“稀土城市礦產(chǎn)與碳中和轉(zhuǎn)型”交叉研究取得重要進(jìn)展

近日，北京大學(xué)光華管理學(xué)院聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所、英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)、荷蘭萊頓大學(xué)在Nature Geoscience發(fā)表了題為Regional Rare Earth Element Supply and Demand Balanced with Circular Economy Strategies的學(xué)術(shù)成果，并被選為Nature Geoscience 2024年第一期的封面論文。

研究解耦厘清了低碳轉(zhuǎn)型路徑、能源技術(shù)演變與稀土元素循環(huán)之間的紐帶關(guān)聯(lián)，構(gòu)建了首個(gè)全球尺度、分元素、動(dòng)態(tài)的稀土元素-能源轉(zhuǎn)型-氣候目標(biāo)綜合評(píng)估DIRECCT模型；率先提出了稀土等關(guān)鍵金屬的“碳減排杠桿”系數(shù)，量化分析了稀土對(duì)全球及各區(qū)域碳減排的支撐作用；模擬了全球十大區(qū)域在不同低碳路徑下能源基建與稀土元素供需流動(dòng)協(xié)同演變情況識(shí)別了全球稀土供應(yīng)鏈格局，揭示了稀土城市礦產(chǎn)轉(zhuǎn)化遷移規(guī)律及提出了相應(yīng)的成礦賦存調(diào)控理論；立足于全生命周期視角，充分調(diào)研了稀土循環(huán)經(jīng)濟(jì)各項(xiàng)舉措及相應(yīng)技術(shù)進(jìn)展，模擬分析了稀土循環(huán)經(jīng)濟(jì)在各個(gè)區(qū)域低碳轉(zhuǎn)型的支撐作用，并系統(tǒng)分析其作用差異成因；重點(diǎn)研判了部分區(qū)域如歐盟、日本等可以依靠循環(huán)經(jīng)濟(jì)從稀土“自然礦產(chǎn)稀缺”轉(zhuǎn)為“城市礦產(chǎn)豐富”的地區(qū)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)稀土資源“閉環(huán)經(jīng)濟(jì)”，并有可能成為稀土潛在供應(yīng)國(guó)。因此，研究建議要積極開(kāi)展稀土城市礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)利用及全球資源流動(dòng)監(jiān)測(cè)。

研究重要發(fā)現(xiàn)及結(jié)論如下：

（1）研究提出關(guān)鍵金屬“碳減排杠桿”指標(biāo)，量化評(píng)估了稀土元素的碳減排貢獻(xiàn)。稀土元素具備優(yōu)異的磁、光、電等材料特性，可以賦能新能源汽車、風(fēng)電等低碳技術(shù)的全生命周期碳減排能力。相較于國(guó)際通用只聚焦于生產(chǎn)階段的“碳足跡”指標(biāo)，該項(xiàng)研究立足于全生命周期系統(tǒng)，提出了稀土“碳減排杠桿”指標(biāo)，全面系統(tǒng)地量化了各稀土元素的全生命周期碳減排規(guī)模，為闡釋金屬生產(chǎn)國(guó)對(duì)全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的貢獻(xiàn)提供了科學(xué)支撐。研究指出，在碳中和目標(biāo)下，稀土通過(guò)大規(guī)模應(yīng)用于電動(dòng)汽車和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，其碳減排杠桿量占全球現(xiàn)存碳配額量（50%可能性溫升1.5度）的近一半，其中中國(guó)供應(yīng)的稀土碳減排杠桿量占61%，是中國(guó)自身承諾減排量的1.9倍。

（2）當(dāng)前能源技術(shù)路徑下，稀土產(chǎn)能規(guī)劃及礦產(chǎn)勘探投資無(wú)法支撐全球碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在可預(yù)見(jiàn)的碳中和技術(shù)路徑下，稀土鐠、釹、鏑及鋱?jiān)氐牡V產(chǎn)供應(yīng)僅能滿足54%、60%、13%和18%的未來(lái)需求。因此，稀土元素（特別是重稀土元素）將會(huì)成為限制全球碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵資源約束，亟需對(duì)當(dāng)前碳中和的技術(shù)路徑進(jìn)行重新規(guī)劃。研究通過(guò)預(yù)測(cè)對(duì)比稀土元素需求及其規(guī)劃產(chǎn)能情況，發(fā)現(xiàn)稀土元素供應(yīng)不足將成為常態(tài)，2030年規(guī)劃產(chǎn)能僅能滿足51%的鐠、39%的釹、4%的鏑和7%的鋱?jiān)氐男枨?，亟需持續(xù)擴(kuò)大稀土供應(yīng)來(lái)源，特別是加大東南亞、格陵蘭島等新興供應(yīng)區(qū)域的勘探投資及產(chǎn)能規(guī)劃，并推動(dòng)相應(yīng)的國(guó)際合作。

（3）稀土資源將會(huì)從供應(yīng)國(guó)加速向消費(fèi)國(guó)轉(zhuǎn)移，并將在發(fā)達(dá)國(guó)家累積大量“城市礦產(chǎn)”資源儲(chǔ)量。研究量化分析了“碳中和”驅(qū)動(dòng)下稀土資源從供應(yīng)國(guó)到消費(fèi)國(guó)的轉(zhuǎn)化遷移規(guī)律，并繪制了稀土“自然礦產(chǎn)”與“城市礦產(chǎn)”資源儲(chǔ)備演變地圖。在碳中和情景下，將有大量地下儲(chǔ)量將會(huì)從中國(guó)等國(guó)家轉(zhuǎn)移到歐盟、美國(guó)、日本等地區(qū)，形成其城市礦產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，全球四種稀土元素城市礦產(chǎn)儲(chǔ)量將在2021年至2050年增加了近15倍，其中歐盟、美國(guó)、日本、加拿大以及澳大利亞等將積累全球近一半的城市礦產(chǎn)?；谧匀?城市兩大礦產(chǎn)儲(chǔ)量對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)、澳大利亞等國(guó)家稀土礦產(chǎn)資源外流較為嚴(yán)重，而美國(guó)、歐盟、日本的城市礦產(chǎn)將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其自然礦產(chǎn)儲(chǔ)量，逐漸成為滿足其未來(lái)需求的主要來(lái)源，并在2050年前分別減少100%、93%和88%對(duì)其他國(guó)家稀土供應(yīng)的依賴。

圖1 稀土元素-能源轉(zhuǎn)型-氣候目標(biāo)綜合評(píng)估DIRECCT模型框架

圖2 稀土分元素的自然礦產(chǎn)到城市礦產(chǎn)轉(zhuǎn)化遷移及其時(shí)空演變規(guī)律

（4）循環(huán)經(jīng)濟(jì)將會(huì)有效緩解碳中和的稀土約束，促進(jìn)稀土元素供需平衡并實(shí)現(xiàn)“元素閉環(huán)”。研究調(diào)研分析了全球稀土循環(huán)經(jīng)濟(jì)的相關(guān)舉措及技術(shù)進(jìn)展，并基于此建立稀土循環(huán)經(jīng)濟(jì)評(píng)估情景，量化分析了各項(xiàng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)舉措及技術(shù)的作用及潛力。研究發(fā)現(xiàn)稀土循環(huán)經(jīng)濟(jì)在支撐碳中和進(jìn)程上的四大潛在作用：降低天然礦產(chǎn)開(kāi)采、提升資源生產(chǎn)效率、平衡元素應(yīng)用差異與促進(jìn)稀土回收利用。研究發(fā)現(xiàn)，循環(huán)經(jīng)濟(jì)可以使得全球和地區(qū)對(duì)稀土天然礦的依賴性降低60%，并協(xié)助部分區(qū)域如歐洲到2050年實(shí)現(xiàn)稀土元素的“閉環(huán)”（即無(wú)需依賴天然礦供應(yīng)）。循環(huán)經(jīng)濟(jì)可以使得區(qū)域稀土元素供需更加平衡，即全球永磁稀土元素的供應(yīng)集中度（以HHI指數(shù)衡量）將下降14%～27%。

（5）加大稀土城市礦產(chǎn)勘探開(kāi)發(fā)，大力發(fā)展稀土循環(huán)經(jīng)濟(jì)。在量化模型分析的基礎(chǔ)上，研究系統(tǒng)討論了推進(jìn)稀土循環(huán)經(jīng)濟(jì)的卡點(diǎn)及障礙。研究指出，相較于自然礦產(chǎn)勘探開(kāi)發(fā)而言，稀土城市礦產(chǎn)的勘探開(kāi)發(fā)及利用仍處于初級(jí)階段，基礎(chǔ)理論缺失，回收體系不完善，技術(shù)研發(fā)及基礎(chǔ)設(shè)施投入不足。隨著稀土產(chǎn)品的“報(bào)廢浪潮”到來(lái)，需要協(xié)同技術(shù)、政策及資金等多方力量，將稀土資源循環(huán)納入全球氣候合作范疇，構(gòu)建含稀土元素報(bào)廢器件或設(shè)備的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，將稀土再生資源范圍從開(kāi)采尾礦、廢料逐漸擴(kuò)大到末端消費(fèi)品等，研發(fā)稀土城市礦產(chǎn)勘探拆解、循環(huán)設(shè)計(jì)、再生利用、溯源追蹤等技術(shù)及裝備，建設(shè)完善稀土回收利用、生產(chǎn)者責(zé)任延伸、貿(mào)易流通及國(guó)際合作體系。

該項(xiàng)研究由國(guó)內(nèi)外多個(gè)團(tuán)隊(duì)合作完成，其中北京大學(xué)博士生楊宇瑤與中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所汪鵬博士為共同第一作者，北京大學(xué)陳麗華教授和中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所陳偉強(qiáng)研究員為共同通訊作者，合作者還包括英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)Oliver Heidrich教授、北京大學(xué)陳立洋博士及荷蘭萊頓大學(xué)Tomer Fishman博士。