原材料方面的挑战：金属和采矿部门将如何成为实现能源转型的核心领域

金属与采矿业务原材料挑战：金属和采矿业将如何成为实现能源转型的核心随着世界为净零做准备，对原材料的需求将飙升。能源转型为金属和矿业公司带来了独特的挑战，它们需要创新并重建其增长议程。本文由 Marcelo Azevedo、Magdalena Baczynska、Patricia Bingoto、Greg Callaway、Ken Hoffman 和 Oliver Ramsbottom 合作完成，代表麦肯锡金属与采矿业务部的观点。2022 年 1 月©米沙凯瑟/盖蒂图片社 2原材料挑战：金属和采矿业将如何成为实现能源转型的核心向净零过渡经济将是金属密集型的。随着向更清洁技术的发展，金属和采矿业将经受考验：它将需要提供能源转型所需的大量原材料。因为金属和采矿是一个很长的交货时间，高度资本密集型行业，价格飞涨和瓶颈在所难免供不应求和价格波动给大宗商品带来了不确定性生产所需的前期资本投资。供应、需求和定价相互作用将出现在不同的商品中，导致反馈循环其次是技术转变、需求破坏和材料替代的组合。预计金属和矿业公司将增长得更快——并且比以往任何时候都更干净。与此同时，最终用户部门需要将潜在的资源限制因素纳入技术开发和增长计划。到 2021 年 11 月下旬联合国气候变化大会 (COP26)，很明显，势头已经转变。在格拉斯哥做出的气候承诺已将减少全球碳排放的净零目标（旨在防止地球变暖超过 1.5°C）作为企业的核心原则。与此同时，另一个现实变得明显：净零承诺的形成速度超过了供应链、市场机制、融资模式以及其他解决方案和结构的形成速度，这些解决方案和结构需要让世界脱碳路径变得顺畅。1尽管关于会议是否取得足够成就的争论仍在继续，但很明显，未来十年将对经济脱碳起决定性作用。虽然全球经济中的每个部门都面临着共同的压力——例如利益相关者和投资者要求自己的业务脱碳——金属和矿业公司都面临着他们自己的特殊挑战：提供推动大规模技术转型所需的关键投入.随着我们从化石燃料转向风能和太阳能发电、基于电池和燃料电池的电动汽车 (EV) 以及氢气生产，原材料将成为脱碳努力和经济电气化的核心。就像有几种可能全球经济可以通过哪些轨迹实现将升温限制在 1.5°C 的目标，有相应的技术组合涉及不同的原材料组合，这些组合带来各自的影响。无论我们采用哪种脱碳途径，都会发生根本性的需求变化——这将改变我们所知道的金属和采矿业，创造新的价值来源，同时缩小其他来源。对额外供应的需求不仅来自相对大量的原材料——例如用于电气化的铜和用于电池电动汽车的镍，预计它们的需求将在当前应用之外出现显着增长——而且来自相对利基的商品，例如用于电池的锂和钴，用于太阳能电池板的碲，以及用于风力发电和电动汽车的永磁体的钕（图 1）。一些大宗商品——尤其是钢铁——也将在需要额外基础设施的技术中发挥推动作用。所需的过渡速度意味着某些原材料的供应量需要在相对较短的时间内扩大——在某些情况下，数量是当前市场规模的十倍或更多——以防止短缺并保持新的- 技术成本具有竞争力（见边栏“稀土金属”）。1Harry Bowcott、Daniel Pacthod 和 Dickon Pinner，“COP26 使净零成为企业的核心原则。领导者可以采取以下行动，”麦肯锡，2021 年 11 月 12 日。 原材料挑战：金属和采矿业将如何成为实现能源转型的核心3图表 1虽然钢铁作为所有技术转型的基础设施推动者至关重要，但特定元素将在每项技术中发挥重要作用。向低碳经济过渡的关键材料，按技术类型重要性低的无高的钢 铜 铝镍锌镝钕镨矽铽钴石墨锰银 镉 镓 铱 锂 铂 碲 铀地热水电核生物能源电力网络集中太阳的氢风力太阳能光伏电动汽车11包括能量储存。资料来源：欧盟战略技术和行业的关键原材料，一项前瞻性研究，欧盟委员会，2020 年 3 月 9 日；关键矿物在清洁能源转型中的作用，国际能源署，2021 年 5 月；麦肯锡分析经济增长、技术发展和材料强度是需求增长的驱动力公路运输和发电是在技术准备方面相对先进的行业的例子减少温室气体 (GHG) 排放。但建设低碳经济和降低这些行业的排放强度将是材料密集型的（图表 2）。例如，产生一太瓦时2电太阳能和风能分别消耗，2这种比较是以每太瓦时为基础进行的，而不是在文献中常见的以每吉瓦 (GW) 容量为基础进行的，因为不同的技术将具有不同的容量因子和寿命；因此，在比较技术时，1 GW 容量所产生的电量不会相同。同样，对于车辆，比较是按每公里而不是按每辆车进行的。发射强度因子可能因位置和材料选择而有很大差异 4原材料挑战：金属和采矿业将如何成为实现能源转型的核心稀土金属稀土金属的现有全球储量（不同金属合计）据信为 1.2 亿公吨稀土氧化物 (REO) 当量，相当于 2020 年全球估计产量 240,000 公吨的 500 年当量。1然而，当仔细观察时，许多因素脱颖而出。首先，这些元素的浓度相对较低；因此，识别资产并将其投入生产可能会带来更高的投资需求和交货时间。其次，对过渡至关重要的特定元素（例如钕）在这些沉积物中以非常不同的比例出现。这使得特定金属的可用性和经济性比表面分析可以揭示。第三，已知储量在地理上非常集中：据估计，40% 的 REO 等效储量在中国。因此，需要额外的地质勘探来确定其他经济特定地区的可行矿床。最后，除了原材料的可用性之外，特定元素的加工和分离也至关重要。迄今为止，大部分加工分离能力以及技术能力也集中在中国。因此，能源转型将需要对加工能力进行区域重新分配和供应链重组。1“矿物商品摘要：稀土”，美国地质调查局，2021 年 1 月。多出 300% 和 200% 的金属3在铜当量的基础上，从燃气发电厂产生相同数量的太瓦时，4同时仍然大大降低了该部门的排放强度——即使考虑到与材料生产相关的排放。5（有关当前如何限制基本原材料供应的更多信息，请参阅侧边栏“矿山供应和太阳能电池板生产”。）同样，生产电池或燃料电池电动汽车将比制造内燃机（ICE ） 车辆。在建设新的发电能力或生产新车时，材料强度以外的因素也会影响每项技术的碳足迹。6 首先，在其整个生命周期中使用该技术所产生的排放循环（例如在发电中燃烧化石燃料发电，或在运行电池电动汽车时使用电力）。其次，每种技术的排放强度在一定程度上取决于材料的选择（例如，车辆是钢还是铝）。第三，即使使用相同的材料，供应商的选择也会产生显着差异，因为相同商品的碳足迹可能会因其来源而有很大差异。最后，每个部门都会有有自己的特点。就发电而言，可再生能源的容量因子较低比基于化石燃料的产能。因此，需要更多的发电能力，因此需要更多的金属来产生相同数量的电力。在公路运输的情况下，不同动力系统的平均里程也可能发挥作用（例如，如果电池 EV 和燃料电池 EV 在其生命周期内比 ICE 行驶更长的距离）。3在这里，我们只测量金属需求。除金属外，其他材料（尤其是混凝土）将根据发电技术的不同而有不同的要求。4铜当量换算使用 2015-21 年每种金属的平均价格。这种转换用于强调对较小体积金属的需求，例如钯，否则与钢相比，钯似乎无关紧要。5有关材料生产相关排放的更多信息，请参阅“脱碳压力：矿山排放的驱动因素”，麦肯锡，2021 年 7 月 7 日；麦肯锡的 MineSpans。6同一技术中的排放强度可能会有很大差异（参见图表 2 中的示例）。 原材料挑战：金属和采矿业将如何成为实现能源转型的核心5图表 2为了大幅降低排放强度，低碳技术将需要更高的材料强度。发电其他镉、镓、碲 稀土元素 铝铜、镍、锌 钢材料强度，吨铜当量1每太瓦时2400300200100排放强度，3 千吨二氧化碳2每太瓦时21,0008006004002000燃煤燃气风4太阳能光伏0燃煤燃气风能 太阳能 光伏公路运输其他铂族金属5稀土元素 电池材料6铜铝钢材料强度，克 CuEq1每千公里2,0001,5001,000500排放强度，3 克一氧化碳2每公里当量250200150100500混合动力汽车7冰8燃料电池汽车9纯电动汽车100混合动力汽车冰燃料电池汽车纯电动汽车1铜当量。 CuEq 转换使用 2015-21 年每种金属的平均价格。这种转换用于强调对较小体积金属的需求，例如钯，否则与钢相比，钯似乎无关紧要。2此比较是基于每 TWh 而不是每 GW 容量，因为不同的技术将具有不同的利用率和寿命，因此在比较技术时，一个 GW 容量产生的电量不会相同.同样，对于车辆，它是按每公里而不是按每辆车计算的。排放强度因素可能因位置、材料选择而有很大差异。3估计的总生命周期排放强度，包括整个生命周期的原材料、生产和运营。估计值可能会因驱动因素的数量而有很大差异。4陆上和海上不同技术的估计平均值。不同技术的材料强度差异很大（例如，基于永磁体的技术需要大量稀土元素）。5钌、铑、钯、锇、铱和铂。6包括不锈钢中的镍。7混合动力汽车。8内燃机。9燃料电池电动汽车。10电池电动汽车。资料来源：Georg Bieker，内燃机和电动乘用车生命周期温室气体排放的全球比较，ICCT，2020 年 7 月 7 日；Elsa Dominish 等人，“到 2050 年全球能源转型的总材料需求：关注交通和电力、资源”，《保护与回收》，第 148 卷，2019 年 9 月； Samuel Carrara 等人，向脱碳能源系统过渡的风能和太阳能光伏技术的原材料需求，欧盟委员会，2020 年；欧盟战略技术和行业的关键原材料，一项前瞻性研究，欧盟委员会，2020 年 3 月 9 日；麦肯锡分析供应能多快做出反应？展望未来，在材料需求稳步增长以满足需求的情况下不断变化的需求，但市场无法适应不同的技术组合7 和材料强度随时间变化，假设的原材料短缺7有关麦肯锡电力和公路运输行业脱碳方案的更多信息，请访问麦肯锡未来交通、电力解决方案和能源洞察中心。 6原材料挑战：金属和采矿业将如何成为实现能源转型的核心矿山供应和太阳能电池板生产碲，一个相对利基的用于某些类型太阳能电池板的金属，全球矿山产量约为 500 公吨。1仅碲矿并不存在，因为它仅作为冶炼和精炼其他金属的副产品（超过90% 的碲来自电解铜精炼中收集的阳极泥2）。因此，虽然太阳能产能推动的需求增长可能是惊人的，但预计供应增长将受限于铜等金属的增长率。尽管铜由于能源转型，预计需求也将经历显着增长，其矿山供应不太可能以太阳能电池板生产在净零转型情景中所需的速度增长。1“矿物商品摘要：碲”，美国地质调查局，2021 年 1 月。2同上。将会出现——因为预计需求的增长速度将明显快于供应。例如，在图表 3 中呈现的情景下，锂矿供应将需要增长约 7 倍，而目前所需的增长是这样的。与此同时，矿产供应量较小的金属（如碲）需要表现出更快的增长——因为因此，这些是必要替代和技术创新的主要候选者。与过去观察到的情况相比，铜和镍等其他金属也需要加速供应增长。虽然此类金属所需的增长似乎不那么雄心勃勃，但相对于它们周围的规模更大的行业，也应该考虑到这一点由于需要大量资金，地质条件越来越具有挑战性（例如较小的矿床和较低的品位）、较长的交货时间和日益复杂的加工过程。仅就铜和镍而言，我们估计要满足图表 3 所示数量级的需求增长，到 2030 年将需要 2500 亿至 3500 亿美元的累计资本支出，以增加和弥补现有产能的枯竭。尽管有相对较大的项目来扩大其中一些商品的供应，并努力降低与某项商品相关的资本和运营成本数量众多（例如直接提取锂），手头的任务并非微不足道。事实上，在图表 3 中呈现的情景中，我们可以看到铜和镍的需求分别超过供应 5 到 800 万和 700,000 到 100 万吨。因此，有必要激励新的供应增长。价格优惠因此，虽然地壳中的某些原材料可能不一定存在物理资源稀缺，并且承认回收材料将在未来脱碳中发挥越来越重要的作用，但材料可用性的轨迹不会是线性的.我们预计材料短缺、价格飞涨，并且由于供应无法快速做出反应，因此需要技术创新和某些金属的替代品（可能以牺牲最终用途应用的性能和成本为代价）。虽然某些金属的原材料需求将呈指数级增长，但