能源转型进程中的关键矿产安全

■ 张所续/周季鑫,2

（1.中国自然资源经济研究院，北京 101149；2.北京师范大学，北京 100875）

气候变化导致全球气温上升、降水模式不稳定、海平面上升，以及更频繁或更强烈的极端天气事件。全球碳排放量的73%来自能源消耗，作为全球温室气体排放的主要来源，能源转型成为应对全球气候变化的关键。要确保在2050年实现全球净零排放，需要在2030年前大规模部署清洁能源技术应用，如可再生能源、电动汽车等，将排放量减少40%使近75%的发电量来自低碳发电、销售的汽车超过50%为电动汽车等[1]。我国提出争取于2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和目标，发展清洁能源是助力我国实现碳达峰、碳中和目标的有效途径。能源转型意味着从燃料密集型向材料密集型的转变，清洁能源特别是可再生能源的快速部署将极大地拉动矿产资源需求。重视支撑清洁能源技术的关键矿产供应安全问题，不仅是因为关键矿产会影响清洁能源应用的部署速度，还因为清洁能源技术已成为地缘经济竞争的最新前沿，成为制约能源转型的重要因素。

1 清洁能源技术助推对关键矿产的需求

1.1 可再生能源概况

2020年，全球可再生能源装机容量再创新高，达2799吉瓦，较2019年增加10.3%[2]。其中水电占全球再生能源总发电量的最大份额，为1211吉瓦；风能和太阳能发电量中所占份额相当，分别为733吉瓦和714吉瓦。其他可再生能源发电量包括生物能127吉瓦、地热能14吉瓦、海洋能527兆瓦。太阳能继续引领产能扩张，增长22%。其次是风能增长18%，水电增长2%，生物能增长2%，地热能增加164兆瓦。太阳能和风能继续占可再生能源产能增量的主导地位，在2020年可再生能源净增加量中合计占比91%。

亚洲地区和欧洲地区可再生能源装机容量占全球总量的68%，亚洲地区贡献可再生能源新增最大份额，其次是欧洲地区和北美地区（表1）。亚洲地区新增装机容量占全球的64%，增加167.6吉瓦，其中很大一部分增长发生在中国。欧洲地区和北美地区的装机容量分别增加34.3吉瓦和32.1吉瓦，其中美国的增幅尤为显著。可再生能源发电能力的增长远高于长期趋势，所占份额也从2019年的34.6%上升至2020年的36.6%。要实现在2050年全球净零排放，90%的发电量需要可再生能源提供，其中太阳能和风能合计占比近70%。自2010年以来，随着可再生能源的加速部署，新机组所需的矿产资源平均增加50%。

表1 全球各地区可再生能源装机容量及变化情况

1.2 核能概况

核能是当今第二大低碳电力来源，可以大规模生产安全可靠的清洁电力，能提供约占全球10%的电力。在发达经济体中，核能长期以来一直是最大的低碳电力来源，2018年提供18%的电力供应。2020年，全球核电发电量达25530亿千瓦时，较2019年略有下降。据国际原子能机构统计数据，截至2021年9月，全球32个国家有443座核反应堆运行，总装机容量393241兆瓦[3]。从地区分布看，欧洲180座、亚洲142座、美洲119座、非洲2座。排名前10位的国家拥有核反应堆数量占全球总数的83.5%，占总容量的85.0%。其中美国拥有核反应堆93座，法国拥有56座，中国拥有54座（含台湾地区3座），俄罗斯拥有38座（图1）。从建设情况看，全球在建核反应堆51座，总容量53905兆瓦，占当期全球总容量的13.7%。其中中国最多为13座，其次是印度6座，俄罗斯和韩国各4座。

图1 主要国家核反应堆情况

但是，发达经济体中核电已开始衰落乃至关闭，预计到2025年，发达经济体现有核电产能的25%将关闭；到2040年，发达经济体的核能力将下降2/3，从2018年的约280吉瓦下降到2040年的略高于90吉瓦。欧盟的降幅最大，核电在发电量中所占份额将从2018年的25%降至2040年的5%以下[4]。发达经济体核能的衰退将导致全球清洁能源转型的努力更加艰难。

1.3 清洁能源技术所需的关键矿产

与传统的能源系统相比，以清洁能源技术为支撑的能源系统有着很大的不同。从风力涡轮机和太阳能电池板到电动汽车和电池储存，不同清洁能源技术对矿产资源的需求程度也不同（表2）。锂、镍、钴、锰和石墨对电池性能、寿命和能量密度至关重要，稀土对于永磁至关重要，而永磁对于风力涡轮机和电动汽车至关重要。电网需要大量的铜和铝，铜是所有与电力相关技术的基础。

表2 部分清洁能源技术相关的关键矿产需求程度

随着能源转型步伐的加快，清洁能源产业正成为矿产资源需求增长最快的领域，能源领域正成为矿产市场的主要力量。太阳能光伏工厂、风力发电场和电动汽车（EV）通常比化石燃料工厂需要更多的矿产资源。一辆典型的电动汽车所需铜、锂、镍、锰、钴、石墨和稀土等矿产资源（不包括钢和铝）的资源总量约为传统汽车的6倍（图2），陆上风力发电厂所需的矿产资源是燃气发电厂的9倍（图3）。到2020年底，电动汽车市场仍保持强劲增长势头，车型也更加丰富，门类更加齐全。截至2020年底，全球电动汽车保有量突破1000万辆，电动汽车年销量约300万辆，增长41%。电动汽车的快速部署促进电池行业的发展，汽车锂离子电池产量达到160吉兆瓦时，比2019年增长33%。

图2 传统汽车与电动汽车所用矿产资源情况

图3 各种发电方式所用矿产资源情况

据国际能源署2021年预测，在可持续发展情景中，到2040年清洁能源所需矿产资源量在总需求中所占份额将增加4倍，到2050年将增加6倍，其中稀土元素的需求将增长7倍，钼将增长3倍，硅将增长2倍，届时铜和稀土将占40%以上，镍和钴占60%～70%，锂占近90%。电动汽车和电池存储已经取代电子消费产品成为锂的最大消费用户，到2040年这两个领域矿物的需求将增长30倍以上，预计占清洁能源技术矿物需求增长的一半左右，并取代不锈钢成为镍的最大用户。电动汽车电池需求增长约40倍，导致锂的需求量增长43倍、镍增长41倍、铜增长28倍、石墨增长25倍、钴增长21倍。电池所需矿产总体需求增长33倍，其中镍增幅超过140倍，钴需求增长70倍，锰需求增长58倍。电网的发展拉动对铜、铝的需求，对铜的年需求量从2020年的500万吨增长到2040年近1000万吨，铝从900万吨增长到1600万吨[5]。

2 部分关键矿产的储量及产量概况

2.1 铜

铜具有较优良的导电、导热等特性，广泛应用于太阳能光伏发电、风能、电网等清洁能源相关技术。南美洲西部是全球最重要的铜矿生产地区，占全球铜产量的40%。据美国地质调查局2021年矿物概要统计数据（以下数据均来源于美国地质调查局）[6]，全球铜储量约8.7亿吨，主要集中在智利、秘鲁和澳大利亚，三个国家的储量分别为2亿吨、0.92亿吨和0.88亿吨，三者合计占世界总储量的43.7%。全球铜矿产量从2019年的2040万吨小幅下降至2020年的估计2000万吨（表3），主要原因是作为全球第二大铜生产国的秘鲁的产量下降。截至2020年7月，秘鲁的产量较2019年同期下降了近25万吨（23%）。全球精炼铜产量从2019年的2450万吨小幅增长至2020年的约2500万吨。

表3 部分关键矿产的储量及产量

2.2 钴

钴广泛应用于电池材料、超级耐热合金等，大多数钴是作为铜或镍的副产品开采的。全球钴储量约710万吨，主要集中在刚果（金）、澳大利亚和古巴，三个国家的储量分别为360万吨、140万吨和50万吨，三国合计占全球总储量的77.5%。刚果（金）是全球钴的主要来源地，约占世界钴产量的70%。2020年全球钴产量约14万吨，较2019年减少2.7%。

2.3 镍

全球镍资源储量十分丰富，陆地资源量约为3亿吨，其中约60%在红土中，40%在硫化物矿床中，海底的锰壳和结核中也发现丰富的镍资源。全球镍探明储量约9400万吨，主要集中在印度尼西亚、澳大利亚和巴西，三个国家的储量分别为2100万吨、2000万吨和1600万吨。印度尼西亚和菲律宾目前占全球镍产量的45%。2020年全球镍产量约250万吨，较2019年减少4.2%。

2.4 锂

在电动汽车快速部署的情景下，清洁能源技术对锂的需求增速最快。目前能被工业利用的锂资源主要为盐湖型（锂离子）和硬岩型（锂辉石、锂云母等），在一般情景下占锂的供给总量的30%，在可持续发展情景下达到75%左右。近年来，随着锂需求形势变化，全球已探明的锂资源大幅增加。全球探明锂资源量约为8600万吨，储量约2100万吨，主要集中在智利、澳大利亚和阿根廷，三个国家的储量分别为920万吨、470万吨和190万吨。2020年全球锂产量为8.2万吨，较2019年减少4.7%。

2.5 稀土

稀土元素被誉为“工业的维生素”，具有无法取代的优异的磁、光、电性能。稀土在地壳中相对丰富，但可开采丰度较低。全球稀土储量为1.2亿吨，主要集中在中国、巴西和俄罗斯，三个国家的储量分别为4400万吨、2100万吨和1200万吨。2020年全球稀土产量为24万吨，较2019年增长9.1%。

2.6 铬

全球铬资源在地理上高度集中（95%）在哈萨克斯坦和非洲南部。据美国地质调查局估计，全球铬资源量约120亿吨，足以满足数个世纪的需求。全球铬储量约5.7亿吨，主要集中在哈萨克斯坦、南非和印度，三个国家的储量分别为2.3亿吨、2亿吨和1亿吨。南非是全球最大的铬铁矿生产国，中国是全球最大的铬消耗国。2020年全球铬产量为4000万吨，较2019年减少10.7%。

2.7 铂族

全球铂族资源量超过1亿千克，储量约6900万千克，主要集中在南非、俄罗斯和津巴布韦，三个国家的储量分别为6300万千克、390万千克和120万千克。南非的布什维尔德是全球最大的铂族矿区。2020年全球铂和钯的产量分别为17万千克和21万千克，较2019年分别减少8.6%和7.5%。

2.8 石墨

全球石墨资源量超过8亿吨，储量约3.2亿吨，主要集中在土耳其、中国和巴西，三个国家的储量分别为9000万吨、7300万吨和7000万吨。2020年全球石墨产量为110万吨，与2019年持平。

3 能源转型面临的主要挑战

3.1 关键矿产地理分布集中度高

许多清洁能源所需矿产的储量和产量集中度高。如锂资源主要集中在智利、澳大利亚，两国合计占全球锂总储量的66.2%；在产量方面，澳大利亚和智利占全球总产量的70.8%。钴资源方面，刚果（金）钴储量占全球总储量的一半，产量占全球总产量的67.9%。2020年印度尼西亚政府实施镍矿出口禁令，印度尼西亚镍产量目前占全球总产量的30.4%，禁止出口政策的出台将对全球镍供应链产生严重影响。矿产资源地理分布的高度集中，加上复杂的供应链，增加了矿产可靠、可负担和可持续供应的风险。

3.2 矿产品位降低乃至资源枯竭

尽管过去几十年全球相关矿产探明储量持续增加，但矿产的产量也在持续增长。例如2011—2019年，全球锂储量增加了40%，而产量则增长了近3倍。虽然由需求增长引发的勘探活动补充了储量，但随着长期开采，许多优质矿床面临矿产资源质量逐步下降乃至资源枯竭等问题，例如智利的平均铜矿石品位在过去15年中下降了30%。从低品位矿产品中提取金属需要更多的能源，对生产成本、温室气体和废物排放等带来上行压力。

3.3 环境因素制约

矿产供应增长在实现清洁能源转型方面发挥着至关重要的作用，但矿产资源生产和加工会产生环境和社会问题，如生物多样性丧失、温室气体排放、水污染、空气污染等。随着清洁能源转型的推进，对相关矿产的需求逐步增大，由此产生的环境问题将更加凸显。当前，全球对环境问题重视度不断提高，部分国家对采矿活动的审核更加严格，这些风险可能导致供应中断，从而减缓清洁能源转型的步伐。此外，随着气候变化导致更频繁的干旱并改变水流状况，优质水资源的可用性将成为影响稳定矿产供应的关键因素。提高关键矿产供应链的抗灾能力，对于确保清洁能源转型和能源安全至关重要。

3.4 关键矿产供应链安全

与传统化石燃料供应相比，清洁能源技术的供应链可能更加复杂，更易受到地缘政治的影响。一方面，许多清洁能源技术所需的关键矿产和对制造清洁能源技术设备及基础设施至关重要的矿产，在地理分布上集中度高。另一方面，由美国主导的全球地缘政治变幻莫测，频繁地“退群”“毁约”，动辄武力“威胁恐吓”、贸易“单边制裁”，这种贸易保护主义、单边主义、霸权主义行为给全球地缘政治稳定带来新的风险和危害，进而影响关键矿产的供应链安全。此外，新冠肺炎疫情暴发以来，世界经济陷入低迷，经济全球化遭遇逆流，进一步加剧供应链中断的风险。

4 主要国家的做法

4.1 美国

美国高度重视关键矿产安全，是最早制定关键矿产清单的国家，可追溯到1917年。美国对关键矿产清单实施动态更新，最新的是2018年美国内政部发布的35种关键矿产清单。在政策上，从1939年《战略和关键物资储备法》到2019年《确保关键矿产安全可靠供应的联邦战略》，再到2021年《确保美国关键供应链安全》，美国建立了较完善的制度体系。为确保关键矿产的安全、可靠供给，美国通过扩大关键材料的国内来源、减少电池生产和高性能磁铁所需的材料数量、回收关键材料等举措，加速完善、构建关键矿产供应链。至2021年，美国已与澳大利亚、阿根廷、巴西、秘鲁、刚果（金）等10国签订《能源资源治理倡议》，组建矿产资源大联盟，帮助各国发现和开发锂、铜和钴等矿产，确保关键矿产供应链的弹性。加强关键矿产勘查，通过实施“地球填图倡议”，利用先进的地质填图、航空遥感和地形测量技术开展地质勘探工作，确定潜在的关键矿产资源区。在拓展关键矿产供应来源上，除了利用军事和外交手段巩固既有来源的基础上，还通过科技创新不断拓展关键矿产的非常规来源。创建新的关键材料研究所（CMI），依托橡树岭国家实验室、艾姆斯国家实验室等解决关键材料的加工、制造、替代和循环利用等方面的挑战，如实施“稀土回收可行性计划”，研发经济、环保地从煤炭或煤矿废水中提取稀土等技术，相关研究已取得突破[8]。

4.2 欧盟

欧盟也高度重视关键矿产的供给问题，于2008年启动《原材料倡议》，提出制定关键非能源原材料清单。清单每3年更新一次，种类从2011年的14种增加到2020年的30种（图4）[7]。欧盟研究表明，到2030年/2050年，欧盟对关键原材料的需求将急剧增加，例如到2030年，欧盟对电动汽车电池和储能装置所需锂和钴的需求将比现在增加18倍和5倍；到2050年，锂的需求将增加近60倍，钴的需求将增加15倍，对稀土的需求将增加10倍[9]。欧盟通过实施“欧洲原材料创新伙伴（EIP）”“循环经济计划（CEAP）”“欧洲地平线计划”“关键原材料行动计划”等，应对气候行动、环境、资源效率和原材料等方面的挑战。利用外交手段，依托欧洲原材料联盟、欧洲电池联盟与加拿大、澳大利亚、智利、乌克兰和非洲联盟等资源丰富的国家建立涵盖开采、加工和精炼的战略伙伴关系，保证关键原材料供应的多样化和可持续性，提高资源循环利用和资源效率，减少对主要关键原材料的依赖。

图4 欧盟关键原材料清单

4.3 日本

日本作为资源严重依赖进口的制造业大国，确保稀有金属和其他矿产资源的稳定供应是保持和提高其制造业全球竞争力的关键。日本主要通过海外投资、储备、循环利用、替代品研发等手段确保其关键矿产供应链安全。日本于1983年开始建立相关资源储备，是继美国之后较早建立资源储备的国家，目前已建立由国家储备和民间储备共同组成的全球最为完善的矿产资源储备机制。国家储备由日本石油天然气金属矿物资源机构（JOGMEC）承担，民间储备由特殊金属储备协会负责[10]。2020年7月，日本制定“日本保护稀有金属的新国际资源战略”，针对34种稀有金属通过供应来源多样化、加强应急储备、促进国际合作确保资源安全。日本高度重视资源的回收利用，建立了由《促进建立循环型社会基本法》《促进资源有效利用法》《废旧汽车回收法》《促进废旧小型电子设备等再利用法》等组成完善的制度体系。作为目前世界上资源回收利用率最高的国家，日本很早就提出“城市矿产”理念，从废家电、电子垃圾中回收稀有金属。通过《资源保障方针》，加强资源外交，构建由日本经济产业省（METI）牵头、日本石油天然气金属矿物资源机构（JOGMEC）组织、矿业公司具体实施的海外矿产资源保障一站式体系。目前，日本已获得菲律宾、印尼、墨西哥、秘鲁、澳大利亚、博茨瓦纳等国的镍、钴、铬、锰、钒、钼、铟、铂族、稀土等矿产的勘查和开发权。

5 对策建议

5.1 加强顶层设计，建立应急储备机制

关键矿产是清洁能源发展的基础。为解决关键矿产供应链的脆弱性，美国制定了《确保关键矿产安全可靠供应的联邦战略》，日本制定了《日本保护稀有金属的新国际资源战略》。日本为应对稀有金属的供应风险，通过公私合作，根据生产国的政治局势、日本的依赖率和要求建立34种稀有金属储备，确保国内60天的消费量（某些金属为30天）。中国应针对清洁能源技术，从制度建设和相关战略举措制定上加强顶层设计，对国家急需、战略意义重大的关键矿产，建立应急储备机制，保证关键矿产的供应及其供应链的弹性，确保国家资源安全。

5.2 构建关键矿产多样化供应来源，提高供应链的弹性

针对能源转型所需的矿产，利用航空遥感、地质测绘等技术加强国内地质调查，提升自给保障程度，同时通过加强经济互助、文化交流等外交手段逐步建立多样化的来源渠道。例如美国为降低关键原材料唯一来源或单一来源的威胁，与刚果（金）、赞比亚等国家组建“大联盟”[11]。我国锂矿资源非常丰富，但开发利用不足。盐湖型锂资源主要分布在青海省、西藏自治区等生态脆弱地区，多数盐湖镁和锂分离很困难，提纯难度大，须解决和完善从高镁低锂卤水中提取锂的关键技术。硬岩型锂矿主要分布于四川省和江西省，从云母中大规模提锂技术尚待突破。中国应通过资源外交逐步与资源丰富国构建战略互惠关系，在技术转让、环境保护等领域发挥优势开展合作，构建“关键矿产命运共同体”。采取定期市场评估、跟踪研究重点国家政策等措施，提前预判供应风险；通过实施战略储备，抵御短期供应中断风险。由此提高不同矿产供应链的弹性，增强应对潜在供应中断风险的能力。

5.3 推动技术创新，扩大回收利用

与原材料相关的成本在未来清洁能源技术投资成本中可能占较大比例，技术创新在缓解供应和降低成本方面可以发挥重要作用。例如欧盟针对关键矿产实施的“欧洲原材料创新伙伴（EIP）”等。在需求和生产方面加大技术创新的力度，可以更有效地使用材料，研发替代材料，从而带来巨大的环境和安全效益。在重视常规来源的同时，还应重视矿产的回收利用，如再生材料、工业后和消费后材料、尾矿等。例如美国针对稀土实施的“DOE-NETL稀土回收可行性计划”，建立锂电池回收研究中心（ReCell）等。随着电动汽车的快速部署，中国应不断加大对锂电池回收的投入，通过鼓励产品回收、加大新回收技术的研发投入，可以有效解决清洁能源技术产生的新型废物快速增长问题。

5.4 加强国际合作，建立海外勘查和融资机制

随着全球矿产资源供应链的扩大，矿产稳定供应的风险也在逐渐增大。为应对风险，日本构建了由日本经济产业省（METI）牵头、日本石油天然气金属矿物资源机构（JOGMEC）组织、矿业公司具体实施的“海外矿产资源保障一站式体系”，积极参与资源国供应链不同阶段的国际合作，如矿山开发、冶炼和产品制造。日本还构建了由日本石油天然气金属矿物资源机构（JOGMEC）、国际协力银行（JBIC）等组成的综合融资系统，为最初的勘探到后期的开发生产提供风险资金支持。中国应制定一系列战略举措、融资机制和激励措施，鼓励和激励企业“走出去”，参与海外矿产勘查开发。