从《关键矿产资源在清洁能源转型中的作用》看我国关键矿产资源的发展

□ 李 丹

在清洁能源转型过程中，关键矿产资源事关能源安全。相较于传统能源系统，清洁能源技术需消耗更多的矿产资源，且所使用的矿产资源类型因技术而异。向清洁能源转型将大幅提升矿产资源需求。为实现《巴黎协定》承诺的气候目标，未来20年，清洁能源技术在总需求中的份额将显著上升。各国在加快碳减排的同时，还需确保其能源系统的弹性和安全。2021年5月5日，国际能源署首次发布世界能源展望特别报告之《关键矿产资源在清洁能源转型中的作用》。该报告将密切关注关键矿产资源及其在清洁能源转型中的作用，解释清洁能源技术与所需的包括太阳能光伏[PV]、陆上和海上风电、聚光太阳能、水力、地热和生物质等可再生能源，以及核能、电网、电动汽车、电池储能和氢气等在内的关键矿产资源之间的复杂联系，评估可持续发展场景和既定政策场景下对关键矿产资源的需求。其中，可持续场景描述的是符合《巴黎协定》减排规划的发展场景，即2050年全球大部分实现净零排放，2070年全球完全实现净零排放；既定场景描述的是按现行政策继续发展所呈现的未来能源景象。通过对比2个场景，对未来进行有效预测，并确定矿产资源供应对能源转型安全、环境和社会的影响。

一、发展现状

1.能源系统从燃料密集型向材料密集型转变

一是疫情爆发背景下，清洁能源技术快速发展，2020年成为清洁能源转型的关键一年。尽管2020年化石燃料消费受到疫情的严重打击，但清洁能源技术的发展仍相对保持弹性。2020年，全球与能源相关的碳排放量下降了6%，而能源需求仅下降了4%。

二是实现气候目标仍需进一步加快清洁能源部署。目前，全球仍未实现碳排放的决定性下降，2020年12月的碳排放量仍高于1年前的危机水平。为实现《巴黎协定》的气候目标，需全面扩大清洁能源部署。到2040年，太阳能光伏电池、风力涡轮机和电网的年安装量需增加3倍，电动汽车的销量需增长25倍。

2.建立强健而富有弹性的清洁能源供应链至关重要，特别是建立关键矿产资源供应链

向清洁能源的转型带来了新的能源贸易模式，需慎重考虑国家和地缘政治的影响。与化石燃料相比，清洁能源技术的供应链更加复杂，透明度更低。而且许多支撑清洁能源转型的关键矿产资源生产在地理上比石油或天然气更为集中，其加工业务的集中度同样很高。这引起原料严重依赖进口的太阳能电池、风力涡轮机、电动机和电池等企业的担忧，因为其供应链可能会受少数国家监管变化、贸易限制或政治不稳定的影响。

3.提高回收利用率可保障供应链安全，需持续加强对原料供应的投资

一是回收利用率因金属而异，主要取决于回收难易程度、价格水平和市场成熟度。广泛应用的铜、镍和铝等基础金属，回收利用率较高。由于价格昂贵，铂、钯和金等贵重金属的回收利用率也较高。但受回收技术限制，全球锂、稀土等回收利用率较低。此外，回收利用率也存在区域差异，欧盟约50%的基础金属可通过再生利用供应，而世界其他地区的这一比例仅为18%。

二是提高回收利用并不能消除对矿产资源供应的持续投资需求。即使到2050年，回收利用率达到100%，仍需加大对原料供应的投资。当需求开始激增时，回收利用可有效减轻原料的初级供应。

4.清洁能源转型为企业发展带来机遇和挑战

随着全球能源系统由燃料密集型向材料密集型转变，生产关键矿产和金属的企业可成为资源生产和清洁能源技术研发之间的重要桥梁。矿产开采公司可通过确保充足的矿产供应，为有序的清洁能源转型做出贡献。但由于需求变化速度与新项目开发速度的不匹配及供应链的不透明性，矿产资源的价格波动往往较大，由此引发了一系列的供给扩张。这给矿产资源供应和市场平衡带来了压力，政策制定者也需重点关注清洁能源技术的发展情况。

二、向清洁能源转变所需的关键矿产资源

清洁能源技术的广泛应用将大幅提升对关键矿产资源的需求。不同清洁能源技术对矿产资源的需求差异很大。全球清洁能源转型将对未来20年的矿产资源需求产生深远影响。清洁能源技术也将成为推动关键矿产需求增长的主要力量。加大气候行动力度有助于减少不确定性、带动投资和降低风险。

1.低碳发电领域

（1）太阳能光伏

一是太阳能光伏产业所需的矿产资源因光伏类型不同而有所不同，目前以晶体硅为主。晶硅组件已成为主要的光伏技术，其次是薄膜太阳能电池，包括碲化镉、铜铟镓二硒化物和非晶硅。单晶硅太阳能电池板通常含有约5%的硅、1%的铜，以及少于0.1%的银和其他金属。薄膜太阳能电池技术更多需要的是玻璃，碲化镉需要镉和碲，铜铟镓二硒化物需要铟、镓和硒。

二是光伏产业的快速发展使得到2040年对矿产资源的需求翻倍，但强度会持续下降。晶硅组件主导着光伏市场，薄膜太阳能技术在未来几十年中仍处于有利地位，可进一步提高效率并降低成本。材料强度的降低有助于显著抑制银、硅需求的增长。

三是替代技术（报告重点讨论3种替代方案，即高碲化镉方案、高钙钛矿方案和高砷化镓方案）的发展降低了对硅的需求，但对其他材料的需求将上升。碲化镉技术的发展使得电池效率更高、寿命更长、成本更低；该技术的快速发展将给供应能力带来压力，目前镉的供应能力仅为2.3万吨，碲的供应能力仅为500 t。钙钛矿型光伏技术的应用可获得更高的效率，实现钙钛矿技术产业化的最有效途径是将其与晶体硅技术相结合。砷化镓基太阳能电池技术的关键在于降低原材料和晶圆制造成本，可通过扩大产量来降低外延晶体生长成本，通过回收降低衬底成本及金属化成本。在推进高砷化镓技术产业化的同时，要加大铝土矿、锌、铜和黄金加工副产品的回收力度。

（2）风能

一是海上大型风机的发展将进一步扩大风电产业规模。由于成本下降和政策支持，在过去10年中，全球风力发电装机容量几乎翻了两番。风电年装机容量将增加1倍以上，达到160 GW，占新增总发电容量的1/5以上。海上风电在总风电部署中的份额将大幅增长。这些趋势也有助于降低风力发电中某些材料的材料强度。与2 MW的涡轮机相比，3.45 MW的涡轮机所含混凝土、玻璃纤维、铜和铝的含量将分别减少15%、50%和60%。

二是海上永磁涡轮机市场的快速增长，扩大了对稀土的需求。到2040年，风力发电中钕、镨等稀土元素需求预计将增长3倍以上，每年铜需求量达到60万吨。然而，稀土需求的提升，以及对价格上涨和地缘政治事件的担忧，可能促进稀土替代技术的发展。到2030年，预计钕需求量约为0.8万吨；到2040年，钕需求将下降40%，镨和镝的需求将分别降低15%和32%。

（3）集中式光伏发电

集中式光伏发电产能扩大，提升了对铬、铜、锰和镍的需求。铬需求将增长75倍，达到9.1万吨；铜需求将增长67倍，达到4.2万吨；锰需求将增长92倍，达到10.5万吨；镍需求将增长89倍，达到3.5万吨。

（4）地热

低碳电力技术是实现镍、铬、钼和钛需求增长的关键驱动力。目前，全球已安装地热发电容量约16 GW。到2040年，装机容量将增长5倍，达到82 GW。预计2020—2040年，地热对矿产资源的需求将增加4倍多。在所有低碳能源的总矿产需求中，地热对镍的需求占镍总需求的3/4，地热所需铬和钼分别占其总需求的近一半，所需钛占其总需求的40%。

（5）水电、生物发电及核能

由于水电、生物发电及核能等领域材料强度低，对矿产需求的影响有限。预计2020—2040年，水电在新增总电力容量中的份额将下降，水电新增容量仅比2020年高70%，是所有可再生能源中增长最低的。水电使用的铜（1 050 kg/MW）、锰（200 kg/MW）和镍（30 kg/MW）是所有低碳能源中最低的。2019年，生物发电的发电量相当于光伏发电量，是可再生能源的主要来源。到2040年，生物发电年发电量将增加3倍，达到2 150 TW，总装机容量将增至420 GW。2040年生物发电所需矿产资源的需求比2020年翻一番，其中对铜的需求占所需矿产资源总量的3/4。生物发电的铜需求仅占所有低碳发电铜需求总量的2.5%，而钛的这一比例约为60%。核电是仅次于水电的第二大低碳能源，2020年约占全球发电量的10%。到2040年，全球核电装机容量将略有增长。与水电一样，核能也是矿产资源材料强度最低的低碳技术之一。2031—2040年，核电的年平均矿产需求量比2020年增长约60%，达8.2万吨，其中铬占42%，铜占28%，镍占25%。2040年的钇需求量约为7.7 t，约占全球现有储量的0.001 5%。

2.电网

一是电网是安全可靠电力系统的支柱，在整合清洁能源技术方面起着至关重要的作用。全球输电和配电线路超过7 000万千米，电力网络是当今电力系统的重要支柱。未来10年全球新输电和配电线路的需求将比过去10年的扩建增长80%。

二是电网使用的矿物种类取决于电线类型，但也受成本和技术影响。电网的巨大扩张需要大量的矿产资源和金属。铜和铝是电线和电缆的2种主要材料，有些还用于变压器。目前，运营的电网中约使用了1.5亿吨铜和2.1亿吨铝。2020年，约有500万吨铜和900万吨铝用于建设电网，其中超过55%来自配电网。电网的年铜需求量将从2020年的500万吨增长到2040年的750万吨，铝需求量将从2020年的900万吨增长到 2040年的1 600万吨。

三是铝应用的增加可减少1/3铜需求，而更广泛地采用直流系统可使铝和铜的需求减少15%。随着电网现代化和数字化发展，预计2030年，电网投资将达到4 600亿美元。为降低原材料成本，可采用一系列方法。一是增加地下电缆用铝。到2040年，预计配电线路占50%，输电线路占30%；因此，铜需求将减少370万吨，铝需求将增加580万吨。二是更广泛地采用高压直流输电系统。与交流系统相比，高压直流输电系统能够输送更多的电力，这可以减少铜和铝的需求，也可以减少电网扩建的需要。假设到2040年高压直流输电系统占新输电线路的50%，占配电线路的30%；那么在可持续发展背景下，铜和铝的总需求将降低15%，减少400万吨。

3.电动车与电池储电

政策将继续支持电动汽车和电池增长，不同的矿产资源组合导致电池特性明显不同。电动汽车使用矿产资源的关键部件包括发动机和电池。永磁电机是电动汽车的主导方向。锂离子电池中电池芯重量通常占电池总重量的70%～85%，其中阴极材料（如锂、镍、钴和锰）、阳极材料（如石墨）和集电极材料（如铜）中含有多种矿产资源，其余模块和组件主要由铝、钢、冷却剂和电子部件组成。阴极、阳极化学的发展可以推动电池在不同方向的应用。电动汽车的电池需求将从2020年的160 亿瓦时增长到2040年的6 200亿瓦时，增长近40倍。2020—2040年，电动汽车对矿产资源的总需求将从40万吨增长到1 180万吨，增长30倍。在既定政策场景下，到2040年，电动汽车的电池需求仅增长11倍，达到1 800亿瓦时；对矿产资源的需求将增长9倍，达到约350万吨。在可持续发展场景下，电动汽车对镍的需求将增长41倍，达到330万吨；钴需求将仅增长21倍；锂需求将增长43倍；铜需求将增长28倍。电动汽车对石墨的需求将从2020年的14万吨增长到2040年的350万吨，增长25倍。随着掺杂硅石墨阳极的市场份额从2020年的1%增长到2040年的15%，硅需求增长将超过460倍。到2040年，电动汽车对稀土的需求将增长15倍，达到3.5万吨。

4氢能

一是不同电解槽所需的矿产资源不同。碱性电解槽的成本较低，但镍的使用量约为1 t/GW。除了镍，还需约0.1 t/GW锆、0.5 t/GW铝和超过10 t/GW钢，以及少量的钴和铜催化剂。质子交换膜电解槽将提升能源部门对铂和铱的需求，对铂和铱的需求量分别约为0.3 kg/MW和0.7 kg/MW。固体氧化物电解槽发展程度尚不成熟，所需矿产资源少，对镍、锆、镧和钇的需求量分别约为150～200 kg/MW、40 kg/MW、20 kg/MW和5 kg/MW。

二是技术创新使得燃料电池中铂的使用强度大幅降低，含量将减少一半。在可持续发展场景下，到2040年，燃料电池汽车需求的提升将使铂的需求量增长到略高于100 t。催化转化器对铂的需求占全球铂总需求量的40%。催化转化器也是铑和钯的主要消费领域。到2030年，由于排放法规覆盖范围将扩大至所有新车，加上内燃机（尤其是混合动力汽车）的持续销售，催化转换器对铂的需求将在2040年之前超过燃料电池对铂的需求。

三、重点矿产资源的供给前景

1.铜：清洁能源技术中应用最广泛的矿产资源

铜的导电性和导热性极好，用途广泛，很难被替代。清洁能源技术对铜的需求最大，也是铜需求增长最快的领域。在既定政策场景下，到2040年，清洁能源领域铜需求将占铜总需求的30%；而在清洁能源场景下，这一比例将升至45%。在建新项目短期内可有效扩大供给，但需继续加大投资才能满足长期不断上升的需求。矿石品质的下降提高了生产成本，增加了碳排放；因此，需加大技术创新，提高开采和冶炼的效率。

2..锂：随着电动车飞速发展，锂的增速最快

锂主要用于锂离子电池，其次是用于陶瓷、玻璃和润滑脂；由锂盐水和锂辉石2种截然不同的资源制成。锂原料的供应在很大程度上取决于需求。开采技术的创新也可以扩大锂的供应。预计在短期内锂原料仍供应良好，主要压力可能来自将原材料转化为锂化学品的中游价值链。锂化学品供应，特别是氢氧化锂，可能成为发展瓶颈。目前，碳酸锂是电动汽车的主要化学品，但氢氧化锂更适合含镍高的电池阴极，预计将取代碳酸锂。目前，只有少数公司能够生产高品质、高纯度的锂化学品。

3.镍：广泛应用于清洁能源技术的多功能矿产资源

镍主要用于工业合金，具有抗腐蚀性和易加工性。目前，约2/3的不锈钢含镍，但锂离子电池最近已成为镍的新需求来源。锂离子电池用镍约占镍总需求的7%。目前清洁能源技术用镍约占镍总需求的10%。在既定政策场景下，到2040年，清洁能源技术用镍占镍总需求的比例将增长至30%以上；而在清洁能源场景下，这一比例将达到60%，电池将取代不锈钢成为镍的最大消费领域。过去5年，全球镍产量增加了20%，主要分布在印尼和菲律宾，这两国的产量约占全球的45%。未来的镍供应极有可能受到印尼时势或政策变化的影响。

4.钴：尽管电池阴极的发展方向不明朗，但电动车的强劲发展仍推高了对钴的需求

钴主要应用于锂离子电池，其次是超级合金、硬质合金工具和磁铁。钴需求的发展高度依赖电池阴极化学的发展方向。电动汽车的强劲增长支撑了钴需求的增长。在既定政策场景下，到2040年，钴需求将增长7倍；而在清洁能源场景下，这一增速将超过20倍。钴的开采和加工业务高度集中在刚果（金）和中国。因此，钴的供应链会受这些国家贸易路线上的区域事件或政策变化的严重影响。

5.稀土：集中化和多元化

稀土对清洁能源技术的发展至关重要。尽管电动汽车销量的激增和可再生能源的部署大幅提升了对稀土元素的需求，但目前尚不清楚供应能否跟上需求轨迹。稀土需求的猛增，引发了供需失衡。这主要由于中国在稀土价值链中的地位，但同时也要考虑到不同稀土元素的市场发展前景不同。清洁能源技术所用稀土元素在未来几年都将面临高需求，但用于抛光粉、合金制造和催化剂的铈和镧等元素的前景并不乐观。此外，稀土开采带来的环保问题，也会影响进一步的生产。我国需进一步加强对环保的重视，并鼓励投资。与此同时，应确保供应来源多样化，但这也需要国际协调和政策支持。

矿产资源供给面临的问题见表1。

表1 矿产资源供给面临的问题

四、可持续与负责任的矿产资源开发

1.影响矿产资源供给的因素

一是生产在地理上高度集中。部分清洁能源所需矿产资源生产远比石油和天然气更为集中。特别是锂、钴和稀土，全球前三大生产国控制了全球产能的3/4。部分矿产资源一个国家就占据了全球产量的一半以上。2019年，刚果（金）的钴和中国的稀土产量占全球总产量比例分别为70%和60%。在矿产资源加工领域，集中现象更为严重，中国在所有矿产资源加工领域均占主导地位。我国的精炼镍产能占全球镍总加工能力的35%，锂和钴这一占比为50%～70%，稀土接近90%。此外，中企还对外投资了澳大利亚、智利、刚果（金）、印尼等国的大量矿山。

二是项目开发周期长。矿产资源开采从发现到首次生产平均需要16年以上。漫长的开发周期引发了一个问题，即如果需求迅速回升，企业是否有能力提高产量。如果公司在承诺新项目之前难以供货，将可能导致市场长期紧张和价格波动。

三是矿产资源品质下降。矿产资源的品质比产量更为重要。近几年，部分矿产资源的品质下降，例如，智利的铜矿石平均品位在过去15年中下降了30%。从低品位矿石中提取金属需消耗更多的能源，提高了生产成本，增加了碳排放，并带来较大的废弃物排放压力。

四是采矿的环评和社会监管趋严。矿产资源的生产和加工带来了各种环境和社会问题。如果管理不善，可能破坏当地环境并扰乱供应。消费者和投资者越来越多地要求公司寻找可持续和负责任生产的矿产。如果没有广泛和持续的努力来改善环境和社会绩效，消费者可能很难拒绝低标准生产的矿产资源。

五是气候变化对矿产资源开采的不利影响。矿产资源生产面临越来越大的气候风险。由于铜和锂的高需水性，其开采特别容易受水资源储量的影响。但目前超过50%的锂、铜生产集中在用水压力较大的地区。除水资源短缺外澳大利亚、中国和非洲等几个主要矿产区也面临酷热或洪涝等其他形式气候风险，这给确保可靠和可持续的供应带来了更大的挑战。

2.保障矿产资源可靠供应的途径

一是投资开发多元化的新供应渠道和来源。政府可发出关于加快能源转型和促进关键清洁能源技术增长的强烈信号，这对鼓励加大对清洁能源的相关投资至关重要。政府可在推动加大实现矿产资源供应链多元化投资方面发挥重要作用。

二是加强价值链各环节的技术创新。在需求和生产方面加强技术创新的研发工作，可更有效使用材料，允许材料替代，并释放大量新供应，从而带来巨大的环境效益和安全效益。

三是加大回收利用规模。政策可在为废物量快速增长做准备方面发挥关键作用，方法是鼓励对使用寿命已到尽头的产品进行回收，支持有效的收集和分类活动，并资助新回收技术的研发。推动技术创新和回收循环利用最大的好处是可改善需求侧状况，减少供应压力。在此过程中，技术创新和循环利用是两大法宝，同时需要政策配套。

四是增强供应链弹性和市场透明度。政府需要探索一系列措施，以提高不同矿产供应链的弹性，发展应对潜在供应中断的能力，并提高市场透明度。措施可包括采取压力测试来定期检测供应链的抗压能力；定期组织应急演练以提高供应链的韧劲；在某些情况下自愿实施战略储备。考虑到矿物交易行情瞬息万变，买家要对冲风险就必须搞清价格走势。鉴于此，为化解交易风险，政府有义务采取措施，提高市场的透明度。

五是提高环境和社会治理标准并使其成为主流。不履行环保和社会责任的企业在生产上会漏洞百出，无法保证生产质量和矿物供给安全。反之，履行环保和社会责任的企业一定是规规矩矩的企业，生产质量可靠，有利于保障矿物供给安全。可见，履行环保和社会责任与矿物安全之间呈正向关联。鼓励提高环境和社会绩效的努力可以持续和负责任地增加产量，同时降低采购成本。如果具有强大环境和社会标准的行业参与者在市场中获得奖励，也可以将新供应商带入更加多样化的市场。

六是加强生产者和消费者之间的国际合作。国际合作有助于保障可靠而持续的矿物供应。就减排目标发出清晰的市场信号，降低需求不确定性，降低投资决策风险；推动生产企业和消费者对话，及时发现瓶颈并协调投资决策；调动公共资金，加速研发，开展技术创新；定期评估供应链薄弱环节，探讨化解供应中断风险应采取的集体行动；向更多国家传播可持续、负责任的发展理念和做法；通过标准国际化机制来提高和强化环保和社会责任标准，维护公平的竞争环境；协调外交行动，抵制限制性出口政策；采集可靠数据，评估风险水平，支持知情决策。生产者和消费者之间对话和政策协调的总体国际框架可以发挥至关重要的作用。包括提供可靠和透明的数据；定期评估供应链的潜在脆弱性和可能的集体应对措施；促进知识转让和能力建设，以推广可持续和负责任的发展做法；加强环境和社会绩效标准，确保公平竞争环境。

五、对我国关键矿产资源发展的启示

面对各国关键矿产资源的战略部署，我国关键矿产资源所处的国际环境不确定性明显增加。在“碳达峰、碳中和”的发展目标下，特别是向清洁能源转型的过程中，我国关键矿产资源需求增长加快，但部分关键矿产仍被少数国家控制，优势矿产资源产业链有而不强；我国仍是国际矿产规则、市场和价格的被动接受者，缺乏与自身经济实力和市场规模相称的全球资源领导力。

因此，我国应加强关键矿产资源安全保障的国家战略建设，推进自身关键矿产资源产业链供应链韧性建设。一是加强科技创新，构建关键核心技术创新中心，不断强化资源勘查、生产技术创新，降低新能源产业上游矿产资源的开发利用成本，寻找可替代原材料，打造多元供应体系。二是依托“一带一路”和中欧绿色伙伴等，全方位拓展国际合作，丰富关键矿产来源，通过与矿产资源丰富的国家建立稳定、全面、互利的双边关系，促进新技术、新工艺的互通，确保关键矿产来源多样化。三是拓展关键矿产上下游产业链，降低供应中断风险，做精中游生产链，向下游延伸，增强下游高铁、电力装备、新能源、通信设备等领域的全产业链优势。四是围绕国家关键矿产资源发展所需，加强专业人才培养。促进产学研多方合作，完善人才评价与激励机制，建设一支具有突出技术创新能力、善于解决复杂问题的专业人才队伍。