本文選自中國工程院院刊【中國工程科學】2024年第3期
作者：梁揚揚，劉莉莉，賀克斌，黃斐，Moisés Gómez，李金惠
來源：「雙碳」目標下中國新能源行業關鍵金屬供應分析[J].中國工程科學,2024,26(3):131-141.
編者按
中國風電、光伏發電的裝機規模居世界首位 。 新能源產業的發展與金屬資源密切相關，如風力發電機使用的銅、釹等金屬，光伏電池板使用的銦、鎵等金屬。面對綠色低碳轉型的緊迫要求，透過多種途徑保障清潔能源供應鏈、戰略性礦產資源的安全已成為國際共識。
中國工程院賀克斌院士研究團隊在中國工程院院刊【中國工程科學】2024年第3期發表【「雙碳」目標下中國新能源行業關鍵金屬供應分析】一文。文章基於中國風電、光伏發電行業的歷史數據和規劃目標，設定了不同的發展情景；套用風電、光伏發電器材的壽命分布模型，評估了中國新能源行業關鍵金屬的需求、廢棄和供應情況；重點辨識了銀、銅、鎵、銀、鋼鐵、釹等金屬的供應壓力，為2060年前構建綠色低碳能源發展格局提供了基礎支撐。在基準情景下，2035年的風電、光伏發電行業退役量分別為4.6 GW、28.3 GW；2035年、2060年的風電、光伏發電器材退役量（按質素計）分別為2.54×10 6 t、1.048×10 7 t。從中國新能源行業的關鍵金屬供應壓力來看，2030—2060年，鋼鐵為低風險（≤5%），釹為中高風險（25%~50%），銅、銀為高風險（50%~100%），鎵、銦因需求峰值過高而被列為極度危險等級。改善新能源產業供應鏈的安全性和多樣性，既需要確保金屬礦產資源的可持續供應，也需要開展回收迴圈和高效利用；為此建議將風電、光伏發電退役器材按照廢棄電器電子產品進行管理，將風電、光伏發電企業納入【固定汙染源排汙特許分類管理名錄】，加快完善分布式新能源固廢回收體系，切實提高新興固廢回收技術水平。
一、前言
隨著碳達峰、碳中和（「雙碳」）戰略目標的提出，包括風電、光伏發電在內的新能源產業成為關鍵發展領域，在支撐能源結構調整方面發揮了重要作用。 中國風電、光伏發電的裝機規模連續多年居世界首位，2023年風電新增裝機容量為75.9 GW、光伏發電新增裝機容量為216.3 GW，2050年的非化石能源消費占比將達85% 。風電機組、光伏元件的設計壽命通常分別為20年、25年，國內在役的風電機組、光伏電站普遍沒有達到設計使用壽命，批次退役的情況尚未發生。風電機組、光伏電站的退役條件也受到政策影響，如多地釋出地方性政策，推進「以大代小」專案，鼓勵並網執行超過15年、單台機組容量<1.5 MW的風電場開展改造升級。
新能源產業發展與金屬資源密切相關 ，如風力發電機使用的銅、釹等金屬，光伏電池板使用的銦、鎵等金屬。面對綠色低碳轉型的緊迫要求，透過多種途徑保障清潔能源供應鏈、戰略性礦產資源的安全已成為國際共識，如美國確定了關鍵礦物及其他戰略材料（包括稀土元素）供應鏈中的風險源，歐盟【關鍵原材料法案】（2024年）提出了確保安全和可持續的關鍵原材料供應目標。
針對新能源領域材料需求和廢棄量的研究主要涉及大宗材料、稀土材料。 風電機組的塔架和地基大量使用鋼鐵和混凝土，僅到2018年中國風電行業累計材料用量即達到1.722×10 8 t（混凝土占75.9%、鋼鐵占17.9%）。對於稀土金屬，2010年的國外評估表明，清潔能源設施約占世界關鍵材料消費量的20%，風電機組、光伏電站等使用的材料在短期內有供應中斷的風險。到2030年，世界退役光伏元件的累計質素將為8×10 6 t；到2050年，世界退役光伏元件的累計質素將為8×10 7 t，超過電子廢物總質素的10%。在中國，2050年光伏發電行業累計需求金屬的預計值為：鋼，1.414×10 8 ~1.867×10 8 t；鋁，7.23×10 7 ~9.54×10 7 t；銅，1.32×10 7 ~1.74×10 7 t；相應需求量是2018年的17.3~22.8倍。
資源的供應風險源自不同的約束，如資源的地質可用性、資源的地緣政策可用性等。 在資源的地質可用性方面，通常將金屬需求量同已查明的金屬儲量或儲量基礎進行對比，分為靜態儲量（靜態方法）、動態儲量（動態方法）：前者按照公平分配原則定義地區材料消耗限制，如根據人口占比或本地生產總值占比進行分配；後者進一步考慮目前處於閑置狀態的次經濟儲備（鑒於采礦技術的改進和市場壓力的驅動，相應儲量在未來可能具有經濟吸重力和可營運性）。在資源的地緣政策可用性方面，主要關註與地理相關的政策障礙對有關資源供應和可得性的影響。
迴圈利用是提高金屬安全供應水平、減少采礦影響的重要方式。 評估中國新能源產業的關鍵金屬需求、廢棄和供應情況，辨識安全保供面臨的壓力，對2060年前實作能源綠色低碳轉型具有重要意義。在此背景下，盡管單一類別可再生能源技術相關的研究眾多，而面向中國新能源行業整體的直接研究依然匱乏。
本文聚焦中國新能源行業中長期發展的金屬供應安全問題，對風電、光伏發電行業退役器材產生和關鍵金屬供應情況進行研究。 基於行業歷史數據、不同情景下行業發展預測結果，結合發電器材壽命分布模型，測算風電、光伏發電器材退役量；采用物質流模型和供應壓力評估方法，分析新能源行業新興固廢關鍵金屬供應情況，重點關註風電行業的鋼鐵、銅、釹，光伏發電行業的銀、銅、鎵等關鍵金屬；立足評估結果和管理現狀，進一步提出中國新興固廢管理發展建議。
二、研究方法與情景設定
（一）研究方法
1. 風電、光伏發電器材退役量計算
以中國風電、光伏發電的歷史裝機容量（見圖1）為基礎，結合中國相關產業發展規劃，科學設定未來裝機情景；再考慮風電機組、光伏電站的退役情況，對2022—2060年的風電、光伏發電退役器材量進行計算。
圖1 中國風電、光伏發電的歷史裝機容量
目前研究中將光伏元件的退役情況分為3類：故障原因報廢、經濟動因報廢、正常老化報廢。 風電機組的可靠性和發電效率隨著服役年限的增長而衰減，服役15~20年後面臨壽命到期問題，其退役也受到政策、市場、技術水平等因素的影響；本研究暫不考慮因政策因素導致的器材更換情況。針對一般的故障或老化情況，Weibull分布模型被視為評估風電機組、光伏元件等器材退役的最佳模型；透過連續型隨機變量的分布描述，定義產品的使用時間，據此預測產品在未來的使用壽命；風電機組、光伏元件的相關計算參數參照文獻數據。
2. 關鍵金屬供應分析
基於「自上而下」的物質流模型，估算了中國風電和光伏發電的裝機容量、使用存量、廢棄量以及其中的關鍵金屬物質流。 物質流平衡主要采用存量流量模型，針對特定物質（如金屬、塑膠等），在代謝過程中建立從產品到廢棄物轉化過程中的關聯變化，分析相應物質素平衡情況。
評估風電機組、光伏元件中關鍵金屬的供應壓力，有助於把握中國風電、光伏發電等細分行業面臨的金屬供應態勢。 供應壓力可基於儲量或產量，本研究采用國內產量，相關公式引自文獻，相應等級劃分如表1所示。
表1 關鍵金屬供應壓力和風險等級
風電機組的主要零部件有葉輪、輪轂、低速軸、高速軸、齒輪箱以及二次安裝的機械剎車、發電機、液壓系統、冷卻系統、偏航系統、風速儀、風向標等，還包括整機裝配環節的風力機塔筒、電纜、鋼筋、混凝土等。 典型風電機組的零部件及材料構成如表2所示 ，混凝土材料的占比最高，鋼鐵等金屬的占比次之，樹脂材料也占有一定的比重。 風力發電機主要有直接驅動（使用同步發電機的電勵磁或高含量永磁體）、齒輪箱驅動（使用電磁鐵或低份額永磁發電機）兩種技術路線；基於高溫超導體的直接驅動處於早期研究階段，故本研究暫不考慮。 關鍵金屬主要指鋼鐵、銅、發電機中的稀土金屬釹（見表3）。
表2 典型風電機組的零部件及材料構成
表3 風電機組、光伏元件中的金屬含量數據
光伏元件是光伏電站的基本單元，主要由電池和電池元件（含框架、逆變器、輸電路線）組成。 主流的光伏技術路線有：晶體矽（c-Si，細分為多晶矽（mc-Si）、單晶矽（sc-Si））、薄膜（細分為非晶矽（a-Si）、銅銦鎵硒化物（CIGS）、碲化鎘（CdTe））。c-Si電池稱為第一代太陽能電池，占世界累計裝機容量的85%以上，占2020年世界新增裝機容量的95%；其余市場主要是稱為第二代太陽能電池的薄膜電池。 不同技術類別使用的金屬差異較大，本研究重點關註晶體矽和薄膜電池，不考慮正在發展中的第三代太陽能電池；聚焦銅、銀、鎵、銦4種金屬的光伏發電行業需求及廢棄情況 （見表3）。
（二）情景設定
1. 未來風電和光伏發電裝機情景
中國風電新增、累計裝機容量分別在2009年、2010年升至世界首位，隨後保持至今。中國風電行業先後經歷3輪高速發展期，國家能源局釋出的統計數據表明，截至2022年年底的風電累計裝機容量約為370 GW。在光伏發電方面，2013—2022年中國累計裝機容量由15.9 GW增長至392.6 GW，年均增長率約為45%（見圖1）；尤其是2022年，受政策利好驅動，新增裝機容量為87.4 GW，達到歷史高位。 大力發展新能源、加快建設風電和光伏發電基地是中國碳達峰行動的規劃任務，這表明從中長期看，「雙碳」目標下風電、光伏發電行業仍有較大的發展空間。
本研究參考國家發展和改革委員會的相關數據、中國能源轉型展望相關報告，設定了風電和光伏發電行業未來裝機的基準情景、碳中和情景。 在基準情景下，「十三五」規劃綱要、【能源生產和消費革命戰略（2016—2030）】等政策全面實施，中國為世界2℃溫度控制目標作出積極貢獻，在2070年左右實作碳中和；在碳中和情景下，對照2030年前碳排放達峰、2060年前排放碳中的目標，確定新能源裝機容量。為此，在基準情景下，2030年將安裝707 GW的風電機組、880 GW的光伏電站，2060年將安裝2500 GW的風電機組、3070 GW的光伏電站；在碳中和情景下，2030年的風電、光伏發電累計裝機容量分別為760 GW、890 GW，2060年的風電、光伏發電累計裝機容量分別增加到3300 GW、3845 GW。 Logistic增長模型可以較好擬合風電、光伏發電行業發展動態，由最初的逐漸增長到快速增長再到達到碳中和目標後的平衡狀態 ；兩種情景下的風電、光伏發電裝機容量模擬結果如圖2所示。
圖2 不同情景下中國風電和光伏發電的累計裝機容量模擬
註：BLS表示基準情景；CNS表示碳中和情景。
2. 技術情景
風電、光伏發電相關技術路線的市場份額，是決定新能源行業未來金屬需求、最終實作新能源裝機情景的主要因素之一。 在研究過程中，材料含量采用恒定情景，即假設所有風電、光伏發電器材中的材料含量恒定，金屬需求量變化主要根據政策情景、技術情景的變化進行分析。
隨著技術進步，風力發動機的葉輪尺寸不斷增大，具有更高的塔架和更長的葉片，以捕獲和轉換更多的風能。 2007年以來，1.5 MW風電機組成為陸上裝機的主流機型，2015年後2 MW機組開始主導陸上市場，2022年新增陸上主流機型普遍為4~5 MW。2021年，陸上機組以2~4 MW為主，對應占比為陸上裝機量的80%以上；海上機組以5~7 MW為主，對應占比為海上裝機量的68%以上。依據未來風電行業發展趨勢，設定相應市場份額（見表4），反映未來陸上和海上不同規格風電機組的占比以及金屬材料用量的差異。
表4 不同類別風電機組的市場份額
當前，c-Si、a-Si、CIGS、CdTe是4種代表性的光伏技術，但未來光伏技術發展走向依然具有不確定性。 針對中國光伏市場設定了3種技術情景：基準情景、高晶矽情景（c-Si、a-Si占比較高）、低晶矽情景（CIGS、CdTe占比較高）。在不同的情景下，各類技術路線的市場份額不同（見表5）；所有情景均假設市場份額呈線性變化。
表5 不同類別光伏元件的市場份額
三、中國新能源行業關鍵金屬供應分析
（一）風電、光伏發電器材退役情況
基於中國風電、光伏發電裝機量的歷史數據、未來情景設定、Weibull分布模型結果，測算了風電、光伏發電器材的退役情況（見圖3）。 在風電行業，2025年的退役量為10.9 GW；2035年的基準情景、碳中和情景退役量分別為28.3 GW、30.7 GW；2060年的基準情景、碳中和情景退役量分別為63.7 GW、89.6 GW，年退役量趨於平穩。在光伏發電行業，2025年開始退役（0.16 GW），2030年為1.1 GW，基準情景、碳中和情景的退役量差異較小；2035年（4.6 GW）後開始大規模退役並持續快速增長，2060年的基準情景、碳中和情景退役量分別為89.5 GW、100.6 GW。2035年、2060年的風電和光伏發電合計退役量將分別為2.54×10 6 t、1.048×10 7 t（不含風力機塔筒和地基）。
圖3 中國風電、光伏發電器材的退役量
（二）關鍵金屬需求
結合中國風電、光伏發電器材的裝機容量、使用壽命以及不同技術路線的金屬使用情況，完成未來中國新能源行業金屬需求和退役情況分析（見圖4、圖5）。
圖4 各類方案與主要子技術的風電器材和光伏元件所需金屬
圖5 各類方案與主要子技術的退役風電器材和光伏元件中的金屬
在風電行業，不同技術路線發展情景對金屬的需求差異較小 ，HO、LO情景下海上風電機組的釹需求量僅相差4%左右。2060年，退役風電機組中的金屬高於在使用庫存中的金屬，這表明報廢元件將在2060年達到高峰；風電機組的釹累計需求量將超過2.2×10 5 t。2035年的退役風電機組已有一定的規模，退役器材中的金屬存量為整體需求量的23%~27%；碳中和情景相較於基準情景需要更多的金屬，如釹在兩種發展情景下的需求量分別為1.01×10 5 t、8.9×10 4 t。
在光伏行業，從2035年所需金屬和報廢元件中的金屬積累情況可見，不同裝機情景下的金屬需求量差異較小 ，如基準情景、碳中和情景的銀需求量分別為1.7×10 4 t、1.8×10 4 t，銅需求量分別為1.249×10 6 t、1.323×10 6 t。不同技術情景對特定金屬的需求量差異較大，以基準情景為例，LSi的鎵（437 t）、銦（2850 t）需求量均高於His值（200 t、1630 t）。2060年，光伏發電退役器材中的金屬存量為整體需求量的17%~26%，累計的鎵、銦需求量分別為1200 t、8500 t。2035年，光伏元件退役量並不大，廢棄量的相應占比僅為0.3%左右；退役器材中的金屬低於在使用庫存中的金屬，也表明2035年並非退役的高峰期，隨後退役量才呈上升趨勢。
（三）關鍵金屬供應壓力分析
在測算關鍵金屬的報廢和庫存情況外，還需要分析中國關鍵金屬生產對新能源產業發展的保障情況。
在風電行業，金屬的供應壓力在2032—2045年達到較高水平，2040年達到峰值（見圖6）。 在碳中和情景下，鋼鐵供應壓力不大（3%左右）。鋼鐵被列為低風險，這是因為年供應量小於國內鋼鐵產量的5%。基準情景、碳中和情景下的銅供應壓力在2030年後均保持在較高水平，如2035年的對應值分別為45%、58%，2060年的供應壓力峰值為67%。風電機組產能增長在銅供應上面臨大的供應壓力，主要是因為中國銅資源儲量不足（2022年為2.6×10 7 t，僅占全球總儲量的3%），銅礦原料依賴進口。屬於稀土金屬的釹，2021—2060年的供應風險為14%~50%，處於中高風險等級。
圖6 風電行業關鍵金屬供應壓力
在光伏發電行業，光伏元件產能增長可能面臨較大的關鍵金屬供應壓力，相應壓力在2030—2060年處於較高水平，2040年左右達到峰值（見圖7）。 2021年，銅的供應壓力為2%，銀的供應壓力為16%，鎵的供應壓力超過國內產能，銦的供應壓力為4%~5%。2035年，銅的供應壓力為7%~11%，銀的供應壓力為45%~67%，鎵的需求量遠超國內產能，銦的供應壓力為41%~88%。2035—2060年，銅被列為中低風險（5%~25%），銀被列為高風險（50%~100%），需求量超過國內產能的鎵、銦被列為極度危險（3722%、135%）。薄膜電池中的CIGS、CdTe生產需要金屬，LSi下金屬供應壓力明顯增大。
圖7 光伏發電行業關鍵金屬供應壓力
表6給出了中國新能源行業的關鍵金屬累計需求和相應金屬儲量的對比。 2035年，基準情景下中國新能源行業的銀、銅、銦需求量分別為1.7×10 4 t、1.104×10 7 t、2000 t，分別達到探明儲量的41%、42%、25%左右；釹需求量為9×10 4 t，已超過中國探明金屬儲量。鎵需求量雖然占中國鎵儲量比例較低，但由於鎵主要作為鋁土礦加工的副產品和鋅加工的殘渣生產，而鋁土礦、鋅資源中只有不到10%的鎵是可回收的，故鎵的市場供應同樣面臨極高的風險。這些金屬都需要從城市礦產中進行回收以保障穩定供應。
表6 中國新能源行業金屬需求與金屬儲量
（四）回收體系金屬迴圈供應
在風電、光伏發電器材的套用過程中，產業加快升級、技術更新換代，器材退役高峰將提前到來，風力機葉片、光伏元件等廢棄物的回收和迴圈利用獲得更多的關註。 中國部份戰略性金屬資源的對外依存度居高不下，為了確保長期穩定供應，除了構建自主可控的全球礦產資源供應體系，還需加強戰略性金屬資源的回收再利用。目前是中國新能源行業新興固廢回收處理體系的建設初期，回收再利用體系不健全，尚處於回收示範產線建設階段。已有企業開始探索風電和光伏發電退役器材的回收處理技術，但回收利用專業化水平不高、商業模式也不成熟，亟需建立全過程監管的回收體系。參考相關研究中的金屬回收率，以風電器材中的釹為例，完成不同回收情景下的供應壓力分析。
設定釹的低、中、高回收水平3種情景，對應的回收率設定為40%、60%、80%。 回收風電退役器材中的釹，作為新能源器材中相應需求的補充，計算得到不同情景下釹的供應壓力（見圖8）。 2025—2050年，在回收風電退役器材中的釹後，低回收水平情景下釹的供應壓力為12%~29%，顯著低於未進行回收情景；在不同回收水平情景下，2050年後回收的釹均可滿足需求量；在高回收水平情景下，2050年的原生釹供應僅占需求量的0.3%。
圖8 不同回收水平情景下風電行業釹的供應壓力
四、研究結論與應對建議
（一）研究結論
中國風電、光伏發電器材將迎來退役高峰期 ，2035年、2060年的合計退役量將分別為2.54×10 6 t、1.048×10 7 t（不含風力機塔筒和地基）。對於風電行業，基準情景下的2025年、2035年退役量分別為10.9 GW、28.3 GW，2030—2050年退役量較大但之後基本平穩，2060年退役量為63.7 GW；2060年，碳中和情景的退役量較基準情景提高41%。對於光伏發電行業，2025年開始逐步退役，基準情景下的2035年退役量為4.6 GW，隨後退役量持續快速增長，2060年的退役量為89.5 GW；2060年，碳中和情景的退役量較基準情景提高12%。
中國關鍵金屬供應將制約新能源行業發展。 基準情景下風電和光伏發電行業2035年的銀、銅、鎵、銦、釹、鋼鐵累計需求量分別為1.7×10 4 t、1.104×10 7 t、300 t、2000 t、9×10 4 t、1.322×10 8 t，2060年的累計金屬需求量將為2035年的2.3~4.8倍；碳中和情景下的金屬需求量比基準情景增長6%~12%。在風電、光伏發電行業發展過程中（2030—2060年），從關鍵金屬供應的角度看，鋼鐵為低風險等級，釹為中高風險等級，銅、銀為高風險等級，鎵、銦為極度危險等級。
中國新能源產業發展需要大量的關鍵金屬，部份金屬礦產資源依賴進口，增加了供應鏈風險。 改善新能源產業供應鏈的安全性和多樣性，既需要確保金屬礦產資源的可持續供應，也需要開展回收迴圈和高效利用。以釹為例，不同回收水平情景下的供應壓力從最高的50%下降到29%；2050年後，不同回收水平情景下退役器材中的金屬回收量可逐步覆蓋新能源器材的金屬需求量。構建新能源固廢回收體系至關重要，將是保障中國關鍵金屬供應的重要路徑。
（二）應對建議
將風電、光伏發電退役器材按照廢棄電器電子產品進行管理。 明確風電、光伏發電退役器材的固廢內容並納入【廢棄電器電子產品處理目錄】，參照【廢棄電器電子產品回收處理管理條例】（2019年）相關規定對回收處理企業進行管理。探索生產者責任延伸制度在新能源行業固廢回收領域的適用性，依據風電、光伏發電退役器材與其他電子產品的差異性，開展專門研究，制定單獨的技術指南和實施細則。基於政策引導，在具備條件的地區試點跨區域或行業聯合體模式，探索新能源行業固廢與一般工業固廢、電子廢物處理基礎設施的共建 / 共享。
將風電、光伏發電企業納入【固定汙染源排汙特許分類管理名錄】。 對運維、天氣災害、專案技術改進過程中產生的風電、光伏發電廢棄器材，按照【排汙特許管理條例】等規章進行管理。采用登記管理方式，由發電企業在「全國排汙特許證管理資訊平台」上填報維修、技術改進、退役等產生的廢舊器材去向資訊。
加快完善分布式新能源固廢回收體系。 結合現有的生活垃圾分類和再生資源回收體系，布局分布式光伏發電退役器材回收體系；支持重點地區建立新能源退役器材迴圈利用產業集聚區，其位置選取需考慮新能源器材的報廢規模和集中度。基於新能源器材分布和報廢預測模型，預估新能源器材報廢的時間和空間分布，據此最佳化回收中心布局、降低回收成本。建立全國及區域新能源行業固廢回收利用資訊管理平台，匯集包括器材更新、改造、延壽、退役在內的動態資訊；開展退役器材和材料產生量的監測、統計及預測，溯源並監管回收產品流向，確保規範化回收利用處理，防止二次汙染。
切實提高新興固廢回收技術水平。 設定風電、光伏發電退役器材的迴圈利用技術研發專案，加強科技支撐。在新能源產業鏈上遊，聯合原材料生產加工企業、設計和研究機構等，推進易拆解、可替換器材，可回收、可降解材料等的研發、設計和推廣。關註新能源器材的金屬材料使用強度，探索減少使用金屬的技術方法，在不降低效能的條件下由一種元素或材料代替另一種元素或材料以降低供應風險。在風電、光伏發電退役器材回收設施方面，兼顧開發集中式、移動式器材，重點解決玻璃纖維與大體量碳基材的同步高值化利用、偏遠地區退役器材回收運輸等問題。加快風電機組再制造、葉片再生纖維 / 粉末的高值化套用研究，突破退役光伏元件的光伏玻璃高值化利用、矽材料迴圈利用等技術。
註：本文內容呈現略有調整，若需可檢視原文。
作者簡介
賀克斌
環境工程專家
，中國工程院院士
。
主要從事大氣汙染防治研究。
註：論文反映的是研究成果進展，不代表【中國工程科學】雜誌社的觀點。
