“稀土城市矿产与碳中和转型”交叉研究取得重要进展

近日，北京大学光华管理学院联合中国科学院城市环境研究所、英国纽卡斯尔大学、荷兰莱顿大学在Nature Geoscience发表了题为Regional Rare Earth Element Supply and Demand Balanced with Circular Economy Strategies的学术成果，并被选为Nature Geoscience 2024年第一期的封面论文。

研究解耦厘清了低碳转型路径、能源技术演变与稀土元素循环之间的纽带关联，构建了首个全球尺度、分元素、动态的稀土元素-能源转型-气候目标综合评估DIRECCT模型；率先提出了稀土等关键金属的“碳减排杠杆”系数，量化分析了稀土对全球及各区域碳减排的支撑作用；模拟了全球十大区域在不同低碳路径下能源基建与稀土元素供需流动协同演变情况识别了全球稀土供应链格局，揭示了稀土城市矿产转化迁移规律及提出了相应的成矿赋存调控理论；立足于全生命周期视角，充分调研了稀土循环经济各项举措及相应技术进展，模拟分析了稀土循环经济在各个区域低碳转型的支撑作用，并系统分析其作用差异成因；重点研判了部分区域如欧盟、日本等可以依靠循环经济从稀土“自然矿产稀缺”转为“城市矿产丰富”的地区，进而实现稀土资源“闭环经济”，并有可能成为稀土潜在供应国。因此，研究建议要积极开展稀土城市矿产开发利用及全球资源流动监测。

研究重要发现及结论如下：

（1）研究提出关键金属“碳减排杠杆”指标，量化评估了稀土元素的碳减排贡献。稀土元素具备优异的磁、光、电等材料特性，可以赋能新能源汽车、风电等低碳技术的全生命周期碳减排能力。相较于国际通用只聚焦于生产阶段的“碳足迹”指标，该项研究立足于全生命周期系统，提出了稀土“碳减排杠杆”指标，全面系统地量化了各稀土元素的全生命周期碳减排规模，为阐释金属生产国对全球绿色低碳转型的贡献提供了科学支撑。研究指出，在碳中和目标下，稀土通过大规模应用于电动汽车和风电产业，其碳减排杠杆量占全球现存碳配额量（50%可能性温升1.5度）的近一半，其中中国供应的稀土碳减排杠杆量占61%，是中国自身承诺减排量的1.9倍。

（2）当前能源技术路径下，稀土产能规划及矿产勘探投资无法支撑全球碳中和目标实现。研究发现，在可预见的碳中和技术路径下，稀土镨、钕、镝及铽元素的矿产供应仅能满足54%、60%、13%和18%的未来需求。因此，稀土元素（特别是重稀土元素）将会成为限制全球碳中和目标的关键资源约束，亟需对当前碳中和的技术路径进行重新规划。研究通过预测对比稀土元素需求及其规划产能情况，发现稀土元素供应不足将成为常态，2030年规划产能仅能满足51%的镨、39%的钕、4%的镝和7%的铽元素的需求，亟需持续扩大稀土供应来源，特别是加大东南亚、格陵兰岛等新兴供应区域的勘探投资及产能规划，并推动相应的国际合作。

（3）稀土资源将会从供应国加速向消费国转移，并将在发达国家累积大量“城市矿产”资源储量。研究量化分析了“碳中和”驱动下稀土资源从供应国到消费国的转化迁移规律，并绘制了稀土“自然矿产”与“城市矿产”资源储备演变地图。在碳中和情景下，将有大量地下储量将会从中国等国家转移到欧盟、美国、日本等地区，形成其城市矿产。研究发现，全球四种稀土元素城市矿产储量将在2021年至2050年增加了近15倍，其中欧盟、美国、日本、加拿大以及澳大利亚等将积累全球近一半的城市矿产。基于自然/城市两大矿产储量对比，研究发现中国、澳大利亚等国家稀土矿产资源外流较为严重，而美国、欧盟、日本的城市矿产将会远远超过其自然矿产储量，逐渐成为满足其未来需求的主要来源，并在2050年前分别减少100%、93%和88%对其他国家稀土供应的依赖。

图1 稀土元素-能源转型-气候目标综合评估DIRECCT模型框架

图2 稀土分元素的自然矿产到城市矿产转化迁移及其时空演变规律

（4）循环经济将会有效缓解碳中和的稀土约束，促进稀土元素供需平衡并实现“元素闭环”。研究调研分析了全球稀土循环经济的相关举措及技术进展，并基于此建立稀土循环经济评估情景，量化分析了各项循环经济举措及技术的作用及潜力。研究发现稀土循环经济在支撑碳中和进程上的四大潜在作用：降低天然矿产开采、提升资源生产效率、平衡元素应用差异与促进稀土回收利用。研究发现，循环经济可以使得全球和地区对稀土天然矿的依赖性降低60%，并协助部分区域如欧洲到2050年实现稀土元素的“闭环”（即无需依赖天然矿供应）。循环经济可以使得区域稀土元素供需更加平衡，即全球永磁稀土元素的供应集中度（以HHI指数衡量）将下降14%～27%。

（5）加大稀土城市矿产勘探开发，大力发展稀土循环经济。在量化模型分析的基础上，研究系统讨论了推进稀土循环经济的卡点及障碍。研究指出，相较于自然矿产勘探开发而言，稀土城市矿产的勘探开发及利用仍处于初级阶段，基础理论缺失，回收体系不完善，技术研发及基础设施投入不足。随着稀土产品的“报废浪潮”到来，需要协同技术、政策及资金等多方力量，将稀土资源循环纳入全球气候合作范畴，构建含稀土元素报废器件或设备的监测平台，将稀土再生资源范围从开采尾矿、废料逐渐扩大到末端消费品等，研发稀土城市矿产勘探拆解、循环设计、再生利用、溯源追踪等技术及装备，建设完善稀土回收利用、生产者责任延伸、贸易流通及国际合作体系。

该项研究由国内外多个团队合作完成，其中北京大学博士生杨宇瑶与中国科学院城市环境研究所汪鹏博士为共同第一作者，北京大学陈丽华教授和中国科学院城市环境研究所陈伟强研究员为共同通讯作者，合作者还包括英国纽卡斯尔大学Oliver Heidrich教授、北京大学陈立洋博士及荷兰莱顿大学Tomer Fishman博士。