《Resources, Conservation and Recycling》：Scaling wind power: addressing critical metals challenges and opportunities in the global energy transition to 2050
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风电技术发展及关键矿物需求研究。通过动态材料流分析框架，评估2000-2050年风电涡轮设计、电网基建和退役处理，发现铝、铜需求分别增长34-50%和41-62%，延长涡轮寿命5-10年可减少16-22%材料消耗，回收利用可降低17-33%依赖。研究强调战略资源管理和循环经济的重要性。
莫伊塞斯·戈麦斯（Moisés Gómez）|托默·菲什曼（Tomer Fishman）|朱晓华（Xiaohua Zhu）|李金辉（Jinhui Li）|曾先来（Xianlai Zeng）
清华大学环境学院钢铁工业环境保护国家重点实验室，中国北京100084
摘要
风能的部署对于实现低碳转型至关重要；然而，风力涡轮机的快速普及引发了人们对关键矿产资源开采及其相关环境影响的担忧。本研究评估了2000年至2050年间风力涡轮机设计、矿产资源需求、电网基础设施要求以及退役过程的技术进步。我们还确定了关键金属的依赖性，将其分为高风险（V、Dy、Tb、Nd、Pr、Nb、Mo、Cu）、中等风险（Al、Cr、B、Pb）和低风险。随着电网整合的扩大，预计矿产资源消耗将进一步增加，铝和铜的需求分别可能增长约34-50%和41-62%，这可能导致未来十年内出现资源短缺。将涡轮机的使用寿命延长5-10年可以减少材料使用、能源消耗和二氧化碳排放量，分别降低8.8-16.2%。此外，涡轮机回收计划可以将对矿产的依赖性降低17-33%，如果与延长使用寿命的战略结合使用，总体资源节约幅度可能达到33-53%。这些发现强调了战略性资源管理、支持性政策和循环经济实践的必要性，以确保风能基础设施的可持续发展。
引言
联合国秘书长于2024年发起了关于关键能源转型矿产的倡议，以应对碳排放和全球变暖问题。自2000年以来，风能呈指数级增长，这得益于技术的进步、政策的支持以及全球成本的下降（Shammugam等人，2019年）。一项基于2020年专家调查的研究预测，到2050年风能成本将下降37%至49%（Wiser等人，2021年），这有利于风能在未来的使用和推广。全球范围内，风能装机容量从2000年的17吉瓦（GW）迅速增长到2010年的181吉瓦，再到2024年的约1133吉瓦（IRENA，2025年），年增长率约为10%，并在2024年占全球电力产量的近8.1%（Graham等人，2025年）。这使得风能成为仅次于水力发电（14.3%）和核能（9.0%）的第三大低碳电力来源。到2050年，电力将成为主要的能源载体，占总最终能源使用的50%以上，而目前这一比例为21%（IRENA，2023年）。预计到2050年，风力涡轮机的装机容量将达到惊人的8100吉瓦（国际能源署（IEA），2021年；IRENA，2023年）。
能源转型对矿产资源的需求巨大（联合国环境规划署（UNEP），2024年）。大规模部署风力涡轮机和电力网络将需要大量的关键金属（Wang等人，2023年）。对这些金属需求的增加可能导致供应风险，从而对实现净零排放和社会发展产生不利影响（Fu等人，2023年）。因此，及早发现潜在的供应瓶颈并识别风能未来的关键金属至关重要。近年来，矿产资源需求研究受到了关注，尤其是在低碳能源技术领域。对于风能行业，许多研究集中在特定国家（Cao等人，2019年；Jiang等人，2025年；Lee等人，2024年；Ren等人，2021年）、金属（Fishman和Graedel，2019年；Li等人，2020年）或技术（Liang等人，2022年；Xing，2025年）上。尽管这些研究填补了一些关于风力涡轮机材料需求的空白，但仍需考虑一些影响因素，如不同风力涡轮机的使用寿命、未来的进步和发展、陆上和海上风力涡轮机的独特材料强度、材料的关键性以及它们与电网系统结合部署的潜在限制。此外，最近的分析表明，2020年至2050年间，风能和太阳能技术的预期趋势在塑造原材料需求和新电力生成基础设施的相关排放方面起着决定性作用（Wang等人，2023年）。
向风能的转型不仅依赖于矿产供应，并且由于其制造和部署过程中会释放大量二氧化碳，还高度依赖能源和水资源，同时产生大量矿物废弃物，从而引发环境问题。这些因素在当前的分析中尚未得到充分考虑，需要将其纳入研究，以便更全面深入地了解全球风能未来的材料需求及其影响。此外，由于风能行业持续发展，因此需要不断更新相关信息。
在这里，我们量化了关键金属的需求及其相关环境影响，包括矿产资源需求、二氧化碳排放、能源和水资源消耗以及矿物废弃物。通过使用动态物质流分析（MFA）框架，本研究在考虑风力涡轮机技术的同时，也考虑了大规模风电化所需的额外电网基础设施，从而扩展了以往的研究。陆上和海上风电系统分别进行建模，以反映它们不同的技术路径和材料强度。我们明确捕捉了涡轮机设计的时间演变（容量、转子直径和轮毂高度的增加），以解决材料组成随时间的变化问题。此外，我们还评估了多种涡轮机使用寿命情景（20年、25年和30年），以评估其对累计金属需求、寿命结束（EoL）流动和未来退役动态的影响。通过在一个统一的全球框架内整合涡轮机规模扩大、电网材料需求和不同的寿命结束轨迹，本研究提供了风能材料化的系统级评估，为快速能源转型下的资源压力、环境权衡和循环经济挑战提供了新的见解。
数据收集
信息和数据来源于国际组织的官方报告，如欧盟委员会（European Commission等人，2020年）、美国地质调查局（United States Geological Survey，2000–2020年）、国际可再生能源机构（IRENA，2019年、2023年、2025年）、国际能源署（International Energy Agency，2021年）以及同行评审的文章。所使用的数据尽可能保持最新。所有基础假设...
风力涡轮机的演变和趋势
根据IRENA（2023年）和联合国能源署（IEA，2021年）的1.5°C情景预测，到2030年全球风能容量将比2020年水平增长四倍，到2050年增长十一倍（图1a）。陆上风电将继续占据主导地位，到2050年将达到约6075吉瓦，而海上风电预计将增长近90倍，从2020年的34吉瓦增加到2050年的2025吉瓦。如果考虑到涡轮机的典型使用寿命内的更换情况，这些数字还会进一步增加...
风力涡轮机规模扩大和材料需求的影响
风能被视为全球脱碳的基石之一，但其到2050年的快速扩张对材料系统、环境负担和循环经济策略产生了深远影响。我们的研究结果表明，风力涡轮机的演变，特别是海上系统的规模扩大，其速度超过了早期线性外推模型的预测。虽然之前的研究估计到2030年海上涡轮机的容量为10兆瓦（Soares-Ramos等人，...
CRediT作者贡献声明
莫伊塞斯·戈麦斯（Moisés Gómez）：撰写——初稿、可视化、验证、资源获取、方法论、正式分析、概念化。托默·菲什曼（Tomer Fishman）：撰写——审稿与编辑、正式分析。朱晓华（Xiaohua Zhu）：撰写——审稿与编辑、数据管理。李金辉（Jinhui Li）：撰写——审稿与编辑、监督。曾先来（Xianlai Zeng）：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、正式分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：92062111、W2433173、92562305、L2524074）和中国国家重点研发计划（项目编号：2019YFC1903711）的支持。托默·菲什曼还得到了欧盟（ERC2023-STG项目101116116 “Gauging the Rest-of-World’s Lifecycles of Construction Materials”）的资助。然而，所表达的观点和意见仅代表作者本人，并不一定反映欧盟或...
