未來十年新業(yè)態(tài)下鋁資源需求分析

崔博京，陳其慎，王 琨，張艷飛，康 昆，任 鑫，王良晨

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037）

0 引言

鋁具有良好的導(dǎo)電性、傳熱性、耐腐蝕性，是僅次于鋼鐵的第二大金屬，是國家經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的極為重要的基礎(chǔ)材料（劉風(fēng)琴等，2022），廣泛應(yīng)用于建筑、交通運輸、光伏、耐用消費品等行業(yè)（陳其慎等，2016）。在世界應(yīng)對氣候變化、“碳中和、碳達(dá)峰”大趨勢背景下，鋁行業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)，鋁行業(yè)，尤其是電解鋁冶煉環(huán)節(jié)，能源高度密集，碳排放量大。同時，面對歷史重大機遇，鋁是實現(xiàn)汽車輕量化、能源轉(zhuǎn)型的重要材料，新能源汽車、光伏等低碳新興行業(yè)的高速發(fā)展，激發(fā)了巨量的鋁材料需求（EAA，2020；Liu等，2016a）。我國原鋁產(chǎn)量和消費量超過全球的50%，而鋁土礦的資源儲量僅為世界的3%，礦石以一水軟鋁為主，品質(zhì)不佳（高蘭等，2015），且58%的鋁土礦依賴進(jìn)口。因此，研判鋁資源需求趨勢對探索鋁行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的合理路徑至關(guān)重要。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對碳排放、鋁資源需求分析開展了大量研究工作。關(guān)于碳排放，杜焱等（2022）基于系統(tǒng)動力學(xué)模型，通過設(shè)定3種情景方案，動態(tài)模擬了我國能源消費碳排放發(fā)展演變趨勢；簡曉彬等（2021）以江蘇蘇北地區(qū)為例，從行業(yè)及地區(qū)層面運用碳排放分解模型測度工業(yè)發(fā)展的碳排放效應(yīng)；麥文雋（2022）以交通行業(yè)減碳為例，并從方法論層面，為量化評估國家碳中和愿景下的行業(yè)減碳潛力與識別關(guān)鍵減碳因素構(gòu)建了基于系統(tǒng)思想的分析框架。關(guān)于鋁需求分析，袁緯芳等（2014）利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立鋁礦資源需求情景分析模型，分3種情景預(yù)測了我國對鋁礦資源的需求；Dai等（2019）基于情景的動態(tài)物質(zhì)流分析，量化了人為鋁循環(huán)中的存量和流量；Elshkaki等（2020）針對材料能源-水關(guān)系，結(jié)合CO2排放，研究了市場、彈性、安全、公平4種情境下鋁資源及其消耗能源的需求；Li等（2021）利用動態(tài)材料流分析、回歸分析等方法對中國鋁的國內(nèi)消費量、廢品產(chǎn)生量和在用庫存量進(jìn)行了估算；Van den Eynde等（2022）在IAI的全球鋁流動模型中引入了回收廢料流，評估了再生鋁的生產(chǎn)潛力并分析了原鋁的供需問題。大部分研究是基于動態(tài)材料流或結(jié)合歷年消費演化規(guī)律預(yù)測未來鋁消費量，未考慮到新業(yè)態(tài)下再生鋁將蓬勃發(fā)展，且針對我國鋁行業(yè)減碳潛力的系統(tǒng)研究較少。

系統(tǒng)動力學(xué)方法包容適配性極強，同時可以與情景分析、部門預(yù)測等研究方法融匯互通，因此，本文運用系統(tǒng)動力仿真模型，分部門預(yù)測我國未來十年鋁資源的需求量，并基于需求預(yù)測數(shù)據(jù)，調(diào)控關(guān)鍵參數(shù)對比分析正常情境、政策情境和理想情境3種情境下鋁行業(yè)的碳排放趨勢，研究分析其減碳脫碳潛力，進(jìn)而研判未來原鋁和再生鋁的需求供應(yīng)趨勢，提出碳達(dá)峰背景下鋁行業(yè)減碳的最佳路徑。希望為鋁行業(yè)進(jìn)一步挖掘減碳脫碳潛力提供參考，對相關(guān)部門科學(xué)制定鋁行業(yè)統(tǒng)籌碳減排任務(wù)目標(biāo)和規(guī)劃發(fā)展政策提供借鑒，推動實現(xiàn)我國鋁行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型與“碳中和”的愿景。

1 研究設(shè)計

1.1 研究方法

本次研究的核心方法是系統(tǒng)動力仿真模型，結(jié)合部門分析法，預(yù)測鋁需求量，結(jié)合情境分析法，參考IAI（2021b）提出的《IAI原鋁和前體產(chǎn)品碳足跡計算的良好做法》及王威等（2022）提出的碳邊界核算方法，預(yù)測碳排放值，進(jìn)而研析未來鋁的供應(yīng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)動力學(xué)是功能方法、結(jié)構(gòu)方法與歷史方法的統(tǒng)一，以反饋控制理論為基礎(chǔ)，融系統(tǒng)論、信息論、控制論思想于一體，以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定系統(tǒng)行為為指導(dǎo)原則，極其強調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部的因果關(guān)系與反饋作用。因其包容適配性極強，同時與情景分析、協(xié)同效應(yīng)分析等研究方法融匯互通，系統(tǒng)動力學(xué)模型目前已被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟、建筑、交通、能源等各類領(lǐng)域需求預(yù)測，也被應(yīng)用于不同地區(qū)碳排放量測算（麥文雋，2022；陸佳勤等，2022）。由于系統(tǒng)動力學(xué)方法不能直接體現(xiàn)出外部因素如政策、文化等對系統(tǒng)運行的影響，本研究結(jié)合情景分析法，設(shè)定不同的衡量指標(biāo)，對鋁需求預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行升級，從而對比分析不同情景下鋁資源需求結(jié)果。

目前鋁主要應(yīng)用于建筑、交通、電子電力、包裝、耐用消費品等領(lǐng)域（Li等，2021；劉少麗等，2019）。以2001年到2020年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參考前人研究結(jié)果及相關(guān)專業(yè)機構(gòu)的報告，綜合研究分析整理出影響鋁供需變化的各類因素。通過相關(guān)性分析，最終確定的鋁資源需求端的影響因子按部門劃分包括GDP、新能源汽車產(chǎn)量、新增光伏裝機量等；碳排放量端的主要影響因子有再生鋁產(chǎn)量、火電鋁比例等。鋁消費量與GDP有較強的相關(guān)關(guān)系（Yue等，2015；陳其慎等，2010），據(jù)此，此次研究中其他很難用詳細(xì)數(shù)據(jù)測算的指標(biāo)，依據(jù)GDP增速測算。本次研究將我國未來GDP增速設(shè)置為5% ～6%（IBRD，2022）。具體鋁消費及供應(yīng)預(yù)測結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鋁消費及供應(yīng)預(yù)測結(jié)構(gòu)Fig.1 Forecast of aluminum consumption and supply structure

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文主要數(shù)據(jù)來源于世界銀行、世界金屬統(tǒng)計（WBMS）、國際鋁業(yè)協(xié)會 （IAI）、美國地調(diào)局（USGS）、國家統(tǒng)計局、自然資源部、中國汽車工業(yè)協(xié)會、中國商飛、安泰科、Wind等權(quán)威機構(gòu)，以這些專業(yè)機構(gòu)及相關(guān)文獻(xiàn)預(yù)測的未來汽車用鋁量、光伏裝機量等為參考依據(jù)（新能源汽車和光伏裝機是未來拉動鋁資源消費量上升的重要領(lǐng)域）。主要數(shù)據(jù)指標(biāo)見表1。

表1 數(shù)據(jù)及來源Table 1 Data and sources

1.3 模型構(gòu)建

根據(jù)鋁消費及碳排放預(yù)測結(jié)構(gòu)，利用系統(tǒng)動力學(xué)軟件Vensim，建立鋁資源需求系統(tǒng)動力學(xué)流圖（圖2），并將設(shè)定的系統(tǒng)動力學(xué)方程輸入，通過靈敏性與誤差分析調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)優(yōu)化模型，從而實現(xiàn)鋁資源需求及全生命周期碳排放復(fù)雜過程的模擬仿真，調(diào)控關(guān)鍵參數(shù)實現(xiàn)正常情境、政策情境、理想情境下原鋁的供應(yīng)對比分析。

圖2 鋁資源需求系統(tǒng)動力學(xué)模型Fig.2 System dynamics model of aluminum resource demand

利用Kaya恒等式分解法，構(gòu)建鋁行業(yè)碳排放量計算公式。其中，鋁消費量與碳排放強度的計算公式分別為

式中：Cm為鋁總消費量；Si為某部門鋁消費量；ρij為部門中某行業(yè)用鋁密度；Qij為某行業(yè)數(shù)量規(guī)模；Pj為鋁消費結(jié)構(gòu)，即某行業(yè)鋁消費量占部門的比重；Ce為鋁行業(yè)碳排放量；Ai為鋁類別結(jié)構(gòu)，即火電鋁、水電鋁、再生鋁等的占比；Di為各類鋁碳排放強度。

1.4 情景設(shè)定

本次研究假設(shè)鋁資源供需完全平衡，即供應(yīng)量＝需求量。

國際能源署研究了碳達(dá)峰、碳中和背景下全球升溫不超過2℃（B2DS）和1.5℃（1.5DS）2種情境下的碳排放量（IEA，2021），國際鋁業(yè)協(xié)會依據(jù)這2種情境先后發(fā)布了鋁行業(yè)碳排放足跡及鋁行業(yè)實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的路徑（IAI，2021a）。本次研究以國際鋁業(yè)協(xié)會制定的鋁各生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放量目標(biāo)值及預(yù)測值為參考指標(biāo)，劃分為3種情境（表2）。

表2 各情境目標(biāo)指標(biāo)及來源Table 2 Target indicators and sources of scenarios

1）正常情境：保持歷年各指標(biāo)的變化速率。

2）政策情境：以國家各部門“十四五”規(guī)劃政策、B2DS情境下的指標(biāo)為準(zhǔn)。

3）理想情境：以1.5DS情境下的指標(biāo)為準(zhǔn)。

目前，我國經(jīng)濟從高速發(fā)展階段步入高質(zhì)量發(fā)展階段。2010年到2020年GDP增速逐漸放緩，呈現(xiàn)緩慢下行趨勢，2020年受新冠疫情影響，GDP年增長率僅為2.3%。中國目前正處于中速穩(wěn)定增長階段，預(yù)計未來10年GDP增速約為5%～6%，本次研究將2021年到2030年GDP年增速設(shè)置為5%。包裝、日用品等領(lǐng)域的用鋁量增長率依據(jù)綜合研判設(shè)為5%～6%。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會、中國光伏行業(yè)協(xié)會預(yù)測的2021年到2030年新能源汽車產(chǎn)量及占比、單位汽車用鋁量、光伏裝機量等數(shù)據(jù)，測算出其各項數(shù)據(jù)各階段增長率（表3）。

表3 各情景主要指標(biāo)增長率方程Table 3 Major indicator growing rate function of scenarios

2 結(jié)果分析

2.1 需求趨勢分析

21世紀(jì)以來，全球鋁消費呈高速增長趨勢，從2000年開始中國一直是拉動鋁消費的第一大國家。2020年，全球原鋁消費達(dá)6 413萬t，中國原鋁消費3 900萬t，占比近60%。據(jù)IAI預(yù)測，2030年世界鋁需求量將達(dá)到12 000萬t（IAI，2020）。本研究結(jié)果表明，2030年中國鋁消費量將達(dá)到約5 920萬t，預(yù)計仍占據(jù)全球1／2的鋁消費市場。

在碳達(dá)峰碳中和背景下，鋁需求量仍呈快速增長態(tài)勢，建筑領(lǐng)域鋁消費量增長率將逐步放緩，拉動鋁消費量的主要領(lǐng)域是新能源汽車及新基建光伏，尤其是汽車輕量化的更高要求和新能源汽車的高速發(fā)展，2030年我國新能源汽車用鋁量將達(dá)到760萬t，交通運輸部門將超越建筑業(yè)成為鋁消費量的第一大領(lǐng)域（圖3）。

圖3 我國鋁資源（原鋁＋再生鋁）消費量Fig.3 China's aluminum resource（primary＋recycling aluminum）consumption

2.2 減碳潛力分析

鋁碳排放存在于其全生命周期中，包括開采鋁土礦、冶煉氧化鋁、電解鋁、加工鋁材、生產(chǎn)終端產(chǎn)品和回收利用再生鋁（IAI，2021a；竇宏秀等，2021）。碳排放量與能源利用效率、再生鋁比例高度相關(guān)。參考IAI提出的鋁資源“從搖籃到大門”及前人研究成果（IAI，2021b；安泰科，2022；王威等，2022），本次研究將目前我國每t火電鋁電解環(huán)節(jié)的碳排放量定為11.3 t，全周期的碳排放量定為14.3 t，全周期的清潔電鋁碳排放量定為1.8 t，再生鋁碳排放量定為0.6 t。隨著未來用電結(jié)構(gòu)的調(diào)整及提煉技術(shù)的發(fā)展，未來各結(jié)構(gòu)碳排放量都將降低。由于水電鋁和其他清潔電鋁的碳排放量基本相當(dāng)，本次研究將水電鋁統(tǒng)一劃入清潔電鋁的范疇內(nèi)。

據(jù)模型計算結(jié)果，2020年我國鋁行業(yè)碳排放量為5.0億t，目前已經(jīng)達(dá)到峰值；2020年我國原鋁行業(yè)碳排放量為4.1億t，3種情境的預(yù)測結(jié)果都表明，將于2025年前后達(dá)到峰值（圖4）。2025年之后由于再生鋁的比例增加、用電結(jié)構(gòu)的調(diào)整等因素，正常情境下碳排放量呈緩慢下降趨勢，政策情境及理想情境下碳排放量呈先緩慢后快速下降趨勢。

圖4 中國鋁行業(yè)碳排放量預(yù)測Fig.4 Carbon emission forecast of China's aluminum industry

在政策情境和理想情境下，2025年碳排放量分別降至4.3億t、3.6億t，較2020年分別減少14%、29%；2030年碳排放量分別降至3.5億t、2.9億t，較2020年分別減少31%、43%。在《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中，到2025年單位GDP二氧化碳排放累計降低18%，單位GDP能源消耗累計降低13.5%。按照《2030年前碳達(dá)峰行動方案》中提出的2030年單位GDP二氧化碳排放比2005年下降65%以上的新承諾目標(biāo)推算， “十四五”和 “十五五”時期單位GDP二氧化碳排放平均需降低17.6%。對比這2個文件中的指標(biāo)，在鋁行業(yè)產(chǎn)值仍將持續(xù)增長的前提下，政策情境下鋁行業(yè)碳排放量已達(dá)到目標(biāo)要求。

2.3 供應(yīng)結(jié)構(gòu)分析

原鋁電解環(huán)節(jié)高能耗、高碳排放，其未來產(chǎn)能增長十分有限。鋁電解環(huán)節(jié)的碳排放量占全生命周期的比例高達(dá)77% （IAI，2021a），我國電解鋁冶煉處于世界領(lǐng)先水平（劉風(fēng)琴等，2022），但單位能耗高于其他國家，這主要是我國仍以煤炭為主要電力生產(chǎn)能源。據(jù)國家統(tǒng)計局測算，2020年我國火電發(fā)電量占總發(fā)電量的75%，而火電鋁的占比高達(dá)86%，造成火電鋁比例高居不下的原因主要是電解鋁產(chǎn)能主要分布在山東、新疆等省、自治區(qū) （安泰科，2021；Liu等，2016b；Hao等，2016）。未來山東的產(chǎn)能會向內(nèi)蒙古、云南等省份遷移，風(fēng)電鋁、水電鋁的比例將在一定程度上增加，電解鋁的用電結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步優(yōu)化。

再生鋁的碳排放僅占原鋁的3% ～5% （IAI，2020；Peng等，2019；Zhang等，2015），且鋁循環(huán)利用效率高，因此，再生鋁可有效補充原鋁資源短缺。近年來，我國再生鋁產(chǎn)量呈緩慢穩(wěn)定上升趨勢，再生鋁使用量占比一直穩(wěn)定在16%左右（安泰科，2022），與發(fā)達(dá)國家差距巨大。美國再生鋁使用量占比達(dá)到80%，日本更是達(dá)到100%（IAI，2020）。我國未來由于政府政策扶持，再生鋁行業(yè)將迎來快速發(fā)展態(tài)勢。 《國家“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》明確指出，到2025年大宗固廢利用率達(dá)到60%，再生鋁產(chǎn)量要達(dá)到1 150萬t。2020年再生鋁產(chǎn)量為740萬t，年復(fù)合增長率為11.08%。

據(jù)模型預(yù)測結(jié)果，3種情境下，我國再生鋁產(chǎn)量比例在未來都將持續(xù)增加，原鋁產(chǎn)量都將在2025年前達(dá)到峰值，為4 250萬t，之后將長期穩(wěn)定在4 100萬t以下（圖5），這也低于我國在2016年供給側(cè)改革之后形成的4 500萬t的電解鋁產(chǎn)能天花板（趙黎明，2022）。其中，政策情境和理想情境下2030年我國再生鋁產(chǎn)量比例都將達(dá)到32%。由圖4可以明顯地看出，在理想情境下，由于再生鋁比例增幅更大，2020—2025年碳排放量降速更明顯，同時也受到火電鋁比例下降的影響。在各前提條件一致的情況下，增加再生鋁產(chǎn)量代替原鋁，是鋁行業(yè)實現(xiàn)碳達(dá)峰最有效的途徑。

圖5 中國原鋁與再生鋁產(chǎn)量預(yù)測Fig.5 Forecast of China's primary and recycling aluminum production

3 討論

本次研究計算的鋁行業(yè)碳排放量2020年為5.0億t，原鋁行業(yè)碳排放量為4.9億t，和其他學(xué)者的計算結(jié)果有些許差異 （Li等，2021；Guo等，2019；竇宏秀等，2021），主要原因是本次計算參考的IAI最新發(fā)布的《原鋁和前體產(chǎn)品碳足跡計算的良好做法》報告（IAI，2021b），各階段碳排放指標(biāo)不同，但整體并不影響研究原鋁的未來需求趨勢及減碳潛力。本次研究未評估中國鋁資源的循環(huán)潛力，通過對比前人研究結(jié)果（Maung等，2017；楊超等，2022），各情境未來再生鋁產(chǎn)量都處于中國鋁資源循環(huán)潛力范圍之內(nèi)。

工業(yè)和信息化部《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》等文件明確指出，著力推動有色金屬低碳發(fā)展，提出到2025年廢鋁回收量將達(dá)到1 150萬t的目標(biāo)。據(jù)此次研究，目前我國出臺關(guān)于鋁的“十四五”系列規(guī)劃及政策，足以支持鋁行業(yè)實現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰的目標(biāo)。值得注意的是，盡管我國政策大力扶持，但近年來鋁資源回收利用率占比仍未呈高速發(fā)展趨勢，這或許是由于我國再生鋁資源冶煉技術(shù)依舊處于世界落后水平，或許是我國鋁工業(yè)發(fā)展僅十多年，用于建筑、交通運輸?shù)匿X資源壽命高達(dá)數(shù)十年，大部分鋁資源累計庫存未流入鋁循環(huán)周期中，未來將隨著產(chǎn)品使用壽命到期得到逐步釋放。

4 結(jié)論

本文運用系統(tǒng)動力仿真模型，結(jié)合部門預(yù)測法，預(yù)測了未來10年我國鋁資源的生產(chǎn)消費情況，定量評估了正常情境、政策情境和理想情境3種情境下的減碳潛力，研判了未來原鋁和再生鋁需求供應(yīng)趨勢，得出以下主要結(jié)論。

1）未來10年新業(yè)態(tài)下，鋁需求量仍持續(xù)呈快速增長態(tài)勢，新能源汽車的高速發(fā)展是拉動鋁消費量增長的主要因素，交通運輸部門將超越建筑業(yè)成為鋁消費量的第一大領(lǐng)域。預(yù)計2025年我國鋁需求量將達(dá)到5 256萬t，其中原鋁產(chǎn)量將于2025年前達(dá)到峰值期，再生鋁產(chǎn)量呈緩慢穩(wěn)定上升趨勢，將從2020年的16%提高至2025年的32%。

2）碳達(dá)峰背景下，鋁行業(yè)減碳的最佳路徑為大力發(fā)展再生鋁資源，并且一定程度上可以提高我國鋁資源保障能力；其次，未來在我國電解鋁產(chǎn)能向云南、廣西等省、自治區(qū)調(diào)整遷移及國家電網(wǎng)整體用電結(jié)構(gòu)優(yōu)化的背景下，電解鋁的用電結(jié)構(gòu)將得到逐步改善。

依據(jù)研究結(jié)論，本文提出以下相關(guān)政策建議。

1）面對嚴(yán)峻多變的國際經(jīng)濟形勢，應(yīng)加大人才培養(yǎng)、技術(shù)引進(jìn)及科技創(chuàng)新力度，提升改進(jìn)一次和二次冶煉工藝，降低能耗及資源損耗，加快建設(shè)再生鋁行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及學(xué)習(xí)引進(jìn)國外先進(jìn)再生鋁回收設(shè)備及技術(shù)。

2）應(yīng)加強鋁資源“國內(nèi)大循環(huán)為主體，國內(nèi)國際雙循環(huán)”的發(fā)展格局，充分利用城市鋁礦山資源，提高我國鋁資源保障能力，推動我國鋁產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。