Scenario Based Dynamic Material Flow Analysis of Dutch Macro Infrastructure Stocks: Assessing Future Material Demand and Circularity Potentials

技术摘要：基于情景的荷兰宏观基础设施存量动态材料流分析

问题陈述
实现基础设施系统的循环性，需要有效地从寿命结束（EoL）的存量中回收二次原材料，以抵消未来的原生材料需求。虽然荷兰拥有发达的基础设施存量，但这些设施目前正接近其设计的寿命终点（主要建于 20 世纪 60 年代至 70 年代）。目前在量化非建筑类宏观基础设施的未来二次材料可用性方面存在显著的研究空白。现有研究通常侧重于建筑或特定的移动出行领域，忽略了水务、公用事业和化石燃料基础设施。此外，存在一个关键的区别，即理论回收潜力与实际的“闭环”循环性之间的区别，后者要求材料保留其原始的功能性和价值。目前荷兰的大部分回收过程涉及降级回收（例如，将混凝土骨料用作道路填料），这无法有效减少原生材料的需求。本研究旨在解决量化荷兰宏观基础设施中钢、混凝土和沥青在不同转型情景下的未来材料需求及闭环循环潜力的需求。

方法论
本研究采用基于存量的**动态材料流分析（dMFA）**模型，该模型基于 Müller (2006) 的框架构建。分析涵盖了宏观基础设施（不包括建筑），分为五个类别：公路与铁路、水务、石油与天然气、电力和公用事业。分析的三种大宗材料为钢、混凝土和沥青，它们在这些领域的重量占比超过 90%。

• 数据来源： 历史存量发展、材料强度和平均寿命（1950–2023）的数据收集自 SUBLIME 数据库。
• 寿命建模： 使用 Weibell 分布函数对基础设施寿命生存曲线进行建模，这是针对长寿命资产的推荐做法。
• 情景开发： 开发了三种不同的情景以捕捉未来的不确定性：
  • 参考情景（Reference Scenario）： 符合资产所有者的中心预测和当前趋势。
  • 低需求情景（Low-Demand Scenario）： 假设监管激励有限且技术进步缓慢。
  • 高需求情景（High-Demand Scenario）： 假设能源转型雄心勃勃，政策干预有力（例如，回收指令），并拥有先进的回收基础设施。
• 量化： 使用存量-流量-服务纽带计算未来材料存量 ($MS$)：$MS = Pop \times (S/Pop) \times (M/S)$，其中$Pop$是人口，$S/Pop$是人均基础设施需求，$M/S$ 是材料强度。
• 循环性指标： 研究区分了最大供应潜力（理论流出量）和实际回收潜力（考虑系统性损失）。至关重要的是，它计算了闭环循环性（CLC），定义为由在相同功能水平下再利用的二次材料所满足的总材料需求的百分比，明确排除了降级回收。

主要结果
分析预测了 2-2070 年三种情景下的材料流：

• 材料需求趋势：

  • 钢： 预计到 2070 年，年需求量将比 2024 年大幅增加 94–104%，这主要由能源基础设施（海上/陆上风电、太阳能）的扩张驱动。
  • 混凝土： 预计需求将增长 58–94%，由公用事业网络和可再生能源基础驱动。
  • 沥青： 需求保持相对稳定，预计仅增长 1–2%，因为道路网络已趋于成熟，需求由更换而非扩张驱动。

• 供应与回收潜力：

  • 钢： 理论 EoL 供应可满足未来需求的 74–86%。然而，由于出口依赖、污染（如六价铬）和监管障碍（NEN-EN 1090），实现的闭环循环性估计为 31–40%。
  • 混凝土： 理论供应可满足需求的 71–83%。然而，广泛的向低价值道路基础的降级回收限制了实际的闭环循环性至 3–23%。
  • 沥青： 理论供应可满足需求的 92–101%。由于成熟的回收框架和高比例的回收沥青（RAP）使用，实现的闭环循环性估计为 50–85%。

• 部门转移： 到 2070 年，能源基础设施预计将占据钢（50–60%）和混凝土（42–56%）存量及流出的主要部分，从而偏离了历史上由公路和公用事业主导的地位。

核心贡献

1. 全面的范围： 本研究将材料流分析的范围从建筑和移动出行扩展到了水务、公用事业和能源基础设施，提供了荷兰宏观基础设施存量的整体视图。
2. 区分循环性： 它明确量化了理论回收与闭环循环性之间的差距，强调了高回收率（例如，建筑废弃物回收率为 98%）往往掩盖了无法替代原生材料的显著降级回收现象。
3. 情景敏感性： 分析表明，政策雄心和技术进步（特别是高需求情景下）可以显著提高循环结果，高需求情景的循环性比参考情景高出达 13–35%。
4. 识别瓶颈： 研究识别了具体的系统性障碍，包括缺乏用于结构钢的国内电弧炉（EAF）产能、阻碍高价值混凝土再利用的严格质量标准，以及在城市化地区储存回收沥料的物流挑战。

意义与主张
作者声称，这些发现为荷兰宏观基础设施领域的材料循环潜力提供了系统层面的理解。研究断言，尽管理论潜力存在，能够通过二次资源满足大部分未来材料需求，但目前的系统性低效限制了实际的闭环循环性仅为该潜力的一小部分。

论文得出结论，充分回收 EoL 材料存量可以在 2024 年至 2070 年间减少 16–49% 的年度原生材料需求。这一减少被视为实现荷兰政府 2050 年净零排放目标的关键组成部分。作者强调，实现这一潜力需要采取协同方法，整合：

• 技术创新： 特别是高等级混凝土的升级回收和结构钢的部件级再利用。
• 政策干预： 更强的回收指令、二次材料激励措施以及更新的监管框架（例如，超越 NEN-EN 1090 的限制）。
• 设计干预： 优先考虑易拆解设计、模块化和材料可追溯性。

该研究将荷兰定位为面临类似老化基础设施挑战的其他早期工业化国家的代表案例，提供了向基础设施循环性转型的可借鉴见解。