支持关键材料二级市场发展的基于主体模型

《Resources, Conservation and Recycling》：An agent based model to support secondary critical materials markets development

　　

摘要
二手材料市场（SMMs）的发展是一种有前景的方法，可用于多样化和加强关键材料供应链。SMMs 涉及从废弃产品中回收有价值材料，并通过合作商业伙伴关系将有价值材料重新引入经济体系。本研究旨在满足对分析工具的需求，这些工具能够使 SMM 利益相关者评估各种运行条件下的潜在结果，并就 SMM 的参与和发展做出明智决策。开发了一种新型基于智能体的模型，与现有的技术经济分析和生命周期评估指标相结合，以定量评估 SMMs 的可行性及其影响，从而启用二次关键材料原料。模型同时考虑了多个相互依赖的因素，包括技术经济发展、需求不确定性、不一致的废弃产品管理情景，以及不断变化的利益相关者商业策略和互动。该模型的分析能力通过一个基于真实情境的假设光伏（PV）废物管理案例研究得到验证。在基准测试条件下，模型估计可回收约 72% 的区域 PV 废物，提供二次材料以满足邻近制造厂商的需求。例如，在基准测试条件下，约 45% 的铝需求通过回收材料得到满足，这为购买回收铝的合作厂商节省了约 2300 万美元。通过这种方式，本研究为支持通过 SMMs 回收关键材料相关决策的分析工具开发奠定了基础。

引言
对于制造产品至关重要的材料，如果缺失会对国家安全和经济增长产生不利影响，且其供应链容易受到各种干扰，这类材料被归类为关键材料。关键材料在电子、交通、能源和国防等多个领域都有需求（Diaz 等人，2016 年；国家科学院和医学研究所，2025 年；Ortego 等人，2020 年）。鉴于其重要性，多个国家（包括美国）正在探索解决方案以加强关键材料安全（Taylor，2023 年）。

采用生命周期方法是一种有前景的方式，可用于最大化产品价值并改善有价值材料的回收。通过考虑产品的使用末端（EoU）阶段，回收高价值和（或）关键材料的策略可以实现二次原料的开发，从而加强供应链（Gaustad 等人，2018 年）。例如，光伏（PV）使用铝（Al）、硅（Si）、铜（Cu）和银——所有这些最近都被美国内政部报告认定为关键矿物（Nassar 等人，2025 年）。随着全球光伏安装量的增加，预计美国的光伏废物累积量将在 750 万至 1000 万公吨之间（全球为 6000 万至 7800 万公吨）（Mathur 等人，2022 年；Walzberg 等人，2021 年）。目前，缺乏足够的回收基础设施来管理使用末端（EoU）PV，导致 EoU PV 被直接填埋或储存。不当的 EoU PV 管理导致关键材料的损失，加剧了对原生关键材料供应链的依赖，而这些供应链容易受到地缘政治动荡的影响（Nassar 等人，2025 年）。除了有价值材料的损失外，PV 的不当处置还会对环境和人类健康造成不利影响。

这引出了以下研究问题：我们如何利用生命周期工程（特别是 EoU 管理）的原则来加强关键材料供应链，并在多个维度（经济、环境和人类健康）上最大化产品价值？旨在减少意外材料损失并开发二次关键材料来源的 EoU 管理可以通过两种方式实现：闭环回收和开环回收。通过闭环途径回收的材料用于同一价值链。例如，包括修复或再制造使用过的 PV，或回收以提供生产新 PV 的原材料。开环回收途径将回收的材料输送到不同的价值链。例如，从 PV 回收中恢复的材料可以为制造汽车零部件、电子产品和工业机械的公司提供原材料（Mathur 等人，2022 年）。当前的研究和实践主要集中于闭环回收，对于开环回收策略的理解有限（Flores 等人，2022 年；Gunasekara 等人，2023 年；Mathur 等人，2023 年；Walzberg 等人，2021 年）。

然而，在实际中，预计成功最大化产品价值最好通过同时采用开环和闭环回收途径来支持（Bimpizas-Pinis 等人，2022 年；Braz 和 Mello，2022 年）。当前的做法导致制造系统内资源的利用不足（Dennison 等人，2024 年；Di Maio 等人，2017 年）。开环和闭环回收的结合是提高制造系统效率的途径，因为它保留了功能性子组件和组件的价值以再制造新产品（通常在同一产品价值链内），同时实现了对非功能性产品、子组件和/或组件在材料水平上的回收以供回收（在同一或不同产品价值链中）。

例如，通过分散式 PV 回收进行的开环材料回收可以通过提供较便宜的原材料来源和一种替代方案，支持区域中小企业（SMEs）和原始设备制造商（OEMs），使区域产业在原生材料供应链受到干扰时仍能继续生产。鉴于中小企业和 OEM 通常受到此类供应中断的更为严重的影响，这一点尤为重要（Baghersad 和 Zobel，2021 年）。此类分散式材料回收策略还将消除将 PV 废物运输到特定 PV 制造场地的需要。开环材料回收可以通过发展二手材料市场（SMM）和工业共生（IS）来实现，其中不同公司形成互惠互利的商业伙伴关系，使得一家公司的废物或副产品被其他公司购买并用作原材料（Chatterjee 等人，2021 年；Chertow 和 Ehrenfeld，2012 年；Romero 和 Ruiz，2013 年）。

此前，Mathur 等人（2020）提出了一个假设的生命周期共生网络（IS 的扩展），其中分析了 EoU PV 回收过程，以识别潜在的商业合作伙伴关系，为通过开环回收使 EoU PV 废物管理循环化提供回收材料的“拉力”（Mathur 等人，2020 年）。该研究还使用生命周期评估（LCA）指标评估了参与公司在 LCS 网络中的潜在财务收益以及相关的 LCA 网络环境收益（Mathur 等人，2020 年，2022 年）。

然而，此类评估假设企业间二次材料合作伙伴关系的无缝发展，忽视了动态变化的利益相关者策略和可能影响合作商业决策形成的外生因素。因此，它们有过度估计围绕 PV 废物（或一般电子废物）回收的 SMM 发展的潜在经济和环境影响的风险。

SMMs 最好被理解为复杂自适应网络（Chertow 和 Ehrenfeld，2012 年；Romero 和 Ruiz，2013 年；Braz 和 Mello，2022 年），其性能（如回收有价值材料或降低运营成本）是其参与公司与运营环境互动的结果。SMM 的发展需要多个利益相关者（如制造公司和材料回收企业（MRFs））的认可、沟通、信任和遵守。任何扰动，如一家公司退出合作伙伴关系或环境政策的变化，都可能对整个网络产生连锁影响，降低其从 EoU PVs 有效回收和供应有价值材料的能力。因此，需要能够评估通过以 PV 回收为中心的 SMMs 进行材料回收的可行性和有效性的预测模型，该模型需考虑各种现实世界商业运营策略和运营条件。

基于智能体的建模（ABM）是一种自下而上的建模方法，其中单个智能体根据其当前状态、当前运营情况以及其他交互智能体的输入，使用一组决策原则（可以演变）行事（Epstein 和 Axtell，1996 年；Wilensky 和 Rand，2015 年）。当分析具有多个异构参与者、局部知识和决策的系统时，ABMs 特别有用。因此，ABM 可以有效地考虑 IS 网络中的多个决策者及其互动。ABM 使得探索 IS 网络中公司合作伙伴关系的动态演变成为可能。

ABMs 也被确定为一种有前景的工具，用于测试不同的经济政策情景并评估其后果（Farmer 和 Foley，2009 年）。最近的文献也支持使用基于智能体的建模来分析市政废物管理情景。例如，ABM 已被用于研究家庭废物管理行为，并识别家庭参与和分离的改进情景，以改善可回收 EoU 产品的收集（Meng 等人，2018 年；Tong 等人，2018 年）。使用与生命周期评估相结合的 ABM 已被提议作为评估循环商业模式的有效工具。例如，最近的出版物使用了这种方法来评估日本冰箱和笔记本电脑的重复使用、翻新和订阅模式（Koide 等人，2025 年）。另一项最近的研究利用这种方法调查了德国案例研究中化学回收的后果环境、经济和社会影响（Voss 等人，2023 年）。特别是在 EoU PV 管理的背景下，Walzberg 等人（2021）使用 ABM 调查了社会因素在 EoU PV 回收计划成功中的作用（Walzberg 等人，2021 年）。

近期研究还探索了 ABM 在分析 IS 网络背景下的应用。Ghali 等人（2017）提出了一种 ABM 来模拟社会结构、信任和知识扩散对 IS 发展的影响（Ghali 等人，2017 年）。Fraccascia 等人（2020）使用 ABM 研究了冗余在提高 IS 性能中的作用（Fraccascia 等人，2020 年）。Yazan 等人（2020）使用 ABM 调查合作伙伴公司的合作与机会主义行为如何影响 IS 发展和资源效率（Yazan 等人，2020 年）。在这里，合作行为指的是合作伙伴公司公平分摊共享成本，而机会主义行为指的是合作伙伴公司避免共享成本责任。Lange 等人（2021）使用 ABM 研究与厌氧消化相关的 IS 网络，以处理当地有机废物，可能为当地使用提供能源（Lange 等人，2021 年）。最近，Fussone 等人（2025）使用 ABM 研究在两个供应链之间实施的工业共生的发展（Fussone 等人，2025 年）。另一项研究应用 ABM 优化与农业活动相关和热电厂案例研究中利益相关者的经济效益（Saghafi 和 Roshandel，2024 年）。

这些研究中呈现的结果为使用 ABM 研究循环经济策略提供了强有力的支持，并为当前研究奠定了基础。然而，通过此次回顾也注意到，其中许多研究专注于废物收集方面：包括消费者（或家庭）行为对成功收集可回收 EoU 产品的影响，以及废物产生者和废物处理器之间的合作伙伴关系（在 IS 网络的情况下）。使用 ABM 的许多循环商业模式研究也专注于闭环材料回收。相对较少关注与废物收集后从 EoU 产品中回收的材料相关的共生二手市场合作伙伴关系（开环回收）的发展。虽然使用 ABMs 的 IS 网络研究研究开环回收，但它们通常假设一组合作伙伴公司之间只有一种类型的资源流交换，或专门关注基于社会因素的协同作用发展。因此，它们不适用于围绕 PV 回收（或可能回收关键材料的其他技术）的二手材料市场发展的务实分析，其中一种回收材料的需求变化可以间接影响另一种回收材料的可用性。本研究通过探索使用 ABM（与生命周期评估和技术经济分析指标集成）来分析围绕 EoU PV 回收过程开发的邻近制造公司（对不同回收材料感兴趣）之间的共生商业合作伙伴关系的可行性和影响，来解决这些局限性。

本研究开发了一种新型动态光伏回收为基础的二手材料市场分析工具，该工具将 ABM 与现有的技术经济分析（TEA）和生命周期影响评估（LCA）指标相结合（见图 1）。此处开发的 ABM 评估了 SMM 发展的可行性和影响，考虑了单个公司策略（如机会主义公司行为）的相互依赖角色，合作商业合作伙伴关系的不稳定性（由于诸如企业间信任等行为因素），多种回收材料流之间的依赖性，以及多样化的运营条件（如 PV 回收和处置成本）。该模型还提供了与基于开环材料回收的 PV 废物管理相关的环境和人类健康影响的动态估计。本研究中开发的模型，使用文献中的一个基于真实情境的假设案例研究进行测试。

通过这种方式，本研究为推进围绕使用结束（EoU）光伏（或包含关键材料的产品）回收的二次材料市场发展的可行性和影响评估能力做出了基础性贡献，以此作为保障美国关键材料供应链和支持区域制造企业的途径。

章节摘要
方法：建模方法
本节描述了用于分析与关键矿物回收相关的二次材料市场发展的基于代理的建模（ABM）方法（在图 1 中进行了可视化总结）。本节首先定义 ABM 的核心组件，然后详细介绍了所开发的 SMM 分析 ABM，与现有经济技术分析及生命周期影响评估指标的结合，以及用于测试模型的案例研究。

结果：模型演示
所开发的模型使用第 2.7 节中描述的案例研究进行了测试。本节展示了假设性案例研究分析的结果，证明了模型的能力。累积使用结束（EoU）光伏回收与处置比例被用作光伏 EoU 管理中开环材料回收可行性的指标。更高的累积 EoU 光伏回收转化为关键矿物在本地经济中更高的保留率。当 EoU 光伏回收趋势

所开发模型的显著特征
假设性案例研究分析表明，所开发的模型能够量化在各种条件下与使用结束（EoU）光伏 SMM 发展相关的材料回收潜力、净经济效益以及净环境和人类健康影响。需要注意的是，第 3 节中提出的分析测试的是一个假设场景，在目前状态下，不应被视为现实世界的预测。然而，结果支持了模型辨别的能力

结论
本文描述了一种整合现有经济技术分析（TEA）和生命周期评估（LCA）指标的新型基于代理的建模（ABM）模型的开发和测试，该模型评估与关键材料回收相关的二次材料市场（SMM）发展的可行性和影响，考虑了多个相互依赖的因素，包括不断变化的商业策略、经济技术发展以及不稳定的使用结束（EoU）产品收集和材料需求场景。本文提出的分析突出了对材料方面的进展的迫切需要

CRediT 作者贡献声明
Abheek Chatterjee：撰写 – 初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。Nehika Mathur：撰写 – 审查与编辑、验证、项目管理、资金获取、形式分析、数据整理、概念化、监督。

竞争利益声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，可能影响本文报告的工作。

致谢
本材料基于由 NIST 专业研究体验计划（PREP）在资助编号 70NANB23H024 下支持的工作。我们感谢 Sidi Deng 博士关于二次铝市场的见解。我们也感谢我们的 NIST 同事对改进本手稿的宝贵反馈。最后，我们要感谢审稿人提出的建设性反馈，这显著提高了本手稿的质量。

Abheek Chatterjee|Nehika Mathur
美国马里兰州盖瑟斯堡 国家标准与技术研究院