近日，上海交通大学环境科学与工程学院耿涌教授和董会娟副教授团队在基金委卓越研究群体项目（72088101）资助下的“Sub-technology market share strongly affects critical material constraints in power system transitions”成果发表在自然•通讯《Nat. Commun.》上。该研究针对我国碳中和转型面临的资源约束重要挑战，提出从子技术市场份额调控视角探索资源约束调控策略，将五大类主导的低碳发电技术细分为22种子技术，并与中科院广州能源所和清华大学碳中和转型预测模型团队合作，集成宏观经济模型和动态物质流分析等多种方法预测了我国碳中和路径下发电系统转型对19种关键矿产资源的需求，识别出镓、铽、锗、碲、铟、铀和铜等或将面临显著资源约束，而子技术市场份额调整将显著影响关键资源风险，例如较新的薄膜太阳能技术、永磁风力发电技术会加剧资源约束。该论文第一作者为上海交通大学环境科学与工程学院董会娟副教授和博士研究生张天毓，通讯作者为董会娟副教授，第一完成和通讯单位均为上海交通大学。
研究背景
碳中和目标下，亟待推动可再生能源电力系统转型。然而，光伏发电和风力发电等可再生能源技术对关键矿产资源的需求相较于传统火力发电技术更为显著，且多被认定为关键战略性资源，或引发长远资源安全风险。当前研究多聚焦于识别风险资源种类，鲜有提出如何调控相关资源风险的。考虑到不同发电类别下子技术对关键矿产资源需求的显著差异，该研究从整个电力系统发电子技术调控入手，同时考虑发电系统以外的其他部门对相关关键矿产资源的需求，预测我国碳中和转型路径下保守发电技术、较新发电技术和激进发电技术不同子技术组合情景下的关键矿产资源需求特征和资源风险，从系统角度识别我国碳中和电力系统转型的关键资源风险，提出我国可再生能源发电系统转型的资源约束调控策略，从而为我国碳中和目标实现和关键资源约束应对提供政策支撑。
研究内容
该研究主要集成宏观经济模型和动态物质流分析等方法，量化了基准情景及碳中和情景下我国发电系统转型过程中光伏发电、风力发电、水力发电、核能发电以及热电厂/碳捕集、利用与封存（CCUS）等五种主要发电技术下的22种子技术对19种矿产资源的需求。通过调整碳中和情景下各子技术的市场份额，揭示了低碳发电技术子技术市场份额变化对关键矿产资源需求的影响特征。最后，引入了“重要性指数”（即发电系统转型过程中资源需求在各部门总需求中的占比）这一指标，并结合资源需求与储量的比值，识别我国碳中和目标下发电系统转型可能带来约束的关键矿产资源种类。
图1 基准情景及碳中和情景下截至2060年的19种资源累积需求（包括5种结构性资源和14种技术性资源）
在碳中和情景下，光伏发电、风力发电、水力发电、核能发电、火力发电/CCUS等五种技术截至2060年将对19种关键矿产资源产生5220万吨的需求，相对于基准情景增加约2.7倍，铜（Cu）、镓（Ga）、锗（Ge）、砷（As）、硒（Se）、铟（In）、碲（Te）、银（Ag）、镉（Cd）9种资源的累积需求将至少翻番。光伏发电和风力发电的资源需求占比最大，合计超过90%，尤其是光伏发电的资源需求的增幅最大。
图2 基准情景及碳中和情景下2021-2060年间的19种关键资源的年度需求
碳中和情景（CNT_MOD）下，除钒（V）和铌（Nb）等主要被水力发电需求的资源外，其它资源2021—2060年间的年度需求在绝大多数年份均有所增加。各资源年度需求的增幅处于11%～125%的范围内。四十年间最大的年度需求增幅为7.1倍，主要源于2027年光伏发电对锗（Ge）的需求。碲（Te）、镨（Pr）、镝（Dy）、铪（Hf）、铀（U）、镉（Cd）等大多数资源的年度需求因资源需求强度（即单位装机容量的资源需求量）的持续降低或相关发电技术的新增装机容量的达峰而在2060年前达峰。
图3 不同子技术市场份额情景下截至2060年的累积资源需求
进一步考虑三种子技术市场份额调控情景，发现光伏发电对技术性资源的累积资源需求受子技术市场份额影响最大。相较于保守技术情景（CNT_CON），较新技术情景（CNT_MOD）和激进技术情景（CNT_PRO）下光伏发电的资源需求可增加2.2～2.5倍，主要由碲化镉、砷化镓等薄膜光伏组件市场份额的增加导致。风力发电对技术性资源的需求也较明显，随着更先进的永磁风力发电技术市场份额的增加将比保守技术情景增加约30%。核能发电对技术性资源的需求则随第四代核反应堆技术的更多应用而出现下降。结构性资源的需求受市场份额的影响相对没那么显著。
图4 各市场份额情景下2021—2060年间的年度资源需求
就年度需求而言，镨（Pr）、钕（Nd）、铽（Tb）、镝（Dy）、镓（Ga）等被风力发电需求的技术性资源在激进技术市场份额情景下基本一直高于其他市场份额情景。除银（Ag）以外的所有被光伏发电需求的技术性资源在较新和激进市场份额情景下的年度需求也持续显著高于保守情景。如锗（Ge）、砷（As）、碲（Te）等被光伏发电需求的技术性资源年度需求随市场份额变化最为显著。钒（V）、镍（Ni）、铌（Nb）三种结构性资源的年度需求受风力发电或水力发电资源需求的影响也有明显变化。
图5 2060年各资源累积需求与我国储量的比值（第一列）、各资源的累积重要性指数（第二列）和年度重要性指数（第三列）
就累积需求与储量的比值而言，无论如何调控发电技术情景，铜（Cu）和铀（U）资源都会超过其当前储量，2060年仅电力部门需求就分别达到其当前储量的1.2倍和3倍，产生严重的资源风险；若考虑所有部门的需求，则除钒（V）、砷（As）、铪（Hf）、钕（Nd）、镝（Dy）五种资源不会表现出资源约束外，其他资源均存在资源约束，尤其是镓（Ga）在激进情景下的来自光伏发电的累积需求量相较保守技术情景将会增加56倍，从非风险资源变为风险资源。为了更全面反映电力系统转型带来的资源约束情况，我们进一步提出了重要性指数（发电部门资源需求占所有部门需求的比值）这一概念，如果其值不超过10%则说明发电系统转型对资源风险的影响不显著。结果显示保守市场份额情景下仅镓、钕、铽（Tb）三种资源的重要性指数会超过10%的安全阈值，但在考虑技术进步的情景下锗（Ge）、铟（In）的重要性指数也会超过安全阈值，且镓的重要性指数在激进技术情景下甚至达到50%；除铜、砷、钼（Mo）外的大多数资源的年度重要性指数呈现先升后降或持续下降趋势。
本研究发现风电和光电子技术市场份额会显著影响资源需求和风险，从资源需求角度看，建议尽量降低目前已经得到市场化应用的薄膜太阳能电池技术和永磁发电机技术的市场份额可有效缓解关键矿产资源约束；加速对钙钛矿等新兴但尚未市场化的子技术的扶持也可有效应对资源风险；另外，提高资源效率、开发利用非传统资源等措施也将是保障资源安全的关键策略。
作者简介
董会娟，上海交通大学环境科学与工程学院副教授。研究方向为资源环境管理、气候变化应对、循环经济。任上海交大-联合国工发组织绿色增长联合研究院秘书长，环境科学学会、自然资源学会、系统工程学会等多个分会委员，巴塞尔公约亚太区域中心化学品与废物环境管理智库专家，国际期刊Recycling编委等。主持国家自然科学基金面上和青年项目、重大项目子课题、国际合作重点项目课题、科技部水专项任务及地方横向项目等10余项。目前在领域内高水平学术期刊发表论文100余篇，含高被引论文6篇，google学术总引用6650余次，2022年和2024年连续入选国际学术网站Research.com发布的“世界最佳学术新星”。
张天毓，上海交通大学环境科学与工程学院2021级博士研究生。主要研究方向为碳中和目标下电力系统转型的资源供需风险评估及调控。
耿涌，上海交通大学讲席教授，国家杰出青年基金后评估特优获得者，生态环境部专业技术领军人才，上海市优秀学术带头人，科睿唯安全球高被引学者及爱思唯尔中国高被引学者。多年来从事循环经济、产业生态、环境管理以及气候变化政策研究。承担国家自然科学基金重大项目课题、重点项目、卓越研究群体项目、杰出青年基金、重点国际合作项目及科技部国家重点研发项目等。在Science和Nature等国际期刊上发表发表论文450余篇。
