面對氣候變化的風險與挑戰，以光伏太陽能和風力發電為核心的清潔能源轉型被寄予厚望。“然而，清潔能源的發展比傳統能源更依賴關鍵礦產資源。”中國科學院數學與系統科學研究院研究員汪壽陽告訴《中國科學報》，“受關鍵礦產資源的限制，太陽能和風能對實現《巴黎協定》目標的貢獻率遠低于預期。”

針對這一難題，汪壽陽團隊聯合中國科學院大學教授段宏波團隊等將資源勘探、回收技術、貿易風險等納入氣候情景分析，首次揭示了關鍵礦產對轉型路徑的制約效應。相關研究成果近日發表于《自然-通訊》。

能源轉型的十字路口

相較傳統的化石能源系統，可再生能源對礦物資源的需求較高。太陽能發電廠每安裝1吉瓦的發電能力要耗費4000噸銅，是傳統發電廠需求量的4倍。

“這類礦物通常被稱為‘關鍵’礦物，因為其供應中斷的風險較高。”段宏波介紹，目前關鍵礦物尚未有統一定義，但基于我國工業條件的特殊考慮，約有鋁、銅、銀、硅等20種關鍵礦物，“能源系統的清潔轉型將顯著增加對關鍵礦產資源的需求”。

因此，研究團隊瞄準這一關鍵問題，對礦物需求和礦物供應風險進行評估。“研究旨在從礦物貿易角度解決供需不匹配的問題，并探討貿易帶來的礦物約束在碳中和中的作用。”汪壽陽說。

考慮到不同礦物資源的供應和短缺問題會影響發展路徑的規劃，進而誤導能源投資和碳減排策略的制定，為了構建穩健的評估模型，揭示關鍵礦產對清潔能源轉型路徑的制約效應，研究團隊做了諸多準備。

“我們整合了5種國際權威綜合評估模型提出的能源轉型路徑，構建了涵蓋中國和全球范圍的‘儲量-生產-需求’一體化評估框架。”段宏波介紹，該研究針對《巴黎協定》設定的兩個氣候目標，考慮材料回收對緩解礦產供應壓力的影響，設置了不同的技術組合情景，以及低回收率和高回收率等不同礦物回收情景。“為了準確評估我國清潔能源轉型所需關鍵礦產的供需關系，我們還進一步考慮了其他行業對關鍵礦產的凈需求。”

研究發現，《巴黎協定》頒布10周年之際，全球能源轉型已走到十字路口，我國清潔能源轉型路徑也需要重新評估。

“初級礦物供應限制可能阻礙我國在所有情景下的清潔能源轉型。”汪壽陽舉例稱，錫和鎘面臨的短缺風險最為嚴重，全球儲量僅能支持我國能源轉型計劃運行到2031年，而銀的短缺風險相對較小。“若忽視礦產約束，光伏和風電裝機容量至2060年可能下降超50%，我國或將面臨著‘化石能源消費回彈-碳減排缺口擴大’的風險，甚至可能阻礙全球溫控目標的實現。”

守住1.5℃生存底線

“碳中和不僅是能源革命，更是資源管理革命。將礦產約束納入氣候模型，是如期完成溫控目標的重要一環。”汪壽陽強調，這一研究為我國“雙碳”戰略實施提供了重要參考。

“鑒于光伏太陽能和風力發電的擴張，到2060年，我國對礦產的總需求將是2020年的12倍，約占全球相關礦產需求的1/4。”段宏波說，如此巨大的關鍵礦產需求增長將對清潔能源發展形成嚴格限制。他舉例稱：“與當前情況相比，到2060年，錫、鎘、鋅和銀的儲量分別需要增加300%、151%、91%和62%，才能滿足太陽能和風能產業擴張的需求。”

而在實現碳中和目標的整個時期內、在1.5℃和2℃的升溫限制下，我國在大多數年份里將是鋁、鉻、錳、硼等礦物的凈進口國。太陽能和風能供應減少造成的能源缺口，也將阻礙我國實現碳中和以及《巴黎協定》的承諾。

“同時，鑒于我國水電、地熱能等清潔能源的潛力有限，以及核能因安全風險而面臨的不確定性，化石燃料尤其是煤炭、天然氣和石油，仍將在能源結構中發揮重要作用。”汪壽陽表示。

“在礦產資源的限制下，我們重新規劃了能源轉型路徑，發現即便考慮到可能的能源替代，為實現升溫限制目標，太陽能和風能產業的部署規模到2060年仍會大幅縮減。”論文第一作者、西安電子科技大學準聘副教授史慧婷指出，這可能推遲化石燃料發電廠的退役時間。

研究發現，要想守住1.5℃生存底線，實現向清潔能源的轉型升級，還需要綜合考慮多方面因素。

“必須提高礦產資源利用效率和回收率，同時加快資源勘探和材料替代方面的技術進步。政府強化礦產供應鏈韌性，重構清潔能源結構，優先發展第四代核能，以技術創新對沖資源瓶頸。”段宏波指出，通過探索潛在的國際合作伙伴關系或投資海外礦產供應鏈等方式，實現進口來源的多樣化也至關重要。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-59741-y