未來十年新業態下鋁資源需求分析

崔博京，陳其慎，王 琨，張艷飛，康 昆，任 鑫，王良晨

（1.中國地質大學（北京）地球科學與資源學院，北京 100083；2.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037）

0 引言

鋁具有良好的導電性、傳熱性、耐腐蝕性，是僅次于鋼鐵的第二大金屬，是國家經濟發展不可或缺的極為重要的基礎材料（劉風琴等，2022），廣泛應用于建筑、交通運輸、光伏、耐用消費品等行業（陳其慎等，2016）。在世界應對氣候變化、“碳中和、碳達峰”大趨勢背景下，鋁行業面臨巨大挑戰，鋁行業，尤其是電解鋁冶煉環節，能源高度密集，碳排放量大。同時，面對歷史重大機遇，鋁是實現汽車輕量化、能源轉型的重要材料，新能源汽車、光伏等低碳新興行業的高速發展，激發了巨量的鋁材料需求（EAA，2020；Liu等，2016a）。我國原鋁產量和消費量超過全球的50%，而鋁土礦的資源儲量僅為世界的3%，礦石以一水軟鋁為主，品質不佳（高蘭等，2015），且58%的鋁土礦依賴進口。因此，研判鋁資源需求趨勢對探索鋁行業高質量發展的合理路徑至關重要。

近年來，國內外學者針對碳排放、鋁資源需求分析開展了大量研究工作。關于碳排放，杜焱等（2022）基于系統動力學模型，通過設定3種情景方案，動態模擬了我國能源消費碳排放發展演變趨勢；簡曉彬等（2021）以江蘇蘇北地區為例，從行業及地區層面運用碳排放分解模型測度工業發展的碳排放效應；麥文雋（2022）以交通行業減碳為例，并從方法論層面，為量化評估國家碳中和愿景下的行業減碳潛力與識別關鍵減碳因素構建了基于系統思想的分析框架。關于鋁需求分析，袁緯芳等（2014）利用BP神經網絡建立鋁礦資源需求情景分析模型，分3種情景預測了我國對鋁礦資源的需求；Dai等（2019）基于情景的動態物質流分析，量化了人為鋁循環中的存量和流量；Elshkaki等（2020）針對材料能源-水關系，結合CO2排放，研究了市場、彈性、安全、公平4種情境下鋁資源及其消耗能源的需求；Li等（2021）利用動態材料流分析、回歸分析等方法對中國鋁的國內消費量、廢品產生量和在用庫存量進行了估算；Van den Eynde等（2022）在IAI的全球鋁流動模型中引入了回收廢料流，評估了再生鋁的生產潛力并分析了原鋁的供需問題。大部分研究是基于動態材料流或結合歷年消費演化規律預測未來鋁消費量，未考慮到新業態下再生鋁將蓬勃發展，且針對我國鋁行業減碳潛力的系統研究較少。

系統動力學方法包容適配性極強，同時可以與情景分析、部門預測等研究方法融匯互通，因此，本文運用系統動力仿真模型，分部門預測我國未來十年鋁資源的需求量，并基于需求預測數據，調控關鍵參數對比分析正常情境、政策情境和理想情境3種情境下鋁行業的碳排放趨勢，研究分析其減碳脫碳潛力，進而研判未來原鋁和再生鋁的需求供應趨勢，提出碳達峰背景下鋁行業減碳的最佳路徑。希望為鋁行業進一步挖掘減碳脫碳潛力提供參考，對相關部門科學制定鋁行業統籌碳減排任務目標和規劃發展政策提供借鑒，推動實現我國鋁行業低碳轉型與“碳中和”的愿景。

1 研究設計

1.1 研究方法

本次研究的核心方法是系統動力仿真模型，結合部門分析法，預測鋁需求量，結合情境分析法，參考IAI（2021b）提出的《IAI原鋁和前體產品碳足跡計算的良好做法》及王威等（2022）提出的碳邊界核算方法，預測碳排放值，進而研析未來鋁的供應結構。系統動力學是功能方法、結構方法與歷史方法的統一，以反饋控制理論為基礎，融系統論、信息論、控制論思想于一體，以系統結構決定系統行為為指導原則，極其強調系統內部的因果關系與反饋作用。因其包容適配性極強，同時與情景分析、協同效應分析等研究方法融匯互通，系統動力學模型目前已被廣泛應用于經濟、建筑、交通、能源等各類領域需求預測，也被應用于不同地區碳排放量測算（麥文雋，2022；陸佳勤等，2022）。由于系統動力學方法不能直接體現出外部因素如政策、文化等對系統運行的影響，本研究結合情景分析法，設定不同的衡量指標，對鋁需求預測系統進行升級，從而對比分析不同情景下鋁資源需求結果。

目前鋁主要應用于建筑、交通、電子電力、包裝、耐用消費品等領域（Li等，2021；劉少麗等，2019）。以2001年到2020年數據為基礎，參考前人研究結果及相關專業機構的報告，綜合研究分析整理出影響鋁供需變化的各類因素。通過相關性分析，最終確定的鋁資源需求端的影響因子按部門劃分包括GDP、新能源汽車產量、新增光伏裝機量等；碳排放量端的主要影響因子有再生鋁產量、火電鋁比例等。鋁消費量與GDP有較強的相關關系（Yue等，2015；陳其慎等，2010），據此，此次研究中其他很難用詳細數據測算的指標，依據GDP增速測算。本次研究將我國未來GDP增速設置為5% ～6%（IBRD，2022）。具體鋁消費及供應預測結構見圖1。

圖1 鋁消費及供應預測結構Fig.1 Forecast of aluminum consumption and supply structure

1.2 數據來源

本文主要數據來源于世界銀行、世界金屬統計（WBMS）、國際鋁業協會 （IAI）、美國地調局（USGS）、國家統計局、自然資源部、中國汽車工業協會、中國商飛、安泰科、Wind等權威機構，以這些專業機構及相關文獻預測的未來汽車用鋁量、光伏裝機量等為參考依據（新能源汽車和光伏裝機是未來拉動鋁資源消費量上升的重要領域）。主要數據指標見表1。

表1 數據及來源Table 1 Data and sources

1.3 模型構建

根據鋁消費及碳排放預測結構，利用系統動力學軟件Vensim，建立鋁資源需求系統動力學流圖（圖2），并將設定的系統動力學方程輸入，通過靈敏性與誤差分析調節相關參數優化模型，從而實現鋁資源需求及全生命周期碳排放復雜過程的模擬仿真，調控關鍵參數實現正常情境、政策情境、理想情境下原鋁的供應對比分析。

圖2 鋁資源需求系統動力學模型Fig.2 System dynamics model of aluminum resource demand

利用Kaya恒等式分解法，構建鋁行業碳排放量計算公式。其中，鋁消費量與碳排放強度的計算公式分別為

式中：Cm為鋁總消費量；Si為某部門鋁消費量；ρij為部門中某行業用鋁密度；Qij為某行業數量規模；Pj為鋁消費結構，即某行業鋁消費量占部門的比重；Ce為鋁行業碳排放量；Ai為鋁類別結構，即火電鋁、水電鋁、再生鋁等的占比；Di為各類鋁碳排放強度。

1.4 情景設定

本次研究假設鋁資源供需完全平衡，即供應量＝需求量。

國際能源署研究了碳達峰、碳中和背景下全球升溫不超過2℃（B2DS）和1.5℃（1.5DS）2種情境下的碳排放量（IEA，2021），國際鋁業協會依據這2種情境先后發布了鋁行業碳排放足跡及鋁行業實現碳達峰碳中和的路徑（IAI，2021a）。本次研究以國際鋁業協會制定的鋁各生產環節碳排放量目標值及預測值為參考指標，劃分為3種情境（表2）。

表2 各情境目標指標及來源Table 2 Target indicators and sources of scenarios

1）正常情境：保持歷年各指標的變化速率。

2）政策情境：以國家各部門“十四五”規劃政策、B2DS情境下的指標為準。

3）理想情境：以1.5DS情境下的指標為準。

目前，我國經濟從高速發展階段步入高質量發展階段。2010年到2020年GDP增速逐漸放緩，呈現緩慢下行趨勢，2020年受新冠疫情影響，GDP年增長率僅為2.3%。中國目前正處于中速穩定增長階段，預計未來10年GDP增速約為5%～6%，本次研究將2021年到2030年GDP年增速設置為5%。包裝、日用品等領域的用鋁量增長率依據綜合研判設為5%～6%。根據中國汽車工業協會、中國光伏行業協會預測的2021年到2030年新能源汽車產量及占比、單位汽車用鋁量、光伏裝機量等數據，測算出其各項數據各階段增長率（表3）。

表3 各情景主要指標增長率方程Table 3 Major indicator growing rate function of scenarios

2 結果分析

2.1 需求趨勢分析

21世紀以來，全球鋁消費呈高速增長趨勢，從2000年開始中國一直是拉動鋁消費的第一大國家。2020年，全球原鋁消費達6 413萬t，中國原鋁消費3 900萬t，占比近60%。據IAI預測，2030年世界鋁需求量將達到12 000萬t（IAI，2020）。本研究結果表明，2030年中國鋁消費量將達到約5 920萬t，預計仍占據全球1／2的鋁消費市場。

在碳達峰碳中和背景下，鋁需求量仍呈快速增長態勢，建筑領域鋁消費量增長率將逐步放緩，拉動鋁消費量的主要領域是新能源汽車及新基建光伏，尤其是汽車輕量化的更高要求和新能源汽車的高速發展，2030年我國新能源汽車用鋁量將達到760萬t，交通運輸部門將超越建筑業成為鋁消費量的第一大領域（圖3）。

圖3 我國鋁資源（原鋁＋再生鋁）消費量Fig.3 China's aluminum resource（primary＋recycling aluminum）consumption

2.2 減碳潛力分析

鋁碳排放存在于其全生命周期中，包括開采鋁土礦、冶煉氧化鋁、電解鋁、加工鋁材、生產終端產品和回收利用再生鋁（IAI，2021a；竇宏秀等，2021）。碳排放量與能源利用效率、再生鋁比例高度相關。參考IAI提出的鋁資源“從搖籃到大門”及前人研究成果（IAI，2021b；安泰科，2022；王威等，2022），本次研究將目前我國每t火電鋁電解環節的碳排放量定為11.3 t，全周期的碳排放量定為14.3 t，全周期的清潔電鋁碳排放量定為1.8 t，再生鋁碳排放量定為0.6 t。隨著未來用電結構的調整及提煉技術的發展，未來各結構碳排放量都將降低。由于水電鋁和其他清潔電鋁的碳排放量基本相當，本次研究將水電鋁統一劃入清潔電鋁的范疇內。

據模型計算結果，2020年我國鋁行業碳排放量為5.0億t，目前已經達到峰值；2020年我國原鋁行業碳排放量為4.1億t，3種情境的預測結果都表明，將于2025年前后達到峰值（圖4）。2025年之后由于再生鋁的比例增加、用電結構的調整等因素，正常情境下碳排放量呈緩慢下降趨勢，政策情境及理想情境下碳排放量呈先緩慢后快速下降趨勢。

圖4 中國鋁行業碳排放量預測Fig.4 Carbon emission forecast of China's aluminum industry

在政策情境和理想情境下，2025年碳排放量分別降至4.3億t、3.6億t，較2020年分別減少14%、29%；2030年碳排放量分別降至3.5億t、2.9億t，較2020年分別減少31%、43%。在《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》中，到2025年單位GDP二氧化碳排放累計降低18%，單位GDP能源消耗累計降低13.5%。按照《2030年前碳達峰行動方案》中提出的2030年單位GDP二氧化碳排放比2005年下降65%以上的新承諾目標推算， “十四五”和 “十五五”時期單位GDP二氧化碳排放平均需降低17.6%。對比這2個文件中的指標，在鋁行業產值仍將持續增長的前提下，政策情境下鋁行業碳排放量已達到目標要求。

2.3 供應結構分析

原鋁電解環節高能耗、高碳排放，其未來產能增長十分有限。鋁電解環節的碳排放量占全生命周期的比例高達77% （IAI，2021a），我國電解鋁冶煉處于世界領先水平（劉風琴等，2022），但單位能耗高于其他國家，這主要是我國仍以煤炭為主要電力生產能源。據國家統計局測算，2020年我國火電發電量占總發電量的75%，而火電鋁的占比高達86%，造成火電鋁比例高居不下的原因主要是電解鋁產能主要分布在山東、新疆等省、自治區 （安泰科，2021；Liu等，2016b；Hao等，2016）。未來山東的產能會向內蒙古、云南等省份遷移，風電鋁、水電鋁的比例將在一定程度上增加，電解鋁的用電結構將進一步優化。

再生鋁的碳排放僅占原鋁的3% ～5% （IAI，2020；Peng等，2019；Zhang等，2015），且鋁循環利用效率高，因此，再生鋁可有效補充原鋁資源短缺。近年來，我國再生鋁產量呈緩慢穩定上升趨勢，再生鋁使用量占比一直穩定在16%左右（安泰科，2022），與發達國家差距巨大。美國再生鋁使用量占比達到80%，日本更是達到100%（IAI，2020）。我國未來由于政府政策扶持，再生鋁行業將迎來快速發展態勢。 《國家“十四五”循環經濟發展規劃》明確指出，到2025年大宗固廢利用率達到60%，再生鋁產量要達到1 150萬t。2020年再生鋁產量為740萬t，年復合增長率為11.08%。

據模型預測結果，3種情境下，我國再生鋁產量比例在未來都將持續增加，原鋁產量都將在2025年前達到峰值，為4 250萬t，之后將長期穩定在4 100萬t以下（圖5），這也低于我國在2016年供給側改革之后形成的4 500萬t的電解鋁產能天花板（趙黎明，2022）。其中，政策情境和理想情境下2030年我國再生鋁產量比例都將達到32%。由圖4可以明顯地看出，在理想情境下，由于再生鋁比例增幅更大，2020—2025年碳排放量降速更明顯，同時也受到火電鋁比例下降的影響。在各前提條件一致的情況下，增加再生鋁產量代替原鋁，是鋁行業實現碳達峰最有效的途徑。

圖5 中國原鋁與再生鋁產量預測Fig.5 Forecast of China's primary and recycling aluminum production

3 討論

本次研究計算的鋁行業碳排放量2020年為5.0億t，原鋁行業碳排放量為4.9億t，和其他學者的計算結果有些許差異 （Li等，2021；Guo等，2019；竇宏秀等，2021），主要原因是本次計算參考的IAI最新發布的《原鋁和前體產品碳足跡計算的良好做法》報告（IAI，2021b），各階段碳排放指標不同，但整體并不影響研究原鋁的未來需求趨勢及減碳潛力。本次研究未評估中國鋁資源的循環潛力，通過對比前人研究結果（Maung等，2017；楊超等，2022），各情境未來再生鋁產量都處于中國鋁資源循環潛力范圍之內。

工業和信息化部《“十四五”工業綠色發展規劃》《“十四五”循環經濟發展規劃》等文件明確指出，著力推動有色金屬低碳發展，提出到2025年廢鋁回收量將達到1 150萬t的目標。據此次研究，目前我國出臺關于鋁的“十四五”系列規劃及政策，足以支持鋁行業實現2030年前碳達峰的目標。值得注意的是，盡管我國政策大力扶持，但近年來鋁資源回收利用率占比仍未呈高速發展趨勢，這或許是由于我國再生鋁資源冶煉技術依舊處于世界落后水平，或許是我國鋁工業發展僅十多年，用于建筑、交通運輸的鋁資源壽命高達數十年，大部分鋁資源累計庫存未流入鋁循環周期中，未來將隨著產品使用壽命到期得到逐步釋放。

4 結論

本文運用系統動力仿真模型，結合部門預測法，預測了未來10年我國鋁資源的生產消費情況，定量評估了正常情境、政策情境和理想情境3種情境下的減碳潛力，研判了未來原鋁和再生鋁需求供應趨勢，得出以下主要結論。

1）未來10年新業態下，鋁需求量仍持續呈快速增長態勢，新能源汽車的高速發展是拉動鋁消費量增長的主要因素，交通運輸部門將超越建筑業成為鋁消費量的第一大領域。預計2025年我國鋁需求量將達到5 256萬t，其中原鋁產量將于2025年前達到峰值期，再生鋁產量呈緩慢穩定上升趨勢，將從2020年的16%提高至2025年的32%。

2）碳達峰背景下，鋁行業減碳的最佳路徑為大力發展再生鋁資源，并且一定程度上可以提高我國鋁資源保障能力；其次，未來在我國電解鋁產能向云南、廣西等省、自治區調整遷移及國家電網整體用電結構優化的背景下，電解鋁的用電結構將得到逐步改善。

依據研究結論，本文提出以下相關政策建議。

1）面對嚴峻多變的國際經濟形勢，應加大人才培養、技術引進及科技創新力度，提升改進一次和二次冶煉工藝，降低能耗及資源損耗，加快建設再生鋁行業規范標準及學習引進國外先進再生鋁回收設備及技術。

2）應加強鋁資源“國內大循環為主體，國內國際雙循環”的發展格局，充分利用城市鋁礦山資源，提高我國鋁資源保障能力，推動我國鋁產業高質量發展。