能源轉型進程中的關鍵礦產安全

■ 張所續(xù)/周季鑫,2

（1.中國自然資源經濟研究院，北京 101149；2.北京師范大學，北京 100875）

氣候變化導致全球氣溫上升、降水模式不穩(wěn)定、海平面上升，以及更頻繁或更強烈的極端天氣事件。全球碳排放量的73%來自能源消耗，作為全球溫室氣體排放的主要來源，能源轉型成為應對全球氣候變化的關鍵。要確保在2050年實現全球凈零排放，需要在2030年前大規(guī)模部署清潔能源技術應用，如可再生能源、電動汽車等，將排放量減少40%使近75%的發(fā)電量來自低碳發(fā)電、銷售的汽車超過50%為電動汽車等[1]。我國提出爭取于2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和目標，發(fā)展清潔能源是助力我國實現碳達峰、碳中和目標的有效途徑。能源轉型意味著從燃料密集型向材料密集型的轉變，清潔能源特別是可再生能源的快速部署將極大地拉動礦產資源需求。重視支撐清潔能源技術的關鍵礦產供應安全問題，不僅是因為關鍵礦產會影響清潔能源應用的部署速度，還因為清潔能源技術已成為地緣經濟競爭的最新前沿，成為制約能源轉型的重要因素。

1 清潔能源技術助推對關鍵礦產的需求

1.1 可再生能源概況

2020年，全球可再生能源裝機容量再創(chuàng)新高，達2799吉瓦，較2019年增加10.3%[2]。其中水電占全球再生能源總發(fā)電量的最大份額，為1211吉瓦；風能和太陽能發(fā)電量中所占份額相當，分別為733吉瓦和714吉瓦。其他可再生能源發(fā)電量包括生物能127吉瓦、地熱能14吉瓦、海洋能527兆瓦。太陽能繼續(xù)引領產能擴張，增長22%。其次是風能增長18%，水電增長2%，生物能增長2%，地熱能增加164兆瓦。太陽能和風能繼續(xù)占可再生能源產能增量的主導地位，在2020年可再生能源凈增加量中合計占比91%。

亞洲地區(qū)和歐洲地區(qū)可再生能源裝機容量占全球總量的68%，亞洲地區(qū)貢獻可再生能源新增最大份額，其次是歐洲地區(qū)和北美地區(qū)（表1）。亞洲地區(qū)新增裝機容量占全球的64%，增加167.6吉瓦，其中很大一部分增長發(fā)生在中國。歐洲地區(qū)和北美地區(qū)的裝機容量分別增加34.3吉瓦和32.1吉瓦，其中美國的增幅尤為顯著?？稍偕茉窗l(fā)電能力的增長遠高于長期趨勢，所占份額也從2019年的34.6%上升至2020年的36.6%。要實現在2050年全球凈零排放，90%的發(fā)電量需要可再生能源提供，其中太陽能和風能合計占比近70%。自2010年以來，隨著可再生能源的加速部署，新機組所需的礦產資源平均增加50%。

表1 全球各地區(qū)可再生能源裝機容量及變化情況

1.2 核能概況

核能是當今第二大低碳電力來源，可以大規(guī)模生產安全可靠的清潔電力，能提供約占全球10%的電力。在發(fā)達經濟體中，核能長期以來一直是最大的低碳電力來源，2018年提供18%的電力供應。2020年，全球核電發(fā)電量達25530億千瓦時，較2019年略有下降。據國際原子能機構統(tǒng)計數據，截至2021年9月，全球32個國家有443座核反應堆運行，總裝機容量393241兆瓦[3]。從地區(qū)分布看，歐洲180座、亞洲142座、美洲119座、非洲2座。排名前10位的國家擁有核反應堆數量占全球總數的83.5%，占總容量的85.0%。其中美國擁有核反應堆93座，法國擁有56座，中國擁有54座（含臺灣地區(qū)3座），俄羅斯擁有38座（圖1）。從建設情況看，全球在建核反應堆51座，總容量53905兆瓦，占當期全球總容量的13.7%。其中中國最多為13座，其次是印度6座，俄羅斯和韓國各4座。

圖1 主要國家核反應堆情況

但是，發(fā)達經濟體中核電已開始衰落乃至關閉，預計到2025年，發(fā)達經濟體現有核電產能的25%將關閉；到2040年，發(fā)達經濟體的核能力將下降2/3，從2018年的約280吉瓦下降到2040年的略高于90吉瓦。歐盟的降幅最大，核電在發(fā)電量中所占份額將從2018年的25%降至2040年的5%以下[4]。發(fā)達經濟體核能的衰退將導致全球清潔能源轉型的努力更加艱難。

1.3 清潔能源技術所需的關鍵礦產

與傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)相比，以清潔能源技術為支撐的能源系統(tǒng)有著很大的不同。從風力渦輪機和太陽能電池板到電動汽車和電池儲存，不同清潔能源技術對礦產資源的需求程度也不同（表2）。鋰、鎳、鈷、錳和石墨對電池性能、壽命和能量密度至關重要，稀土對于永磁至關重要，而永磁對于風力渦輪機和電動汽車至關重要。電網需要大量的銅和鋁，銅是所有與電力相關技術的基礎。

表2 部分清潔能源技術相關的關鍵礦產需求程度

隨著能源轉型步伐的加快，清潔能源產業(yè)正成為礦產資源需求增長最快的領域，能源領域正成為礦產市場的主要力量。太陽能光伏工廠、風力發(fā)電場和電動汽車（EV）通常比化石燃料工廠需要更多的礦產資源。一輛典型的電動汽車所需銅、鋰、鎳、錳、鈷、石墨和稀土等礦產資源（不包括鋼和鋁）的資源總量約為傳統(tǒng)汽車的6倍（圖2），陸上風力發(fā)電廠所需的礦產資源是燃氣發(fā)電廠的9倍（圖3）。到2020年底，電動汽車市場仍保持強勁增長勢頭，車型也更加豐富，門類更加齊全。截至2020年底，全球電動汽車保有量突破1000萬輛，電動汽車年銷量約300萬輛，增長41%。電動汽車的快速部署促進電池行業(yè)的發(fā)展，汽車鋰離子電池產量達到160吉兆瓦時，比2019年增長33%。

圖2 傳統(tǒng)汽車與電動汽車所用礦產資源情況

圖3 各種發(fā)電方式所用礦產資源情況

據國際能源署2021年預測，在可持續(xù)發(fā)展情景中，到2040年清潔能源所需礦產資源量在總需求中所占份額將增加4倍，到2050年將增加6倍，其中稀土元素的需求將增長7倍，鉬將增長3倍，硅將增長2倍，屆時銅和稀土將占40%以上，鎳和鈷占60%～70%，鋰占近90%。電動汽車和電池存儲已經取代電子消費產品成為鋰的最大消費用戶，到2040年這兩個領域礦物的需求將增長30倍以上，預計占清潔能源技術礦物需求增長的一半左右，并取代不銹鋼成為鎳的最大用戶。電動汽車電池需求增長約40倍，導致鋰的需求量增長43倍、鎳增長41倍、銅增長28倍、石墨增長25倍、鈷增長21倍。電池所需礦產總體需求增長33倍，其中鎳增幅超過140倍，鈷需求增長70倍，錳需求增長58倍。電網的發(fā)展拉動對銅、鋁的需求，對銅的年需求量從2020年的500萬噸增長到2040年近1000萬噸，鋁從900萬噸增長到1600萬噸[5]。

2 部分關鍵礦產的儲量及產量概況

2.1 銅

銅具有較優(yōu)良的導電、導熱等特性，廣泛應用于太陽能光伏發(fā)電、風能、電網等清潔能源相關技術。南美洲西部是全球最重要的銅礦生產地區(qū)，占全球銅產量的40%。據美國地質調查局2021年礦物概要統(tǒng)計數據（以下數據均來源于美國地質調查局）[6]，全球銅儲量約8.7億噸，主要集中在智利、秘魯和澳大利亞，三個國家的儲量分別為2億噸、0.92億噸和0.88億噸，三者合計占世界總儲量的43.7%。全球銅礦產量從2019年的2040萬噸小幅下降至2020年的估計2000萬噸（表3），主要原因是作為全球第二大銅生產國的秘魯的產量下降。截至2020年7月，秘魯的產量較2019年同期下降了近25萬噸（23%）。全球精煉銅產量從2019年的2450萬噸小幅增長至2020年的約2500萬噸。

表3 部分關鍵礦產的儲量及產量

2.2 鈷

鈷廣泛應用于電池材料、超級耐熱合金等，大多數鈷是作為銅或鎳的副產品開采的。全球鈷儲量約710萬噸，主要集中在剛果（金）、澳大利亞和古巴，三個國家的儲量分別為360萬噸、140萬噸和50萬噸，三國合計占全球總儲量的77.5%。剛果（金）是全球鈷的主要來源地，約占世界鈷產量的70%。2020年全球鈷產量約14萬噸，較2019年減少2.7%。

2.3 鎳

全球鎳資源儲量十分豐富，陸地資源量約為3億噸，其中約60%在紅土中，40%在硫化物礦床中，海底的錳殼和結核中也發(fā)現豐富的鎳資源。全球鎳探明儲量約9400萬噸，主要集中在印度尼西亞、澳大利亞和巴西，三個國家的儲量分別為2100萬噸、2000萬噸和1600萬噸。印度尼西亞和菲律賓目前占全球鎳產量的45%。2020年全球鎳產量約250萬噸，較2019年減少4.2%。

2.4 鋰

在電動汽車快速部署的情景下，清潔能源技術對鋰的需求增速最快。目前能被工業(yè)利用的鋰資源主要為鹽湖型（鋰離子）和硬巖型（鋰輝石、鋰云母等），在一般情景下占鋰的供給總量的30%，在可持續(xù)發(fā)展情景下達到75%左右。近年來，隨著鋰需求形勢變化，全球已探明的鋰資源大幅增加。全球探明鋰資源量約為8600萬噸，儲量約2100萬噸，主要集中在智利、澳大利亞和阿根廷，三個國家的儲量分別為920萬噸、470萬噸和190萬噸。2020年全球鋰產量為8.2萬噸，較2019年減少4.7%。

2.5 稀土

稀土元素被譽為“工業(yè)的維生素”，具有無法取代的優(yōu)異的磁、光、電性能。稀土在地殼中相對豐富，但可開采豐度較低。全球稀土儲量為1.2億噸，主要集中在中國、巴西和俄羅斯，三個國家的儲量分別為4400萬噸、2100萬噸和1200萬噸。2020年全球稀土產量為24萬噸，較2019年增長9.1%。

2.6 鉻

全球鉻資源在地理上高度集中（95%）在哈薩克斯坦和非洲南部。據美國地質調查局估計，全球鉻資源量約120億噸，足以滿足數個世紀的需求。全球鉻儲量約5.7億噸，主要集中在哈薩克斯坦、南非和印度，三個國家的儲量分別為2.3億噸、2億噸和1億噸。南非是全球最大的鉻鐵礦生產國，中國是全球最大的鉻消耗國。2020年全球鉻產量為4000萬噸，較2019年減少10.7%。

2.7 鉑族

全球鉑族資源量超過1億千克，儲量約6900萬千克，主要集中在南非、俄羅斯和津巴布韋，三個國家的儲量分別為6300萬千克、390萬千克和120萬千克。南非的布什維爾德是全球最大的鉑族礦區(qū)。2020年全球鉑和鈀的產量分別為17萬千克和21萬千克，較2019年分別減少8.6%和7.5%。

2.8 石墨

全球石墨資源量超過8億噸，儲量約3.2億噸，主要集中在土耳其、中國和巴西，三個國家的儲量分別為9000萬噸、7300萬噸和7000萬噸。2020年全球石墨產量為110萬噸，與2019年持平。

3 能源轉型面臨的主要挑戰(zhàn)

3.1 關鍵礦產地理分布集中度高

許多清潔能源所需礦產的儲量和產量集中度高。如鋰資源主要集中在智利、澳大利亞，兩國合計占全球鋰總儲量的66.2%；在產量方面，澳大利亞和智利占全球總產量的70.8%。鈷資源方面，剛果（金）鈷儲量占全球總儲量的一半，產量占全球總產量的67.9%。2020年印度尼西亞政府實施鎳礦出口禁令，印度尼西亞鎳產量目前占全球總產量的30.4%，禁止出口政策的出臺將對全球鎳供應鏈產生嚴重影響。礦產資源地理分布的高度集中，加上復雜的供應鏈，增加了礦產可靠、可負擔和可持續(xù)供應的風險。

3.2 礦產品位降低乃至資源枯竭

盡管過去幾十年全球相關礦產探明儲量持續(xù)增加，但礦產的產量也在持續(xù)增長。例如2011—2019年，全球鋰儲量增加了40%，而產量則增長了近3倍。雖然由需求增長引發(fā)的勘探活動補充了儲量，但隨著長期開采，許多優(yōu)質礦床面臨礦產資源質量逐步下降乃至資源枯竭等問題，例如智利的平均銅礦石品位在過去15年中下降了30%。從低品位礦產品中提取金屬需要更多的能源，對生產成本、溫室氣體和廢物排放等帶來上行壓力。

3.3 環(huán)境因素制約

礦產供應增長在實現清潔能源轉型方面發(fā)揮著至關重要的作用，但礦產資源生產和加工會產生環(huán)境和社會問題，如生物多樣性喪失、溫室氣體排放、水污染、空氣污染等。隨著清潔能源轉型的推進，對相關礦產的需求逐步增大，由此產生的環(huán)境問題將更加凸顯。當前，全球對環(huán)境問題重視度不斷提高，部分國家對采礦活動的審核更加嚴格，這些風險可能導致供應中斷，從而減緩清潔能源轉型的步伐。此外，隨著氣候變化導致更頻繁的干旱并改變水流狀況，優(yōu)質水資源的可用性將成為影響穩(wěn)定礦產供應的關鍵因素。提高關鍵礦產供應鏈的抗災能力，對于確保清潔能源轉型和能源安全至關重要。

3.4 關鍵礦產供應鏈安全

與傳統(tǒng)化石燃料供應相比，清潔能源技術的供應鏈可能更加復雜，更易受到地緣政治的影響。一方面，許多清潔能源技術所需的關鍵礦產和對制造清潔能源技術設備及基礎設施至關重要的礦產，在地理分布上集中度高。另一方面，由美國主導的全球地緣政治變幻莫測，頻繁地“退群”“毀約”，動輒武力“威脅恐嚇”、貿易“單邊制裁”，這種貿易保護主義、單邊主義、霸權主義行為給全球地緣政治穩(wěn)定帶來新的風險和危害，進而影響關鍵礦產的供應鏈安全。此外，新冠肺炎疫情暴發(fā)以來，世界經濟陷入低迷，經濟全球化遭遇逆流，進一步加劇供應鏈中斷的風險。

4 主要國家的做法

4.1 美國

美國高度重視關鍵礦產安全，是最早制定關鍵礦產清單的國家，可追溯到1917年。美國對關鍵礦產清單實施動態(tài)更新，最新的是2018年美國內政部發(fā)布的35種關鍵礦產清單。在政策上，從1939年《戰(zhàn)略和關鍵物資儲備法》到2019年《確保關鍵礦產安全可靠供應的聯邦戰(zhàn)略》，再到2021年《確保美國關鍵供應鏈安全》，美國建立了較完善的制度體系。為確保關鍵礦產的安全、可靠供給，美國通過擴大關鍵材料的國內來源、減少電池生產和高性能磁鐵所需的材料數量、回收關鍵材料等舉措，加速完善、構建關鍵礦產供應鏈。至2021年，美國已與澳大利亞、阿根廷、巴西、秘魯、剛果（金）等10國簽訂《能源資源治理倡議》，組建礦產資源大聯盟，幫助各國發(fā)現和開發(fā)鋰、銅和鈷等礦產，確保關鍵礦產供應鏈的彈性。加強關鍵礦產勘查，通過實施“地球填圖倡議”，利用先進的地質填圖、航空遙感和地形測量技術開展地質勘探工作，確定潛在的關鍵礦產資源區(qū)。在拓展關鍵礦產供應來源上，除了利用軍事和外交手段鞏固既有來源的基礎上，還通過科技創(chuàng)新不斷拓展關鍵礦產的非常規(guī)來源。創(chuàng)建新的關鍵材料研究所（CMI），依托橡樹嶺國家實驗室、艾姆斯國家實驗室等解決關鍵材料的加工、制造、替代和循環(huán)利用等方面的挑戰(zhàn)，如實施“稀土回收可行性計劃”，研發(fā)經濟、環(huán)保地從煤炭或煤礦廢水中提取稀土等技術，相關研究已取得突破[8]。

4.2 歐盟

歐盟也高度重視關鍵礦產的供給問題，于2008年啟動《原材料倡議》，提出制定關鍵非能源原材料清單。清單每3年更新一次，種類從2011年的14種增加到2020年的30種（圖4）[7]。歐盟研究表明，到2030年/2050年，歐盟對關鍵原材料的需求將急劇增加，例如到2030年，歐盟對電動汽車電池和儲能裝置所需鋰和鈷的需求將比現在增加18倍和5倍；到2050年，鋰的需求將增加近60倍，鈷的需求將增加15倍，對稀土的需求將增加10倍[9]。歐盟通過實施“歐洲原材料創(chuàng)新伙伴（EIP）”“循環(huán)經濟計劃（CEAP）”“歐洲地平線計劃”“關鍵原材料行動計劃”等，應對氣候行動、環(huán)境、資源效率和原材料等方面的挑戰(zhàn)。利用外交手段，依托歐洲原材料聯盟、歐洲電池聯盟與加拿大、澳大利亞、智利、烏克蘭和非洲聯盟等資源豐富的國家建立涵蓋開采、加工和精煉的戰(zhàn)略伙伴關系，保證關鍵原材料供應的多樣化和可持續(xù)性，提高資源循環(huán)利用和資源效率，減少對主要關鍵原材料的依賴。

圖4 歐盟關鍵原材料清單

4.3 日本

日本作為資源嚴重依賴進口的制造業(yè)大國，確保稀有金屬和其他礦產資源的穩(wěn)定供應是保持和提高其制造業(yè)全球競爭力的關鍵。日本主要通過海外投資、儲備、循環(huán)利用、替代品研發(fā)等手段確保其關鍵礦產供應鏈安全。日本于1983年開始建立相關資源儲備，是繼美國之后較早建立資源儲備的國家，目前已建立由國家儲備和民間儲備共同組成的全球最為完善的礦產資源儲備機制。國家儲備由日本石油天然氣金屬礦物資源機構（JOGMEC）承擔，民間儲備由特殊金屬儲備協會負責[10]。2020年7月，日本制定“日本保護稀有金屬的新國際資源戰(zhàn)略”，針對34種稀有金屬通過供應來源多樣化、加強應急儲備、促進國際合作確保資源安全。日本高度重視資源的回收利用，建立了由《促進建立循環(huán)型社會基本法》《促進資源有效利用法》《廢舊汽車回收法》《促進廢舊小型電子設備等再利用法》等組成完善的制度體系。作為目前世界上資源回收利用率最高的國家，日本很早就提出“城市礦產”理念，從廢家電、電子垃圾中回收稀有金屬。通過《資源保障方針》，加強資源外交，構建由日本經濟產業(yè)?。∕ETI）牽頭、日本石油天然氣金屬礦物資源機構（JOGMEC）組織、礦業(yè)公司具體實施的海外礦產資源保障一站式體系。目前，日本已獲得菲律賓、印尼、墨西哥、秘魯、澳大利亞、博茨瓦納等國的鎳、鈷、鉻、錳、釩、鉬、銦、鉑族、稀土等礦產的勘查和開發(fā)權。

5 對策建議

5.1 加強頂層設計，建立應急儲備機制

關鍵礦產是清潔能源發(fā)展的基礎。為解決關鍵礦產供應鏈的脆弱性，美國制定了《確保關鍵礦產安全可靠供應的聯邦戰(zhàn)略》，日本制定了《日本保護稀有金屬的新國際資源戰(zhàn)略》。日本為應對稀有金屬的供應風險，通過公私合作，根據生產國的政治局勢、日本的依賴率和要求建立34種稀有金屬儲備，確保國內60天的消費量（某些金屬為30天）。中國應針對清潔能源技術，從制度建設和相關戰(zhàn)略舉措制定上加強頂層設計，對國家急需、戰(zhàn)略意義重大的關鍵礦產，建立應急儲備機制，保證關鍵礦產的供應及其供應鏈的彈性，確保國家資源安全。

5.2 構建關鍵礦產多樣化供應來源，提高供應鏈的彈性

針對能源轉型所需的礦產，利用航空遙感、地質測繪等技術加強國內地質調查，提升自給保障程度，同時通過加強經濟互助、文化交流等外交手段逐步建立多樣化的來源渠道。例如美國為降低關鍵原材料唯一來源或單一來源的威脅，與剛果（金）、贊比亞等國家組建“大聯盟”[11]。我國鋰礦資源非常豐富，但開發(fā)利用不足。鹽湖型鋰資源主要分布在青海省、西藏自治區(qū)等生態(tài)脆弱地區(qū)，多數鹽湖鎂和鋰分離很困難，提純難度大，須解決和完善從高鎂低鋰鹵水中提取鋰的關鍵技術。硬巖型鋰礦主要分布于四川省和江西省，從云母中大規(guī)模提鋰技術尚待突破。中國應通過資源外交逐步與資源豐富國構建戰(zhàn)略互惠關系，在技術轉讓、環(huán)境保護等領域發(fā)揮優(yōu)勢開展合作，構建“關鍵礦產命運共同體”。采取定期市場評估、跟蹤研究重點國家政策等措施，提前預判供應風險；通過實施戰(zhàn)略儲備，抵御短期供應中斷風險。由此提高不同礦產供應鏈的彈性，增強應對潛在供應中斷風險的能力。

5.3 推動技術創(chuàng)新，擴大回收利用

與原材料相關的成本在未來清潔能源技術投資成本中可能占較大比例，技術創(chuàng)新在緩解供應和降低成本方面可以發(fā)揮重要作用。例如歐盟針對關鍵礦產實施的“歐洲原材料創(chuàng)新伙伴（EIP）”等。在需求和生產方面加大技術創(chuàng)新的力度，可以更有效地使用材料，研發(fā)替代材料，從而帶來巨大的環(huán)境和安全效益。在重視常規(guī)來源的同時，還應重視礦產的回收利用，如再生材料、工業(yè)后和消費后材料、尾礦等。例如美國針對稀土實施的“DOE-NETL稀土回收可行性計劃”，建立鋰電池回收研究中心（ReCell）等。隨著電動汽車的快速部署，中國應不斷加大對鋰電池回收的投入，通過鼓勵產品回收、加大新回收技術的研發(fā)投入，可以有效解決清潔能源技術產生的新型廢物快速增長問題。

5.4 加強國際合作，建立海外勘查和融資機制

隨著全球礦產資源供應鏈的擴大，礦產穩(wěn)定供應的風險也在逐漸增大。為應對風險，日本構建了由日本經濟產業(yè)省（METI）牽頭、日本石油天然氣金屬礦物資源機構（JOGMEC）組織、礦業(yè)公司具體實施的“海外礦產資源保障一站式體系”，積極參與資源國供應鏈不同階段的國際合作，如礦山開發(fā)、冶煉和產品制造。日本還構建了由日本石油天然氣金屬礦物資源機構（JOGMEC）、國際協力銀行（JBIC）等組成的綜合融資系統(tǒng)，為最初的勘探到后期的開發(fā)生產提供風險資金支持。中國應制定一系列戰(zhàn)略舉措、融資機制和激勵措施，鼓勵和激勵企業(yè)“走出去”，參與海外礦產勘查開發(fā)。