,1,5Nexus between low-carbon energy and critical metals: Literature review and implications
WANG Peng1, WANG Qiaochu1, HAN Ruru2, TANG Linbin1,5, LIU Yu1, CAI Wenjia3,4, CHEN Weiqiang,1,5通讯作者:
收稿日期:2021-01-18修回日期:2021-03-10网络出版日期:2021-04-25
| 基金资助: |
Received:2021-01-18Revised:2021-03-10Online:2021-04-25
作者简介 About authors
汪鹏,男,江西鹰潭人,助理研究员,主要从事关键金属与能源环境关联系统研究。E-mail:
摘要
关键词：
Abstract
Keywords：
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汪鹏, 王翘楚, 韩茹茹, 汤林彬, 刘昱, 蔡闻佳, 陈伟强. 全球关键金属-低碳能源关联研究综述及其启示. 资源科学[J], 2021, 43(4): 669-681 doi:10.18402/resci.2021.04.03
WANG Peng, WANG Qiaochu, HAN Ruru, TANG Linbin, LIU Yu, CAI Wenjia, CHEN Weiqiang.
1 引言
为了应对气候变化这一重大而紧迫的全球性挑战,中国、欧盟、日本、韩国、加拿大等国家竞相公布“碳中和”目标或规划。其中,推进低碳能源生产、构建适应高比例可再生能源发展的新型能源系统是各国实现“碳中和”目标的关键举措[1]。2020年9月22日,中国国家主席习近平在联合国大会上宣布,“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,CO2排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。2020年12月12日,习近平主席在气候雄心峰会上宣布“到2030年,中国单位国内生产总值CO2排放将比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右,风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上”。2020年12月,欧盟27个成员国达成《欧盟2030年气候目标计划》,将2030年欧盟可再生能源占比目标从此前计划的32%提高到38%~40%,可再生能源发电量占比提升至65%以上[2]。2021年,美国总统拜登签署总统行政令,明确提出要重返“巴黎协定”,并实现“到2030年将海上风电增加一倍”“2035年实现电力行业无碳化”“在2050年前达到碳净零排放”等目标[3]。在“碳中和”目标的驱动下,全球能源系统向清洁化、低碳化甚至无碳化发展已是大势所趋,以低碳能源技术为核心的低碳产业将成为新的经济增长点。目前,世界各国大力发展低碳发电、高效储能、特高压电网、电动汽车、永磁电机等低碳技术,试图通过占领技术制高点,实现对国际低碳产业的掌控。在风力发电机、太阳能电池板、电解储氢、动力电池等低碳技术产品中,锂、钴、镍、镓、铟、稀土、铂等金属发挥了关键作用,被认为是支撑低碳产业发展不可或缺的物质基础[4,5],这些金属物质因其对新能源、新材料、通讯信息、航空航天、国防军工等新兴产业具有不可替代重大用途且其安全供应存在高风险,被国内外研究称为关键金属（Critical Metals）[6]。值得一提的是,关键金属的种类和数量会因各国政府和研究者的关注点及技术等因素的变化而改变,但其绝大部分都属于稀有金属、稀土金属、稀散金属和稀贵金属。本文涉及的能源相关潜在关键金属种类见表1。2020年,Akcil等[7]在Nature期刊上发表的论文指出,受新冠疫情影响,大多数关键金属矿产的供应将面临中断风险,各国政府对此应提高警惕（Wake-up Call）;同年,Science期刊也发文指出,当前亟需通过增进全球合作,保障关键金属矿产的供应安全,否则全球碳减排将面临巨大风险[8];世界银行在2017年和2020年先后发布两份报告,评估了全球能源低碳转型对关键金属矿产供需结构的影响[9,10];2020年,国际能源署发布报告,将“关键金属矿产能否支撑未来能源低碳转型”视为全球重大挑战[11]。发达国家高度重视关键金属对能源产业的支撑作用。2021年2月,拜登签署的另一项行政令[12]延续了特朗普13953行政令的做法,要求对美国高容量电池、稀土等关键产业链进行审查,意图降低对中国等国家的依赖,提升美国产业供应链安全与国际竞争力。
随着全球能源低碳转型的推进,国内外****越来越清晰地认识到“关键金属”与“低碳能源”之间存在着类似“水-能源关联（Water-energy Nexus）”一样的重要关联（下文简称“金属-能源关联”,Metal-energy Nexus）。金属能源关联研究目前已成为新兴研究领域,主要内容包括：聚焦金属和能源两大基础资源系统,研究“能源的生产/传输/消费”与“金属的开采/冶炼/消费/循环”各环节之间的相互依存及约束关系,探索多时空尺度下金属-能源关联系统对外部环境变化（如经济活动、气候变化和政府政策等）的响应机制和管理策略。
为提升对金属-能源关联的认识,首先,本文基于文献计量分析梳理了金属-能源关联研究的发展动态,概述了该领域的研究对象与方法;其次,阐述了现有研究的重要发现;再次,基于金属-能源关联研究视角,分析了中国作为多种关键金属的生产、消费和进出口大国在推动全球能源低碳转型进程中的贡献、代价和挑战;最后,提出中国在能源低碳转型背景下保障关键金属供应安全的相关策略建议。
2 金属-能源关联研究概述
2.1 文献计量分析
本文基于Web of Science核心集,通过搜索“Metal/Material/Mineral”“Energy”和“Nexus/Constraint/Supply/Demand”等关键词（检索时间从2000年1月1日至2020年12月31日）,收集到227篇“金属-能源”关联研究的文献资料。分析发现,金属-能源关联研究是重要的新兴研究领域,2010年之前发文量仅有22篇,但是2011年之后的发文量迅速上升（图1）,主要发表在Applied Energy、Journal of Industrial Ecology、Resource Conservation and Recycling、Environmental Science and Technology等能源、资源和环境领域的重要国际期刊。同时,金属-能源关联研究属于交叉学科范畴,相关研究成果近年也陆续发表于Science、Nature等顶尖的综合类期刊。预计随着“碳中和”及能源低碳转型的持续推进,金属-能源关联研究的发文量将不断攀升。Table 1
表1
表1低碳能源技术及所需的关键金属
Table 1
| 金属 | 符号 | 能源技术 | 最大生产来源 | 产量全球占比/% | 其他生产国（括号中数字为占比/%） |
|---|---|---|---|---|---|
| 镓 | Ga | 太阳能发电 | 中国（大陆） | 85 | 德国（7）、哈萨克斯坦（5） |
| 钨 | W | 电力设备 | 中国（大陆） | 84 | 俄罗斯（4） |
| 稀土 | REE | 核能、风力发电、电池、电动汽车 | 中国（大陆） | 95 | 美国（1.7）、俄罗斯（1.3） |
| 铋 | Bi | 电池 | 中国（大陆） | 82 | 墨西哥（11）、日本（7） |
| 锑 | Sb | 电池 | 中国（大陆） | 87 | 越南（11） |
| 镁 | Mg | 电池、电动汽车 | 中国（大陆） | 87 | 俄罗斯（7） |
| 锗 | Ge | 太阳能发电 | 中国（大陆） | 56 | 美国（16）、澳大利亚（13） |
| 钒 | V | 核能、风力发电、电池 | 中国（大陆） | 53 | 南非（25）、俄罗斯（20） |
| 钼 | Mo | 核能、风力发电、太阳能发电 | 中国（大陆） | 45 | 智利（20）、美国（15） |
| 铟 | In | 太阳能发电 | 中国（大陆） | 57 | 韩国（15） |
| 锡 | Sn | 核电、电池 | 中国（大陆） | 29 | 印度尼西亚（27） |
| 银 | Ag | 核能、太阳能发电、电动汽车 | 墨西哥 | 23 | 秘鲁（16）、中国（13） |
| 锂 | Li | 电池、电动汽车 | 澳大利亚 | 58 | 智利（21） |
| 铌 | Nb | 核能、风力发电、电池 | 巴西 | 95 | 加拿大（4） |
| 铍 | Be | 核能 | 美国 | 90 | 中国（8） |
| 镍 | Ni | 核能、风力发电、电池、电动汽车 | 印度尼西亚 | 24 | 菲律宾（15） |
| 钴 | Co | 核能、风力发电、电池、电动汽车 | 刚果（金） | 64 | 中国（5） |
| 铬 | Cr | 核能、风力发电 | 南非 | 46 | 土耳其（13） |
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从文献关键词来看,金属-能源关联研究领域的高频词汇包括3类：①研究方法类,包括“物质流分析”“情景分析”等;②研究对象类,包括“关键矿产”“金属”“风能”“能源”“可再生能源”“电动汽车”等;③热点词汇类,包括“中国”“风险”“回收”等。分析发现,“中国”频频出现在金属-能源关联研究论文的题目、摘要和关键词中,成为该领域的热门词汇,充分体现了中国作为关键金属供应大国在全球能源低碳转型中的重要地位。
从研究团队和****的角度来看,美国耶鲁大学Tom Graedel教授和荷兰莱顿大学Ester van der Voet教授早在2010年就开始研究物质资源和能源的相互依存关系[13]。此后,金属-能源关联研究逐步引起国内外****的关注。在国内,中国科学院地理科学与资源研究所的沈镭与Ayman Elshkaki团队、中国科学院城市环境研究所的陈伟强团队、山东大学的李佳硕团队从能源低碳转型、关键矿产等角度开展了中国及世界金属-能源关联系统的研究;在国外,美国劳伦斯伯克利国家实验室的周南团队、南丹麦大学的刘刚团队、挪威科技大学/耶鲁大学的Edgar Hertwich和Niko Heeren团队、日本国立环境研究所的Keisuke Nansai团队、以及荷兰莱顿大学的Ester van der Voet和Rene Kleijn团队也开展了大量的研究。由图2可知,国内外研究团队在金属-能源关联研究领域的合作紧密,中国科学院地理科学与资源研究所的沈镭研究员和Ayman Elshkaki研究员发文量最多,并且是中国、日本、美国和欧洲研究团队合作的关键节点。
图1
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图1金属-能源关联研究论文发表数量的变化趋势
Figure 1Trend of the number of published papers on metal-energy nexus
图2
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图22000—2020年金属-能源关联研究领域的重要****及合作关系图谱
Figure 2Map of key scholars and collaborative relationships in the field of metal-energy nexus, 2000-2020
2.2 研究对象
本文将研究文献关注的能源技术对象（风力发电机、光伏技术、聚光太阳能技术、新能源汽车、燃料电池和核能技术等）和金属的关联关系绘制如图3,总体表现为低碳能源依赖的关键金属种类具有多样性和相似性特征：①“一对多”：一种低碳技术的实现往往依赖多种关键金属的使用。如太阳能光伏和聚光太阳能技术的实现依赖锗、碲、铟、镓、锰等元素作为能源转化的关键超导材料[14,15];风力发电机依赖钕、镝、镨等稀土元素作为磁性原料[16];新能源汽车和燃料电池均依赖镍、钴、锂等作为电极材料,燃料电池还依赖铂作为储能材料[17];核能发电依赖铀及钨、钽、钼等高温材料作为动力来源和保护性材料;②“多对一”：多种低碳技术可能同时依赖一种关键金属。如稀土元素钐、镨、镝、铽是风力发电机、新能源汽车和燃料电池中的关键材料;关键金属钒、铬、钼、铌则同时是核能技术、风力发电技术及聚光太阳能技术实现的必备材料;钯、铅、银、镍则分别在风力发电机、光伏电池板和新能源汽车起着重要作用。图3中金属元素的颜色代表了该金属在研究案例中出现的频率。总体而言,铜（Cu）具有高导电性,是电力基础设施的关键材料,几乎应用于所有的低碳能源技术,是目前最受关注的关键金属;在稀土元素中,钕（Nd）和镝（Dy）广泛用于风机和新能源汽车中,得到的关注也比其他稀土元素高;动力电池技术是当前最有应用前景的低碳储能技术之一,因此,国内外****重点围绕锂（Li）、镍（Ni）等关键金属的供需情况开展了广泛的研究;在与光伏技术相关的关键金属中,锗（Ge）、碲（Te）、铟（In）、镓（Ga）等由于其稀缺性较高而得到较多的关注;储氢技术的逐步成熟也使得铂族元素——铂（Pt）、钯（Pd）、锇（Os）、铱（Ir）、钌（Ru）、铑（Rh）备受关注;钢铁（Fe）、铝（AI）等大宗金属虽然也广泛用于很多低碳技术中,但由于其供应风险较低,相关金属-能源关联研究并没有将它们作为重点研究对象。
图3
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图3关键金属与低碳技术的关联及关键金属受关注度
Figure 3Relationship between critical metals and low-carbon energy technologies, and the degree of attentions in studied publication
2.3 金属-能源关系概述
迄今为止,学术界还没有对“金属-能源关联”形成统一的定义。基于现有文献资料,本文将这些关联归纳为两类：①金属作为“耗能资源”。金属资源的开采、生产及回收过程需要消耗能源,因此,能源成为金属资源系统运转的重要支撑。②金属作为“赋能资源”。风能、太阳能等能源的生产、使用和储存依赖稀土、钴、铂族金属、锂和镍等关键金属作为支撑材料,因此,关键金属成为支撑能源系统运转的物质基础。2000—2010年,大多数有关金属-能源关联的研究聚焦于分析金属的“耗能资源”属性,主要研究钢铁、铝、铜、铅、锌等金属生产过程的能源消耗及节能潜力。美国麻省理工学院Gutowski等[18]对比分析了全球16种金属生产过程能耗的变化趋势,发现虽然金属生产的能耗强度在不断下降,但是随着金属矿产品位的降低和需求的提高,金属矿产行业的能源消费量实际上是不断提升的;Vidal等[19]关于材料-能源关联（Material-Energy Nexus）的综述论文指出,能源的可获性将成为金属资源可持续供应的重要约束;Peng等[20]采用投入产出分析方法研究了中国金属-能源的关联性,发现中国所有部门金属和能源的消耗是基于能源或者金属单一核算视角的1.05和1.22倍。
2011—2020年,金属-能源关联研究越来越多地关注金属的“赋能资源”属性[21,22],研究对象转向稀土、锂、钴、铂等关键金属,主要研究这些关键金属的供应风险及其对能源系统低碳转型的约束。自2010年Graedel等[13]提出矿产-能源关联的概念后,Elshkaki等[23,24,25]先后分析了不同能源规划情景下全球与中国关键金属未来需求的变化趋势;Wang等[26]结合需求预测模型和金属全生命周期流动量化模型,核算了未来中国光伏和风电产业的稀土、碲、铟、锗等关键金属的需求量;Giurco等[21]基于矿产-能源关联（Mineral-Energy nexus）视角,分析了稀土-风能、钢铁-煤炭、铀-核能3种关联关系,指出关键金属的可持续供应是实现能源低碳转型的重要前提。
2.4 研究方法进展
为了分析金属-能源的关联关系,国内外****开发了一系列量化模型与方法,对这些方法及其代表性工作的总结如下：（1）指标打分法。该类方法起源于美国国家研究委员会的报告[27],通过收集“供应风险”和“供应短缺潜在影响”的各类评估指标,对金属元素的“关键性”进行打分评级,初步分析关键金属生产、消费、贸易的演变趋势,从诸多备选金属中筛选出关键金属[28];2009年,美国物理学会（American Physical Society）和美国材料学会（Materials Research Society）成立了“能源关键材料”研究委员会,基于专家判断识别出与低碳能源技术相关的29类关键金属,并于2011年发布首份研究报告[4];2010年,美国能源部发布“关键材料策略”报告[29],通过识别“供应风险”与“对清洁能源技术的重要性”等相关评估指标,并对其打分评级,筛选出关键原材料/矿产/金属;2020年,黄健柏等[30]基于10个评估指标对清洁能源技术相关的15种关键金属的供应风险进行定量评估。
（2）模型预测法。该类方法是基于物质流分析、情景预测、投入产出分析等模型,量化分析不同能源发展情景下各类“赋能”关键金属供需结构的演变趋势,主要分为基于技术驱动与基于经济结构的两类核算方法：
首先,基于技术驱动的核算方法。该方法根据低碳技术参数和关键金属行业数据的调研结果,解析低碳技术中关键金属的用量及其变化趋势,揭示关键金属在各种低碳技术发展路径下的流量及存量的演变规律,如需求量、存量、报废量等,具有技术细节详实、数据精度高的特点。2011年,Graedel等[31]研究了全球能源系统低碳转型下的关键金属供应约束问题;Kleijn等[32,33]量化分析了未来可再生能源产业的关键金属需求;2017年,Olivetti等[34]探讨了全球动力电池产业发展对关键金属供需结构的影响,发现未来全球动力电池产业将面临锂、钴等关键金属供应短缺的约束;2020年,Li等[35]考虑到区域风电发展目标和稀土资源禀赋的差异,运用物质流分析方法量化分析了中国、北美、中东、东欧等国家和地区风电产业的稀土需求量,发现目前的稀土资源储量与产能难以满足全球2050年风电发展目标的资源需求。
其次,基于经济结构的核算方法。该方法是以投入产出表为基础,通过拓展金属资源消耗卫星账户计算得到各能源部门的金属足迹,从而核算不同能源发展情景下的金属需求。此核算方法可以有效关联能源相关上下游部门的金属需求,得到较为全面的金属需求预测,但对低碳技术的演变和金属循环的分析能力较差。2018年,Koning等[36]基于投入产出分析方法量化分析了钢铁、铝、铜、镍、锂等金属在不同低碳能源情景下的总体需求,发现金属需求将快速上升,使得能源部门超越其他用途成为大部分金属的主要消费部门;2019年,Nansai等[37]利用投入产出方法量化分析了2004—2013年日本11种金属的需求和96个可持续发展目标的关系;2019年,Watari等[38]量化分析了全球15种发电技术和5种交通技术发展的总体物质材料需求（Total Material Requirement）,发现低碳能源转型将会驱动铜、银、镍、锂、钴和钢铁的需求快速上涨。
（3）模拟仿真法。随着计算能力提升以及建模理念和方法的进步,国内外****开始基于模拟仿真方法,量化分析金属系统和能源系统的关联关系,模拟外部冲击对金属-能源关联系统的影响及动态反馈。Ge等[39]利用动态可计算的一般均衡模型,模拟预测中国未来稀土需求变化趋势;Sun等[40]与Liu等[41]基于“新能源汽车技术-锂”系统动力学模型分析了中国电动汽车产业发展对锂供应、需求、贸易的影响。随着研究的深入,****们发现某些微观个体行为会对宏观金属-能源关联系统产生影响,而上述方法无法模拟这些现象。为此,Riddle等[42]基于多主体建模方法开发了能源技术驱动下的关键金属供需预测模型,模拟和预测风电产业对钕、镝等稀土元素需求的变化趋势。
3 金属-能源关联研究的主要科学发现
基于金属-能源关联研究进展的梳理,本文从供需结构、贸易风险、环境危害、国际关系和地缘格局等角度,归纳总结了金属-能源关联研究领域的主要科学发现。3.1 能源低碳转型将激化关键金属的供需矛盾
全球能源低碳转型驱动关键金属需求迅速上升[43],但是相对有限的资源储量与生产能力导致部分关键金属面临供应短缺的风险。预计到2030年,全球能源系统对镓、铟、钕的需求将达到2006年的6.1倍、3.3倍、3.8倍[44];预计到2050年,银、铂、碲、钴、铟的需求量将分别达到其全球储量的4.4倍、2.9倍、2.7倍、1.9倍、1.7倍（图4）;美国能源信息署（EIA）[45]在《世界能源展望2019》中指出,2018—2050年全球可再生能源的消耗量将以年均3%的速率增长,碲和锂的需求增速最高,分别为6.9%和6.2%。此外,关键金属亦应用于建筑、通讯、机械等领域,每年约有数百万t关键金属用于城市化与工业化基础设施的建设。如果将所有部门的关键金属需求计算在内,未来全球关键金属的供需缺口将进一步扩大。图4
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图42050年全球部分关键金属的需求总量与资源储量的比值[46]
Figure 4Ratios of the global demands to reserves of energy-related critical metals, 2050[46]
3.2 能源低碳转型将提升关键金属的贸易风险
由于关键金属矿产地理分布的不均衡性,绝大多数国家只能通过进口来满足本国的关键金属需求。在全球经济一体化的趋势下,关键金属贸易日渐频繁,国家间错综复杂的贸易流动形成了一个巨大的复杂网络[47]（图5）。各国间的贸易活动极大地促进了关键金属的全球循环和再分配[48],但网络中各国经济体之间相互依存的关系也可能给参与国带来供应风险问题。首先,关键金属这一以国际贸易为主要供应方式的供应链具有脆弱性,极易受到外部环境（如全球经济衰退、国家贸易政策）的扰动[49]。由于关键金属矿产具有稀缺性和战略性,资源出口国的贸易政策限制、全球经济发展态势及技术革新带来的资源需求转变都可能影响关键金属贸易网络的稳定性,进而给参与国带来风险。其次,关键金属贸易网络普遍呈现无标度的网络特性,即极少数的国家掌握了绝大多数的贸易量。例如,在铬贸易网络中,中国与南非间的铬贸易量约占全球贸易总量的23%;在钨贸易网络中,超过70%的钨精矿贸易量发生在玻利维亚、葡萄牙和法国等国家与美国之间（尽管中国钨的资源储量、开采量和生产量均位居世界首位,但国家对钨精矿实行出口限制政策,因此中国在钨贸易网络中的地位并不显著）。这种不平衡的贸易关系意味着一旦网络中的关键国家的贸易现状发生变化,就可能产生连锁效应并通过贸易网络快速传播,导致整个网络的级联失效,进而影响网络中所有国家关键金属的供应安全。同时,关键金属贸易网络中的关键国家的政治秩序很大程度上影响了贸易网络的稳健性。例如,全球超过60%的钴来自于国家政治局势稳定性较差的刚果（金）,因此全球钴贸易网络的稳定性相对较低。此外,新冠疫情对全球关键金属供应链的冲击仍在持续,金属-能源关联系统在全球尺度上的复杂性持续上升,极大地增加了关键金属的供应风险。图5
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图52018年关键金属钴、铬、锂、稀土、锑和钨的全球贸易网络图
数据来源：根据联合国商品贸易统计数据（
Figure 5Global trade networks of cobalt, chromium, lithium, rare earths, antimony, and tungsten, 2018
3.3 全球能源低碳转型将加剧区域性的生态环境污染
低碳能源技术的规模化应用能够有效降低全球碳排放并改善生态环境。然而,关键金属矿产的开采、冶炼、加工和制造会消耗大量能源,并造成“三废”排放甚至是放射性污染,严重危及当地生态系统及居民健康。Sovacool等[7]的预测结果表明,随着关键金属需求的提高,全球关键金属矿产的开采及冶炼产能将会进一步增长,这将导致更多的能耗以及CO2和其他污染物的排放,削减低碳能源技术的碳减排潜力。例如,太阳能多晶硅电池生产排放的四氯化硅会对眼睛、皮肤与呼吸道产生巨大危害,同时会对区域生态系统造成不可逆转的破坏[50];薄膜太阳能电池使用的重金属镉是致癌物质,会对生产工人的肾脏、肺与骨骼造成损伤[51]。与此同时,发达国家也正在将关键金属生产过程中污染最为严重的环节向发展中国家转移。以稀土为例,澳大利亚莱纳斯公司作为除中国以外最大的稀土供应商,在马来西亚关丹建立稀土冶炼工厂,由此产生的放射性废物排放引发当地民众多次游行抗议。由于资源的开采与设备的制造大多分布在环境规制较为薄弱的发展中国家或者偏远的矿区,全球能源系统低碳转型将碳排放和其他潜在的生态环境污染转移,并集聚到开采、冶炼资源和制造产品的国家与区域,给当地生态环境系统和人体健康造成巨大的危害。3.4 全球能源低碳转型将加深各国之间关键金属的依赖和竞争
尽管太阳能、风能等可再生能源的资源潜力巨大,但是支撑光伏、风电等低碳产业发展的关键金属面临全球分布极度不均的现实挑战[52]（表1）。例如,中国是光伏技术所需的镓、锗、钼、铟元素以及新能源汽车技术所需的稀土元素的主要供应国,供应量的全球占比高达85%、56%、45%、57%与95%;刚果（金）是动力电池技术所需的钴元素的储量大国,供应量全球占比约为64%;南非是全球铬元素的生产大国,约占全球铬供应量的46%;铌元素主要由巴西供应,约占全球供应量的95%;锂元素主要来自澳大利亚和智利,分别占全球供应量的58%和21%。低碳能源技术的发展需要多种关键金属共同支撑,地理分布的不均衡促使各国间形成关键金属资源合作与竞争的双重关系。一方面,资源、产能、技术的相互合作将缓解各国关键金属的供需缺口,实现共赢;另一方面,各国关键金属清单的重叠也将引发国家之间的关键金属争夺与博弈。美国地质调查局分析了中美两国对42种非能源矿产的依赖程度,发现中美均严重依赖进口的矿产高达11种之多,未来两国在南美、非洲等地将面临激烈的资源争夺之战[53]。3.5 全球能源低碳转型将加快重塑世界能源/资源的地缘政治格局
国际可再生能源署（IRENA）[54]和国际能源署（IEA）[55]的研究报告指出,虽然传统化石能源如石油和天然气在全球能源未来的供给结构中仍然会占据重要地位,但是随着全球能源需求重心从化石能源转向低碳、清洁能源,化石能源供应国的地缘战略重要性将逐渐降低,相关化石能源出口国的全球影响力将日渐削弱,而低碳能源技术领导国将从全球能源低碳转型中崛起并获得更多收益。同时,部分关键资源如电力、生物燃料、氢等新兴能源或锂、钴、稀土金属等关键金属的供应国可以通过切断关键金属供应获得新的地缘政治筹码。因此,在全球能源低碳转型的驱动下,部分国家极有可能将会凭借丰富的关键金属资源禀赋,提升其在区域或全球舞台的政治影响力[56]。Manberger等[57]通过对钴、镍和稀土等14种金属或类金属矿产的全球分布和地缘政治格局的分析发现,由于大部分关键金属矿产的地理集中度高于石油,全球能源系统转型将会带来更为严峻的地缘政治挑战。在全球低碳转型的大背景下,一方面,可再生能源技术替代品的可获取性、出口国的稳定供应和各国地缘政治战略将成为各国能源转型成功的关键;另一方面,如何掌握风能、太阳能和其他可再生能源的关键技术以及如何确保所需的金属的安全供给,将成为影响未来全球能源地缘政治格局走向的决定性因素[58]。4 中国关键金属与全球低碳能源关联关系分析
中国既是全球关键金属的供应大国,也是主导世界低碳产业的重要国家,厘清中国在全球能源低碳转型中的角色作用,对实现全球可持续发展至关重要。本部分立足金属-能源关联视角,系统分析了中国在全球能源低碳转型中的贡献、代价、挑战。4.1 全球低碳转型需要依赖中国的关键金属和低碳技术
全球能源低碳转型依赖中国的关键金属及低碳技术。美国地质调查局报告指出,在近25种关键金属矿产中,中国供应量超过40%的矿种近半,涵盖了大部分低碳能源技术所需的关键金属,中国分别是美国13种关键矿产、欧盟21种关键矿产、英国23种矿产的最大供应国;中国稀土资源储量约占全球总储量的1/3,却承担了全球90%以上的市场供应[59];中国在2017—2018年期间向全球供应了94%的镓、60%的锗、40%的铟、82%的钨、65%的碲和55%的钒[56]。同时,中国凭借庞大的资源储备和强大的冶炼加工能力,逐渐成为全球低碳设备的制造中心。美国国家可再生能源实验室（NREL）研究数据显示,2017年全球光伏装机量约为92 GW,其中98%由亚洲国家供应,而中国占比高达57%。当前,中国是全球最大的太阳能电池板、风机、电池与电动汽车的生产国、出口国、存量国,为推动全球低碳化进程贡献了资源与技术,缓解了社会、经济、环境等多方面压力。4.2 中国为全球低碳转型付出了生态环境与经济代价
全球能源低碳转型将持续增加中国关键金属矿产的开采和出口,同时也使中国为此承担了巨大的生态、环境、经济代价。以稀土为例,中国作为全球最大的稀土生产与出口国,长期为世界各国提供大量的稀土资源。然而,稀土矿产的开采、冶炼与生产过程引发了一系列的生态环境问题,如废水（含高浓度氨氮、氟、重金属等）、废气（含氟、硫）和废渣（钍和铀等放射性元素）等污染物的排放,地表水、地下水、大气及农田的严重污染,山体滑坡、水土流失、植被破坏等生态危害。2001—2013年,中国稀土资源开发的生态环境成本高达761.7亿元。其中,采选导致的生态破坏损失为721.8亿元,冶炼导致的环境治理成本为39.9亿元[60]。然而,由于缺乏国际公认的关键金属生产过程的环境影响及其成本评估数据,中国为推动全球能源低碳转型付出的代价至今未受到国际重视。4.3 中国能源低碳转型也面临关键金属供应短缺风险
为了保障中国能源供应、改善生态环境和提升国际竞争力,十九大报告强调“推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全、高效的能源体系”,同时将新能源和新能源汽车作为战略性新兴产业重点发展,并制定了一系列宏伟的战略目标。然而,这些目标的实现需要依赖关键金属作为材料支撑。为了实现能源转型目标,预计到2050年中国风力发电的金属需求量将增长到2000年的230~312倍,光伏技术的金属需求量为20~137倍[26];到2030年,中国新能源汽车对稀土的需求量将达到31.5万t,约为当前中国稀土年产量的2~3倍[61]。作为世界低碳能源生产和消费中心,中国将成为全球关键金属的需求大国[62]。然而,中国实现能源低碳转型的关键金属供需缺口巨大。梁靓等[63]的研究结果表明,中国约有84%~99%的镍、钴、锂及锰资源依赖进口。另外,由于技术、成本和其他条件的制约,中国锂、锡、铷、铍、铌和锰供应能力严重短缺。近年来,钴和锂元素的价格在动力电池技术快速发展的驱动下大幅攀升,正极材料在动力电池中的价格占比由30%升至50%。由于关键金属多以共生或伴生矿形态开采[64],产能扩张缓慢[65],且部分分布于政局动荡地区,因此,中国未来能源低碳转型所需的关键金属的供需矛盾将日益凸显,这对中国低碳能源技术进步、市场推广和国际竞争亦将带来重大的影响。5 结论及建议
5.1 结论
面对日益严峻的环境压力和不断增长的能源需求,全球能源系统的低碳转型已是大势所趋。然而,低碳能源技术的发展依赖大量的关键金属的稳定供应。本文立足金属-能源关联视角,对金属-能源关联研究文献进行了计量分析,阐述了金属-能源关联研究领域的研究起源、进展及科学发现,揭示了中国在推动全球能源低碳转型进程中的贡献、代价、挑战。本文有如下主要结论：（1）金属-能源关联研究已成为新兴研究领域,其研究热点从金属的“耗能资源”属性逐渐转向“赋能资源”属性,研究对象从钢铁、铝等大宗金属逐渐转向稀土、锂、钴等关键金属,并综合运用指标打分法、模型预测、模拟仿真法等研究方法模拟和分析全球能源低碳转型下的关键金属供应约束等问题。
（2）部分关键金属如铂、碲、铟的储量有限,难以满足全球能源低碳转型的资源需求;钴、铬、铌等关键金属主要由某些政局动荡的国家生产,并且全球供应来源相对集中,加剧了关键金属的供应风险;大多数关键金属的国际贸易网络呈现无标度特性,极易受到外部环境变化的扰动,导致全球关键金属供应链及其低碳能源技术产业链面临较大的不确定性;大多数关键金属采选冶过程严重破坏当地生态环境,危及工人和居民的身体健康,带来局部的生态、环境和健康风险。
（3）关键金属的战略意义重大,各国对关键金属的争夺在所难免。在全球能源低碳转型的背景下,石油和天然气作为外交政策工具的地缘战略重要性逐渐降低,低碳能源技术领导国和关键金属的供应国将在全球能源低碳转型过程中获得地缘政治筹码。由于大部分关键金属矿产的地理分布集中度高于石油,世界各国之间的争夺和博弈不可避免,关键金属的国际战略形势可能会日益复杂和紧张。
5.2 建议
中国的关键金属资源储量丰富,但是长期以低廉的价格大量出口,为全球能源低碳转型作出巨大贡献的同时也为此承担了高昂的资源、环境、经济代价。需要认识到,中国部分关键金属仍然极度短缺,例如镍、钴、铂等资源的储量严重不足,高度依赖进口。在“碳达峰”与“碳中和”目标背景下,识别中国关键金属的供应风险,建立安全、稳定、持续的关键金属供应体系对保障中国关键金属资源安全意义重大。未来,中国在金属-能源关联研究和协同管理方面应重视如下4点：（1）充分认识关键金属在能源系统低碳转型中的重要作用,建立关键金属供应风险的监测、预测、预警机制以及关键金属资源保障长效机制。结合中国可再生能源产业发展规划与矿产资源战略布局,摸清关键金属需求量、国内储量、循环回收潜力及全球生产贸易格局,动态评估关键金属的供应风险,全面提升中国对关键金属的管控能力,强化关键金属供应与能源低碳转型的管理力度。
（2）时刻警惕能源系统低碳转型带来的新型地缘政治风险,通过构建国际产业联盟、资源贸易协议等方式,建立稳定的关键金属和能源供应机制,积极参与并主导关键金属与可再生能源的国际治理。充分利用中国的资源、技术和产业优势,加强能源与资源的区域合作和全球治理,带动国际社会共同参与到可再生能源与关键金属的治理体系中。
（3）积极应对外部环境变化对关键金属供应的冲击,建设关键资源战略储备体系。鼓励政府、企业等多方开展关键金属供应风险评估和供应模拟平台建设,评估疫情、战乱、国际争端、政治活动等外部环境条件变化对关键金属供应的潜在影响,识别贸易削减、中断的可能性,量化战略储备对象和需求,提供特殊时期的应对方案及策略。
（4）建立关键金属的资源溯源、资源效率和可持续发展能力监测平台。针对中国关键金属去向不明、共伴生矿产多、选冶难度大、环境影响严重等问题,提升关键金属流动的监控能力,识别资源的流失途径,提升关键金属的资源利用效率;加大资金投入,开展关键金属的探矿、高效冶金、清洁生产、循环回收、高效利用及减量化技术的研发和推广;构建循环经济和清洁生产指标体系,开展关键金属生产过程环境影响评估研究,推广低碳技术产品及工艺绿色标准认证,提升中国关键金属矿产的可持续供应能力和产业影响力。
参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子
[J].
DOI:10.1126/science.370.6512.17URL [本文引用: 1]
[R].
[本文引用: 1]
[N/OL].(
URL [本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[J].
DOI:10.1038/nchem.1116URL [本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1038/d41586-020-03190-8URL [本文引用: 2]
[J].
DOI:10.1126/science.aaz6003URL [本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[N/OL]. (
URL [本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[J].
DOI:10.1016/j.apenergy.2016.08.062URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.resconrec.2011.09.004URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.jclepro.2014.04.035URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1038/s41893-020-00607-0URL [本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
DOI:10.2138/gselements.13.5.319URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.jclepro.2018.12.253PMID:WOS:000458228300033 [本文引用: 1]
The lack of knowledge about the interdependence between energy and metals hinders sustainable management of the two essential resources. In this study, a hybrid framework which combines the Environmentally Extended Input-Output Analysis (EEIOA) and Ecological Network Analysis (ENA) was constructed to evaluate energy-metals use and flows within China's economic system in 2012, from the perspective of nexus. Furthermore, the structural properties of nexus networks and mutual relationships between sectors were simultaneously explored. The results show that hybrid energy (direct energy + metals-related energy) and hybrid metals (direct metals + energy-related metals) used by all the sectors were 1.22 and 1.05 times their direct energy and direct metals use, respectively. In both hybrid energy and metal networks, mining industry and construction industry had a strong control and dependence relationship (over 50%) with other sectors, reflecting the tight inter-sectoral connection between energy use and metals use. Therefore, stabilizing these main control and dependence pathways is essential to the system's effective operation. In addition, alleviating excess industrial capacity and optimizing economic structure are two effective measures to improve the currently low energy-metals circulation efficiency within China's economy system. By revealing the nexus between energy and metals in China, this study provides important policy implications for trade-offs and synergies between energy and metals use. (C) 2018 Elsevier Ltd.
[J].
DOI:10.1016/j.jclepro.2014.05.102URL [本文引用: 2]
[J].
DOI:10.1038/s41893-018-0173-2URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.jclepro.2013.07.003URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.energy.2019.05.156PMID:WOS:000474315800072 [本文引用: 1]
Transition to low carbon energy system requires number of metals that are required in other sectors, have limited availability, produced mainly as byproducts in limited countries, and classified critical, which may shift energy system traditional geopolitics. China is main producer of several metals and one of their main consumers, which may have implications on their use in other sectors and in low carbon technologies in other countries. We aim at analyzing electricity generation technologies (EGT) in China, their metals requirements, and their global implications. Metals included are Ag, Te, In, Ge, Se, Ga, Cd, Nd, Dy, Pr, Tb, Pb, Cu, Ni, Al, Fe, Cr, and Zn. Dynamic material flow-stock model and seven energy scenarios are used, combined with material scenarios. Results indicates that most critical metals for energy system are Te, Cr, Ag, Ni, In, Ge, Tb, and Dy, however, technology advancements are expected to reduce risks associated with Ag, In, Dy, and Tb. Energy scenarios are difficult to realize without adequate supply of metals from primary sources, combined with increasing resources efficiency, recycling, and careful selection of technologies. Energy models used to produce these scenarios should include energy-material nexus. Biggest global implications expected for Ge, Te, Tb, and Dy. (C) 2019 Elsevier Ltd.
[J].
DOI:10.1021/acs.est.7b05154URL [本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[R].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1146/annurev-matsci-062910-095759URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.energy.2011.07.003URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.rser.2010.07.066URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.joule.2017.08.019URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.oneear.2020.06.009URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.resconrec.2017.10.040URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.resconrec.2019.05.017URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.resconrec.2019.05.015URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.3390/min6030095URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1021/acs.est.8b04288URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.resconrec.2019.02.043URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.resourpol.2015.01.002URL [本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.renene.2016.03.102URL [本文引用: 2]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1021/es4033452URL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1038/nature08932PMID:20393559 [本文引用: 1]
Complex networks have been studied intensively for a decade, but research still focuses on the limited case of a single, non-interacting network. Modern systems are coupled together and therefore should be modelled as interdependent networks. A fundamental property of interdependent networks is that failure of nodes in one network may lead to failure of dependent nodes in other networks. This may happen recursively and can lead to a cascade of failures. In fact, a failure of a very small fraction of nodes in one network may lead to the complete fragmentation of a system of several interdependent networks. A dramatic real-world example of a cascade of failures ('concurrent malfunction') is the electrical blackout that affected much of Italy on 28 September 2003: the shutdown of power stations directly led to the failure of nodes in the Internet communication network, which in turn caused further breakdown of power stations. Here we develop a framework for understanding the robustness of interacting networks subject to such cascading failures. We present exact analytical solutions for the critical fraction of nodes that, on removal, will lead to a failure cascade and to a complete fragmentation of two interdependent networks. Surprisingly, a broader degree distribution increases the vulnerability of interdependent networks to random failure, which is opposite to how a single network behaves. Our findings highlight the need to consider interdependent network properties in designing robust networks.
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1021/es405539zURL [本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 2]
[J].
DOI:10.1016/j.esr.2019.100394URL [本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1016/j.resconrec.2019.02.003URL [本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
[本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1021/es301519cURL [本文引用: 1]
[J].
DOI:10.1038/nature21359URL [本文引用: 1]
[本文引用: 1]
