Critical Mineral and Material Supply Availability and Energy System Development: A Multisector Analysis and Implications

想象一下，全球能源系统就像一座巨大的、高科技的乐高城市。要建造这座城市，你需要两种截然不同的积木。首先，你需要“大宗”积木：那些沉重、常见且庞大的模块，比如钢、铝和铜。它们是基础；你需要大量的这类积木来建造墙壁、道路和输电线路。其次，你需要“特种”积木：那些微小、稀有且高度特定的零件，比如锂、钕或铂。你只需要很少的这类积木，但它们是让城市的灯光闪烁、汽车自动驾驶以及电池保持电量的“秘密配方”。

长期以来，科学家们一直担心我们可能会耗尽构建未来绿色能源世界所需的稀有、特种积木。但这项新研究提出了一个更宏大、更错综复杂的问题：如果我们连那些“普通”积木也无法获得，会发生什么？事实证明，如果你无法获得足够的钢或铜，这不仅仅会停止建造某一种东西，它还会向整个乐高城市发送冲击波。因为城市的每个部分都是相互连接的，某一领域的短缺会迫使你改变构建其他所有事物的方式，使得整个城市变得更加昂贵且难以供能。这项研究使用了一个超级智能的计算机模型来模拟当这些材料的供应受到挤压时会发生什么，它告诉我们，能源的未来不仅在于寻找稀有矿产，更在于确保整个供应链保持强韧。

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伟大的能源乐高短缺

来自太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）的一个研究小组决定利用一个名为 GCAM（全球变化分析模型）的高级计算机模型来玩一场巨大的“如果……会怎样？”的游戏。把 GCAM 想象成我们整个经济、能源系统和环境的数字孪生体。该团队想要观察，如果世界突然无法生产出建造未来能源系统所需的最重要的 13 种材料，会发生什么。这些材料包括像钢、铝和铜这样的重量级选手，也包括像锂（用于电池）、钕（用于磁铁）和铂（用于燃料电池）这样的“特种”明星。

在他们的主要“中心”情景中，他们设想了一个我们可以获得所需任何材料的世界。但随后，他们创建了一系列“受限”情景。在这些模拟中，他们人为地限制了这些材料的产量，使其仅为模型预测到 2050 年所需量的 25%、50% 或 75%。他们不仅仅观察了一个部门；他们观察了某一领域的短缺如何通过电力、交通运输和氢气生产产生连锁反应，观察整个系统是如何尝试进行适应的。

涟漪效应：当一块积木用完时

模拟发现的最令人惊讶的事情是，短缺并不会停留在原地。它们会像病毒一样传播。研究人员发现，如果你限制了钢、铝或铜等“大宗”材料的供应，它不仅仅会减缓发电厂或汽车的建设速度，它还会迫使整个能源系统改变其策略。

例如，如果钢铁产量减半，模型显示电力部门将遭受巨大打击。因为钢铁几乎用于每一种类型的发电厂和输电线路，短缺使得建造新的可再生能源变得过于昂贵。系统试图通过转向使用较少钢铁的能源来源来进行适应，但这并不是一个完美的解决方案。结果呢？到 2050 年，如果钢铁产量被限制在需求量的 50%，全球发电量将下降 43%。如果铜受限，发电量下降 41%。如果铝受限，发电量下降 31%。

这种短缺也会改变我们能源的价格标签。在这些模拟中，将钢、铝或铜的供应限制在需求量的 50%，会导致美国 2050 年的电价飙升 39% 至 70%。这就像如果水泥的价格突然翻倍，突然间，盖房子就变成了一种奢侈品，更少的人能负担得起住房。

多米诺骨牌倒下：汽车、电池与替代品

当你观察交通运输领域时，故事变得更有趣了。模型显示，当材料变得稀缺时，系统会尝试用一种技术交换另一种技术，但这并不总是一种平滑的交换。

• 电池之战： 锂和石墨是电动汽车（BEV）电池的主要成分。如果这些材料变得稀缺，模型预测建造的电动汽车将会减少。但这里有个转折：系统会尝试用其他类型的汽车来填补空白。一些电动汽车会转向使用钠离子电池（不使用锂），而一些人则会转回使用燃油车（ICE 车辆），因为燃油车使用的稀缺材料较少。
• 燃料电池转向： 铂是氢燃料电池汽车所需的。如果铂变得稀缺，这些车就会变得太贵，系统就会转向电动汽车或燃油车。
• 交叉影响： 模拟发现，这些领域的变化会影响其他领域。例如，如果锂很稀缺导致建造的电动汽车减少，那么对电力的需求就会下降。但如果系统转向使用氢燃料电池来替代电动汽车，那么对氢的需求就会上升，这进而需要更多的氢生产技术。这是一个巨大的“抢凳子”游戏，音乐从未停止。

“大宗”与“特种”的对决

这项研究的一个关键结论是“大宗”材料与“特种”材料之间的区别。

• 大宗材料（钢、铝、铜）： 这些是重量级的支撑者。模拟表明，这里的短缺对整个系统来说是最危险的。因为它们被用于“一切”，大宗材料的短缺会导致能源生产的大幅下降和价格的大幅上涨。它们是能源系统的脊梁，如果脊梁断裂，整个身体都会受苦。具体而言，如果大宗材料的产量减半，电动汽车的服务成本可能会上升 36% 至 85%。
• 特种材料（锂、钕等）： 这些更为特定。如果锂变得稀缺，它主要会伤害电池技术。如果钕变得稀缺，它主要会伤害风力涡轮机。虽然这些短缺仍会造成问题，但系统通常可以找到变通方法，比如更换不同类型的电池或不同类型的风力涡轮机。然而，特种材料的约束仍可能使电动汽车的服务成本上升高达 40%。

底线：一切都是相互连接的

研究作者强调，我们不能孤立地看待能源和材料。你不能只说“我们需要更多用于电池的锂”，而不去思考这会对制造这些电池所需的工厂所需的钢，或者为它们充电所需的铜产生什么影响。

在这些模拟中，研究人员发现能源系统是高度互联的。一种材料的短缺会引发连锁反应，改变技术选择，改变能源生产，并在全范围内推高价格。研究表明，为了建立一个安全的能源未来，我们不仅要关注稀有的、闪亮的矿产，还要关注那些常见的、沉重的材料，如钢和铜。如果我们不能保障这些“乏味”的大宗材料的供应，整个绿色能源转型可能会变得比我们希望的更加昂贵，也更加缓慢。

这项研究并没有证明短缺“一定会”发生，它只是模拟了如果真的发生了会怎样。信息很明确：在构建清洁能源未来的竞赛中，我们需要确保我们拥有每一种积木，从最微小的铂颗粒到最沉重的钢梁，否则整个乐高城市可能会开始崩塌。