近日，上海交通大学环境科学与工程学院许振明教授团队在《Nature Communications》在线发表了题为“Role of anthropogenic mineral circularity in addressing dual challenges of resource supply and waste management in global photovoltaic development”的研究成果。该研究从全球尺度定量揭示了在人类能源转型过程中，人为矿物循环（Anthropogenic Mineral Circularity）在缓解光伏产业发展所面临的资源短缺与废物管理双重挑战中的关键作用。论文第一作者为上海交通大学环境科学与工程学院2022级博士生袁学宏，许振明教授为论文唯一通讯作者。本研究工作获得国家重点研发计划资助。

研究简介

    随着全球光伏装机容量的迅猛增长，光伏能源正逐渐成为未来能源体系的重要支柱。然而，这一快速扩张也带来了两大挑战：一是对原生矿产资源的需求不断攀升，威胁材料供应的可持续性；二是退役光伏系统废弃物量的急剧增加，可能引发潜在的环境风险。人为矿物循环（即从废弃物中回收并再利用矿物资源）被认为是协同解决资源供应与废物管理问题的关键途径。为此，该研究构建了一个定制化模型框架，系统评估了在既定政策情景（SPS）、可持续发展情景（SDS）和净零排放情景（NES）三种不同能源发展路径下，五种主流光伏技术（单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒）所涉及的23种材料的二次供应潜力，并进一步量化了二次材料供应在缓解金属关键性、提升经济潜力以及减少碳排放方面的作用。研究为光伏产业的可持续发展和全球能源转型提供了科学依据。

图1 研究的系统边界和模型框架

研究内容

    首先，依据情景预测与市场份额数据，研究估算了各年份光伏新增装机容量，并采用Weibull分布对系统寿命进行建模，以预测退役容量。结合动态功率–重量比与材料强度系数，进一步量化了光伏系统的材料流入（需求量）与流出（废物量）。结果表明，尽管未来光伏装机容量将持续增长，但技术进步显著降低了单位容量的材料消耗，使得总体材料流入量的增长速度明显放缓。不同能源情景下的变化趋势存在差异：在SPS情景下流入量相对稳定，SDS情景下稳步上升，而NES情景则呈现先升后降的特征。受材料强度动态变化影响，不同材料的流入特征也各不相同；相比之下，材料流出量在所有情景下均表现出指数增长趋势。

图2 三种能源情景下的材料流

    随后，基于不同材料的流动特征及其主流回收技术的回收率，研究评估了二次材料的潜在供应比例及净材料需求变化。结果显示，到2050年，全球二次材料年供应比例预计将由2020年的3.3%提升至43.4%–101.6%。不同材料的供应潜力差异显著，以Ag和Te为例，Ag的二次供应比例在2035–2040年间快速上升，并在该阶段出现短期“供应过剩”，二次供应量超过同期需求；而Te的供应比例则表现为稳定且持续增长。考虑二次资源供应后，SPS情景下材料净需求呈稳步下降趋势，SDS情景下基本保持稳定，而NES情景有望在2050年实现材料需求中和。

图3 不同材料的二次供应潜力

    从地理空间维度分析，六大洲的二次材料供应潜力呈现显著异质性。亚洲在光伏部署与报废方面均居主导地位，具有最高的二次材料供应潜力；非洲相对较低。在SPS与NES情景下，各大洲的变化趋势大体一致，而SDS情景则呈现过渡性轨迹，其中大洋洲和南美洲最早向NES模式转变。总体而言，这些结果凸显了制定因地制宜的光伏部署与废弃管理策略的必要性。尽管各大洲内部仍存在国家层面的差异，但本研究提出的模型能够有效捕捉主要区域趋势，并为未来基于国家级数据的深入研究提供可扩展框架。

图4 地理空间异质性对二次材料供应潜力的影响

    最后，从金属关键性（基于三维评估框架）、经济潜力（基于材料市场价格）和碳减排潜力（基于生命周期评估）三方面量化了人为矿物循环策略的多维效益。结果表明，到2050年，全球退役光伏系统的人为矿物循环可使金属关键性降低 6.6%–55.0%，带来3210–7000亿美元的经济潜力，并减少6.97–15.46亿吨二氧化碳当量排放。这些多维效益将成为推动光伏产业链各方积极采用回收策略的重要驱动力。

图5 全球人为矿物循环的多尺度效益

作者简介

    袁学宏，上海交通大学环境科学与工程学院2022级博士研究生，研究方向为城市矿产资源化过程的物质流分析与生命周期评价。博士期间在Nature Communications、Nature Sustainability等期刊发表SCI论文8篇。

    许振明，上海交通大学环境科学与工程学院特聘教授、博士生导师，主要从事城市矿产无害化、资源化、材料化和环境功能材料与资源循环利用等方面的研究。主持了国家重点研发计划“固废资源化”项目、国家863、自然科学基金重点、面上项目、江苏省双创团队项目、产业化等30余项。在Nature Sustainability‌、PNAS、Nature Communications、Environmental Science & Technology等学术期刊上发表SCI论文300余篇。授权发明专利30余项，建立城市矿产资源处理处置与资源化教学与科研大平台，成果获教育部发明一等奖1项。