揭示气候变化目标下能源转型的矿物约束：文献计量学综述

摘   要

许多国家纷纷提出了雄心勃勃的气候变化目标，通过加快向可再生能源转型的步伐来直面全球变暖这一严峻挑战。然而，关键矿产资源的需求在转型进程中将会大幅提升。本文通过对2015到2024年间发表的领域内研究展开文献计量，提出对能源转型进程中的关键矿产资源约束这一问题全面综合性的理解。研究发现，在过去的十年间，与能源转型进程中关键矿产资源约束问题相关的出版文章数量大幅增长。此外，本文还分析了在此期间内最高产的国家、机构、作者、主要学科领域、最常用的方法以及最受关注的能源部门。结果显示，整个能源系统以及风能、太阳能等可再生能源是最受关注的能源技术领域。基于存量驱动的物质流分析（MFA）是最主要的研究方法，其他方法如巴斯扩散模型、哈伯特模型与逻辑斯蒂曲线模型也经常被使用。碳中和、能源转型与物质流分析是当前这个领域的研究热点。在讨论部分，本文也提出了对于领域内未来研究方向的思考。最后，本文构建了一个综合性的矿产资源-能源-气候知识框架。

研究背景

自工业革命以来，经济增长与社会发展在很大程度上依赖化石燃料，从而导致了诸多非常严重的环境问题。其中，二氧化碳及其他温室气体大量排放所引发的全球变暖是最为紧迫的问题之一。在过去的几年中，超过一百个国家提出了远大的碳达峰、碳中和（净零碳排放）目标，并承诺为应对全球气候变化做出贡献。由于许多国家（如中国）的能源系统仍然严重依赖化石燃料，向清洁和可再生能源系统转型对于应对气候变化，尤其是实现碳中和目标至关重要。太阳能光伏（PVs）、风力发电、水力发电和储能电池是可再生能源系统的关键组成部分。目前，一些研究已经开始探索未来可再生能源技术的优化方向和发展途径。但是这类系统的建设和运行高度依赖许多关键矿产资源，如稀土元素、锂和铂族金属等。因此，潜在的矿产资源约束在未来可能会变得日益严峻。如何准确评估这些挑战并确保矿产资源的安全、可持续供应成为一个紧迫的问题。找到合适的方法来开展矿产资源需求和供应能力的定量预测，对于推动未来全球能源向清洁和可再生能源转型至关重要。

目前已有一些研究人员聚焦于此类课题，并从不同角度对未来可再生能源技术中的矿物限制进行了研究。这些先前的研究往往集中于在不同气候变化目标下推动清洁和可再生能源的转型需要多少矿产资源或材料。尽管这些研究为能源转型中的关键矿产资源挑战提供了有价值的启示，但仍然缺乏系统的文献综述。因此，本文采用文献计量学来对现有文献进行定量分析，并挖掘研究热点和未来方向。通过在Web of Science（WoS）数据库中搜索各种关键词，本文分析了2015-2024年发表的1128项研究的成果。

▲图1  文章技术路线图

主要研究结论

自2015年《巴黎协定》被提出之后，本领域相关研究的年出版量呈现出快速增长态势。在2015至2019这五年期间，此领域的年出版量尚不足100篇。而自2019年开始，鉴于众多国家纷纷提出了关于净零碳排放这一宏大的气候变化目标，使得相关研究快速增长。2020至2023年间，年出版量从109篇猛增至265篇。在这些研究中，“环境科学”与“环境工程”这两个学科领域占据主导地位，有超过800篇的论文属于这两个领域范畴。此外，“环境研究”“绿色可持续科学技术”以及“能源燃料”也是涉及较多的学科领域。作者层面，本文覆盖的文献共包含了3609位作者，并且超过60%的作者参与了不止一项研究。其中，来自中国的陈伟强是最高产的作者，格雷德尔（Graedel）是总被引次数最高的作者。从研究机构来看，最高产的前10位机构中有7家来自中国，其余3家机构分别来自美国、日本和荷兰。从国家层面来看，有86个国家参与了这一研究领域，体现了能源转型中的矿产资源约束挑战已成为全球关注的议题。中国是发表论文最多的国家，有466篇。此外，美国、德国和英国的发表论文数量也都超过了100篇。在国际合作方面，40个国家在5篇以上的论文中与其他国家进行了合作，有93位作者发表了3篇以上的合作文章，有83家机构完成了5篇以上合作出版。

▲图2  2015-2024年间的发文趋势

此外，先前有关能源转型中矿产资源约束问题的研究包含了多种电力技术类型。在早期，研究主要集中于整个能源系统、化石燃料和核能，占总数的50%以上。随着《巴黎协定》的提出，聚焦于可再生能源，特别是风能、太阳能和水力发电的相关研究变得越来越热门，占该领域出版物总数的30%以上。自2017年起，储能技术已成为一个新的热门话题，约占出版物总数的10%。此外，近期的少部分研究还探索了潮汐能和生物质能等新兴能源技术中的矿产资源限制，这类研究仅占出版物总数的不到3%。

▲图3  出版文章中研究的主要能源技术类型

在研究方法的应用中，基于存量驱动的物质流分析是最常用的方法。其他预测模型，如巴斯扩散模型、logistic模型等也被广泛用于估计矿物需求。其中，存量驱动物质流分析的实施可分为三步：

• 首先，构建未来能源系统结构来说明能源需求的技术组合。在这一步中，情景分析通常用于对未来不同的气候变化目标进行建模，因为这些情景需要不同的能源组合来实现。

• 其次，使用单一能源中的矿产强度来计算不同能源类型（如风能、太阳能、水力发电等）需要的矿物存量。

• 最后，应用动态物质流分析研究矿物流入与流出以计算最终需求。

除了存量驱动物质流分析外，还有其他一些预测模型可用于估算未来的矿物需求。这些模型主要包括巴斯扩散模型、逻辑斯蒂模型和哈伯特峰值模型。然而，由于模型的局限性，这些模型仅能用于估算特定情形下的矿产需求。

研究热点与未来研究方向

本研究通过手动聚类对关键词进行内容分析，描绘出能源转型中矿产资源约束问题的研究热点。图4展示了通过用不同颜色的关键词以区分三个主题集群，蓝色表示气候相关，绿色表示能源相关，黄色表示矿产资源相关。在这三个集群中，矿产资源相关的集群关键词最多，占总数的51%以上。“物质流分析”是矿产资源相关集群中最常使用的关键词，出现次数超过150次。“稀土元素”（73次）是另一个研究热点，因为这种矿产资源对许多高科技工业领域非常重要。此外，一些研究还强调了回收和循环经济战略以确保可持续的矿物供应，“回收”（70次）和“循环经济”（63次）。特别是，该领域越来越多的学者被“副产品矿产资源”所吸引，因为这类矿物的供应链更脆弱，面临更严重的供应风险。能源和气候相关的集群关键词数量相近，分别约占总数的23%和21%。在以气候为重点的集群中，“碳中和”是出现次数最多的关键词，有61次，其次是“可持续性”（60次）和“气候变化”（47次）。其他关键词如“碳排放”、“碳足迹”和“脱碳”各自也出现了10次以上，这突出了减少碳排放对于解决全球变暖和气候变化的重要性。在以能源为重点的集群方面，“能源转型”是出现频率最高的关键词，有125次，“可再生能源”是第二高频的关键词，有75次。

▲图4  关键词网络的聚类分析

图5a展示了当前研究热点，可分为四个部分。从时空角度来看，能源转型中的矿产资源约束已经在全球层面、国家层面和国际贸易层面进行了研究，时间上涵盖了2030年代的短期、2050年代/2060年代的中期和2100年代的长期。从环境角度来看，考虑了1.5/2℃的气候变化控制目标、碳中和等碳排放目标和可持续发展目标。一些研究还将社会视角纳入其研究，如经济增长和社会效益。

图5b整合了该领域有关气候变化、能源转型和矿产资源限制的潜在未来研究主题。当前，能源传输和存储系统建设中对关键矿物的需求在很大程度上仍然未知。未来，随着可再生能源的发展，这些部分的矿产资源限制可能变得越来越重要。

此外，在可预见的未来，气候变化目标仍将集中在温度控制、碳中和和可持续发展上，因为气候变化是目前人类面对的首要问题。这些目标为社会和经济发展指明了未来的方向。对于矿产资源限制，物质流分析在未来仍将很重要，因为它是从整个生命周期的角度评估物质存量和流量的一种有价值的方法，为供应链治理提供了重要的见解。此外，循环经济将作为缓解矿产资源限制的有效途径而变得热门。鉴于现有矿产资源的巨大回收潜力，学术界对循环经济战略的研究兴趣有望提升。

最后，一些副产品类型的矿产资，由于其独特的物理和化学性质有许多高科技应用。但这类矿物的开采活动严重依赖于这些大宗矿物，使得它们的供应链更加脆弱。因此，评估副产品矿产资源的关键性也是领域内未来的研究重点。

▲图5  当前研究热点与未来研究方向

矿产资源-能源-气候耦合框架

一般来说，气候变化目标加快了能源转型的步伐，进而对矿产资源产生了大量需求，特别是在可再生能源技术的发展方面。同时，确保这些关键矿产资源的可靠和稳定供应对于促进能源转型和实现气候缓解目标至关重要。此外，现有的矿产资源供应链由于大量能源消耗的使用而对环境产生了不利影响。因此，这些雄心勃勃的气候变化目标也要求在矿产资源供应链管理中实施可持续的做法。这些领域的研究各自发挥作用但又相互支持。因此，本文提出了一个全面的矿产资源-能源-气候耦合框架，包含三个关键纽带：1）气候-能源纽带；2）能源-矿产资源纽带；3）矿产资源-气候纽带。

气候-能源纽带：实现像2℃目标和1.5℃目标这样宏大的气候变化目标需要向清洁和可再生能源（尤其是风能和太阳能）进行能源转型。国际能源署（IEA）发布了他们关于气候变化目标下能源结构变化的研究报告，发现碳中和目标下的可再生能源需求最高。因此，探索每种能源技术的低碳转型路径非常重要，这不仅包括风能、太阳能和水力发电，还包括潮汐能、热能和生物质能等新兴能源技术。此外，研究不同气候变化目标下整个系统的综合装机容量和技术组合也是必要的，因为不同的目标对每种能源技术有不同的需求。除了能源生产技术外，还包括对能源传输和存储系统的技术发展的探索。

能源-矿产资源纽带：缓解能源系统转型中紧迫的矿产资源限制是需要解决的挑战。首先，从矿物供应的角度来看，扩大地质勘探是扩大全球矿物储备的一个可行策略。虽然这些举措可以从根本上缓解矿物短缺，但它们需要大量的初始投资，并且受到许多矿物有限的潜在储量的限制。而且，地质勘探将导致巨大的环境污染。因此，矿产资源战略储备成为维持稳定供应的另一个有效措施。第二，关于矿产资源消耗，提高矿物利用效率和寻找替代材料可以缓解能源转型的矿产资源限制。然而，这些策略迫切需要技术创新以及资金支持。第三，鉴于大多数矿产资源具有巨大的回收潜力，促进循环经济，通过整合再利用、维修、翻新、再制造以及报废产品的处理，再生资源在供应中的比例可能会增加，甚至有可能超过原生资源，从而解决不断增长的矿产资源需求问题。

矿产资源-气候纽带：整个供应链中的矿产资源生产消耗大量能源，特别是在采矿和冶炼阶段。鉴于这些过程中使用的化石燃料具有很高的碳足迹，使矿业脱碳对实现碳中和等气候目标构成了挑战。能源转型导致的矿产资源需求增加加剧了这一挑战，可能使未来的脱碳工作更加复杂。此外，限制化石燃料使用的严格气候目标可能会增加矿物供应链的脆弱性。在这种情况下，需要做出更大努力来加速矿业的脱碳，包括提高矿产资源生产过程中的能源使用效率，矿物生产作业的电气化，在全生命周期范围内努力减少碳排放，建立有针对性的环境标准等。

▲图6  矿产资源-能源-气候耦合框架

往期精选

我们建立了微信群：

气候变化经济学。

感兴趣的伙伴请加微信号：

climate_economics

备注“姓名-单位-职称/职位/学生”。