【光伏组件回收】RCR: 中国风电和光伏发电的未来金属需求评估：对新兴人类矿山的影响—Kaipeng Ren

文摘 2025-01-04 18:30 北京

【论文链接】

https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2024.108088

【作者单位】

中国石油大学等

【论文摘要】

中国实现碳中和目标需要大规模部署风电和光伏（PV）技术。这些技术发展路径的不确定性不仅会引发潜在的金属供需不匹配问题，还会阻碍对未来人为开采矿产资源的深入了解。在此，我们基于多模型比较框架（MMCF）对金属需求进行了前瞻性评估。结果表明：（1）在MMCF下，到2060年，中国风电和光伏的平均装机容量将分别达到1900吉瓦（GW）和3100吉瓦（GW）。（2）2000年至2060年间，中国风电和光伏行业的总体金属需求量预计为0.88亿至1.38亿吨。（3）到2060年，中国风电和光伏行业的人为开采矿产规模约为0.56亿至0.72亿吨。（4）在考虑金属回收的贡献后，二次基础金属和稀缺金属分别占金属总流入量的19%至21%和23%至26%。我们强调，当前能源与金属关联政策被忽视，而为了应对能源行业新兴人为开采矿产的问题，需要加强这些政策。

【实验方法】

整体框架：

将行业生态工具融入综合管理框架或进行合并，是前瞻性量化分析的基础。在本节中，我们首先构建了能够反映能源与金属系统之间关联关系的总体模型框架。该模型框架包含两个模块。第一个模块生成未来可再生能源发展情景，特别是风电和光伏的活动规模和容量规模，这些是金属需求的主要驱动力。第二个模块确定未来40年内基础设施的流动情况，并随后量化金属的流入和流出。作为一个分层的核算框架，它是基于物质流理论构建的。两个模块之间的连接是软连接，这使得两个模块的运行更加灵活，而无需额外的工作。鉴于未来低碳电力路径的不确定性，量化风电和光伏发展路径的范围成为量化其发展物质基础的第一步。然而，由于模型类型不同以及对中国碳中和目标情景的解释或假设不同，未来可再生能源电力的发展路径存在很大不确定性。为了捕捉这些不确定性，多模型比较框架结合了模型输出以及来自内部和外部来源的结果。我们收集了自主研发的能源系统模型的输出以及权威国际机构的结果，以构建中国风电和光伏迈向碳中和的框架。

【图文摘取】

【主要结论】

本项工作对中国风电和光伏行业至2060年的金属需求进行了前瞻性评估，同时探讨了发展路径的不确定性及其对人为基础设施采矿活动的影响。在综合评估框架下，对风电和光伏行业的金属循环进行了量化。这使得能够在多模型比较框架下开展工业生态学的核算方法。因此，可以揭示能源路径不确定性对金属流入、流出、在用库存的影响，以及人为基础设施中金属平衡关系的演变特征。研究结果证实了本研究框架的有效性，并可能为未来循环金属管理政策的制定和规划提供支持。我们的工作主要得出以下三项发现：

首先，为实现中国长期碳中和目标，在多模型比较框架（MMCF）下，2060年风电装机容量将达到1000-2700吉瓦（GW），而光伏装机容量将达到2400-4500吉瓦。这表明存在很大的不确定性，需要进一步分析。在本研究中，从终点年份的部署规模（或最终哪种技术占主导）和研究期间的增长率或增长模式两个角度，衡量了风电和光伏发展路径的不确定性。从前者角度看，我们提出了两种模式来描述风电和光伏的发展路径，即“风电主导”和“光伏主导”。在7条路径中，仅有2条遵循“风电主导”模式，而其余路径则遵循“光伏主导”模式。甚至在“风电主导”路径（P2和P7）中，光伏的部署也仅比风电少200吉瓦。从增长模式角度看，我们进一步将增长模式分为“先快后慢”和“先慢后快”。P7中的风电发展遵循“先慢后快”模式，而其他路径则遵循“先快后慢”模式。对于大多数路径，饱和年份在2040年至2050年之间。

其次，风电和光伏发展路径的不确定性对金属需求的类型和规模以及金属流入、流出和在用库存的时间演变产生重大影响。为实现中国碳中和目标，2000年至2060年期间，风电和光伏行业对国家金属的需求将达到0.88-1.38亿吨。与其他路径相比，更依赖风电（风电主导）的路径最终需要的金属量更大。钢铁占总金属需求的93%。风电对钢铁的需求高于光伏，而光伏对铜和铝的需求则高于风电。P2路径的基础金属需求在所有路径中最高，而P5路径最低。稀缺金属需求与对风电或光伏的偏好差异有关。P6路径的镉和碲累计流入量最大，而P5路径的铟和镓累计流入量最大。金属需求的规模也与能源路径的增长模式密切相关。尽管P1是“光伏主导”，但其副产品金属需求在所有路径中最低。这可以通过P1在研究期间前半段光伏的平稳增长来解释。

第三，未来30年风电和光伏行业金属需求的激增，使得系统了解能源基础设施的金属平衡循环变得至关重要。尽管近期金属流出量有限，但到2060年，光伏和风电行业的金属累计流出量将分别占金属累计流入量的33%-52%和42%-53%。金属流出量的价值将在2045年至2060年期间激增。考虑到风电和光伏在用金属库存的异质性，人为金属矿随时间呈现出的特征将因金属类型而异。实现二次金属供应潜力也依赖于技术进步以及政府和学术机构的持续投资。由于本研究调查了12种金属，因此在分析能源基础设施中的金属循环时，没有考虑具体的金属产品和采矿阶段的金属损失。如果在未来的研究中考虑上中下游阶段金属的详细信息，将有助于了解金属循环和二次金属供应潜力。需要指出的是，本研究中较长的研究周期（60年）限制了长期技术进步和趋势的描绘。因此，我们将本研究结果可能因技术变化而有所变化作为本研究的局限性。

能源转型给原材料供应和相关政策管理带来了压力。由于能源路径的不确定性对金属系统产生重大影响，因此需要在国家脱碳进程中加强不同地理层面能源与金属的关系。从能源-金属协同管理的角度来看，我们提出了三个层次的整合与协同，以帮助改善能源-金属关系管理：1）在政府管理阶段整合气候政策和资源政策。在能源系统脱碳的背景下，能源安全与资源安全是等价的。自上而下的政策制定和完善应同时强调能源和资源领域。2）电力生产企业和金属生产企业之间的市场和技术合作。生产企业之间的自下而上的信息共享有助于打破信息鸿沟。3）能源系统规划和资源管理领域的研究人员进一步合并和整合数据、见解和知识。对于能源和环境建模人员来说，如果输入数据和关键参数设置能够在一定程度上反映现实世界，那么先进的工具和模型才具有洞察力。这也要求建模人员进一步与金属和能源企业合作，更新数据基础和知识。总之，三个层面社区之间的合作可能是更好地进行能源和金属系统规划的关键步骤，而揭示能源-金属关联仍然是核心任务。

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