构建中国的能源与矿产体系：在中国能源转型背景下评估关键原材料国内供应短缺的风险

《Journal of Cleaner Production》：Bridging China's energy and mineral system: Evaluating the risk of domestic supply shortages for critical raw materials in the context of China's energy transition

中国双碳目标下关键矿物供需风险及电动汽车材料需求分析，结合动态物质流分析与Hubbert-峰值模型评估2021-2060年22种关键矿物风险，发现12种面临极高短缺风险（Ag/Al/Cr/Cu/Ni/Cd/In/Se/Te/Li/Co/Pt），回收技术可降低Al/Fe/Mn/Li/Dy/Ge风险但无法解决Cr/Co/Pt缺口，电动汽车依赖17种关键矿物中13种高风险资源，为全球供应链稳定提供评估框架

　　

王斌|王芳|邵超峰|董战峰

南开大学环境科学与工程学院，中国天津市津南区同延路38号，300350

摘要

实现“净零排放”的目标需要加快能源系统向更清洁、更绿色、更低碳的转型，这意味着从以化石燃料为主的传统能源系统转向以材料密集型的可再生能源系统。在这一转型过程中，量化关键矿物/原材料的需求以及国内供应情况至关重要。本文结合了动态物质流分析方法和Hubbert峰值模型，以识别2021-2060年间由于中国“碳达峰和碳中和目标”驱动的关键原材料未来需求与地质可用性之间的潜在瓶颈和供应短缺风险。通过对16种技术情景下22种关键矿物的评估，我们发现：12种材料存在极高的国内供应短缺风险（到2050年的累计需求超过储量）：银、铝、铬、铜、镍、镉、铟、硒、碲、锂、钴、铂；3种材料风险较高（到2060年的累计需求超过储量）：铁、锗、镝；2种材料风险中等（年需求超过生产能力）：锰、镓。回收利用可以降低铝、铁、锰、锂、镝和锗的风险（降至中等或低风险），但无法解决铬、钴、铂以及某些分散金属（镉、硒、铟、碲）的短缺问题。电动汽车成为所需材料种类最多的技术，依赖22种矿物中的17种（尤其是用于电池的锂、钴、镍），其中13种被归类为极高或高风险矿物。本研究提供了一个评估矿物供应风险的方法论框架，以支持中国的能源转型安全和全球关键矿物供应链的稳定性。

引言

《巴黎协定》为178个国家在2020年后共同应对气候变化建立了框架（Glanemann等人，2020年）。主要目标是将全球变暖控制在工业化前水平以上2°C以内，争取达到1.5°C（Gillett等人，2021年）。致力于实现碳中和或净零排放的国家承诺采取三个关键步骤：使用清洁能源、提高效率并减少排放，以及应用负排放技术（如碳捕获和储存）（Huang和Zhai，2021年；Millot等人，2020年）。清洁能源转型是实现碳中和的最关键步骤（Zou等人，2021年）。它为首先减少不受控制的排放、随后达到碳峰值、最终实现中和奠定了技术基础。清洁能源转型的成功取决于能源供应和消费方面的技术进步（Bogdanov等人，2021年；Fragkos等人，2021年；Zhang等人，2022年）。新能源主要包括太阳能、风能（陆上/海上）、聚光太阳能、地热能和生物质能等可再生能源，以及核能，这些能源有助于推动能源生产的清洁低碳转型（Hao等人，2019年；Kalt等人，2022年；Kittner等人，2017年；Martins等人，2024年；Weil等人，2020年）。国际能源署强调，向清洁能源技术的转变标志着从以化石燃料为主向以材料为主能源系统的过渡（Valero等人，2021年；Zou等人，2021年）。对矿物，特别是铜、铁、锰、锂和钴等关键金属的中长期需求将急剧增加。国内矿物供应对能源安全和地缘政治稳定至关重要。本地供应短缺将迫使各国更加依赖进口，威胁能源系统的独立性和安全性（Blondeel等人，2021年；Nuttall，2021年；Vakulchuk等人，2020年；Vidal，2017年）。作为世界上最大的发展中国家和最大的能源消费国，中国正在坚定推进其能源转型（Zhao等人，2021年）。定量评估中国能源转型所需的关键矿物供应情况至关重要。这包括量化需求和供应，并最终评估国内供需不平衡的风险。这直接关系到全球能源安全。

现在，要理解能源转型不断增长的材料需求，迫切需要明确两个方面：哪些矿物面临短缺风险，以及短缺可能何时出现（Liang等人，2022年；Watari等人，2019年）。研究人员考察了两个关键因素：能源转型中的材料需求和矿物可用性。通过结合情景模型和物质流追踪，他们量化了全球范围内可再生能源、氢能技术、电池、电动汽车和电网系统的需求（Deetman等人，2021年；Manberger和Stenqvist，2018年；Ren等人，2025年；Viebahn等人，2015年；Watari等人，2021年）。这有助于预测各国的未来需求。主要经济体目前正在追踪材料脆弱性。欧盟、美国和中国正在绘制历史贸易模式——进口、外国生产、价格波动——以建立早期预警系统（Lebre等人，2020年；Nassar等人，2020年；Ragonnaud，2023年；Zhang等人，2022年；Zhang和Zhang，2021年；Zhou等人，2019年）。这些仪表板突出了关键矿物供应的紧张点，以避免短缺引发贸易争端。一些研究还从关键矿物的长期开采出发，分析了未来关键矿产资源的供应趋势（Northey等人，2020年；Sverdrup等人，2017年；Valero等人，2018年）。然而，这些研究目前仍存在以下不足：

1)

研究要么针对特定绿色技术（如风力涡轮机）分析材料（Lowe和Drummond，2022年；Ren等人，2025年），要么监测传统金属（如铜和锂）（Makuei和Senanayake，2018年；Moats等人，2021年；Xu等人，2020年）。这种零散的方法忽视了随着清洁能源规模扩大而带来的材料需求激增。

2)

现有研究主要使用过去的供需数据来确定关键材料（Yu等人，2021年；Yuan等人，2024年；Zhou等人，2019年），但没有量化未来需求或国内矿物供应可能发生的变化。

3)

当前的研究大多关注全球趋势或欧盟和美国等国家（Nassar等人，2020年；Valero等人，2018年）。但中国的作用至关重要——中国消耗大量关键矿物，并供应锗、镓和稀土等材料。为了实现碳中和目标，中国必须追踪其所需这些材料的数量以及国内可获得的数量。这些数据将揭示真实的资源风险，并防止国际供应争端。

因此，本研究有三个关键目标：i) 映射出中国在碳目标下实现能源转型所需的材料及其数量。ii) 建模预测中国从2021年到2060年每年的矿物储量和生产能力变化。iii) 标识出在清洁能源转型过程中可能出现短缺的时间及其严重程度。

章节片段

关键矿物/原材料清单回顾

建立能源与矿物安全之间的联系需要确定优先的关键矿物和原材料清单。本节综合了国际机构、各国政府和学术研究中的关键矿物清单，以便为我们的22种材料分析选择提供背景。

概念框架和材料强度

如图2所示，本研究强调了在中国能源转型背景下对关键原材料地质可用性的定量评估。本研究的空间范围仅限于中国，时间跨度为2021年至2060年。共分析了22种关键矿物，包括三种铁金属、五种有色金属、两种贵金属、一种稀缺金属和五种稀土元素。

中国能源系统转型所需的关键矿物需求

本文展示了2021年至2060年各情景下中国能源系统对关键矿物的年需求（见图S8）和累计需求（见图4），并对所有情景进行了详细分解（见图S9–S30）。本研究的不确定性和敏感性主要源于对中国能源技术发展路径、子能源技术市场份额以及回收材料使用率的不同假设。

讨论与结论

本研究探讨了在中国严格遵循“碳达峰和碳中和目标”期间，国内关键矿物供应的安全性。同时，还研究了关键矿物需求的影响，包括温和和激进政策的影响、成本效益技术的逐步市场渗透以及回收率的提高。旨在明确这些因素的影响和不确定性。

CRediT作者贡献声明

王斌：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法论设计、调查、正式分析、数据整理、概念化。王芳：撰写——审稿与编辑、验证、调查、数据整理。邵超峰：监督、项目管理、方法论设计、资金获取、正式分析、概念化。董战峰：监督、资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划 [项目编号 2022YFC3802902]的支持。