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在电力系统向净零转型进程中，关键材料约束成为重要阻碍。研究人员围绕调整发电子技术市场份额，探究缓解材料约束路径。结果发现太阳能光伏和风电子技术市场份额对关键材料需求影响重大。该研究为应对材料约束提供新思路。
在全球努力应对气候变化的当下，电力系统的低碳转型成为关键一环。随着可再生能源和低碳技术的大力推广，太阳能光伏（PV）、风电等非化石燃料发电方式逐渐兴起。然而，这一转型过程并非一帆风顺，关键材料的约束问题日益凸显。这些关键材料不仅经济重要性高，而且供应风险大，比如铜在任何发电系统中都难以替代，电力系统对它们的额外需求，加剧了原本就因人口增长、技术和经济发展而面临的材料供应压力，严重制约着电力系统向净零的转型。
目前，已有不少研究聚焦于量化特定可再生能源技术的关键材料需求，也对全球或主要经济体在发电系统转型过程中的材料需求进行了分析。但这些研究大多只是识别出材料约束和供应风险，却很少深入探究缓解关键材料约束的有效途径。而且，现有研究在考虑问题时不够全面，很少从更细致的子技术层面进行分析，也未充分考虑非发电部门对关键材料的竞争需求。
为了填补这些研究空白，上海交通大学等机构的研究人员开展了一项系统性研究。他们深入分析了 19 种可能导致材料约束的关键材料，探讨从调整发电子技术市场份额的角度来缓解材料约束的路径。研究成果发表在《Nature Communications》上，为后续研究和政策制定提供了重要参考。
在研究方法上，研究人员主要运用了以下几种关键技术：
- 设定不同场景：设计了两种电力系统转型场景，即照常营业（BAU）场景和碳中和（CNT）场景，以反映不同的发电情景。同时，设置了保守（CON）、适度（MOD）和激进（PRO）三种子技术市场份额场景，用来评估子技术市场份额调整的潜在影响。
- 动态物质流分析（MFA）：通过该方法计算电力系统转型过程中的材料需求。具体是先量化每年技术的退役容量，再计算特定子技术的新增容量，最后得出材料的年度需求和到 2060 年的累计需求。
- 综合估算其他部门材料需求：采用已发表文献数据、指数增长模型和强度法三种方法，估算其他部门的材料需求，以全面评估资源安全。
下面来看具体的研究结果：
- 不同低碳转型路径下的材料需求：对比 BAU_MOD 和 CNT_MOD 两种综合场景发现，到 2060 年，CNT_MOD 场景下 19 种材料的累计需求约为 52.2 兆吨，是 BAU_MOD 场景（19.3 兆吨）的两倍多。其中，太阳能光伏技术的材料需求增长最为显著，从 BAU_MOD 场景下的 8.6 兆吨增加到 CNT_MOD 场景下的 35.0 兆吨，增长了 3.1 倍。风电、核电和 CCS 的材料需求也分别增长了 84%、61% 和 73%。从不同材料来看，CNT_MOD 场景下铜（Cu）、镓（Ga）、锗（Ge）等多种材料的累计需求相较于 BAU_MOD 场景大幅增加，主要是由太阳能光伏的扩张导致。
- 子技术市场份额对材料需求的影响：在 CNT 场景下的三种市场份额情景中，太阳能光伏子技术市场份额对技术特定材料需求影响重大。例如，随着场景从保守向激进转变，太阳能光伏的累计材料需求显著增加，在 CNT_PRO 场景下，太阳能光伏对镓的需求预计比 CNT_CON 场景高 56 倍。风电在 CNT_PRO 场景下对特定技术材料的需求最高，但相比 CNT_MOD 场景仅高 3%。而核电在更激进的场景下，材料需求尤其是铀（U）的需求会减少。
- 电力系统转型下的材料约束和重要性值：将 2060 年的累计材料需求与中国目前的储量对比发现，多种材料存在约束问题。引入重要性值（发电系统材料需求与所有部门总材料需求的比值）评估发现，镓、碲（Te）等材料的重要性值较高，且随着场景从保守向激进转变，部分材料的重要性值会进一步增加。
- 关键参数的敏感性分析：对材料强度和平均寿命这两个关键参数进行敏感性分析，结果表明，材料强度对累计材料需求和重要性值的影响比平均寿命更大。加速降低材料强度可能是减少发电系统转型材料需求的更好方法。
研究结论和讨论部分指出，在设计低碳电力系统转型政策时，必须充分考虑材料约束问题。研究发现太阳能光伏和风电的子技术市场份额对关键材料需求和重要性值影响巨大。通过调整子技术市场份额，有可能缓解材料约束。例如，在太阳能光伏市场，传统的晶体硅（c-Si）太阳能电池子技术消耗的关键材料相对较少；在风电市场，传统的无永磁体的陆上风机在材料约束方面更具优势。此外，核电技术在应对某些材料约束方面有潜力，但面临铀约束以及政治和安全等问题。
为了更好地实施缓解材料约束的路径，还需要制定相应政策。比如，加强对潜在新兴子技术（如钙钛矿太阳能电池和超导直驱（SDD）风力子技术）的研发支持，降低其经济成本；通过监管市场机制，引导特定技术的采用；限制稀缺关键材料的开采，促进材料回收利用等。
这项研究为后续研究应对材料约束提供了重要参考，尤其对发展中国家在制定自身清洁能源转型策略时，如何根据资源禀赋调整子技术市场份额具有重要指导意义。但研究也存在一定局限性，如对未来其他部门材料需求的预测存在不确定性，未考虑未来材料供应情况，也未开发出最优的子技术市场份额组合。未来随着更多数据和知识的积累，可以进一步深入研究这些问题 。
