杏彩体育官网入口网址:战略性金属矿产供需关系评估——基于风电产业链的研究

　　随着中国能源结构转型的推进，风电装机规模持续扩大，风电产业链各环节对战略性矿产的需求快速增长，战略性矿产的可持续供给问题成为保证中国风电产业高质量发展的战略性问题。本文采用广义翁氏模型对钕、镨、铽、镝、钼、镍、铜7种培育风电产业链所需的金属原材料开展了产量预测和开采路径模拟。同时，考虑市场份额、技术进步和回收利用情况，设计风电产业的低速发展情境、基准情境以及高速发展情境，计算了不同情境下钕、镨、铽、镝、钼、镍、铜7种金属原材料的未来需求量。基于此，对比分析风电产业链中战略性金属矿产资源的供需状态，为保障风电产业链金属矿产资源合理供给提出政策建议。

　　作为重要的可再生清洁能源，风力发电对中国经济可持续发展有着重要作用，是“十四五”时期能源结构转型的重要支撑。近年来，中国以风电为代表的可再生能源装机规模持续扩大。截至2021年，全国发电装机容量约23.70亿kW，其中，风电装机容量约3.30亿kW，占全国总发电装机容量的16.50%。2060年之前，中国可再生能源的结构占比预计可达70%以上，风力发电将通过替代燃煤发电，大幅贡献二氧化碳减排额度，成为中国实现碳减排的重要路径。

　　从金属耗材看，培育完整的风电产业链需要多种战略性金属矿产作为关键支撑材料。风电产业链可大致分为上游风力发电机零部件制造，中游风力发电机整机制造和下游风电开发运营。风力发电机一般由机舱、转子叶片、齿轮箱、发电机等主要部件组成，其机舱和转子叶片使用铜（Cu），风电主机的齿轮箱和发电机则以镍（Ni）、钕（Nd）、镝（Dy）、镨（Pr）、铽（Tb）、钼（Mo）和铜（Cu）等为主要耗材。因此，风电产业链的延伸和规模的扩张将带来战略性金属矿产消费的快速增长。以铜为例，目前，海、陆风电装机每GW新增耗铜量已分别达到0.54万、1.53万t。2020年10月《风能北京宣言》提出制定与碳中和目标适应的“十四五”风电发展规划，到2025年确保风电年均新增装机不低于5000万kW，政策目标驱动下战略性金属矿产消费需求将持续增加。

　　新时期，战略性金属矿产供应与风电发展需求之间的不平衡可能成为制约中国风电扩大发展的关键因素。中国作为全球主要的稀土生产国之一，稀土矿产量占全球的58.33%，但目前中国稀土储量仅占全球储量的36.67%；与风电产业发展带来的高需求相对，2010—2020年，中国稀土产量占全球稀土产量的比重下降了57.35%。钼金属需求持续上涨，2022年4—6月，全球钼产量为6.57万t，消费量为7.31万t，供需缺口0.73万t；同时，中国是最大的钼生产国，钼资源储量占全球的51%，但是全球钼产量在逐年下降，中国以外无新增产能，这可能会加大中国的供给压力。镍是中国紧缺性矿产资源之一，资源总量不高，但其广泛应用于工业、军工、风电产业，资源消费量居高不下，目前中国镍金属的对外依存度已高达90%。电力是中国铜的主要消费领域，2019年占比已达41.2%，近年来中国精炼铜消费量也持续上涨，连续16年成为世界最大的铜消费国，未来风电产业的扩张将进一步扩大中国铜消费量。总体看来，战略性金属矿产资源供不应求可能成为中国风电未来发展的潜在危机。

　　目前，国内外关于风电产业链中战略性金属矿产供需预测的研究主要是从全球视角探讨风电发展的资源需求和可持续性问题。在需求侧，未来20~30年，风力发电对战略性金属矿产的需求量将持续上涨，而随着市场份额增加，全球风电产业的可持续发展也将更加依赖于战略性金属矿产的供应；而全球新冠肺炎疫情暴发、环境成本和回收替代则成为影响可再生能源转型中战略性金属矿产供应的重要因素。就中国风电产业链而言，风电行业呈蓬勃发展态势，而大规模的风电开发可能导致产业链内部战略性金属矿产资源短期和长期供应风险，技术进步以及回收利用的提高能够加大金属矿产长期供应的可能性。

　　本研究以培育风电产业链所需的钕、镨、铽、镝、钼、镍、铜7种金属矿产为主要研究对象。通过建立广义翁氏模型和基于文献聚类的情境分析，估算上述7种金属2022—2050年的国内产量和风电产业链资源需求量，在不同发展情境下对比分析中国风电产业链中，核心发电技术依赖的战略性金属矿产供求状况。

　　首先，利用稀土氧化物和钼、镍、铜的历史产量数据建立广义翁氏模型，预测钕、镨、铽、镝、钼、镍、铜7种金属的未来产量；其次，建立市场份额、技术进步和回收效率影响下的低速、基准和高速3种风电发展情境，对中国风电产业链的战略性金属矿产资源需求量进行预测；最后，根据预测结果分析中国风电产业链战略性金属矿产资源供需形势。

　　广义翁氏模型是陈元千在的翁氏模型基础上推导出来，用于石油气产量预测的一种曲线拟合模型。能源生产预测领域常见的曲线拟合模型还有Hubbert模型、HCZ（胡-陈-张）模型。与上述模型相比，广义翁氏模型描述了事物从兴起、成长、成熟到衰退的全过程，它所得到的预测曲线形状不一定是对称的。中国金属矿产历史产量经过了快速上升期、稳产期和缓慢下降期，产量曲线应近似于不对称的“钟形”曲线，产量趋势与石油气产量有一定相似性。广义翁氏模型基于历史数据拟合出金属矿产的最优开采路径，侧重于描摹金属矿产生命周期变化规律，从不可再生资源可耗竭性角度模拟资源开采的最优速度和路径。基于历史产量数据所得的开采路径模拟结果，通过回归拟合将非理性的市场行为在一定区间内合理化，并根据资源禀赋情况对未来的开采行为作出了合理规划，从而能够从矿产资源保障年限视角有效预测中国金属矿产的未来产量。此前广义翁氏模型也在稀土和能源矿产的未来产量预测中得到过广泛而有效的应用，因此，用广义翁氏模型对钕、镨、铽、镝、钼、镍、铜7种金属的产量进行预测，相关函数表达式为

　　然后，根据7种金属的历史产量与时间的数值，给定不同的b，利用式（5）进行试差求解，得到相关系数最高的直线的b，同时可解得直线截距A和斜率B。再由式（3）、式（4）分别计算得到模型常数a和c的数值。最后，将a、b、c代入式（1）中可以预测各金属矿产的产量Q。

　　稀土氧化物及钼矿、镍矿、铜矿的历史产量数据来自原国家计委稀土办公室、国家发展和改革委员会稀土办公室、美国地质调查局（USGS），稀土氧化物产量缺失值由美国地质调查局（USGS）公布的中国稀土矿区氧化物产量配分平均值与当年稀土总产量估算作为补充。

　　情境分析是通过分析研究对象未来发展过程中涉及的影响因素，来假定情境以及各种情境可能产生的影响，并对研究对象未来发展状况作出预测的一种方法，近年来在风电等可再生能源需求预测中有广泛应用。本研究基于21世纪的可再生能源政策网络（REN21）、彭博新能源财经（BNEF）、国际能源署（IEA）、国际可再生能源署（IRENA）、全球风能理事会（GWEC）等12所主流能源研究机构发布的18份能源展望报告，分析风电产业链战略性金属矿产资源需求的影响因素，假定风电产业发展情境，并预测未来风电产业链的金属需求。

　　发电技术市场份额膨胀和高强度的金属材料使用拉动了风电产业链的战略性金属矿产耗材需求，回收技术则为其带来了二次资源供给。战略性金属矿产是制造永磁风力发电机的关键原材料，而技术进步可以降低这些金属材料的使用强度，同时，风力涡轮机中的永磁体不易报废，可以作为二次资源回收利用。因此，以风电装机容量表征中国风电产业发展情况，并构建综合情境，分析上述影响因素作用下，中国风电产业链的战略性金属矿产需求量未来变动趋势。

　　发电技术市场份额即永磁直驱风机在未来风力发电总装机容量中的占比。永磁风力发电机的制造以钕、镨、铽、镝、钼、镍、铜为主要耗材，该项发电技术市场份额越高，战略性金属矿产资源的需求量越大。目前中国风电机组的整机技术仍以齿轮箱增速驱动的双馈发电机为主，永磁直驱风机的市场占有率也在快速增长。相比传统的双馈发电机，永磁风力发电机具有结构简单、体积小、高效节能等优点，以海上风电为主要应用场景。《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》提出建设五大海上风电基地，未来海陆并重的风电发展趋势将进一步拉高永磁风力发电机技术市场份额。

　　金属材料强度指建设每MW风电装机容量所需金属资源量。风力发电通过转换技术开发可再生的一次能源，但需要保障不可再生的战略性金属矿产的供应，作为风电技术基础性和关键性的材料支撑。相同的单机容量下，不同的发电机型对金属矿产的需求量不同，同种发电技术也会因制作工艺的不同导致材料强度有别。技术进步能够显著降低某些金属材料强度，从而影响风电产业的战略性金属矿产需求。

　　回收技术的进步能够在一定程度上补充战略性金属矿产资源供应，能够提高金属矿产的总体供给量。废弃的风力涡轮机通常是因为叶片老化而停止工作，而作为核心部件的永磁直驱风机保护得较为完好，一般在废弃组件拆卸后可以将整个永磁体部件直接再循环投入。因此以报废磁体和工业废料作为战略性金属矿产二次供应来源，有巨大的回收潜力。2021年3月，国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会发布《光伏组件回收再利用通用技术要求》，对金属材料的再生利用标准作出规范，以再生利用率衡量矿产资源的回收效率。目前，风电产业尚未有相关国家标准出台，考虑到光伏金属回收技术与风电技术的共通性，本研究参考《光伏组件回收再利用通用技术要求》对金属再生利用率的定义，计算回收技术进步对战略性金属矿产总需求的补充。金属再生利用率计算公式为

　　以永磁发电技术市场份额、金属再生利用率、金属材料强度分别表征市场份额、金属材料强度、回收技术变化对风电产业链战略性金属矿产需求的影响，参考能源研究机构对中国风电装机容量的断点预测，设计基础情境和2个模拟情境，分析展望中国风电产业链的战略性金属矿产需求（表1）。

　　情境模式参数均来自能源机构报告和文献收集。目前关于全球及中国发电技术金属需求预测的文献，主要依据国家或能源机构对可再生能源发展做出的规划进行情境参数设置。研究一般假设复合年增长率保持不变，确定未来某个年份风力发电的发展规模，再计算出对金属材料的需求。研究机构的规划和情境设计中，金属材料强度一般不变，也有部分研究对稀土材料强度变化进行假设和预测，风力发电使用的金属材料强度以及受技术进步影响的稀土材料强度变化情况见表2。

　　中国风电装机容量预测数据由能源报告展望结果聚类得到，以报告统计结果分别设定2025—2050年中国风电装机容量的上界和下界，以报告统计结果中值为基础情境参数。永磁技术市场份额即永磁风机在未来风力发电总装机容量中的占。