原材料的挑战：金属和矿业部门如何成为能源转型的核心

● 刘真如/译

前言：随着世界准备进入净零水平，对于原材料的需求必将飙升。金属和矿业公司需要重新计划和更新（他们的）增长（战略）规划，以应对能源转型带来的特殊挑战。

净零经济转型将以金属为主导。随着清洁技术的发展，金属材料和采矿业将面临以下挑战：为能源转型提供大量原材料。由于金属和采矿业是一个交付周期长、资本密集度高的行业，需求大于供应导致的价格飙升及其带来的瓶颈将不可避免，价格波动给生产所需的大量前期资本投资带来不确定性。供应、需求和价格之间的相互作用将会体现在不同的商品上，从而带来技术转变、需求破坏和材料替代构成的反馈环。人们期望金属和矿业公司比以往更快、更健康地成长。与此同时，终端用户需要在技术开发和成长计划中考虑潜在的资源限制因素。

2021年11月召开的联合国气候变化会议（COP26）结束后，这一趋势发生了明显的转变。格拉斯哥气候协定确定减少全球碳排放的净零目标（防止地球升温超过1.5℃）为商业活动的核心原则。同时出现的另一个现实情况是：净零承诺超出了供应链、市场机制、融资模式和其他解决方案的形成速度，而这些都是全球脱碳道路上所必需的。尽管对于此次会议是否取得了足够多的成果仍存在争议，但显而易见的是，未来十年将对脱碳经济起决定性的作用。尽管全球经济的每个行业都面临着共同的压力，（例如：利益相关方和投资方要求其自身业务脱碳），但金属和矿业公司自身却面临着独特的挑战：提供推动大规模技术转型所必需的关键原料。

随着我们从化石燃料转向风能和太阳能发电、基于电池和燃料电池的电动汽车（EV）和氢气生产，原材料将成为去碳化和经济电气化的核心。正如全球经济可以通过几种途径来实现将升温限制在1.5℃的目标，也有的采用不同原材料的相应技术组合，发挥各自的作用。无论我们遵循哪种脱碳途径，都将发生根本性的需求变化——这些变化将改变我们所知道的金属和采矿业，创造新的价值来源，同时缩小其他价值。

对额外供应的需求不仅来自于相对大宗的原材料（例如：用于电气化的铜和用于电动车电池的镍），除目前的应用领域外，对这些原料需求还将大幅增长，而且还来自于相对稀少的产品，例如用于电池的锂和钴，用于太阳能电池板的碲，以及风力发电和电动车用永磁体的钕（见图1）。一些原材料（例如：钢铁）也将在需要额外基础设施的技术中发挥促进作用。

作为基础架构材料，钢铁对所有技术转型都至关重要，但每一项技术也都有特定元素发挥重要作用。

为防止原料短缺并保持新技术成本的竞争力(见下文“稀土金属”部分)，所需转型的速度意味着：在相对较短的时间内规模化生产某些原材料，产量达到目前市场规模的10 倍以上。

图1 按技术类型分，向低碳经济转型的重要材料

稀土金属

目前，全球稀土储量约为1.2 亿吨（REO），按照2020年全球24 万吨产量估算，可供开采500年。然而，有一些现实因素我们不可忽略。首先，这些元素的丰度相对较低，因此，确定项目并投入生产可能需要较多的投资和准备时间。其次，对技术转型至关重要的特定元素（例如，钕）在这些矿床中的含量存在极大的差异，这使得特定金属的可获得性和经济性与粗略分析显示的结果存在一定的差别。第三，已知稀土资源储量的地理分布非常集中。因此，需要进行更多的地质勘探，以确定特定地域内其他可经济开采的矿床。

最后，除了原材料的可获得性，特定元素的加工和分离也很关键。到目前为止，大部分的加工和分离能力以及技术能力也都集中在中国。因此，能源转型将需要对加工能力进行区域性的再分配，并对供应链进行重组。

经济增长、技术开发和原料密集度是需求增长的驱动力

在减少温室气体排放的技术准备方面，交通运输和电力部门是排头兵。但是，建立低碳经济并减少这些部门的碳排放强度则需要大量原料（见图2）。例如，以铜当量为基础，同样发电每万亿瓦时，太阳能和风能比天然气发电分别多消耗300%和200%的金属材料。不过即便如此，在考虑到原料生产时的碳排放后，太阳能和风能发电仍然大幅降低了整体的碳排放。同样，生产纯电汽车或燃料电池电动汽车比生产内燃机汽车消耗的原料更多。

矿物供应和太阳能电池板的生产

碲虽不为大众所熟知，却是用于太阳能电池板必不可少的金属，全球矿产量约为500 吨。没有纯碲矿，只作为其他金属冶炼和精炼的副产品而少量生产（90%以上的碲是从电解铜阳极泥中提取的)。因此，由太阳能产能驱动的对碲的需求增长可能是惊人的，但供应的增长预计将以铜等金属的增长率为上限。尽管由于能源转型，预计铜的需求也将大幅增长，但在净零转型的情况下，铜矿的供应不太可能以太阳能电池板生产所需的铜需求速度扩张。

新建电站或生产新车时，除需要大量原料外，其他因素也会影响碳排放量。首先，在技术的生命周期中，使用该技术后会产生碳排放（例如：用化石燃料发电或开电动汽车时使用电）。其次，每种技术的排放强度在一定程度上取决于所选的材料（例如，汽车材料选用钢或铝）。第三，即使使用相同的材料，供应商的选择也会产生显著差异，因为相同原材料的碳排放可能会因其来源而有很大差异。最后，每个行业都有自己的特点。就电力而言，可再生能源发电的容量系数低于化石燃料发电。因此，相较而言，可再生能源需要消耗更多的金属才能产出与化石能源相同数量的电力。就公路运输而言，不同动力系统的平均里程也起着重要的作用（例如：是否纯电动汽车和燃料电池汽车在其生命周期内会比内燃机驱动汽车行驶更长的距离）。

图2 大幅降低温室气体排放的低碳技术需要消耗较多的材料

供应如何快速作出反应

展望未来，在材料需求稳步增长以满足不断变化的市场需求的情况下，随着时间的推移，市场却无法适应不断变化的各种技术及材料需求的提高。这样的话，因为预计需求的增长速度将显著高于供应的增长速度，假定的原材料短缺情况将会出现。如图3 所示，未来锂矿供应的增长速度需要达到目前需求增长速度的7 倍。同时，矿产供应量较少的金属（如碲）需要更强劲的增长速度。因此，这些也是所需替代品和技术创新的必然选择。与过去观察到的情况相比，铜和镍等其他金属的供应也需加速增长。虽然这类金属的需求增长劲头不是很足，原因可能是和以下因素相关：其周围（上下游）更大规模的工业、需要的大量资金投入，日益具有挑战性的地质条件（如储量小，品位低)、交货时间长和加工过程的日益复杂。仅就铜和镍而言，要满足图3 所示的数量级增长需求，到 2030年将需要2500 亿～ 3500 亿美元的累计资本支出才能弥补现有产能的枯竭。尽管有相对较大的项目来扩大某些原材料的供应，其中有些项目也在努力降低资本和运营成本（例如：直接提锂），但我们在实现净零排放的道路上依旧是任重而道远。在图3 中我们可以看到，铜和镍的需求量分别超过供应量500 万吨～800 万吨和70 万吨～100 万吨。因此，激励新的供应增长很有必要。

图3 实现1.5℃温控目标，2020～2030年所需供应增长与2010～2020年供应的变化情况（%）

价格激励

虽然某些原材料在地壳中不一定稀缺，再生材料未来在减少碳排放的过程中也会发挥越来越重要的作用，但是材料供应却不会是一个线性的轨迹。我们预计会出现材料短缺、价格飞涨的情况，而且如果供应无法快速补充，就需要进行技术创新和某些金属的替代（也许会以牺牲终端应用的性能和成本为代价）。虽然对某些金属材料的需求将成倍增长，但大型新项目开发耗时很长（7 至10年），在看到实际需求和价格激励之前，通常需要大量的资本投资。同时，由于矿床越来越复杂（而且大部分质量不高），采矿商需要显著的价格激励才会做出大规模资本投入的决策（例如：铜价持续超过8000～10000 美元/吨，镍价超过18000 美元/吨）。如果系统中没有富余原料（如战略储备和产能过剩），该行业将无法实现短期内（少于五至七年）的指数级增长。例如，从过去降低电池中钴的用量可以看出，将出现供给侧的技术发展和需求侧的大规模替代和技术进步。还会出现非关键性应用的替代，开发出新的提取和加工技术。个别领域供应的迅速增加，以及诸如持续的技术发展、可用的替代材料和碳排放对终端应用的影响等，都可能影响个别原材料的替代程度。因此，可以认为像碲这样的原材料，由于产量低且又是副产品，可能会被替代，而锂，尽管预期需求增长很快，但鉴于相对冗长的项目周期和生产技术的持续更新，可能不会有太多的替代品。

镍及电池生产

镍用于电池的生产，在地壳中广泛存在。不过，它依然受制于与商品相关的许多特定因素。首先，虽然各种类型的矿床（硫化物、红土）中都可以提取用于生产电池的镍，但是从找矿到完成可行性报告、工厂建设和产出则需要10年或更长的时间，再加上项目的开发需要大量资本投入，可能导致短期赤字。第二，镍的市场相对成熟，但它主要用于生产不锈钢（2020年全球约三分之二的镍用于生产不锈钢）。因此，电池对镍需求的快速增长可能会导致价格飞涨，因而需要大规模的替代和技术创新来重新平衡市场：要么是电池本身，被迫转向不同的电池；要么是不锈钢等市场，推动不锈钢系列生产的变革；或者两者兼而有之，除非镍产能快速提升，同时将低品味二级镍转化为一级镍。

如何实现市场平衡

如上所述，尽管有可能出现原材料短缺，但供需总会保持平衡。随着世界各国及各行业加速去碳化，每种商品市场都会达到特定的供需平衡状态。我们所做的不是反映任何具体原材料需求预测，包括图3 所描述的情况，我们是要了解供应、需求和价格之间持续的反馈循环状态。可以这样认为，随着能源转型带来的原材料需求加速将遵循以下三条轨迹中的一种（见图4）。

1.供应随价格而动。需求加速而价格随之而动，那么行业能够相对快速地引入新的供应（例如：锂）。在这种情况下，技术转型会按“预期”增长，即使价格出现短期波动，但原材料不会成为结构性瓶颈。

2.需求加速带来价格大幅波动，开始出现材料替代。行业无法足够快速地引入新的供应，而技术创新会导致该领域出现材料替代（例如：钴价格飙升而出现的替代）。在这种情况下，从整体需求综合考虑所采用技术的性能指标（例如：磷酸铁锂 (LFP)电池的能量密度比锂镍锰钴氧化物电池低）。

3.需求加速带来价格大幅波动，开始出现技术替代。在这种情况下，终端用户被迫采用新技术，而不是使用替代材料。在这种情况下，可能会出现不同的瓶颈。例如，非碲基太阳能电池板的性能可能不够好，这可能导致转向更多的风力发电，从而增加了钕的供应压力。

图4 供求关系及价格构成的反馈环导致供应变化、技术转移及材料替代

电池领域属于上述的第二个轨迹，其反馈环中有三个显著不同的阶段。最初，比较常见的是钴含量相对较高的电池。随着钴电池的广泛应用，以及2018年钴的价格达到10 万美元/吨，阳极镍含量更高的电池开始获得市场份额。最终，这种替代成为了行业的双赢选择——电池成本降低但能源密度更高。

此后，随着高镍电池应用越来越广泛，电池行业又意识到未来的艰巨任务：镍行业一直面临着资本支出过度、建设延期，并在某些情况下未达到设计产能的情况，而一级镍的需求正在大幅增长。由于消费者试图确保供应，镍价也开始上涨。

如今，电池生产商和原始设备制造商考虑其他可行性，采用分级电池技术。磷酸铁锂电池的市场份额再次上升，高锰电池也有望开发。锰是一种引人注目的替代品，全球产量约为 2000 万吨，是镍产量的4～5 倍，是钴产量的 140 倍。同时，锰储量为13 亿吨，是镍储量的16 倍以上，钴储量的140 倍以上。

随着电池技术的进步、应用加速以及可能出现的新瓶颈，这个周期会不断演变。随着其他行业能源转型，个别原材料行业供应量快速增长的能力将受到考验。对于发电，可能会出现类似的循环，例如：碲和银可能成为太阳能电池板生产的瓶颈；钕和镨，用于风力发电的稀土基永磁体；甚至可能需要额外的铀来增加核能发电能力。

对生产者和终端用户的影响

能源转型将迫使经济的每一个领域都做出调整，每个领域都将面临自己特定的挑战。

作为经济发展的原材料供应商，采矿业需要以前所未有的速度增长，以实现所需的技术变革。尽管传统上采矿业被认为是一个准备时间长、资本投入高的行业，但预计未来该行业将会以更快的速度发展。由于金属原料无疑将在减少温室气体排放中发挥关键的作用，金属生产商需采取以下措施：

1.重构发展规划。在原材料价值池转移和投资组合再平衡的背景下，采矿业多年来投资不足这一问题在2020年因新型冠状疫情大流行而更加突出。随着可预期的需求增长，矿山企业将需要重建其发展规划。可以采取多种形式，从基层勘探到选择性并购以及回收利用。自2015年以来，该行业的财务健康状况已显著改善，债权比明显降低，现金增值可观，但鉴于该行业的周期性，资产负债表状况仍将是大多数董事会和执行团队关注的重中之重。

2.创新以提高生产率并实现碳减排。技术创新将是一个重要的杠杆，既能消除瓶颈并实现增长（例如：采矿和加工方面的高级分析），又能促进减少运营中的碳排放（例如：汽车电气化、水资源管理）。

3.将重心投入到供应链中。由于一些减少碳排放技术的具体要求和终端用户严格的减排目标，一些金属原材料的商品化程度将会降低。随着终端用户的采购发生变化，金属原料的营销和销售也将改变。了解客户的产品规格和要求，与消费者建立合作伙伴关系将是关键，在供需平衡收紧的情况下，获取高质量和绿色生产也是关键。

同时，原材料消费者需要在制定技术开发和发展规划时考虑潜在的资源限制因素。以下解决方案可供参考：

1.调整技术推广计划。为了应对原材料价格波动和供应限制，企业需要识别和区分围绕技术推广的硬性和软性限制，然后设计难以获得或价格昂贵的原材料。

2.发出明确的需求信号，确保原材料供应。清楚地表明增长、技术组合和材料需求将是原材料供应商批准大规模资本投资的重要机制。这种情况将以多种形式发生(并且已经发生)：从与生产商签订的承购协议和与原材料供应商达成的合作，到原材料生产的股权所有权。无论采用何种策略，供应链上的公司，如正极活性材料生产商、电动汽车原始设备制造商和电池生产商等，都需要确保原材料供应，以实现积极的发展规划，同时降低自身供应链的碳排放。