热能等清洁能源的潜力有限，以及核能因安全风险而面临的不确定性，化石燃料，尤其是煤炭、天然气和石油，仍将在能源结构中发挥重要作用。”汪寿阳表示。
“在矿产资源的限制下，我们重新规划了能源转型路径，发现即便考虑到可能的能源替代，为实现升温限制目标，到2060年太阳能和风能产业的部署规模仍会大幅缩减。”论文第一作者、西安电子科技大学准聘副教授史慧婷指出，这可能导致化石燃料发电厂的退役时间推迟。
研究发现，要想守住1.5°C生存底线，实现向清洁能源的转型升级，还需要综合考虑多方面因素。
“首先，必须提高矿产资源的利用效率和回收率，同时加快资源勘探和材料替代方面的技术进步；同时，政府强化矿产供应链韧性，重构清洁能源结构，优先发展第四代核能，以技术创新对冲资源瓶颈。”段宏波指出，探索潜在的国际合作伙伴关系，或投资海外矿产供应链等方式实现进口来源的多样化也至关重要。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59741-y
不同情景下中国和全球矿产供需失衡情况（课题组供图）
本文链接：http://www.gihot.com/show-11-20945-0.html严重依赖关键矿产 清洁能源转型需关注资源约束
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