面對(duì)氣候變化的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，以光伏太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電為核心的清潔能源轉(zhuǎn)型被寄予厚望。“然而，清潔能源的發(fā)展比傳統(tǒng)能源更依賴(lài)關(guān)鍵礦產(chǎn)資源。”中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院研究員汪壽陽(yáng)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“受關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的限制，太陽(yáng)能和風(fēng)能對(duì)實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)低于預(yù)期。”

針對(duì)這一難題，汪壽陽(yáng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授段宏波團(tuán)隊(duì)等將資源勘探、回收技術(shù)、貿(mào)易風(fēng)險(xiǎn)等納入氣候情景分析，首次揭示了關(guān)鍵礦產(chǎn)對(duì)轉(zhuǎn)型路徑的制約效應(yīng)。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然-通訊》。

能源轉(zhuǎn)型的十字路口

相較傳統(tǒng)的化石能源系統(tǒng)，可再生能源對(duì)礦物資源的需求較高。太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)每安裝1吉瓦的發(fā)電能力要耗費(fèi)4000噸銅，是傳統(tǒng)發(fā)電廠(chǎng)需求量的4倍。

“這類(lèi)礦物通常被稱(chēng)為‘關(guān)鍵’礦物，因?yàn)槠涔?yīng)中斷的風(fēng)險(xiǎn)較高。”段宏波介紹，目前關(guān)鍵礦物尚未有統(tǒng)一定義，但基于我國(guó)工業(yè)條件的特殊考慮，約有鋁、銅、銀、硅等20種關(guān)鍵礦物，“能源系統(tǒng)的清潔轉(zhuǎn)型將顯著增加對(duì)關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的需求”。

因此，研究團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)這一關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)礦物需求和礦物供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。“研究旨在從礦物貿(mào)易角度解決供需不匹配的問(wèn)題，并探討貿(mào)易帶來(lái)的礦物約束在碳中和中的作用。”汪壽陽(yáng)說(shuō)。

考慮到不同礦物資源的供應(yīng)和短缺問(wèn)題會(huì)影響發(fā)展路徑的規(guī)劃，進(jìn)而誤導(dǎo)能源投資和碳減排策略的制定，為了構(gòu)建穩(wěn)健的評(píng)估模型，揭示關(guān)鍵礦產(chǎn)對(duì)清潔能源轉(zhuǎn)型路徑的制約效應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)做了諸多準(zhǔn)備。

“我們整合了5種國(guó)際權(quán)威綜合評(píng)估模型提出的能源轉(zhuǎn)型路徑，構(gòu)建了涵蓋中國(guó)和全球范圍的‘儲(chǔ)量-生產(chǎn)-需求’一體化評(píng)估框架。”段宏波介紹，該研究針對(duì)《巴黎協(xié)定》設(shè)定的兩個(gè)氣候目標(biāo)，考慮材料回收對(duì)緩解礦產(chǎn)供應(yīng)壓力的影響，設(shè)置了不同的技術(shù)組合情景，以及低回收率和高回收率等不同礦物回收情景。“為了準(zhǔn)確評(píng)估我國(guó)清潔能源轉(zhuǎn)型所需關(guān)鍵礦產(chǎn)的供需關(guān)系，我們還進(jìn)一步考慮了其他行業(yè)對(duì)關(guān)鍵礦產(chǎn)的凈需求。”

研究發(fā)現(xiàn)，《巴黎協(xié)定》頒布10周年之際，全球能源轉(zhuǎn)型已走到十字路口，我國(guó)清潔能源轉(zhuǎn)型路徑也需要重新評(píng)估。

“初級(jí)礦物供應(yīng)限制可能阻礙我國(guó)在所有情景下的清潔能源轉(zhuǎn)型。”汪壽陽(yáng)舉例稱(chēng)，錫和鎘面臨的短缺風(fēng)險(xiǎn)最為嚴(yán)重，全球儲(chǔ)量?jī)H能支持我國(guó)能源轉(zhuǎn)型計(jì)劃運(yùn)行到2031年，而銀的短缺風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。“若忽視礦產(chǎn)約束，光伏和風(fēng)電裝機(jī)容量至2060年可能下降超50%，我國(guó)或?qū)⒚媾R著‘化石能源消費(fèi)回彈-碳減排缺口擴(kuò)大’的風(fēng)險(xiǎn)，甚至可能阻礙全球溫控目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。”

守住1.5℃生存底線(xiàn)

“碳中和不僅是能源革命，更是資源管理革命。將礦產(chǎn)約束納入氣候模型，是如期完成溫控目標(biāo)的重要一環(huán)。”汪壽陽(yáng)強(qiáng)調(diào)，這一研究為我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施提供了重要參考。

“鑒于光伏太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電的擴(kuò)張，到2060年，我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)的總需求將是2020年的12倍，約占全球相關(guān)礦產(chǎn)需求的1/4。”段宏波說(shuō)，如此巨大的關(guān)鍵礦產(chǎn)需求增長(zhǎng)將對(duì)清潔能源發(fā)展形成嚴(yán)格限制。他舉例稱(chēng)：“與當(dāng)前情況相比，到2060年，錫、鎘、鋅和銀的儲(chǔ)量分別需要增加300%、151%、91%和62%，才能滿(mǎn)足太陽(yáng)能和風(fēng)能產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張的需求。”

而在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的整個(gè)時(shí)期內(nèi)、在1.5℃和2℃的升溫限制下，我國(guó)在大多數(shù)年份里將是鋁、鉻、錳、硼等礦物的凈進(jìn)口國(guó)。太陽(yáng)能和風(fēng)能供應(yīng)減少造成的能源缺口，也將阻礙我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和以及《巴黎協(xié)定》的承諾。

“同時(shí)，鑒于我國(guó)水電、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉吹臐摿τ邢?，以及核能因安全風(fēng)險(xiǎn)而面臨的不確定性，化石燃料尤其是煤炭、天然氣和石油，仍將在能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用。”汪壽陽(yáng)表示。

“在礦產(chǎn)資源的限制下，我們重新規(guī)劃了能源轉(zhuǎn)型路徑，發(fā)現(xiàn)即便考慮到可能的能源替代，為實(shí)現(xiàn)升溫限制目標(biāo)，太陽(yáng)能和風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的部署規(guī)模到2060年仍會(huì)大幅縮減。”論文第一作者、西安電子科技大學(xué)準(zhǔn)聘副教授史慧婷指出，這可能推遲化石燃料發(fā)電廠(chǎng)的退役時(shí)間。

研究發(fā)現(xiàn)，要想守住1.5℃生存底線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)向清潔能源的轉(zhuǎn)型升級(jí)，還需要綜合考慮多方面因素。

“必須提高礦產(chǎn)資源利用效率和回收率，同時(shí)加快資源勘探和材料替代方面的技術(shù)進(jìn)步。政府強(qiáng)化礦產(chǎn)供應(yīng)鏈韌性，重構(gòu)清潔能源結(jié)構(gòu)，優(yōu)先發(fā)展第四代核能，以技術(shù)創(chuàng)新對(duì)沖資源瓶頸。”段宏波指出，通過(guò)探索潛在的國(guó)際合作伙伴關(guān)系或投資海外礦產(chǎn)供應(yīng)鏈等方式，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口來(lái)源的多樣化也至關(guān)重要。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-59741-y