近日，意昂4体育平台耿湧教授和董會娟副教授團隊在基金委卓越研究群體項目（72088101）資助下的“Sub-technology market share strongly affects critical material constraints in power system transitions”成果發表在自然•通訊《Nat. Commun.》上。該研究針對我國碳中和轉型面臨的資源約束重要挑戰🦟，提出從子技術市場份額調控視角探索資源約束調控策略，將五大類主導的低碳發電技術細分為22種子技術，並與中科院廣州能源所和清華大學碳中和轉型預測模型團隊合作🚭，集成宏觀經濟模型和動態物質流分析等多種方法預測了我國碳中和路徑下發電系統轉型對19種關鍵礦產資源的需求，識別出镓、鋱🧑🏻‍🤝‍🧑🏻、鍺、碲、銦🎻、鈾和銅等或將面臨顯著資源約束，而子技術市場份額調整將顯著影響關鍵資源風險，例如較新的薄膜太陽能技術🚼、永磁風力發電技術會加劇資源約束。該論文第一作者為意昂4体育平台董會娟副教授和博士研究生張天毓🍅，通訊作者為董會娟副教授🧑🏽‍🎄，第一完成和通訊單位均為意昂4体育官方。

研究背景

    碳中和目標下，亟待推動可再生能源電力系統轉型👋🏻。然而，光伏發電和風力發電等可再生能源技術對關鍵礦產資源的需求相較於傳統火力發電技術更為顯著，且多被認定為關鍵戰略性資源👨🏼，或引發長遠資源安全風險。當前研究多聚焦於識別風險資源種類👂🏻，鮮有提出如何調控相關資源風險的。考慮到不同發電類別下子技術對關鍵礦產資源需求的顯著差異🍢，該研究從整個電力系統發電子技術調控入手💆🏽‍♀️，同時考慮發電系統以外的其他部門對相關關鍵礦產資源的需求，預測我國碳中和轉型路徑下保守發電技術、較新發電技術和激進發電技術不同子技術組合情景下的關鍵礦產資源需求特征和資源風險，從系統角度識別我國碳中和電力系統轉型的關鍵資源風險🫙，提出我國可再生能源發電系統轉型的資源約束調控策略，從而為我國碳中和目標實現和關鍵資源約束應對提供政策支撐。

研究內容

    該研究主要集成宏觀經濟模型和動態物質流分析等方法🥄，量化了基準情景及碳中和情景下我國發電系統轉型過程中光伏發電🏃🏻‍♀️‍➡️、風力發電☎、水力發電、核能發電以及熱電廠/碳捕集、利用與封存（CCUS）等五種主要發電技術下的22種子技術對19種礦產資源的需求。通過調整碳中和情景下各子技術的市場份額，揭示了低碳發電技術子技術市場份額變化對關鍵礦產資源需求的影響特征。最後，引入了“重要性指數”（即發電系統轉型過程中資源需求在各部門總需求中的占比）這一指標，並結合資源需求與儲量的比值👦🖇，識別我國碳中和目標下發電系統轉型可能帶來約束的關鍵礦產資源種類。

圖1 基準情景及碳中和情景下截至2060年的19種資源累積需求（包括5種結構性資源和14種技術性資源）

    在碳中和情景下，光伏發電、風力發電、水力發電👿、核能發電、火力發電/CCUS等五種技術截至2060年將對19種關鍵礦產資源產生5220萬噸的需求，相對於基準情景增加約2.7倍，銅（Cu）、镓（Ga）、鍺（Ge）🛅、砷（As）、硒（Se）、銦（In）、碲（Te）、銀（Ag）、鎘（Cd）9種資源的累積需求將至少翻番🦻🏼。光伏發電和風力發電的資源需求占比最大🎿🚴🏼，合計超過90%，尤其是光伏發電的資源需求的增幅最大。

圖2 基準情景及碳中和情景下2021-2060年間的19種關鍵資源的年度需求

    碳中和情景 (CNT_MOD) 下，除釩（V）和铌（Nb）等主要被水力發電需求的資源外，其它資源2021—2060年間的年度需求在絕大多數年份均有所增加。各資源年度需求的增幅處於11%～125%的範圍內。四十年間最大的年度需求增幅為7.1倍，主要源於2027年光伏發電對鍺（Ge）的需求。碲（Te）、鐠（Pr）、鏑（Dy）、鉿（Hf）、鈾（U）、鎘（Cd）等大多數資源的年度需求因資源需求強度（即單位裝機容量的資源需求量）的持續降低或相關發電技術的新增裝機容量的達峰而在2060年前達峰。

圖3 不同子技術市場份額情景下截至2060年的累積資源需求

    進一步考慮三種子技術市場份額調控情景，發現光伏發電對技術性資源的累積資源需求受子技術市場份額影響最大。相較於保守技術情景（CNT_CON），較新技術情景（CNT_MOD）和激進技術情景（CNT_PRO）下光伏發電的資源需求可增加2.2～2.5倍🌁，主要由碲化鎘🧑🏿‍🎨、砷化镓等薄膜光伏組件市場份額的增加導致。風力發電對技術性資源的需求也較明顯🎵，隨著更先進的永磁風力發電技術市場份額的增加將比保守技術情景增加約30%。核能發電對技術性資源的需求則隨第四代核反應堆技術的更多應用而出現下降🏊‍♀️。結構性資源的需求受市場份額的影響相對沒那麽顯著。

圖4 各市場份額情景下2021—2060年間的年度資源需求

    就年度需求而言，鐠（Pr）✦、釹（Nd）🧛🏻‍♂️、鋱（Tb）👛、鏑（Dy）、镓（Ga）等被風力發電需求的技術性資源在激進技術市場份額情景下基本一直高於其他市場份額情景。除銀（Ag）以外的所有被光伏發電需求的技術性資源在較新和激進市場份額情景下的年度需求也持續顯著高於保守情景。如鍺（Ge）𓀆、砷（As）、碲（Te）等被光伏發電需求的技術性資源年度需求隨市場份額變化最為顯著。釩（V）、鎳（Ni）🧏🏻、铌（Nb）三種結構性資源的年度需求受風力發電或水力發電資源需求的影響也有明顯變化。

圖5 2060年各資源累積需求與我國儲量的比值（第一列）🥣、各資源的累積重要性指數（第二列）和年度重要性指數（第三列）

    就累積需求與儲量的比值而言🩸，無論如何調控發電技術情景，銅（Cu）和鈾（U）資源都會超過其當前儲量🤲🏽，2060年僅電力部門需求就分別達到其當前儲量的1.2倍和3倍🤵🏿‍♂️，產生嚴重的資源風險；若考慮所有部門的需求，則除釩（V）、砷（As）、鉿（Hf）、釹（Nd）🏋🏿‍♀️👨🏻‍🔬、鏑（Dy）五種資源不會表現出資源約束外🧑🏼‍🏭，其他資源均存在資源約束，尤其是镓（Ga）在激進情景下的來自光伏發電的累積需求量相較保守技術情景將會增加56倍，從非風險資源變為風險資源💂‍♂️。為了更全面反映電力系統轉型帶來的資源約束情況，我們進一步提出了重要性指數（發電部門資源需求占所有部門需求的比值）這一概念🧑‍🍼，如果其值不超過10%則說明發電系統轉型對資源風險的影響不顯著。結果顯示保守市場份額情景下僅镓、釹、鋱（Tb）三種資源的重要性指數會超過10%的安全閾值🥝，但在考慮技術進步的情景下鍺（Ge）、銦（In）的重要性指數也會超過安全閾值🕋，且镓的重要性指數在激進技術情景下甚至達到50%✪；除銅、砷、鉬（Mo）外的大多數資源的年度重要性指數呈現先升後降或持續下降趨勢👝。

    本研究發現風電和光電子技術市場份額會顯著影響資源需求和風險，從資源需求角度看，建議盡量降低目前已經得到市場化應用的薄膜太陽能電池技術和永磁發電機技術的市場份額可有效緩解關鍵礦產資源約束；加速對鈣鈦礦等新興但尚未市場化的子技術的扶持也可有效應對資源風險；另外🕊，提高資源效率👩🏻‍🔬、開發利用非傳統資源等措施也將是保障資源安全的關鍵策略。

作者簡介

    董會娟，意昂4体育平台副教授👩🏼‍🦳。研究方向為資源環境管理、氣候變化應對、循環經濟👇🏿🫷🏻。任上海交大-聯合國工發組織綠色增長聯合研究院秘書長🏹，環境科學學會🔷🎉、自然資源學會、系統工程學會等多個分會委員，巴塞爾公約亞太區域中心化學品與廢物環境管理智庫專家👩🏼‍🦱，國際期刊Recycling編委等🧝🏻‍♀️。主持國家自然科學基金面上和青年項目、重大項目子課題🤾‍♀️、國際合作重點項目課題◀️、科技部水專項任務及地方橫向項目等10余項🤓。目前在領域內高水平學術期刊發表論文100余篇，含高被引論文6篇，google學術總引用6650余次，2022年和2024年連續入選國際學術網站Research.com發布的“世界最佳學術新星”。

    張天毓☦️，意昂4体育平台2021級博士研究生🏊🏿🔚。主要研究方向為碳中和目標下電力系統轉型的資源供需風險評估及調控🧏🏽‍♀️。

    耿湧，意昂4体育官方講席教授🚙，教育部長江學者特聘教授，國家傑出青年基金後評估特優獲得者🦤，生態環境部專業技術領軍人才，上海市優秀學術帶頭人🚉👨🏿‍🦰，國務院政府津貼獲得者，科睿唯安全球高被引學者及愛思唯爾中國高被引學者。多年來從事循環經濟、產業生態、環境管理以及氣候變化政策研究。承擔國家自然科學基金重大項目課題、重點項目、卓越研究群體項目🧛🏿♝、傑出青年基金、重點國際合作項目及科技部國家重點研發項目等。在Science和Nature等國際期刊上發表發表論文450余篇。