風(fēng)電和光伏等可再生能源，在全球經(jīng)濟脫碳中發(fā)揮重要作用。但一直以來有一個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、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)鍵金屬的開采和加工是碳密集型行業(yè)，會釋放大量的溫室氣體，進(jìn)而加速溫室效應(yīng)。
目前對清潔的可持續(xù)性技術(shù)的研究熱點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)險也需要評估。
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)力渦輪機和相關(guān)電力系統(tǒng)）也大量使用它。
世界銀行在氣候行動礦產(chǎn)報告中，就將鋁確定為具有高需求風(fēng)險的礦物，原因是鋁是許多清潔能源技術(shù)都必不可缺的材料。所需的鋁的開采和生產(chǎn)具有很大的全球變暖潛勢 (GWP) 。報告還顯示，光伏主導(dǎo)了鋁的需求，將占未來總額外需求的87%。
據(jù)能源咨詢公司伍德麥肯茲估測，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年實現(xiàn)凈零排放的太瓦光伏鋁需求風(fēng)險”一文，闡述了太陽能快速發(fā)展對碳密集型金屬的需求將飆升問題。
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能行業(yè)對鋁的需求，鋁用于太陽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（第三期有色金屬行業(yè)碳排放管理員暨碳達(dá)峰與碳中和高級培訓(xùn)班）凈零目標(biāo)，將需要超過60萬億瓦的太陽能。
依此情景，研究人員估計，到 2050 年，滿足所有太陽能裝置增產(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)造對各種礦產(chǎn)的需求。究竟怎樣能平衡這兩者？
Lennon等預(yù)測，鋁的需求量將增加，到2050年，每年將達(dá)到 2850萬噸。這一年需求量將占2020年全球鋁產(chǎn)量（6500萬噸）的40%以上，占中國 2020年鋁總產(chǎn)量（3700萬噸）的一半以上。
盡管鋁在地殼中含量豐富，鋁土礦儲量估計為300億噸，但未來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，可以將這個數(shù)據(jù)視為實際需求的下限，考慮到用于運輸和其他建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施鋁需求，預(yù)計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中國當(dāng)?shù)睾瓦M(jìn)口鋁生產(chǎn)的組合來滿足。
鋁材的制備過程包括（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）。整個鋁初級生產(chǎn)過程的能源需求估計為每噸鋁62.6 GJ，這大大高于鋼或銅。
鋁初級生產(chǎn)的排放強度以所需電力的間接排放為主。2018 年全球鋁初級生產(chǎn)的平均排放強度約為 每噸鋁排放16.5噸CO2，國際鋁業(yè)協(xié)會預(yù)測，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)該考慮擴大太陽能光伏應(yīng)用所需材料的生產(chǎn)（或回收）對環(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，但太陽能電池板所需的鋁絕對數(shù)量大，以至于生產(chǎn)這種金屬可能會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，降低制造過程中的碳排，但對于全球氣候變暖潛值GWP，短期內(nèi)沒有作用。
比如即使硅材料也是光伏板所需的材料，但硅的生產(chǎn)是另一個能源密集型過程。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，但它們對光伏組件的隱含排放影響依然很大。
鋁是目前市場上回收率、可回收率最高的材料之一?；厥盏亩紊a(chǎn)僅需要消耗初級生產(chǎn)所需能源的約5%，并且僅產(chǎn)生初級生產(chǎn)排放量的3-5%。近75%生產(chǎn)的鋁今天仍在使用，并且報廢回收率估計為34-63%。
Lennon及其同事表示，降低所需鋁需求的GWP的途徑可能是：
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非常好的解決方案。例如集中的太陽能(CSP)熱源，可以在太陽能資源豐富的地區(qū)為鋁的生產(chǎn)制造提供優(yōu)勢。風(fēng)光資源豐富的地區(qū)同時提供解決間歇性問題的措施（例如，儲能裝置），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關(guān)鍵優(yōu)勢是，它們可以運用多余的可再生能源發(fā)電，并通過調(diào)整其運營（例如，當(dāng)能源需求超過供應(yīng)時進(jìn)行減輕負(fù)荷）來促進(jìn)需求側(cè)響應(yīng)。鋁精煉廠和冶煉廠共址，通過將電解產(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)氐锰飒毢竦娘L(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，實現(xiàn)零碳新工業(yè)體系的優(yōu)勢，使原本高耗能產(chǎn)品的碳足跡零碳化。
自2004年以來，中國一直是最大的初級鋁生產(chǎn)國，2020年產(chǎn)量約為3700萬噸（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)脫碳似乎是一個迫在眉睫的戰(zhàn)略，但需要認(rèn)識到這一轉(zhuǎn)型將增加光伏生產(chǎn)，可能會對鋁初級生產(chǎn)提出更大的需求。盡快對鋁、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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