可再生能源在缓解矿石品位下降对采矿影响中的作用评估

为解决采矿行业能源约束与矿石品位持续下降的双重挑战，研究人员通过Exergy（火用）分析评估了可再生能源整合对六种金属（Cu/Pb/Zn/Au/Ni/Ag）开采的影响。研究构建2050年前瞻模型，发现可再生能源可显著降低非可再生火用成本（降幅达53-70%），但品位下降仍导致最终火用成本上升5.5-57.5%。该研究为矿业能源转型提供了量化依据，指明氢能替代化石燃料对资源保护的关键作用。

　　

随着全球对金属需求的持续增长，矿业正面临双重困境：一方面，矿石品位呈现不可逆的下降趋势，铜矿品位从1900年的3%降至现今0.5%，金矿品位预计2050年将降至1g/t；另一方面，采矿业的能源消耗占全球煤炭供应量的19%，并贡献显著碳排放。这种"品位-能源"的恶性循环使得金属提取成本不断攀升，而传统化石燃料依赖更加剧了资源枯竭风险。在此背景下，评估可再生能源对缓解矿业资源压力的作用成为当务之急。

来自西班牙的研究团队在《Journal of Cleaner Production》发表的研究中，创新性地采用火用分析(Exergy)方法，对铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、金(Au)、镍(Ni)、银(Ag)六种金属建立"从摇篮到大门"的全流程模型。研究整合矿石品位历史数据（1900-2020年澳大利亚金矿、全球铜矿等实证数据）与能源回报率(EROI)演变规律，构建了包含采矿选矿(MC)、冶炼精炼(SR)等4个生产阶段、17种能源分类的分析框架，并设置2020能源结构、全可再生能源电力、光伏制氢、风电制氢四种2050情景。

关键技术方法包括：1) 基于历史数据的矿石品位衰减模型（指数方程b=x_c/x^b）；2) 分阶段火用成本核算（含25种化学试剂）；3) 非可再生与可再生火用成本解耦计算；4) 国际能源署(IEA)净零情景下的电力/氢能成本预测。

3.1 最终火用成本演变
研究发现：品位下降导致2050年金属最终火用成本增幅差异显著，其中金(Au)增幅最大达57.5%（1.6→1g/t），而银(Ag)仅增5.5%（156→128g/t）。这种差异源于金属特性——原生金矿的火用成本100%来自采矿选矿阶段，而铜/银等金属的冶炼阶段火用占比高达81-88%，缓冲了品位下降影响。

3.2 初级火用成本分析
通过能源结构情景对比发现：全可再生能源电力可使铜/锌的火用成本降低50%，但铅/金等化石燃料依赖型金属（占比80-95%）仍需氢能替代才能实现深度减排。风电制氢方案虽使总火用成本增加4-51%，但非可再生火用消耗下降53-70%，其中铅(Pb)和镍(Ni)降幅最大（超70%）。

3.3 远期预测
模型延伸显示：当金矿品位低于0.3g/t时，即使采用风电制氢，其火用成本仍与2050年基准相当。而铜因电力主导的选矿工艺，在超低品位下非可再生火用仅增66MJ/kg，凸显可再生能源对铜矿的持续效益。

该研究首次系统量化了可再生能源对抵消矿石品位下降的贡献度，揭示出：1) 电力清洁化可使2050年非可再生火用需求降低40-60%；2) 氢能替代需针对金属特性定制，铅锌系金属更适合风电制氢方案；3) 品位衰减终将成为主导因素，强调循环经济的重要性。研究为矿业制定碳中和路径提供了精确的火用核算工具，尤其指出智利Escondida铜矿等100%可再生能源供电案例的示范价值。但作者也指出，偏远矿区能源基建不足、氢能储运成本未计入等现实挑战仍需突破，建议未来研究应纳入水资源、土地利用等多维环境指标。