原材料的挑戰(zhàn)：金屬和礦業(yè)部門如何成為能源轉(zhuǎn)型的核心

● 劉真如/譯

前言：隨著世界準備進入凈零水平，對于原材料的需求必將飆升。金屬和礦業(yè)公司需要重新計劃和更新（他們的）增長（戰(zhàn)略）規(guī)劃，以應(yīng)對能源轉(zhuǎn)型帶來的特殊挑戰(zhàn)。

凈零經(jīng)濟轉(zhuǎn)型將以金屬為主導。隨著清潔技術(shù)的發(fā)展，金屬材料和采礦業(yè)將面臨以下挑戰(zhàn)：為能源轉(zhuǎn)型提供大量原材料。由于金屬和采礦業(yè)是一個交付周期長、資本密集度高的行業(yè)，需求大于供應(yīng)導致的價格飆升及其帶來的瓶頸將不可避免，價格波動給生產(chǎn)所需的大量前期資本投資帶來不確定性。供應(yīng)、需求和價格之間的相互作用將會體現(xiàn)在不同的商品上，從而帶來技術(shù)轉(zhuǎn)變、需求破壞和材料替代構(gòu)成的反饋環(huán)。人們期望金屬和礦業(yè)公司比以往更快、更健康地成長。與此同時，終端用戶需要在技術(shù)開發(fā)和成長計劃中考慮潛在的資源限制因素。

2021年11月召開的聯(lián)合國氣候變化會議（COP26）結(jié)束后，這一趨勢發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變。格拉斯哥氣候協(xié)定確定減少全球碳排放的凈零目標（防止地球升溫超過1.5℃）為商業(yè)活動的核心原則。同時出現(xiàn)的另一個現(xiàn)實情況是：凈零承諾超出了供應(yīng)鏈、市場機制、融資模式和其他解決方案的形成速度，而這些都是全球脫碳道路上所必需的。盡管對于此次會議是否取得了足夠多的成果仍存在爭議，但顯而易見的是，未來十年將對脫碳經(jīng)濟起決定性的作用。盡管全球經(jīng)濟的每個行業(yè)都面臨著共同的壓力，（例如：利益相關(guān)方和投資方要求其自身業(yè)務(wù)脫碳），但金屬和礦業(yè)公司自身卻面臨著獨特的挑戰(zhàn)：提供推動大規(guī)模技術(shù)轉(zhuǎn)型所必需的關(guān)鍵原料。

隨著我們從化石燃料轉(zhuǎn)向風能和太陽能發(fā)電、基于電池和燃料電池的電動汽車（EV）和氫氣生產(chǎn)，原材料將成為去碳化和經(jīng)濟電氣化的核心。正如全球經(jīng)濟可以通過幾種途徑來實現(xiàn)將升溫限制在1.5℃的目標，也有的采用不同原材料的相應(yīng)技術(shù)組合，發(fā)揮各自的作用。無論我們遵循哪種脫碳途徑，都將發(fā)生根本性的需求變化——這些變化將改變我們所知道的金屬和采礦業(yè)，創(chuàng)造新的價值來源，同時縮小其他價值。

對額外供應(yīng)的需求不僅來自于相對大宗的原材料（例如：用于電氣化的銅和用于電動車電池的鎳），除目前的應(yīng)用領(lǐng)域外，對這些原料需求還將大幅增長，而且還來自于相對稀少的產(chǎn)品，例如用于電池的鋰和鈷，用于太陽能電池板的碲，以及風力發(fā)電和電動車用永磁體的釹（見圖1）。一些原材料（例如：鋼鐵）也將在需要額外基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)中發(fā)揮促進作用。

作為基礎(chǔ)架構(gòu)材料，鋼鐵對所有技術(shù)轉(zhuǎn)型都至關(guān)重要，但每一項技術(shù)也都有特定元素發(fā)揮重要作用。

為防止原料短缺并保持新技術(shù)成本的競爭力(見下文“稀土金屬”部分)，所需轉(zhuǎn)型的速度意味著：在相對較短的時間內(nèi)規(guī)模化生產(chǎn)某些原材料，產(chǎn)量達到目前市場規(guī)模的10 倍以上。

圖1 按技術(shù)類型分，向低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的重要材料

稀土金屬

目前，全球稀土儲量約為1.2 億噸（REO），按照2020年全球24 萬噸產(chǎn)量估算，可供開采500年。然而，有一些現(xiàn)實因素我們不可忽略。首先，這些元素的豐度相對較低，因此，確定項目并投入生產(chǎn)可能需要較多的投資和準備時間。其次，對技術(shù)轉(zhuǎn)型至關(guān)重要的特定元素（例如，釹）在這些礦床中的含量存在極大的差異，這使得特定金屬的可獲得性和經(jīng)濟性與粗略分析顯示的結(jié)果存在一定的差別。第三，已知稀土資源儲量的地理分布非常集中。因此，需要進行更多的地質(zhì)勘探，以確定特定地域內(nèi)其他可經(jīng)濟開采的礦床。

最后，除了原材料的可獲得性，特定元素的加工和分離也很關(guān)鍵。到目前為止，大部分的加工和分離能力以及技術(shù)能力也都集中在中國。因此，能源轉(zhuǎn)型將需要對加工能力進行區(qū)域性的再分配，并對供應(yīng)鏈進行重組。

經(jīng)濟增長、技術(shù)開發(fā)和原料密集度是需求增長的驅(qū)動力

在減少溫室氣體排放的技術(shù)準備方面，交通運輸和電力部門是排頭兵。但是，建立低碳經(jīng)濟并減少這些部門的碳排放強度則需要大量原料（見圖2）。例如，以銅當量為基礎(chǔ)，同樣發(fā)電每萬億瓦時，太陽能和風能比天然氣發(fā)電分別多消耗300%和200%的金屬材料。不過即便如此，在考慮到原料生產(chǎn)時的碳排放后，太陽能和風能發(fā)電仍然大幅降低了整體的碳排放。同樣，生產(chǎn)純電汽車或燃料電池電動汽車比生產(chǎn)內(nèi)燃機汽車消耗的原料更多。

礦物供應(yīng)和太陽能電池板的生產(chǎn)

碲雖不為大眾所熟知，卻是用于太陽能電池板必不可少的金屬，全球礦產(chǎn)量約為500 噸。沒有純碲礦，只作為其他金屬冶煉和精煉的副產(chǎn)品而少量生產(chǎn)（90%以上的碲是從電解銅陽極泥中提取的)。因此，由太陽能產(chǎn)能驅(qū)動的對碲的需求增長可能是驚人的，但供應(yīng)的增長預計將以銅等金屬的增長率為上限。盡管由于能源轉(zhuǎn)型，預計銅的需求也將大幅增長，但在凈零轉(zhuǎn)型的情況下，銅礦的供應(yīng)不太可能以太陽能電池板生產(chǎn)所需的銅需求速度擴張。

新建電站或生產(chǎn)新車時，除需要大量原料外，其他因素也會影響碳排放量。首先，在技術(shù)的生命周期中，使用該技術(shù)后會產(chǎn)生碳排放（例如：用化石燃料發(fā)電或開電動汽車時使用電）。其次，每種技術(shù)的排放強度在一定程度上取決于所選的材料（例如，汽車材料選用鋼或鋁）。第三，即使使用相同的材料，供應(yīng)商的選擇也會產(chǎn)生顯著差異，因為相同原材料的碳排放可能會因其來源而有很大差異。最后，每個行業(yè)都有自己的特點。就電力而言，可再生能源發(fā)電的容量系數(shù)低于化石燃料發(fā)電。因此，相較而言，可再生能源需要消耗更多的金屬才能產(chǎn)出與化石能源相同數(shù)量的電力。就公路運輸而言，不同動力系統(tǒng)的平均里程也起著重要的作用（例如：是否純電動汽車和燃料電池汽車在其生命周期內(nèi)會比內(nèi)燃機驅(qū)動汽車行駛更長的距離）。

圖2 大幅降低溫室氣體排放的低碳技術(shù)需要消耗較多的材料

供應(yīng)如何快速作出反應(yīng)

展望未來，在材料需求穩(wěn)步增長以滿足不斷變化的市場需求的情況下，隨著時間的推移，市場卻無法適應(yīng)不斷變化的各種技術(shù)及材料需求的提高。這樣的話，因為預計需求的增長速度將顯著高于供應(yīng)的增長速度，假定的原材料短缺情況將會出現(xiàn)。如圖3 所示，未來鋰礦供應(yīng)的增長速度需要達到目前需求增長速度的7 倍。同時，礦產(chǎn)供應(yīng)量較少的金屬（如碲）需要更強勁的增長速度。因此，這些也是所需替代品和技術(shù)創(chuàng)新的必然選擇。與過去觀察到的情況相比，銅和鎳等其他金屬的供應(yīng)也需加速增長。雖然這類金屬的需求增長勁頭不是很足，原因可能是和以下因素相關(guān)：其周圍（上下游）更大規(guī)模的工業(yè)、需要的大量資金投入，日益具有挑戰(zhàn)性的地質(zhì)條件（如儲量小，品位低)、交貨時間長和加工過程的日益復雜。僅就銅和鎳而言，要滿足圖3 所示的數(shù)量級增長需求，到 2030年將需要2500 億～ 3500 億美元的累計資本支出才能彌補現(xiàn)有產(chǎn)能的枯竭。盡管有相對較大的項目來擴大某些原材料的供應(yīng)，其中有些項目也在努力降低資本和運營成本（例如：直接提鋰），但我們在實現(xiàn)凈零排放的道路上依舊是任重而道遠。在圖3 中我們可以看到，銅和鎳的需求量分別超過供應(yīng)量500 萬噸～800 萬噸和70 萬噸～100 萬噸。因此，激勵新的供應(yīng)增長很有必要。

圖3 實現(xiàn)1.5℃溫控目標，2020～2030年所需供應(yīng)增長與2010～2020年供應(yīng)的變化情況（%）

價格激勵

雖然某些原材料在地殼中不一定稀缺，再生材料未來在減少碳排放的過程中也會發(fā)揮越來越重要的作用，但是材料供應(yīng)卻不會是一個線性的軌跡。我們預計會出現(xiàn)材料短缺、價格飛漲的情況，而且如果供應(yīng)無法快速補充，就需要進行技術(shù)創(chuàng)新和某些金屬的替代（也許會以犧牲終端應(yīng)用的性能和成本為代價）。雖然對某些金屬材料的需求將成倍增長，但大型新項目開發(fā)耗時很長（7 至10年），在看到實際需求和價格激勵之前，通常需要大量的資本投資。同時，由于礦床越來越復雜（而且大部分質(zhì)量不高），采礦商需要顯著的價格激勵才會做出大規(guī)模資本投入的決策（例如：銅價持續(xù)超過8000～10000 美元/噸，鎳價超過18000 美元/噸）。如果系統(tǒng)中沒有富余原料（如戰(zhàn)略儲備和產(chǎn)能過剩），該行業(yè)將無法實現(xiàn)短期內(nèi)（少于五至七年）的指數(shù)級增長。例如，從過去降低電池中鈷的用量可以看出，將出現(xiàn)供給側(cè)的技術(shù)發(fā)展和需求側(cè)的大規(guī)模替代和技術(shù)進步。還會出現(xiàn)非關(guān)鍵性應(yīng)用的替代，開發(fā)出新的提取和加工技術(shù)。個別領(lǐng)域供應(yīng)的迅速增加，以及諸如持續(xù)的技術(shù)發(fā)展、可用的替代材料和碳排放對終端應(yīng)用的影響等，都可能影響個別原材料的替代程度。因此，可以認為像碲這樣的原材料，由于產(chǎn)量低且又是副產(chǎn)品，可能會被替代，而鋰，盡管預期需求增長很快，但鑒于相對冗長的項目周期和生產(chǎn)技術(shù)的持續(xù)更新，可能不會有太多的替代品。

鎳及電池生產(chǎn)

鎳用于電池的生產(chǎn)，在地殼中廣泛存在。不過，它依然受制于與商品相關(guān)的許多特定因素。首先，雖然各種類型的礦床（硫化物、紅土）中都可以提取用于生產(chǎn)電池的鎳，但是從找礦到完成可行性報告、工廠建設(shè)和產(chǎn)出則需要10年或更長的時間，再加上項目的開發(fā)需要大量資本投入，可能導致短期赤字。第二，鎳的市場相對成熟，但它主要用于生產(chǎn)不銹鋼（2020年全球約三分之二的鎳用于生產(chǎn)不銹鋼）。因此，電池對鎳需求的快速增長可能會導致價格飛漲，因而需要大規(guī)模的替代和技術(shù)創(chuàng)新來重新平衡市場：要么是電池本身，被迫轉(zhuǎn)向不同的電池；要么是不銹鋼等市場，推動不銹鋼系列生產(chǎn)的變革；或者兩者兼而有之，除非鎳產(chǎn)能快速提升，同時將低品味二級鎳轉(zhuǎn)化為一級鎳。

如何實現(xiàn)市場平衡

如上所述，盡管有可能出現(xiàn)原材料短缺，但供需總會保持平衡。隨著世界各國及各行業(yè)加速去碳化，每種商品市場都會達到特定的供需平衡狀態(tài)。我們所做的不是反映任何具體原材料需求預測，包括圖3 所描述的情況，我們是要了解供應(yīng)、需求和價格之間持續(xù)的反饋循環(huán)狀態(tài)?？梢赃@樣認為，隨著能源轉(zhuǎn)型帶來的原材料需求加速將遵循以下三條軌跡中的一種（見圖4）。

1.供應(yīng)隨價格而動。需求加速而價格隨之而動，那么行業(yè)能夠相對快速地引入新的供應(yīng)（例如：鋰）。在這種情況下，技術(shù)轉(zhuǎn)型會按“預期”增長，即使價格出現(xiàn)短期波動，但原材料不會成為結(jié)構(gòu)性瓶頸。

2.需求加速帶來價格大幅波動，開始出現(xiàn)材料替代。行業(yè)無法足夠快速地引入新的供應(yīng)，而技術(shù)創(chuàng)新會導致該領(lǐng)域出現(xiàn)材料替代（例如：鈷價格飆升而出現(xiàn)的替代）。在這種情況下，從整體需求綜合考慮所采用技術(shù)的性能指標（例如：磷酸鐵鋰 (LFP)電池的能量密度比鋰鎳錳鈷氧化物電池低）。

3.需求加速帶來價格大幅波動，開始出現(xiàn)技術(shù)替代。在這種情況下，終端用戶被迫采用新技術(shù)，而不是使用替代材料。在這種情況下，可能會出現(xiàn)不同的瓶頸。例如，非碲基太陽能電池板的性能可能不夠好，這可能導致轉(zhuǎn)向更多的風力發(fā)電，從而增加了釹的供應(yīng)壓力。

圖4 供求關(guān)系及價格構(gòu)成的反饋環(huán)導致供應(yīng)變化、技術(shù)轉(zhuǎn)移及材料替代

電池領(lǐng)域?qū)儆谏鲜龅牡诙€軌跡，其反饋環(huán)中有三個顯著不同的階段。最初，比較常見的是鈷含量相對較高的電池。隨著鈷電池的廣泛應(yīng)用，以及2018年鈷的價格達到10 萬美元/噸，陽極鎳含量更高的電池開始獲得市場份額。最終，這種替代成為了行業(yè)的雙贏選擇——電池成本降低但能源密度更高。

此后，隨著高鎳電池應(yīng)用越來越廣泛，電池行業(yè)又意識到未來的艱巨任務(wù)：鎳行業(yè)一直面臨著資本支出過度、建設(shè)延期，并在某些情況下未達到設(shè)計產(chǎn)能的情況，而一級鎳的需求正在大幅增長。由于消費者試圖確保供應(yīng)，鎳價也開始上漲。

如今，電池生產(chǎn)商和原始設(shè)備制造商考慮其他可行性，采用分級電池技術(shù)。磷酸鐵鋰電池的市場份額再次上升，高錳電池也有望開發(fā)。錳是一種引人注目的替代品，全球產(chǎn)量約為 2000 萬噸，是鎳產(chǎn)量的4～5 倍，是鈷產(chǎn)量的 140 倍。同時，錳儲量為13 億噸，是鎳儲量的16 倍以上，鈷儲量的140 倍以上。

隨著電池技術(shù)的進步、應(yīng)用加速以及可能出現(xiàn)的新瓶頸，這個周期會不斷演變。隨著其他行業(yè)能源轉(zhuǎn)型，個別原材料行業(yè)供應(yīng)量快速增長的能力將受到考驗。對于發(fā)電，可能會出現(xiàn)類似的循環(huán)，例如：碲和銀可能成為太陽能電池板生產(chǎn)的瓶頸；釹和鐠，用于風力發(fā)電的稀土基永磁體；甚至可能需要額外的鈾來增加核能發(fā)電能力。

對生產(chǎn)者和終端用戶的影響

能源轉(zhuǎn)型將迫使經(jīng)濟的每一個領(lǐng)域都做出調(diào)整，每個領(lǐng)域都將面臨自己特定的挑戰(zhàn)。

作為經(jīng)濟發(fā)展的原材料供應(yīng)商，采礦業(yè)需要以前所未有的速度增長，以實現(xiàn)所需的技術(shù)變革。盡管傳統(tǒng)上采礦業(yè)被認為是一個準備時間長、資本投入高的行業(yè)，但預計未來該行業(yè)將會以更快的速度發(fā)展。由于金屬原料無疑將在減少溫室氣體排放中發(fā)揮關(guān)鍵的作用，金屬生產(chǎn)商需采取以下措施：

1.重構(gòu)發(fā)展規(guī)劃。在原材料價值池轉(zhuǎn)移和投資組合再平衡的背景下，采礦業(yè)多年來投資不足這一問題在2020年因新型冠狀疫情大流行而更加突出。隨著可預期的需求增長，礦山企業(yè)將需要重建其發(fā)展規(guī)劃?？梢圆扇《喾N形式，從基層勘探到選擇性并購以及回收利用。自2015年以來，該行業(yè)的財務(wù)健康狀況已顯著改善，債權(quán)比明顯降低，現(xiàn)金增值可觀，但鑒于該行業(yè)的周期性，資產(chǎn)負債表狀況仍將是大多數(shù)董事會和執(zhí)行團隊關(guān)注的重中之重。

2.創(chuàng)新以提高生產(chǎn)率并實現(xiàn)碳減排。技術(shù)創(chuàng)新將是一個重要的杠桿，既能消除瓶頸并實現(xiàn)增長（例如：采礦和加工方面的高級分析），又能促進減少運營中的碳排放（例如：汽車電氣化、水資源管理）。

3.將重心投入到供應(yīng)鏈中。由于一些減少碳排放技術(shù)的具體要求和終端用戶嚴格的減排目標，一些金屬原材料的商品化程度將會降低。隨著終端用戶的采購發(fā)生變化，金屬原料的營銷和銷售也將改變。了解客戶的產(chǎn)品規(guī)格和要求，與消費者建立合作伙伴關(guān)系將是關(guān)鍵，在供需平衡收緊的情況下，獲取高質(zhì)量和綠色生產(chǎn)也是關(guān)鍵。

同時，原材料消費者需要在制定技術(shù)開發(fā)和發(fā)展規(guī)劃時考慮潛在的資源限制因素。以下解決方案可供參考：

1.調(diào)整技術(shù)推廣計劃。為了應(yīng)對原材料價格波動和供應(yīng)限制，企業(yè)需要識別和區(qū)分圍繞技術(shù)推廣的硬性和軟性限制，然后設(shè)計難以獲得或價格昂貴的原材料。

2.發(fā)出明確的需求信號，確保原材料供應(yīng)。清楚地表明增長、技術(shù)組合和材料需求將是原材料供應(yīng)商批準大規(guī)模資本投資的重要機制。這種情況將以多種形式發(fā)生(并且已經(jīng)發(fā)生)：從與生產(chǎn)商簽訂的承購協(xié)議和與原材料供應(yīng)商達成的合作，到原材料生產(chǎn)的股權(quán)所有權(quán)。無論采用何種策略，供應(yīng)鏈上的公司，如正極活性材料生產(chǎn)商、電動汽車原始設(shè)備制造商和電池生產(chǎn)商等，都需要確保原材料供應(yīng)，以實現(xiàn)積極的發(fā)展規(guī)劃，同時降低自身供應(yīng)鏈的碳排放。