综述：能源消耗、脱碳路径与可再生能源在采矿业的整合：系统层面的综述 朱利安·罗默（Julien Roemer） 贝比-让·罗伯特·蒙吉科·比苏兰杜（Baby-Jean Robert Mungyeko Bisulandu） 丹尼尔·R·鲁斯（Daniel R. Rousse） 马克·佩莱兰（Marc Pellerin） 莫克塔尔·博佐尔格（Mokhtar Bozorg） 阿德里安·伊林卡（Adrian Ilinca）

《Energies》：Energy Consumption, Decarbonization Pathways, and Renewable Energy Integration in the Mining Industry: A System-Level Review Julien Roemer, Baby-Jean Robert Mungyeko Bisulandu, Daniel R. Rousse, Marc Pellerin, Mokhtar Bozorg and Adrian Ilinca

　　摘要：采矿业是能源消耗最密集的行业之一，仍然高度依赖化石燃料，尤其是在偏远、气候寒冷的地区，这些地方难以接入集中的电力网。这种依赖性在运营成本、能源安全和温室气体（GHG）排放方面带来了重大挑战。本文对采矿行业的能源消费模式、脱碳路径和可再生能源整合策略进行了系统级分析。首先，本文探讨了露天矿和地下矿的能源需求结构及其驱动因素，确定了运输系统、物料处理、通风和破碎过程是主要的能源消耗者。然后，分析了技术和运营层面的脱碳策略，包括电气化、混合能源系统、可再生能源发电和能源存储解决方案。特别关注了与场地隔离、极端气候条件、可再生能源的间歇性以及矿山寿命相关的技术限制。来自加拿大采矿业的案例研究展示了实际实施中的挑战和可实现的性能改进。分析表明，尽管可再生能源技术和存储系统在成本上越来越具有竞争力，但实现采矿作业的深度脱碳需要综合能源管理、长时储能解决方案以及针对特定场地的混合系统设计。本文强调了可以逐步减少对化石燃料依赖并支持向低碳采矿能源系统转型的工程和战略路径。

1. 引言
过去几十年里，由于快速工业化、技术发展以及最近的能源转型，全球对矿物和金属的需求大幅增加。汽车制造、航空航天、可再生能源技术和能源存储等行业严重依赖各种金属和非金属资源。这种不断增长的需求，加上矿石品位的下降和提取复杂性的增加，导致采矿行业的能源消耗显著上升。多项研究表明，到2035年，与矿物提取相关的全球能源需求可能增加约36%，到2050年可能增加至50%[1,2,3]。在能源密集型采矿经济体中，能源支出已经占运营成本的很大一部分，在某些情况下甚至达到30%，例如在南非[4]。这一上限估计并不适用于所有采矿作业，而是反映了特定的能源密集型环境，特别是深地下矿和电价或燃料价格较高的地区。由于通风、泵送、冷却和提升等额外需求，地下矿的能源成本通常高于露天矿。因此，采矿业被广泛认为是能源消耗最高和碳排放最多的工业活动之一。其对化石燃料的依赖，尤其是移动设备使用的柴油和来自高碳源的电力，使其对燃料价格波动非常敏感，并面临与温室气体（GHG）排放相关的日益严格的监管压力[5,6,7]。与此同时，碳定价机制的引入、更严格的环境法规和企业可持续发展承诺加速了采矿公司提高能源效率和减少碳足迹的需求。这些压力促进了基于运营优化、电气化和可再生能源整合的脱碳策略的发展，这些策略越来越被认为是传统化石燃料系统的经济可行替代方案[8,9,10,11]。因此，优化能源系统已成为采矿作业长期竞争力和可持续性的核心挑战[12,13]。

这一转型的更广泛背景是全球能源转型，这是由于对气候变化、环境退化和传统能源资源枯竭的担忧。巴黎气候协定确立了通过大幅减少温室气体排放来限制全球变暖的集体承诺，从而迫使工业部门逐步减少对化石燃料的依赖。作为该协定的签署国，加拿大报告称2013年的全国排放量约为0.726 Gt CO2当量（占全球排放量的约1.95%[14]），并承诺到2030年将全国排放量减少40-45%，到2050年实现净零排放[15,16,17,18]。鉴于采矿行业在加拿大和其他资源丰富国家中的经济重要性，使采矿活动与国家和国际脱碳目标保持一致既是一个挑战也是一个机遇。

采矿作业中的能源消费模式受到矿山类型、矿体深度和几何形状以及场地位置的影响。该行业主要分为两大类：露天矿和地下矿。露天矿（图1）通常用于开采浅层矿床，依赖大规模的物料处理系统，尤其是卡车-铲车作业，这些作业的特点是柴油消耗量大。在这种作业中，移动设备可能占总能源使用的很大一部分，仅柴油就占某些露天矿能源消耗的近40%[19]。虽然露天采矿通常具有较低的资本成本和更容易获取矿床的优势，但它伴随着大量的土地扰动、高燃料消耗和显著的直接排放，引发了关于环境退化和生态系统影响的担忧[20]。相比之下，地下矿通过垂直竖井和广泛的巷道及腔室网络来开采深层矿体。尽管地表扰动通常较小，但由于基础设施的复杂性和安全要求，地下采矿的资本和运营成本较高。从能源角度来看，地下作业要求特别高，因为仅通风系统就可能占总能源消耗的30%，此外还有提升、泵送和冷却系统的巨大电力需求[22]。在寒冷和北部地区，如加拿大的部分地区，永久冻土、水分渗透和极端气候条件进一步加剧了这些挑战。总体而言，地下矿的运营成本可能比类似的露天矿高出40%，主要是由于能源需求和维护需求的增加[23]。图2显示了Borden地下矿的巷道配置[23]。这些采矿作业类型之间的结构差异对能源管理策略和脱碳路径有着深远的影响。对于露天矿来说可能在技术或经济上可行的解决方案，如手推车辅助系统或大规模太阳能部署，可能不太适合深地下作业，在那里通风和运输系统的电气化成为优先事项。相反，地下矿可能从电气化和提高能源效率的措施中受益匪浅，这些措施可以减少通风需求并改善工作条件。

除了能源密集度外，采矿业还在全球工业价值链的可持续性中发挥着关键作用，因为它为可再生能源技术、电气化和低碳基础设施提供原材料。因此，提高采矿作业的能源效率和减少温室气体排放不仅是运营挑战，也是实现清洁生产和负责任资源供应的关键。因此，解决采矿中的能源消耗和脱碳问题对于确保向可持续能源系统的过渡得到环境和经济上可持续的生产实践的支持至关重要。

在此背景下，本文旨在提供关于采矿行业能源消费、脱碳策略和可再生能源整合的当前知识的系统化综合。分析首先探讨了不同采矿环境中能源需求的主要驱动因素，然后评估了运营、技术和系统层面的脱碳手段。特别关注可再生能源整合和能源存储解决方案，重点关注偏远和寒冷气候下的采矿作业，尤其是在加拿大。最后，本文讨论了实现采矿行业现实且经济可行的脱碳路径的主要挑战、限制和未来方向。

尽管关于采矿行业能源转型的研究越来越多，但现有研究往往侧重于个别技术或特定案例研究，而不是提供全面的系统级视角。本文旨在通过综合当前关于能源消费模式、脱碳路径和采矿系统中可再生能源整合的知识来填补这一空白。文章进一步探讨了技术成熟度、运营限制和影响实施的具体场地因素。文章的其余部分逐步分析了采矿作业的能源需求、脱碳策略和新兴的混合能源解决方案。

2. 审查方法
本文采用结构化的叙述性回顾方法来综合采矿行业中能源消费、脱碳策略和可再生能源整合的现有知识。本文的目标不是提供所有已发表研究的详尽文献计量或系统评估，而是提供主题组织且以决策为导向的相关科学和技术贡献的综合，特别关注采矿作业的运营限制和实际应用性。

2.1. 范围和文献选择
本研究采用结构化的叙述性回顾方法来综合采矿行业中能源消费和脱碳策略的当前知识。文献回顾使用了Scopus、Web of Science和Google Scholar等主要科学数据库。搜索使用了诸如采矿能源消费、矿山电气化、采矿中的可再生能源、采矿脱碳、矿山混合能源系统和采矿作业中的能源存储等关键词组合。优先考虑了经过同行评审的期刊文章、国际组织的报告以及描述运营中能源系统的最新案例研究。选择出版物时考虑了它们与能源需求结构、脱碳技术、可再生能源整合和采矿环境中的运营限制的相关性。特别关注了针对偏远或寒冷气候采矿作业的研究，因为这些环境在能源系统脱碳方面存在特定的技术挑战。回顾主要关注2000年代初以来的出版物，特别强调2015年后发表的研究，反映了《巴黎气候协定》后脱碳政策的加速[14,15,16,17,18]。当早期参考文献提供了关于采矿能源管理或长期趋势的基础性见解时，也会选择性地包括进来[12,13,24,25]。

2.2. 主题组织和分析框架
回顾不是按照时间顺序组织的，而是围绕反映采矿作业中能源使用和脱碳主要维度的主题支柱进行组织。这些主题是在文献回顾过程中反复确定的，并与多项研究中反复出现的问题相一致[1,22,26,27,28,29]。分析围绕以下相互关联的主题展开：
- 采矿作业中的能源消费模式，按矿山类型（露天矿与地下矿）、运营活动（运输、通风、破碎）和场地特征（并网与离网）进行区分[19,22,30]。
- 脱碳手段，包括运营效率措施、设备电气化、燃料转换和能源管理策略[5,8,31,32]。
- 可再生能源的整合，如风能、太阳能和水力发电，考虑技术可行性、经济限制和特定场地条件[26,27,28,33]。
- 支持可再生能源整合的能源存储解决方案，包括电池储能系统、抽水蓄能、氧化还原流电池和基于氢的系统，强调其适用于采矿应用的适用性[34,35,36,37,38,39,40]。
- 特定场地的限制，特别是影响偏远和寒冷气候采矿作业的限制，包括气候暴露、物流、矿山寿命和监管框架[34,35,41]。

这种主题组织方式使得可以在技术上或经济上可行的解决方案在露天矿和地下矿之间进行比较，而不仅仅是描述性列举案例研究。

2.3. 综合和比较分析
为了增强分析深度，不仅单独审查了所研究的文献，还进行了比较分析，关注报告结果、假设和结论的趋同性和差异性。在可能的情况下，将发现综合为：
- 不同过程对总能源消耗的相对贡献，
- 脱碳选项的技术成熟度和准备程度，
- 与矿山寿命和规模相关的经济可行性，
- 适用于特定采矿环境（露天矿、地下矿、偏远地区、寒冷气候）。

这种方法有助于识别现实的短期和中期脱碳路径，而不仅仅是纯粹理论或理想化的解决方案，这是现有文献中经常提到的一个局限性[27,28,32,42]。

2.4. 审查的局限性
本回顾存在几个局限性。首先，它没有遵循正式的系统性回顾协议（例如PRISMA），因此不能声称涵盖所有已发表的工作。其次，公开报告的采矿作业能源数据的可用性和质量在不同地区和商品之间存在显著差异，这限制了直接的数量比较[22,31]。最后，特别是在能源存储和电气化方面，快速发展的技术意味着成本和性能假设可能在相对较短的时间内发生变化。

尽管存在这些局限性，这里采用的方法非常适合捕捉采矿行业中能源转型挑战的多维性和应用性质，并支持对未来研究和工业实践的知情讨论。本回顾中使用的文献是根据其与三个主要主题的相关性选择的：采矿作业中的能源消费、脱碳的技术路径以及可再生能源系统在工业场所的整合。该综述主要考虑了经过同行评审的期刊文章，并辅以选定的行业报告和机构研究，这些研究为采矿能源系统提供了实用的见解。总体而言，本研究共分析了250篇文章，其中一些文章由于缺乏与本研究直接相关的信息而未被引用。

3. 采矿行业的能源消耗
能源是采矿作业的核心驱动力，其消耗量因矿山类型（露天或地下）、运营方式、设备选择以及特定现场条件而显著不同。为了支持有效的能源管理并识别优化机会，系统地描述采矿过程中的能源使用情况至关重要。因此，本章概述了采矿作业中的能源消耗情况，为后续章节中讨论的约束、挑战和脱碳策略提供了基础。

3.1. 一般数据、设备和采矿作业
尽管采矿行业具有经济和环境重要性，但许多作者指出关于采矿作业实际能源消耗的详细和公开可获取的数据非常有限[22]。尽管如此，能源仍被确定为采矿行业的主要运营约束，需要持续监控和优化[26,43]。根据Li等人[27]和Igogo等人[1]的研究，采矿行业占工业能源消耗的近38%，以及全球电力使用的约15%。在运营层面，与能源相关的费用通常占总运营成本的15-40%，具体取决于矿山类型、位置和能源供应配置。为了满足这些能源需求，许多采矿作业，特别是那些位于偏远或离网地区的作业，依赖柴油发电机来为内部微电网供电。虽然这种解决方案确保了运营的可靠性，但由于燃料消耗、价格波动以及将柴油运输到偏远地点的物流复杂性，它伴随着较高的运营成本。能源使用模式因采矿方法而异：在地下矿山中，电力主要用于通风、提升和破碎系统；而在露天作业中，柴油则占主导地位，主要用于矿石运输和移动设备[1,28,29]。因此，采矿行业仍然高度依赖化石燃料，因此极易受到全球能源市场波动的影响[28]。这种采矿活动与能源价格动态之间的紧密耦合在图3中得到了体现。

图3. 1960年至2022年的柴油价格：波动和趋势。该图基于Pouresmaieli等人[28]的研究成果绘制。

Cronje等人[4]研究了采矿行业的电力成本，以促进更积极和可持续的能源管理实践。他们的研究强调了预算预测和实时能源管理对于成本控制和运营韧性的重要性。表1展示了几个主要矿产生产国的平均电力成本，突显了直接影响矿山竞争力和能源策略选择的显著区域差异。

表1. 主要矿产生产国的每千瓦时电力成本。

除了能源供应外，采矿设备的选择和运营，特别是运输系统，在总体能源消耗中起着决定性作用。许多研究调查了运输设备对矿山能源需求的影响[47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57]。Bodziony等人[47]分析了影响露天矿山和采石场燃料消耗和运输卡车可靠性的因素，表明设备频繁故障会显著增加燃料使用量和相关的温室气体排放。在加拿大背景下，Smith[30]报告称，地下矿山总柴油能源消耗中约有10.5%仅归因于装载和运输设备。

多项研究探讨了在适当条件下减少带式输送系统能源消耗的机会，这些系统越来越多地被视为替代卡车运输的选择。Koni?czna-Fu?awka[51]研究了通过使用低摩擦输送带、变频器和再生输送器来节省能源的潜力。Bajda和Hardygóra[53]开发了一个专用测试台来评估输送系统的滚动阻力，证明选择合适的输送带可以大幅节省能源。同样，Bajda等人[55]分析了一个褐煤矿的输送能源消耗情况，表明仅通过优化负载分配就可以根据运营条件和物料流动特性将能源使用量减少多达30%。

随着采矿运输系统的电气化和自动化程度不断提高，能源存储也受到了越来越多的关注。Ren等人[58]提出了一种混合能源存储系统（HESS），结合了锂离子电池和超级电容器，以解决自主采矿车辆中传统存储解决方案的局限性。Soofastaei等人[19]进一步强调，采矿运输系统，特别是柴油卡车，仍然是露天矿山总能源消耗的主要部分。他们的分析比较了主要运输和处理设备的能源效率，包括运输卡车、电动铲车、液压挖掘机和输送系统。Marnika等人[59]开发了一种工具来评估采矿运输活动的环境和能源影响，其中能源消耗被赋予了70%的权重，表面作业的能源影响值高于地下矿山。

图4展示了印度一家煤矿中不同设备使用的能源份额[60]。该图基于Sahoo等人[60]的研究成果绘制。

除了运输系统外，爆破和挖掘作业也是矿山能源消耗的重要来源。这些活动的能源影响已在文献中得到了广泛研究[61,62,63]。Biessikirski等人[62]比较了爆破和机械挖掘相关的能源使用和气体排放，得出结论：对于相同的生产量，爆破作业通常比纯机械提取消耗的能源更少。然而，机械挖掘产生的排放量更高，主要是由于设备持续运行所致。Cheluszka等人[63]专注于地下挖掘过程，开发了数学模型来描述岩石切割机械及其相关的能源消耗，强调了能源需求对岩石性质、机器设计和运营参数的强烈依赖性。

这些能源消耗模式受到采矿方法、设备选择和特定现场条件的影响，构成了采矿作业中能源管理和脱碳的技术、经济和运营约束，这些将在下一节中详细探讨。

3.2. 能源使用的约束、问题和挑战
采矿作业面临着与整个生产链中的能源供应、消耗和优化相关的一系列技术、经济和运营挑战，无论是露天还是地下矿山。随着电气化和自动化的增加以及可变可再生能源的日益普及，这些挑战变得更加严重。一个主要约束与电力供应的可靠性和连续性有关，特别是在正在进行自动化和数字化转型的矿山中。Rzazade等人[64]研究了矿山自动化中的电能管理挑战，强调了自动化系统对停电的脆弱性。此类中断不仅会中断生产，还会增加运营成本，并可能危及设备完整性和安全性。因此，确保稳定可靠的电力供应是先进采矿作业的关键前提。

在孤立或电网连接较弱的矿山中，能源供应挑战更为突出，这些地方仍然广泛依赖柴油发电。Ansong等人[65]对一个连接到公共电网的孤立矿山进行了技术经济分析，旨在减少对柴油燃料的依赖。使用HOMER软件，作者评估了一个包含50兆瓦光伏容量、15兆瓦燃料电池、600块电池、20.5兆瓦转换器和20兆瓦柴油发电机的系统。他们的结果显示，在每年152.99吉瓦时的总电力产量中，光伏发电占44%，燃料电池占40%，柴油发电机占14%。在假设柴油价格为每升0.80美元以及光伏模块和燃料电池系统成本降低30%的情况下，能源的平准化成本估计为每千瓦时0.25美元。虽然这种混合配置展示了减少化石燃料依赖的技术可行性，但也突显了高比例低碳能源在采矿应用中的资本密集性和系统复杂性。

除了供应问题外，能源需求管理和灵活性也是额外的挑战，特别是在能源密集型阶段，如矿石加工过程中。Machalek等人[66]研究了采矿设施的能源灵活性，强调了管理高且往往不灵活的电力需求的难度。作者提出通过限制高峰需求、提高可预测性和通过先进的能源管理和控制方案来增强电网稳定性的策略来重新定向采矿能源系统。在矿山与电力市场动态互动或在受限电力系统内运营的背景下，这些方法变得越来越重要。

在更广泛的系统层面，整合可再生能源引入了与可变性、传输和分配相关的新挑战，但也提供了增强韧性的机会。来自可再生能源的可靠能源供应可以提高工业运营的稳健性，同时支持环境可持续增长。能源韧性不仅取决于发电能力，还取决于网络内能源传输、分配和控制的有效管理[67,68,69,70]。Dranka等人[71]表明，通过考虑需求和可再生能源发电的短期可变性，可以优化高比例可再生能源的系统，特别是在需求侧灵活性可用的情况下。

在这种背景下，智能电网技术和先进控制策略越来越被视为实现工业应用中高效、有韧性的能源系统的推动者。Panda和Das[72]开发了一种基于数学建模和计算方法的方法来优化智能电网组件，从而在变化的负载和发电约束下提高系统性能和稳健控制。这些方法可以直接应用于采矿微电网，其中波动的负载和可再生能源的整合需要协调和适应性控制。

最后，Huang等人[33]明确提出了通过整合可再生能源实现采矿作业大规模脱碳的潜力，他们评估了太阳能光伏和风能适用于采矿应用的可行性。他们的结果表明，许多矿山地点具有有利于可再生能源部署的条件，表现为高容量因子和有限的停机时间。然而，实现这一潜力需要克服上述与系统可靠性、灵活性和经济可行性相关的挑战，特别是在偏远和能源密集型的采矿环境中。

3.3. 孤立矿山的能源消耗
大量采矿作业位于远离区域或国家电网的偏远或孤立地区。在这种情况下，获得可靠的电力是一个关键的运营约束，这解释了为什么普遍依赖柴油发电机来满足现场能源需求。因此，孤立矿山通常以高燃料消耗、较高的运营成本和大量的温室气体排放为特征。多项研究专门探讨了与孤立采矿作业和自主电力系统相关的能源挑战[34,35,73]。Corrand等人[73]提出了一种方法，将电力分配网络的结构特性纳入孤立系统的能源组合优化中。他们的研究集中在小型独立电力网络上，必须明确考虑基础设施限制，如有限的传输能力、老化的设备和有限的冗余。使用HOMER软件，作者证明能源系统优化可以支持扩展或加强配电线路和变压器的战略决策，从而提高可靠性和经济性能。

矿山距离城市中心的遥远也是采矿行业继续依赖化石燃料的主要驱动因素之一。Pouresmaieli等人[28]强调，与集中式基础设施的距离显著限制了获取低碳电力的能力，使得基于柴油的发电成为许多孤立矿山的默认解决方案。虽然整合可再生能源为减少排放和燃料依赖提供了有希望的途径，但它引入了与可变性、系统规模和持续满足高且往往不灵活的能源需求相关的额外挑战。无论是基于传统柴油发电还是混合配置的自主电力网络运营，都需要持续监控和主动控制，以确保系统的稳定性、效率和经济效益。Hung等人[8]开发了一种协作优化方法，同时解决了电力和热力网络集群的分割以及多个能源枢纽的协调优化问题。他们的方法特别适用于具有分散式可再生能源发电和不断增加的灵活负载的孤立微电网。研究结果表明，变压器过载情况有所减少，整体运营成本也有所降低，这凸显了在孤立系统中实施综合能源管理策略的重要性。Tardy等人[34]提供了一个具体的例子，他们研究了魁北克北部一个孤立矿区的脱碳路径，该地区柴油燃料占总能源消耗的80%以上。研究强调了这类矿山对化石燃料的依赖性，并指出了在恶劣气候条件下向低碳能源系统转型的技术和经济复杂性。图5展示了Raglan矿的集成电力和供暖网络，这是一个结合了电力和热能需求的孤立矿区能源系统的典型案例。图5. Raglan矿的集成电力和供暖网络示意图。图例：EMD：电动柴油机；HX：热交换器；颜色代码（黑色：电能；蓝色：冷却水，低温排放气体（在HX-01中热交换后的冷气体）；红色：热水；黄色：冷乙二醇水和热乙二醇水）。

3.4. 加拿大采矿业的能源概况与挑战
3.4.1. 经济结构与能源成本的作用
采矿行业在加拿大经济中占据重要地位，并且高度依赖国际商品市场。由于收入随全球矿产价格波动，矿业公司必须不断控制和优化生产成本以保持竞争力。这些成本通常可以分为三类：设备和供应、劳动力以及能源。

表2展示了2018年加拿大一些代表性采矿作业的生产成本构成。在金属矿石开采中，设备和供应占最大成本比例，约为总生产成本的50%。这反映了采矿作业的资本密集型特性，包括重型机械（如运输卡车、钻机和装载机）的购置、维护和更换，以及炸药的使用。随着矿山规模的扩大或在偏远地区运营，这些成本往往会增加，因为设备运输和物流变得更加复杂。

劳动力成本是第二大支出项目，约占金属采矿总成本的27%。加拿大矿业行业提供了行业中一些最高的工资水平，以吸引和留住技术工人，尤其是在需要长时间轮班工作的偏远地区。2020年，采矿行业的平均年薪超过了123,000美元，远高于制造业、金融或建筑行业。

能源成本排在第三位，约占金属采矿运营成本的17%。然而，这一比例因矿山类型和电网接入情况而大不相同。接入电网的矿山受益于相对较低的电价，价格因省份而异，通常在5至24美分/千瓦时之间；而孤立或位于北部的矿山则往往依赖现场柴油发电。在北极和偏远社区，电价可能高达0.80至2.50美元/千瓦时，这大大增加了运营成本，并加剧了对化石燃料的依赖。

3.4.2. 加拿大采矿业的能源需求/消耗
加拿大是全球主要的采矿国家之一，在多个省份和多种矿产类型上都有广泛的开采活动。因此，采矿行业占全国工业能源消耗的很大份额。能源需求根据采矿方法、深度和与公共电网的接近程度而有很大差异。

多项研究考察了加拿大采矿作业的能源消耗情况[Bharathan等人[49]评估了不列颠哥伦比亚省、萨斯喀彻温省、安大略省和魁北克省四个省份的地下采矿设施和运输系统的能源使用和成本，并发现特别是在魁北克省有巨大的节能潜力。这四个省份承载了加拿大大部分的采矿活动，如图6所示。

Smith[30]汇编并分析了来自加拿大自然资源部的11个地下矿山的能源消耗数据。研究结果表明：
- 电能占总能源消耗的65-73%；
- 用于设备和材料运输的柴油和汽油占16-20%；
- 供暖和冷却系统占11-15%的总能源使用量。

历史趋势进一步显示，电气效率的提高往往伴随着柴油消耗的增加，尤其是在移动设备中（图7）。

图7. 1990-2012年加拿大铜、镍、铅和锌矿的能源强度[77]。

采矿相关能源消耗的区域分布反映了地质资源和采矿实践的影响。根据Katta等人[31]的研究，铁矿石开采主要集中在纽芬兰和拉布拉多以及魁北克，这两个地区几乎满足了全国对该矿产的所有能源需求。黄金开采集中在安大略省和魁北克省，这两个地区合计占黄金开采总能源消耗的约82%，以及超过80%的地下矿石产量。

燃料和电价在不同省份也有显著差异，如表3所示。由于拥有丰富的水力资源，魁北克的电价非常低；而柴油和压缩天然气的价格则更具波动性，受运输和地区税收的影响较大。

3.4.3. 加拿大的典型案例研究
3.4.3.1. 安大略省Garson（Vale）地下矿
由Vale公司在安大略省Sudbury运营的Garson矿是一个典型的加拿大地下采矿作业示例。其能源消耗（不包括破碎环节）估计为每吨矿石226.5兆瓦时，平均每吨矿石排放0.078吨二氧化碳当量[77,79]。仅通风就占总能源消耗的约71.8%，显示出其在地下矿山中的主导作用。柴油驱动的运输和装载设备约占能源使用的10.5%，但贡献了近33%的温室气体排放[30,79]。图8展示了Sankey图，包括估计的温室气体排放量。

3.4.3.2. 安大略省Borden地下矿
Borden金矿（图9）位于安大略省Chapleau，代表了向矿山电气化转变的重大技术进步。该矿由Goldcorp公司运营，是加拿大首个完全采用电动车辆的地下矿，用于钻探、爆破、螺栓固定和矿石运输。这一策略旨在消除地下柴油的使用，显著减少了排放和通风需求。通过转向电动车辆，预计每年可减少约2兆瓦时的柴油消耗和1兆瓦时的丙烷消耗，从而减少70%的温室气体排放（约7000吨二氧化碳）。预计通风需求的减少每年可节省33,000兆瓦时的能源，从而节省约900万美元的运营成本。尽管电动设备的前期成本较高（比柴油设备高出25-30%），但由于燃料和维护费用的降低，生命周期成本分析显示总拥有成本相当或更有利。

尽管取得了这些成就，但由于大型电动运输卡车的供应有限，全面电气化仍受到限制。此外，Borden矿受益于可靠的电网接入，这表明在孤立或离网环境中复制此类解决方案可能更具挑战性。

3.4.4. 加拿大采矿作业面临的关键能源挑战
加拿大采矿作业面临与地理隔离、极端气候条件和物流限制相关的持续能源挑战，尤其是在北部地区。冬季的有限通行条件使得燃料供应和设备运输变得复杂，增加了运营成本和中断的风险。

Tardy等人[34]指出，Raglan矿的偏远位置和恶劣气候显著增加了柴油供应、维护作业和物流的难度，使得该矿的成本高于类似南部的矿山。Robert等人[35]研究了Raglan矿采用混合柴油-风能系统结合氧化还原液流电池储能的可行性，并指出在寒冷气候条件下准确确定储能系统的规模仍是一个重大技术挑战。更广泛地说，Durand等人[41]认为地理隔离和极端天气是加拿大北部采矿作业大规模整合可再生能源的主要障碍。

3.5. 其他国家采矿业的能源概况与挑战
澳大利亚是采矿活动最活跃的国家之一，是多种矿产的主要生产国。然而，它面临着巨大的挑战，特别是其能源密集型的采矿过程[81]。澳大利亚采矿业的能源消耗量巨大。根据Meade[82]的数据，澳大利亚矿业行业每年消耗近500拍焦耳（PJ）的能源，约占澳大利亚总能源消耗的10%。其能源结构主要以化石燃料为主，其中柴油占澳大利亚矿山总能源消耗的41%。柴油广泛用于驱动采矿卡车、重型机械以及偏远矿山的矿石运输和电力生产。可再生能源的使用目前仅占能源消耗的约4%[83]。

澳大利亚拥有丰富的可再生能源资源，有利于将其整合到采矿行业中。一些矿山正在启动项目，安装混合微电网，以便利用柴油、太阳能光伏、水力发电等来源来补充能源需求。根据Matanzima等人[84]的研究，许多澳大利亚矿山正在使用抽水蓄能水电站作为能源储存方案。Huang等人[81]表明，澳大利亚矿山使用的混合微电网（结合光伏系统、风力涡轮机和配备电池储能系统的柴油发电机）可以实现80%的可再生能源渗透率，最低平准化电力成本（LCOE）为0.32美元/千瓦时，预计减排量为0.11千克二氧化碳/千瓦时，相比参考柴油发电机减少了84%。

在德国，能源消耗量估计为10,478拍焦耳[85]。德国是欧盟最大的能源消费国。与加拿大和澳大利亚一样，德国也面临能源挑战，尤其是能源价格上涨的问题。这种情况对采矿行业产生了重大影响，自2022年初以来，采矿产量有所下降。德国采矿业中最能源密集的活动是褐煤开采，产量接近1.023亿吨。随着燃煤电厂的退役，德国矿业正在向清洁能源转型。

根据Trade[85]的数据，德国的目标是到2030年将其80%的电力供应来自可再生能源，并在2024年实现了这一目标。德国计划到2030年将其温室气体排放量比1990年水平减少65%，作为实现2045年碳中和目标的一部分。由于国内可再生能源产量的增加、进口电力以及能源密集型行业的减少，德国的二氧化碳排放量降至20世纪50年代以来的最低水平。德国的电力碳强度在欧洲排名第六，为381克二氧化碳/千瓦时，而法国仅为56克二氧化碳/千瓦时。

3.6. 能源转型与采矿行业
全球能源转型正在深刻重塑采矿行业，同时对矿产需求和能源使用及排放施加了更严格的限制。低碳技术（如可再生能源、电动汽车和能源储存）的部署需要大量的矿产和金属。根据Hund等人[86]的研究，到2050年，对锂、石墨和钴等关键矿产的需求可能增加500%，主要受清洁能源技术和电气化运输系统扩张的推动。这种需求的快速增长使采矿行业成为能源转型的关键推动者，同时也加剧了对生产能力及资源效率的压力。

同时，绿色技术通常比传统的化石燃料系统更依赖矿产。政府间采矿、矿产、金属和可持续发展论坛（IGF）报告称，清洁能源技术每单位能源生产的原材料需求显著高于传统技术[87]。图10展示了在选定的清洁能源技术中使用的各种矿物，强调了采矿在全球能源系统脱碳中的核心作用。图10. 选定清洁能源技术中使用的矿物[87]。除了应对不断增长的矿物需求外，采矿行业自身的能源转型也需要减少整个采矿过程中的能源消耗和排放。这包括采用改进的操作实践、节能技术和优化的工艺设计。Purhamadani和Bagherpour[5]研究了爆破作业中炸药选择对能源的影响，这是许多采矿过程中的一个关键阶段。他们的研究比较了三种常用的炸药：ANFO、emulite和pentolite，并证明炸药的选择可以显著影响每吨岩石的能源消耗。特别是，使用emulite和pentolite时，爆破过程中的能源消耗比传统ANFO高出1.1到1.8倍。这些结果表明，即使在采矿价值链的早期阶段，技术选择也会对整体能源效率产生可测量的影响。综合来看，这些趋势揭示了采矿行业面临的双重挑战：既要满足对能源转型所需矿物的快速增长需求，同时又要降低自身的能源强度和环境足迹。应对这一挑战不仅需要技术创新，还需要综合考虑生产需求和脱碳目标的综合能源管理策略。

总之，采矿作业中的能源需求主要由三类活动构成：矿石提取和处理、地下矿山的通风和辅助服务以及运输系统。尽管采矿方法和地理环境有所不同，但这些活动始终是能源消耗的主要驱动因素，因此也是脱碳策略的主要目标。

采矿活动本质上具有高能源密集性，且仍然严重依赖化石燃料，尤其是在移动设备、物料处理和现场发电方面。因此，采矿行业与大量的温室气体（GHG）排放相关，尤其是在依赖自主化石燃料电力系统的偏远地区。因此，在全球气候目标和能源转型的背景下，实现采矿作业的脱碳已成为一个核心挑战。

4.1. 全球采矿业的脱碳驱动因素和杠杆
越来越多的文献关注全球采矿业的脱碳策略[88]。Zhang等人[89]分析了中国钢铁行业的碳排放和能源消耗转移情况，发现2012年至2017年间基于消耗的碳足迹和能源足迹呈下降趋势。Hirlekar等人[90]评估了南非和刚果民主共和国采矿作业中绿色技术的经济和能源影响，强调了电气化在日常采矿活动中的潜力。Zhu等人[42]证明，技术创新在提高采矿作业的能源效率和环境绩效方面起着决定性作用。Davies[32]也得出了类似的结论，他强调了将可持续性目标纳入长期矿山规划以增强盈利能力和韧性的重要性。一些研究强调了采矿脱碳的结构和社会环境维度。Vidal[91]指出了限制可持续采矿发展的关键弱点，并认为如果这些问题得到解决，北欧的采矿作业可以在欧洲的生态转型中发挥领导作用。Negrete等人[92]评估了铜矿和锂矿脱碳策略的社会环境影响，表明运营选择和治理结构对可持续性结果有重大影响。特别是在发展中国家，手工和小规模采矿由于技术效率低下和能源强度高，仍然是一个重大挑战[93]。

图11显示了选定商品生产的平均温室气体排放强度，突显了不同矿物类型之间的巨大差异以及能源密集型过程的主导作用。图11. 选定商品生产的平均温室气体排放强度[87]。运输、装载和粉碎作业一直被认为是与采矿相关的排放的主要来源[94,95,96,97,98,99]。Norgate和Haque[95]报告称，铜矿中的破碎和研磨过程可能占总排放量的46%。Kecojevic和Komljenovic[96]开发了详细模型来估算采矿卡车的燃料消耗和二氧化碳排放，表明排放量对操作条件、负载因素和设备利用率非常敏感。

除了直接的操作排放外，特定来源在脱碳分析中往往被忽视。Mervine等人[3]强调了因植被清除而产生的生物质相关排放的贡献，这些排放通常被排除在传统的碳清单之外。这些发现强调了在采矿脱碳策略中需要更全面的排放核算框架。

在更广泛的能源系统层面，脱碳通常围绕三个关键挑战展开：用可再生能源替代化石燃料、为难以电气化的行业开发替代方案，以及通过先进策略减少剩余排放[100]。多位作者强调，实现深度脱碳需要对电力生产、传输和消费系统进行根本性的转型[101,102,103,104,105,106]。鉴于采矿行业本身约占全球温室气体排放量的7%[107]，该行业既是全球脱碳路径中的挑战，也是机遇。

战略性的矿山规划越来越被认为是减少排放的关键手段。最小化废石运输、减少设备空转和优化物料流动可以显著降低燃料消耗和排放[32]。大规模整合可再生能源是最有效的长期策略之一，特别是因为许多低碳技术依赖于铝、铜、镍、钴、锂和石墨等矿物，而这些矿物本身也是由采矿行业生产的[86,108,109]。

4.2. 加拿大采矿业的脱碳努力
4.2.1. 背景
在加拿大，采矿行业的脱碳努力得到了制度框架和行业主导的倡议的支持。通过加拿大矿业协会（MAC），鼓励矿业公司采取环保做法，同时保持经济效益。实际例子包括力拓的Diavik钻石矿，该矿将风能纳入其电力供应[110]。Durand等人[41]研究了加拿大北部矿山的化石燃料依赖性，并指出了在偏远、气候极端环境中脱碳的挑战和机遇。Katta等人[31]开发了加拿大铁矿、金矿和钾矿的能源消耗和温室气体排放的详细分解数据，显示不同商品和采矿方法之间存在显著差异。这些结果证实，脱碳策略必须根据具体的矿物行业和地区环境进行定制。

4.2.2. 促进矿山脱碳的倡议和杠杆
加拿大的矿山能源管理倡议可以追溯到20世纪70年代的石油危机。早期的措施集中在通过隔热、热回收和工艺优化来减少能源损失。虽然这些历史发展值得认可，但它们对当代脱碳策略的分析价值有限[24]。当前的倡议越来越重视电气化、可再生能源整合和先进的能源管理系统。柴油发电机的热回收在北部矿山中得到广泛应用，特别是在现场发电的地方。同时，可再生能源项目（尤其是风力发电场）已在Raglan和Diavik等地点部署[111]。近年来，这些技术的经济可行性显著提高。图12比较了不同发电技术的平准化能源成本（LCOE），显示公用事业规模的风能和太阳能现在提供了最低的成本，增强了在采矿作业中整合可再生能源的商业可行性[112]。政策工具进一步支持脱碳。魁北克的总量控制与交易系统（SPEDE）设定了逐步减少的排放上限，并允许碳信用交易，从而鼓励减排和低碳投资[13]。

4.2.3. 制度框架和绩效监测
MAC的“走向可持续采矿”（TSM）计划在加拿大矿山的脱碳工作中发挥着核心作用。该计划的重点领域如图14所示，包括气候变化管理、生物多样性保护和社区参与[114]。TSM中的能源和气候绩效通过与企业治理、设施级管理和绩效目标相关的指标进行评估。所有注册的加拿大矿山都必须注册该计划并发布结果报告。这些报告符合在线提供的评估标准，涵盖不同主题[115]。评级范围从C到AAA，C代表最低期望，AAA代表卓越。能源方面在“气候变化”类别中进行了讨论，该类别关注三个指标：企业层面的气候变化管理、设施层面的气候变化管理以及设施绩效目标与报告。

4.2.4. 大规模脱碳的障碍
尽管在技术和政策方面取得了进展，但仍有一些障碍限制了采矿行业的大规模脱碳。一个重要限制是许多采矿作业的剩余寿命有限，这阻碍了对回报周期较长的项目的投资。图15显示，大约40%的矿山预计剩余寿命不足10年，严重限制了资本密集型脱碳项目[112]。在这种情况下，模块化和可迁移的能源解决方案可能是一个可行的选择。例如，集装箱化光伏系统、移动电池储能单元和模块化混合微电网可以在矿山关闭后重新部署到其他地点。这些方法降低了投资风险，同时实现了剩余寿命有限的采矿作业的逐步脱碳。其他障碍还包括可再生能源的间歇性、气候暴露（特别是在北部地区）、土地可用性和基础设施要求。这些限制突显了需要针对具体地点制定分阶段的脱碳策略。

4.2.5. 脱碳与可再生能源整合研究的综合
表4总结了关于采矿行业脱碳路径和可再生能源整合的代表性研究。这些研究共同展示了与采矿相关的排放规模以及可再生能源和低碳解决方案的巨大潜力。这一综合表明，结合能源效率、电气化、可再生能源部署和储能解决方案对于实现有意义的减排至关重要。

4.3. 其他国家的采矿行业脱碳努力
一些产矿国家也在努力实现采矿行业的深度脱碳，尤其是澳大利亚和智利。澳大利亚的采矿行业面临多个环境挑战，包括使其能源密集型加工方法脱碳以及减少铜矿提取和加工过程中的碳排放[81,121]。根据Huang等人[81]的说法，实现澳大利亚采矿行业的脱碳（特别是铜矿）至关重要，因为这些矿山目前仍然严重依赖化石燃料。Noor[122]专注于分析和理解西澳大利亚（WA）和昆士兰（Qld）两个州如何将其采矿行业脱碳计划与国家绿色转型政策和目标对齐。表5列出了澳大利亚和智利一些处于可再生能源整合前沿的矿山示例[81]。在智利采矿行业，一些来源[123]指出，由于大多数燃煤电厂过早关闭，导致计划不周的脱碳计划，使该国陷入前所未有的能源危机。尽管面临这些挑战，智利采矿行业的脱碳项目仍然具有重要意义；特别是旨在开发氢能的项目，通过评估绿色氢生产的潜力和技术整合[125]。智利政府的脱碳策略特别依赖于大规模整合可再生能源、采矿作业的电气化、绿色氢的生产和使用以及能源效率[126]。智利的目标是到2030年使其铜矿能源结构的90%来自可再生能源。智利广泛使用太阳能和风能，特别是在阿塔卡马沙漠地区为其矿山供电。鉴于燃煤电厂的逐步淘汰，许多矿业公司早期就采用了可再生能源。如今，一些矿山已经100%使用可再生能源供电。与加拿大一样，智利也旨在实现所有采矿设备的电气化，以大幅减少化石燃料的直接排放。4.4. 采矿行业脱碳技术的发展阶段和成熟度 采矿行业的脱碳必然涉及减少化石燃料的消耗和发展可再生能源。目前，很难预测任何技术的成熟度，因为这一切都取决于具体的矿山（公司或矿山类型）、地区、当地资源的可用性和开采的难易程度以及管理层的能源政策。在寒冷的气候条件下，风能将比其他技术得到更广泛的应用。在赤道和热带地区，由于阳光充足和降雨量大，水力发电和太阳能光伏将被广泛使用。就能源产量和装机容量而言，水力发电和风能是最普遍的。Wang等人[117]认为，水力发电技术能够实现深度脱碳，尤其是在大规模项目中。IHA[127]和Simao与Ramos[128]讨论了水力泵技术的优势，因为它能够最快且最稳定地应对能源需求的峰值。技术的成熟度取决于多个因素。NASA[129]开发了一种称为“技术准备水平（TRLs）”的分类系统，该系统包含9个级别（1-9），可用于评估技术在其开发阶段的成熟度（见图16）。因此，TRL 1对应于技术的开始阶段（设计阶段，基本概念的制定），而TRL 9则代表技术的成熟。根据NASA的标准[130]，诸如地下设备电气化、研磨过程能源优化以及采矿现场可再生能源系统的集成等技术已经达到了成熟、商业化并得到了广泛应用[131]。因此，它们属于TRL 9类别。另一方面，低能耗矿石处理和在采矿作业中使用绿色氢气则属于TRL 1-2类别[132]。图16. 技术准备水平（TRLs）[130]。实际上，目前采矿行业中成熟或接近成熟的脱碳选项包括能效措施、选定设备的电气化以及将可再生电力整合到矿山电力系统中，特别是在有合适资源的情况下。中间阶段的选项包括先进的储能集成和一些全矿范围的混合微电网架构。相比之下，基于氢气的移动设备和某些低能耗矿石处理技术仍处于早期开发或示范阶段，更有可能在中长期内发挥作用。总体而言，文献显示采矿系统中的脱碳路径主要有三条：能效改进、采矿设备和工艺的电气化以及可再生能源在混合能源系统中的集成。然而，它们的相对有效性因矿山配置、能源需求状况和地理条件而异。对于地下矿山来说，电气化尤为重要，因为柴油的使用推动了通风需求；而对于目前依赖柴油发电的孤立运营来说，基于可再生能源的混合微电网特别具有吸引力。5. 采矿中大规模整合可再生能源 5.1. 背景和系统级考虑 采矿作业通常位于偏远地区，远离公共电网和城市中心。因此，历史上它们一直依赖化石燃料能源系统，特别是柴油发电机。然而，近年来，可再生能源（RES）作为一种技术上可行且越来越有竞争力的替代方案出现，同时减少了温室气体（GHG）排放[28,34,35]。可再生能源的整合被广泛认为是能源转型的关键支柱，旨在保护自然资源并减轻与化石燃料消耗相关的排放。因此，越来越多的研究集中在能源密集型行业（如采矿）中部署可再生能源。Magdalena等人[26]使用基于熵的方法评估了到2050年可再生能源整合在采矿行业的长期影响，结果显示更高的可再生能源份额与显著的熵损失减少相关，表明系统效率得到了提高。一些作者研究了大规模可再生能源整合在采矿中的机会和限制。Enemuo和Ogunmodimu[29]回顾了当前的能源实践，并确定了到2050年实现超过50%可再生能源渗透率的策略。Mahir等人[120]分析了可再生能源在分散式和并网系统中的整合，考虑了间歇性和成本波动。他们的决策支持框架基于需求概况、光伏潜力、电价和电网可用性，得出在高可再生能源渗透率情景下平准化能源成本（LCOE）值在0.071至0.118美元/千瓦时之间。Li等人[27]进一步研究了采矿项目中可再生能源部署的挑战和机会，强调了综合规划方法的必要性。在系统层面，混合微电网已成为采矿场的首选配置，结合了可再生能源发电、传统备用电源和能源存储，以确保可靠性和灵活性。图17展示了采矿作业用混合微电网的工作原理。图17. 混合微电网示意图[27]。Pouresmaieli等人[28]使用SWOT框架研究了采矿中的可再生能源整合，强调了在大规模部署前进行详细现场评估的必要性。Ranjbar等人[36]开发了优化模型，以确定可再生能源发电单元、电池储能系统（BESS）和化石燃料备用发电机的最佳规模，证明适当的系统设计可以在保持可靠性的同时显著减少温室气体排放。鉴于可再生能源的间歇性，大规模整合到采矿环境中通常需要将发电系统与储能技术相结合，以平滑波动并满足高峰需求[37,38,39,40]。几种储能解决方案特别适用于采矿应用，包括抽水蓄能、电化学电池、氢储能和氧化还原液流电池。5.2. 抽水蓄能（PHES） 抽水蓄能（PHES）是最成熟且应用最广泛的大规模储能技术之一。PHES系统通过将水抽到上层水库来储存多余的电力，并在需求高峰期通过水力发电回收这些能量。由于其技术成熟度、运行灵活性和长服务寿命，PHES系统特别适合整合风能和太阳能等可变可再生能源[133,134,135,136,137]。国际水电协会（IHA）的全面研究表明，PHES系统表现出快速稳定的动态响应，能够有效调节频率和平衡负荷[127,128]。由于往返效率通常在70%到85%之间，PHES还提供了机械惯性，增强了电网稳定性。此外，其大容量存储允许在从几分钟到季节性存储的广泛时间范围内进行能量转移。Zhou等人[138]提出了常规水力发电和离岸抽水蓄能设施的协调运行，以减轻由可再生能源间歇性引起的剩余负荷波动。Silva等人[139]表明，整合PHES可以使可再生能源渗透率达到85%，同时减少约1百万吨二氧化碳当量的电力部门排放。Zhou等人[140]提出了额外的优化框架，用于削峰和填谷，展示了电力系统稳定性的提高和排放量的减少。大规模集成系统进一步说明了PHES的作用。Wu等人[141]分析了一个装机容量超过49吉瓦的水电-光伏-储能基础，表明通过抽水储能可以有效地控制近90%的吸收电力。从经济角度来看，PHES在其生命周期内仍然是最具成本效益的大规模储能技术。由于其运行寿命接近80年，PHES的投资通常可以多次回收，成本估计比其他储能技术低四到八倍[127,142]。德国和比利时的案例研究报告了具有竞争力的投资成本和不到10年的回收期[143,144]。PHES也在孤岛系统中得到了广泛研究，那里高可再生能源潜力、山地地形和有限的互联性有利于其部署[145,146,147,148,149]。例如，库拉索岛和加那利群岛的安装显示了可再生能源渗透率的显著增加和温室气体排放的显著减少[149,150]。5.3. 氧化还原液流电池储能系统 电化学储能技术在实现采矿微电网中的可再生能源整合方面发挥着关键作用。其中，氧化还原液流电池（RFBs）因其高效率、长循环寿命以及功率和能量容量的独立可扩展性而受到越来越多的关注[151,152,153,154,155,156]。RFBs被认为特别适合长期储能应用和高可再生能源渗透率情景[157,158,159,160,161]。Ouyang等人[160]研究了钒氧化还原液流电池（VRFBs）在一个结合生物质气化和固体氧化物燃料电池的微电网中的性能，实现了高达84%的削峰效率。Zheng等人[162]将基于VRFB的系统与Power-to-Hydrogen-to-Power配置进行了比较，报告称VRFBs的熵效率显著更高（78.5%对比41.7%）。IRENA[163]和Schmidt等人[164]的成本预测表明，未来几十年内RFB的成本可能会下降超过60%，尽管技术经济优化仍然是一个关键挑战[165,166,167,168]。与此同时，锂离子电池由于其高能量密度、模块化和成本迅速下降而目前主导着电网规模的储能部署[169]。许多研究探讨了它们在混合可再生能源系统中的整合[169,170,171]。图18展示了锂离子电池的基本结构。图18. 锂离子电池结构[169]。尽管具有优势，电化学储能技术仍面临一些挑战，包括资源可用性、安全性、可扩展性、集成复杂性和监管限制。这些问题在图19中进行了总结，突出了在净零能源系统中部署可持续储能的重大障碍。图19. 净零转型中能源存储的主要挑战[172]。5.4. 储能技术和缓解途径的分析、比较和特性 经常很难比较不同类型的储能，因为每种储能技术可能在不同的环境、地区等情况下最有效。对于Asri等人[173]来说，因此至关重要的是批判性地分析储能系统（ESSs）的基本特性，以确定选择最合适技术的基准。Mahadevan等人[174]声称每种ESS技术都有独特的优势和局限性，影响其适用性和特定应用的适用性。选择ESS受到诸如能量密度、成本、可扩展性和预期用途（无论是短期电网平衡还是长期能源存储）等因素的影响。在实施任何储能系统之前，考虑地区的气候条件至关重要[175]。表6重点介绍了目前至少能够提供20兆瓦关键存储容量的ESSs。表6. 储能系统的比较和特性[173]。在目前可用的储能技术中，锂离子电池和抽水蓄能是采矿混合能源系统中大规模部署的最成熟解决方案。相比之下，基于氢的储能系统和某些电化学技术仍处于早期开发阶段，未来可能更适合长期储能应用。从比较的角度来看，采矿中的主要缓解途径在实施范围和预期影响方面有所不同。能效措施通常提供了最具成本效益的短期选项，具有中等但广泛可获得的减排潜力。设备电气化在地下矿山中提供了更大的缓解潜力，因为减少柴油使用也降低了通风需求；然而，其部署取决于设备的可用性和充电基础设施。当有足够的当地资源时，可再生电力的整合在离网和并网环境中都提供了高缓解潜力，但其性能强烈依赖于储能和系统的灵活性。相比之下，基于氢的解决方案作为难以电气化的移动设备和偏远操作的长期选项似乎更为相关，但它们目前成本竞争力较低且不如其他途径成熟。对于所选的四种措施，估计的缓解潜力以及成本效益比和减排边际贡献如下[176]：可再生能源（绿色电力）具有20-40%的高缓解潜力。这适用于智利和加拿大。设备电气化具有10-25%的高潜力。这几乎适用于所有采矿国家。能源效率具有中等缓解潜力（5-15%），适用于大多数国家。能源存储（绿色氢气）对加拿大和智利的影响最大。在这里，潜力很高，但仅限于长期。就成本效益而言，能源效率最具成本效益，其次是可再生能源，然后是设备电气化，最后是绿色氢气。上述四种措施的减排边际贡献分别估计为30-50%、15-25%、10-20%和5-15%（长期）。6.矿区的具体特征与异质性
采矿业的脱碳策略不能一概而论，因为不同矿区的地质结构、气候条件以及电力基础设施的接入情况存在显著差异。露天矿和地下矿的能源来源不同，而并网和离网矿在可靠性、能源成本和投资结构方面也面临不同的权衡。这些差异极大地影响了可再生能源整合、电气化及储能部署的可行性、盈利性和时机。如前所述，露天矿的能源需求通常低于地下矿，因为地下矿需要大量的通风系统。关于气候因素，多位学者[28,29,177]强调了气候对能源选择的重要影响，尤其是在整合可再生能源方面。另一个值得分析的方面是电网连接性。虽然并网矿可以从供应商（公共或私人）那里获得电力，但仍然面临能源成本问题，尤其是当这些电力是由化石燃料产生的时候。南非的许多矿山就是这种情况[27]，因为那里的电力主要依赖柴油发电机。面对高昂的能源费用，一些矿山正在开发项目以将可再生能源纳入其能源结构[178,179]。靠近电网既有优势也有劣势：优势在于矿山无需自行建设额外的发电设施，且由于靠近电网，生产成本较低；劣势在于这些矿山在几十年间并未考虑过可再生能源的发展与整合。相比之下，离网矿（远离电网）早在几十年前就开始发展可再生能源，并且一直保持能源独立（见表7）。表7显示了电网连接性对矿山的影响。表8则比较了不同类型矿山的资本支出（CAPEX）与运营支出（OPEX）。本文最初对并网和非并网矿的资本支出与运营支出进行了全面分析，随后将研究扩展到离网地下矿和露天矿。这些因素对矿山的整体能源消耗和温室气体排放有着重要影响。

接近电网可能带来双重影响：一方面，矿山无需投资额外的发电设施，且由于靠近电网，生产成本较低；另一方面，由于过去几十年未考虑可再生能源的发展，这些矿山在采用可再生能源方面相对滞后。离网矿则相反，它们很早就开始发展可再生能源，并始终保持能源独立（见表7）。

实现深度脱碳的主要措施将影响资本支出（CAPEX），例如地下矿的脱碳措施将包括矿用卡车和通风系统的电气化。极端气候条件会显著影响采矿业的脱碳路径的技术性能和可靠性。在寒冷地区，风力涡轮机可能会因结冰而停机；太阳能电池板可能因积雪和结冰而效率下降；电池的效率和功率容量也可能降低；恶劣天气和物流限制也可能影响维护工作。这些因素并不妨碍脱碳目标的实现，但强调了在偏远和寒冷地区进行系统设计、增加冗余性和选择合适技术的重要性。

7. 碳价与能源价格的政治经济分析
大量文献支持碳定价是减少温室气体排放的最佳机制[180,181,182]。根据Ulrich等人的研究[181]，国际矿业和金属理事会（ICMM）已经研究了碳定价对采矿业的影响，为多种矿产设定了碳价范围，黄金除外，碳价从每吨二氧化碳14美元到24美元不等。B?hringer等人[183]关注了排放泄漏问题以及发达国家关于气候政策和碳排放交易的讨论。在《巴黎协定》谈判期间，碳定价也成为了重要议题。Tost等人[184]汇总了18项研究的数据，发现2°C情景下的碳价最低为4美元/吨，中位数为49美元/吨，最高为633美元/吨；1.5°C情景下的碳价最低为9美元/吨，中位数为410美元/吨，最高为3648美元/吨（2016年数据）。Yang和Yan[182]指出，包括B?hringer等人[183,185]使用可计算一般均衡（CGE）模型的研究显示，中国采取的与美国相同的碳税政策在减少碳排放方面效果不佳。严格的碳定价政策既能激励低碳投资，也能抑制对化石燃料密集型采矿方式的依赖。

全球地缘政治危机和紧张局势加剧了能源价格的不稳定性，促使矿业采取提高能源效率、整合可再生能源和部分电气化等措施。Lin和Shi[186]的研究表明，煤炭价格波动对能源行业（尤其是电力生产）产生了负面影响。Koczar等人[187]分析了原油期货合约、可再生能源指数、碳信用期货指数与美国多个行业指数之间的动态关系。尽管化石燃料价格波动会影响采矿业的能源成本，但该行业正通过整合可再生能源来减少对污染性能源的依赖，以符合政府政策要求。

8. 采矿业的现状、挑战与未来能源方向
8.1. 当前状况与能源挑战
受多种因素驱动（包括化石燃料资源枯竭、温室气体排放监管限制、经济考量以及可再生能源资源的增加），可再生能源技术在采矿业中的应用日益广泛。然而，可再生能源在采矿作业中的整合仍受到特定场地条件的严重限制，尤其是在气候极端恶劣的偏远或北方地区。例如，加拿大的一些矿山尽管环境条件恶劣，仍开始整合可再生能源。Diavik钻石矿运营着一个配备特殊技术（用于防止润滑剂冻结和机械故障）的风电场，目前该风电场满足了矿山约10%的能源需求，证明了在寒冷气候下部署可再生能源的技术可行性[110]。尽管取得了进展，但完全依靠可再生能源满足矿山全部能源需求仍是一项重大挑战。主要障碍包括可再生能源生产的间歇性、恶劣气候对系统性能的影响、储能系统的规模和成本，以及设计能够始终保证可靠性的完全可再生能源组合的难度。Zhu等人[42]指出了从采矿能源基础设施中淘汰化石燃料的挑战，尤其是在移动设备和高功率应用中。

采矿业仍需寻找既能减少能源消耗、控制运营成本又能降低环境影响的解决方案。Issa等人[119]分析了加拿大整合可再生能源和电气化矿区的挑战，指出了技术、运营和组织方面的主要障碍。Millar[77]提出了一种优化矿山能源系统的结构化方法，包括通过改进控制系统和回收系统减少能源浪费、采用高效技术和储能解决方案提高能源利用效率，以及部署可再生能源和升级设备。这些策略表明，采矿业的脱碳和能源优化需要整体推进，而不能仅依赖单一技术手段。

鉴于这些挑战，有必要探索能够同时改善采矿业环境和经济绩效的未来能源路径。

8.2. 未来能源方向
采矿业的未来能源战略越来越倾向于采用混合能源系统，结合可再生能源发电、储能技术和低碳燃料，以提高可靠性并减少对化石燃料的依赖。这种混合化不仅适用于固定能源生产，也适用于运输系统（这是采矿作业中能源消耗最大的部分[98]。一种有前景的方向是采用基于混合动力和燃料电池的采矿运输设备。使用可再生能源电力生产的低碳氢技术为重型采矿设备提供了替代柴油的选择。图20展示了丰田提出的基于风能的氢生产方案，旨在为燃料电池叉车提供燃料。根据丰田[188]的说法，这种系统可减少至少80%的二氧化碳排放。除了传统的电解氢生产方式外，先进的混合储能概念也在出现。Reynard和Girault[189]提出了一种双流氧化还原电池系统，将电能储存与可再生氢生产相结合。该系统通过氢气释放（HER）和氧气释放（OER）反应实现能量转换，这两种反应通过氧化还原过程分离（图21）。这种方案相比传统电解法具有更高的安全性、耐用性和纯度。这类系统对于希望优化可再生能源利用并为移动设备生产低碳燃料的采矿应用尤为适用。Suraparaju等人[172]强调国际合作的重要性，以加速开发适合特定工业需求的高效可扩展储能技术。在采矿业中，未来的能源方向将取决于能否成功整合可再生能源发电、长时储能和低碳燃料，形成能够在恶劣环境下运行的稳健混合系统。

尽管有许多技术途径可以提高能源效率和减少排放，但其部署需要细致的技术经济评估和场地适应性分析。不过，大规模整合可再生能源和混合系统表明，向更绿色、更具韧性的采矿作业转型在技术上是可行的。

9. 结论
过去二十年里，随着应对气候变化的紧迫性和减少能源密集型工业活动温室气体排放的需求增加，采矿业的脱碳问题受到了更多关注。本文从三个相互关联的维度探讨了采矿业的脱碳路径：能源消费模式、减排策略以及可再生能源在采矿能源系统中的整合。文献中的一个核心发现是，能源需求仍是采矿业深度脱碳的主要结构性障碍。采矿活动是能源消耗最高的工业过程之一，仍主要依赖柴油系统进行发电、运输和物料处理。在偏远和北方地区，由于电网接入受限、气候极端和物流挑战，能源系统转型更加复杂。

能源消费模式的分析揭示了影响脱碳策略的几个结构性因素。在全球和加拿大的采矿作业中，能源需求主要集中在运输、通风和辅助服务（尤其是地下矿）以及能源密集型的矿石处理上。这些特点使得普遍适用的脱碳方案不切实际，因此需要根据矿区类型、地理条件和基础设施状况制定定制化的能源策略。研究表明，通过结合能源效率提升、电气化、可再生能源部署和支持性政策框架，可以实现有意义的脱碳进展。提高能源效率和部分电气化采矿设备是最具即时实施效果的减排途径，所需资本投入相对较低。特别是在目前依赖柴油发电的偏远矿区，整合可再生能源具有显著的长期减排潜力，但需要精心设计系统以确保运行可靠性。

文献中指出的一个关键因素是储能技术在支持混合能源系统中的作用。包括抽水蓄能、电化学电池和混合配置在内的储能解决方案，在平衡间歇性可再生能源发电和维持稳定能源供应方面发挥着关键作用。混合式架构结合了可再生能源发电、储能和低碳备用技术，因此代表了减少采矿作业对化石燃料依赖的最有前景的工程途径之一。尽管本综述分析的几个案例研究主要集中在加拿大采矿作业上，但所发现的许多结构性挑战（如偏远地区的能源供应可靠性、可再生能源的间歇性以及矿山寿命带来的经济限制）在世界各地的采矿区域都是普遍存在的。因此，这些案例提供的见解对于其他偏远、能源密集型工业环境中的能源系统设计和优化具有重要的指导意义。从战略角度来看，相关文献表明，采矿行业的脱碳路径可以根据实施时间范围进行大致分类：短期策略包括提高能源效率、优化运营流程以及部分设备电气化；中期策略涉及部署由先进储能技术支持的基于可再生能源的混合能源系统；长期策略可能包括移动采矿车队的大规模电气化，以及为难以电气化的应用采用基于氢的能源系统。总体而言，本综述表明，虽然采矿行业的完全脱碳在技术和经济上仍具有挑战性，但当能源解决方案根据具体场地条件进行调整后，已经存在多种可行的路径。要实现大幅减排，需要综合能源管理策略、改进的数据收集和性能监测，以及与矿山开发周期相匹配的长期投资规划。因此，未来的研究和工业努力应集中在改进混合能源系统架构、推进长时储能技术的发展，以及加速低碳采矿设备的研发上。通过解决技术和结构上的限制，采矿行业可以逐步向更具韧性的低碳能源系统转型，同时继续为全球能源转型提供所需的关键矿产资源。