風(fēng)電和光伏等可再生能源，在全球經(jīng)濟(jì)脫碳中發(fā)揮重要作用。但一直以來(lái)有一個(gè)悖論困擾著清潔技術(shù)的發(fā)展：作為減緩氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)，風(fēng)機(jī)、光伏和相關(guān)配件的制造安裝需消耗大量關(guān)鍵金屬，比如鋁、銅、鋅、鎳、鈷等。

而這些關(guān)鍵金屬的開(kāi)采和加工是碳密集型行業(yè)，會(huì)釋放大量的溫室氣體，進(jìn)而加速溫室效應(yīng)。

目前對(duì)清潔的可持續(xù)性技術(shù)的研究熱點(diǎn)通常集中在主流技術(shù)電池所需的元素上，例如鋰、鎳、鈷、銦。然而，與其他稀有金屬相比，大量需求的金屬（如鋁），相關(guān)的需求風(fēng)險(xiǎn)也需要評(píng)估。

由于鋁的高導(dǎo)電性、低重量和優(yōu)異的耐腐蝕性，常常被用于地面平板光伏模塊的安裝件、框架和逆變器以及電池中。許多其他清潔能源技術(shù)（例如，電池、風(fēng)力渦輪機(jī)和相關(guān)電力系統(tǒng)）也大量使用它。

世界銀行在氣候行動(dòng)礦產(chǎn)報(bào)告中，就將鋁確定為具有高需求風(fēng)險(xiǎn)的礦物，原因是鋁是許多清潔能源技術(shù)都必不可缺的材料。所需的鋁的開(kāi)采和生產(chǎn)具有很大的全球變暖潛勢(shì) (GWP) 。報(bào)告還顯示，光伏主導(dǎo)了鋁的需求，將占未來(lái)總額外需求的87%。

據(jù)能源咨詢(xún)公司伍德麥肯茲估測(cè)，光伏系統(tǒng)的平均鋁用量達(dá)到了21kg/kW。聚光光熱發(fā)電系統(tǒng)的鋁使用密度可達(dá)到2倍多，即約47kg/kW。

最近，《自然》（Nature）雜志發(fā)表的一篇關(guān)于“到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放的太瓦光伏鋁需求風(fēng)險(xiǎn)”一文，闡述了太陽(yáng)能快速發(fā)展對(duì)碳密集型金屬的需求將飆升問(wèn)題。

論文作者、澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)的Alison Lennon和她的同事模擬了太陽(yáng)能行業(yè)對(duì)鋁的需求，鋁用于太陽(yáng)能電池板的框架和配件。作者假設(shè)，到2050年，如果要將全球變暖限制在低于工業(yè)化前水平 2°C，達(dá)到碳排放凈零目標(biāo)，將需要超過(guò)60萬(wàn)億瓦的太陽(yáng)能。

依此情景，研究人員估計(jì)，到 2050 年，滿足所有太陽(yáng)能裝置增產(chǎn)需求，可能需要4.86億噸鋁。

我們一邊加快清潔能源取代傳統(tǒng)能源的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，一邊發(fā)展可再生能源技術(shù)消耗大量金屬導(dǎo)致溫室氣體排放，加速氣候變化。龐大的制造任務(wù)，將創(chuàng)造對(duì)各種礦產(chǎn)的需求。究竟怎樣能平衡這兩者？

Lennon等預(yù)測(cè)，鋁的需求量將增加，到2050年，每年將達(dá)到 2850萬(wàn)噸。這一年需求量將占2020年全球鋁產(chǎn)量（6500萬(wàn)噸）的40%以上，占中國(guó) 2020年鋁總產(chǎn)量（3700萬(wàn)噸）的一半以上。

盡管鋁在地殼中含量豐富，鋁土礦儲(chǔ)量估計(jì)為300億噸，但未來(lái)30年需要顯著提高鋁生產(chǎn)水平，以滿足僅光伏制造的需求。

這種需求不包括在其他清潔能源技術(shù)中使用鋁。因此，可以將這個(gè)數(shù)據(jù)視為實(shí)際需求的下限，考慮到用于運(yùn)輸和其他建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施鋁需求，預(yù)計(jì)鋁的使用量也將更加巨大。

Lennon也表示，如果大部分光伏制造繼續(xù)在中國(guó)進(jìn)行，并得到當(dāng)?shù)厣a(chǎn)商的支持，那么這種需求可能需要通過(guò)中國(guó)當(dāng)?shù)睾瓦M(jìn)口鋁生產(chǎn)的組合來(lái)滿足。

鋁材的制備過(guò)程包括（1）將鋁土礦精煉成氧化鋁（拜耳法）；(2) 氧化鋁電解法冶煉鋁（Hall-Héroult 電解工藝）。整個(gè)鋁初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程的能源需求估計(jì)為每噸鋁62.6 GJ，這大大高于鋼或銅。

鋁初級(jí)生產(chǎn)的排放強(qiáng)度以所需電力的間接排放為主。2018 年全球鋁初級(jí)生產(chǎn)的平均排放強(qiáng)度約為每噸鋁排放16.5噸CO2，國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，如果使用脫碳清潔電力，該值可降至約每噸鋁5.5噸CO2當(dāng)量排放。

向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型所需的其他技術(shù)將需要數(shù)十億噸材料，這些技術(shù)排放的溫室氣體比它們正在取代的化石燃料技術(shù)要少得多，但它們的礦產(chǎn)需求高。

當(dāng)然，太陽(yáng)能光伏板的快速部署并不是一件壞事。相反，我們應(yīng)該考慮擴(kuò)大太陽(yáng)能光伏應(yīng)用所需材料的生產(chǎn)（或回收）對(duì)環(huán)境的影響，以及這些材料的供應(yīng)是否能滿足需求。

作者認(rèn)為，盡管鋁礦很豐富，但太陽(yáng)能電池板所需的鋁絕對(duì)數(shù)量大，以至于生產(chǎn)這種金屬可能會(huì)破壞清潔能源的努力。他們得出的結(jié)論是，要減少金屬的碳足跡，必須最大限度地回收鋁，并由于冶煉金屬所需要的大量電力需要加快電網(wǎng)脫碳發(fā)電。

使用替代方案（例如硅、鋼鐵）可以降低光伏組件模塊的鋁的使用，降低制造過(guò)程中的碳排，但對(duì)于全球氣候變暖潛值GWP，短期內(nèi)沒(méi)有作用。

比如即使硅材料也是光伏板所需的材料，但硅的生產(chǎn)是另一個(gè)能源密集型過(guò)程。盡管生產(chǎn)效率的提高，組件生產(chǎn)的排放量一直在穩(wěn)步下降，但它們對(duì)光伏組件的隱含排放影響依然很大。

鋁是目前市場(chǎng)上回收率、可回收率最高的材料之一。回收的二次生產(chǎn)僅需要消耗初級(jí)生產(chǎn)所需能源的約5%，并且僅產(chǎn)生初級(jí)生產(chǎn)排放量的3-5%。近75%生產(chǎn)的鋁今天仍在使用，并且報(bào)廢回收率估計(jì)為34-63%。

Lennon及其同事表示，降低所需鋁需求的GWP的途徑可能是：

同時(shí)，需要對(duì)現(xiàn)有鋁冶煉廠和新鋁生產(chǎn)能力進(jìn)行大量投資，以滿足不斷增長(zhǎng)的需求。

在風(fēng)光等可再生能源區(qū)選址鑄廠，使用100%的可再生能源是一個(gè)非常好的解決方案。例如集中的太陽(yáng)能(CSP)熱源，可以在太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)為鋁的生產(chǎn)制造提供優(yōu)勢(shì)。風(fēng)光資源豐富的地區(qū)同時(shí)提供解決間歇性問(wèn)題的措施（例如，儲(chǔ)能裝置），可以更容易并更低碳地生產(chǎn)鋁。

在可再生能源區(qū)內(nèi)建立鋁精煉廠和冶煉廠的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，它們可以運(yùn)用多余的可再生能源發(fā)電，并通過(guò)調(diào)整其運(yùn)營(yíng)（例如，當(dāng)能源需求超過(guò)供應(yīng)時(shí)進(jìn)行減輕負(fù)荷）來(lái)促進(jìn)需求側(cè)響應(yīng)。鋁精煉廠和冶煉廠共址，通過(guò)將電解產(chǎn)生的熱量用于拜耳法的煅燒步驟，可節(jié)省高達(dá)22 GJ/t的能源。

中國(guó)企業(yè)遠(yuǎn)景科技集團(tuán)在鄂爾多斯打造的零碳產(chǎn)業(yè)園，就是利用當(dāng)?shù)氐锰飒?dú)厚的風(fēng)光等氣候資源條件，從綠色電力產(chǎn)出使用就地消納，到產(chǎn)品生產(chǎn)、回收完整零碳綠色產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)零碳新工業(yè)體系的優(yōu)勢(shì)，使原本高耗能產(chǎn)品的碳足跡零碳化。

自2004年以來(lái)，中國(guó)一直是最大的初級(jí)鋁生產(chǎn)國(guó)，2020年產(chǎn)量約為3700萬(wàn)噸（約占世界產(chǎn)量的 60%）。生產(chǎn)鋁的大部分能源是煤炭。盡管電力系統(tǒng)脫碳似乎是一個(gè)迫在眉睫的戰(zhàn)略，但需要認(rèn)識(shí)到這一轉(zhuǎn)型將增加光伏生產(chǎn)，可能會(huì)對(duì)鋁初級(jí)生產(chǎn)提出更大的需求。盡快對(duì)鋁、鋼等碳密集產(chǎn)品的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到風(fēng)光資源豐富地區(qū)，降低產(chǎn)品碳足跡，是大勢(shì)所趨。

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參考資料：

[1]Lennon, A., Lunardi, M., Hallam, B. & Dias, P. R. Nat. Sustain. https://doi.org/10.1038/s41893-021-00838-9 (2022).

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-022-00176-6

[3]https://www.nature.com/articles/s41893-021-00845-w

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