Ayman Elshkaki和沈镭等在关键矿产—能源—水资源关联过程和应对全球气候变化影响方面取得系列研究进展

  近年来,能源-水关联过程及其应对全球气候变化影响的研究受到了国内外关注,而这种联系与关键矿产供需紧密相关。从供给侧看,如果没有足够的关键矿产资源供应,尤其是铟、碲、锗和稀土元素(REE)等关键金属矿产,就无法实现向低碳社会转型;在需求侧,减少能源消费的很多新技术都需要稀土元素等特定关键矿产资源的支撑。通过对光伏、风电、电动汽车等新能源技术中30余种关键金属材料的100余种情景模拟与分析研究,Ayman Elshkaki和沈镭等研究员在关键矿产能源水关联及对全球气候变化影响方面取得了如下重要进展:     

  1刻画了应对全球气候变化战略目标下,光伏、风能等新能源技术中关键矿产资源的长期需求态势及其生产过程中能源消费和碳排放。基于国际能源署提出的全球450减排情景,t6立即注册:研究发现新能源系统中最为关键的金属矿产包括碲、铬、银、镍、铟、锗以及铽、镝等稀土元素,技术进步有望降低银、铟与稀土元素的供应风险;按当前关键矿产资源供应形势,到2050年全球难以实现国际能源署提出的低排放情景(IEA450)目标;2050年光伏技术中的材料需求将主要依赖于二次金属矿产资源的回收;2050年要生产光伏技术中关键矿产资源,所需能源预计将达到太阳能发电的5.9%至11.8%,占总发电量的0.76%至1.52%,产生的二氧化碳排放将占二氧化碳排放总量的0.94%至2.2%。    

  2建立了面向2050年全球7种大宗金属矿产资源消费的预测模型,识别了未来全球大宗矿产资源的供应风险。2050年,铁、铜、铝、锰、镍、铅、锌等7种大宗矿产需求量将是2010年的23倍;未来大宗矿产资源的二次回收量只能满足一小部分的需求;按照目前的铜、锌和铅利用模式,其矿产资源供应将在2050年前后难以满足需求。2050年大宗矿产资源的需求上升将导致全球能源总需求增加2137%。     

  (3)基于2050年新能源发展战略,定量评估了中国新能源产业中关键矿产资源--能源-碳排放关联过程及其全球影响。新能源产业中关键金属矿产资源如锗、铟、镝等的中国储量占全球储量的比重较大,而且这些矿产主要集中在国内生产,在全球供应链中具有重要地位。到2050年中国新能源技术中关键金属矿产的开发利用所需能源预计年均为能源总需求的2.3-3.4%,其中主要是光伏和风电材料的生产耗能;到2050年,中国新能源产业所需的钢铁及混凝土材料的需求量多于铝资源的需求量,铝资源生产所需的能源和水资源以及碳排放量反而比钢铁高但比混凝土低,这意味着未来新能源产业发展可能导致消耗更多的能源和水资源并产生更高的碳排放。     

  4建立了中国电动汽车产业中16种关键金属矿产的物质流分析模型,评估了中国电动汽车发展对于全球关键矿产资源供应的影响。全球电动汽车中关键矿产资源的供应不会限制中国电动汽车的发展,但需要提高多数关键矿产资源的生产能力;延长电动汽车的使用寿命并使用多种电池,可以减少与稀土元素相关的资源供应风险;未来中国电动汽车中社会资源存量将大于原生资源储量;中国电动汽车的发展对世界其它地区和其它部门的关键矿产资源可供性(主要为稀土元素和石墨)将产生重大影响。     

  上述研究成果得到中国科学院战略性先导科技专项(A类)(任务编号:XDA19040102)、国家重点研发计划(课题号:2016YFA0602802)和国家自然科学基金面上项目(41771566)等项目资助。     

  相关论文(*通讯作者,#同等贡献): 

  1.    Ayman Elshkaki*. Long-term analysis of critical materials in future vehicles electrification in China and their national and global implications. Energy, 2020. (一区, IF=6.082)   

  2.    Ayman Elshkaki*, Shen L, Chen WQ. Material-energy-water nexus: Modelling the long term implications of aluminium demand and supply on global climate change up to 2050. Environmental Research 2020. (一区, IF=6.096)    

  3.    Ayman Elshkaki*, Shen L. Energy-material nexus: The impacts of national and international energy scenarios on critical metals use in China up to 2050 and their global implications. Energy, 2019. (一区, IF=6.082)    

  4.    Ayman Elshkaki*. Material-energy-water-carbon nexus in China’s electricity generation system up to 2050. Energy, 2019. (一区, IF=6.082)    

  5.    Ayman Elshkaki*. Materials, energy, water, and emissions nexus impacts on the future contribution of PV solar technologies to global energy scenarios. Nature Scientific Report, 2019, 9, 19238.     

  6.    Ayman Elshkaki, Graedel T*, Luca Ciacci, Barbara K. Reck. 申博138pt平台. Environmental Science & Technology, 2018. (一区, IF=7.149)   

        7.    Ciacci, L., Fishman, T., Elshkaki, A., Graedel, T.E., Vassura, I., Passarini, F. Exploring future copper demand, recycling and associated greenhouse gas emissions in the EU-28. Global Environmental Change, 2020, 63, 102093. (一区,IF 10.466)


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