25、生命周期可持续性评估中的矿产资源关键度评估

生命周期可持续性评估中的矿产资源关键度评估

1. 引言

矿产资源关键度评估具有多种用途，对行业和公共部门而言不可或缺。它是组织内部材料选择、产品设计、投资和合作等决策过程的一部分。对于矿产资源关键度，存在多种定义，但科学界普遍认为，若一种资源在经济中具有重要功能、因经济或技术限制而无可行替代品、供应中断可能性高，且获取该材料会带来高环境负担，那么该资源可被视为关键资源。

评估矿产资源关键度可从多个角度进行，常见变量包括时间范围（从特定年份起的短期和长期）以及地理或经济视角（公司、国家、地区、经济集团、全球）。可用方法依赖于描述技术、地质、环境、社会、地缘政治和经济因素的各种指标。

将矿产资源关键度概念融入生命周期影响评估（LCIA）框架，是为解决（环境）生命周期评估（LCA）以及整个生命周期可持续性评估（LCSA）中资源可用性和可获取性问题所做努力的结果。近期对LCA中处理矿产资源的方法进行了审查，包括这些方法如何在影响类别中考虑可用性和可获取性。

本章聚焦于LCSA背景下与供应风险相关的影响路径，旨在总结相关新兴工作。后续内容将阐述矿产资源关键度如何成为解决LCSA中资源使用影响的合适方式，它不仅能解决LCA中关注的资源稀缺地质问题，还能涵盖超越LCA范畴、可作为LCSA一部分的资源可获取性的社会经济层面。资源的不可获取性可能由地缘政治限制导致，也可能源于社会因素，如冲突和罢工等。此外，本章着重介绍补充环境LCA的产品级供应风险评估方法，但暂不探讨在LCSA中考虑资源使用影响所需的未来工作。

2. “自然资源”保护领域

从LCA的环境视角来看，产品系统的影响与三个保护领域（AoP）相关联：人类健康，涉及产品对人类生活质量的影响；生态系统健康，指生产商品和服务的活动对生态系统的影响；自然资源，关注生物和非生物资源的消耗程度。虽然对生态系统健康和人类健康这两个AoP的评估已较为成熟，但在解决资源使用影响的方法和指标方面尚未达成共识。这不仅归因于方法的差异，还在于对为何以及如何保护自然资源缺乏一致意见。

“自然资源”AoP考虑了为人类使用而提取的元素。常用指标衡量因地质耗竭导致的资源可用性降低，或确保未来资源可用性的潜在额外成本。然而，这些指标并未解决因社会经济因素导致的资源可获取性问题。

区分“由内而外”和“由外而内”的视角很有帮助。从生命周期角度看，评估工作侧重于理解产品系统对社会和环境的影响，即“由内而外”的影响。但某些可持续性问题，如供应限制、政策、法规和极端天气事件等“由外而内”的影响，并未在这种方法中得到涵盖。“由外而内”的关系描述了公司和组织如何受到外部社会经济和环境条件的影响。

如前文所述，关键度评估通过考虑可用性和可获取性来评估技术或经济依赖性。关键度指标的重要应用实例是多个国家或地区定期发布的“关键度清单”，用于确定能源生产和存储、机器人技术、信息和通信技术（ICT）、移动性和航空航天等关键行业发展所需的关键矿产资源。

从“由外而内”的视角分析影响时，会涉及资源可获取性的问题。矿产资源关键度作为一个新概念被引入LCSA，用于评估影响产品系统的环境、社会和经济方面。Sonnemann等人（2015）提出，LCSA框架有潜力开展更有意义的资源使用影响评估，其综合框架如图1所示。

关于整个LCSA框架，存在一个概念性问题：是否需要LCSA框架来将资源使用的“由外而内”维度纳入经济维度？或者（环境）LCA的范围是否足够广泛以涵盖这些方面？到目前为止，资源使用已被纳入LCA的影响类别中。在介绍用于解决矿产资源关键度的各种方法后，本章将进一步探讨矿产资源关键度在LCSA经济维度中的定位。

保护领域	描述
人类健康	产品对人类生活质量的影响
生态系统健康	生产活动对生态系统的影响
自然资源	生物和非生物资源的消耗程度

3. 矿产资源关键度：属于LCA还是LCSA？

矿产资源对人类具有很高的经济和功能价值。技术进步导致矿产资源消费增加，并促使人们转向更复杂的矿产资源。由于对能源转型至关重要的原材料供应风险的担忧日益增加，一些国家和贸易集团已将这些矿产资源的可持续供应纳入其政治议程。因此，进行关键度评估成为确保国家持续经济增长、为保障矿产资源供应确定优先事项的一种方式。

矿产资源供应中断的影响与社会经济因素相关，而非环境因素，这与LCA中“自然资源”AoP的“由外而内”维度目前的情况一致。通常通过考虑供应风险及其经济重要性来评估矿产资源的关键度。

已开发出多种评估矿产资源关键度的方法，例如美国国家研究委员会（NRC）确定潜在关键矿产的方法，以及欧盟委员会评估关键度的方法。最具参考价值的方法是Graedel等人（2012）对NRC“提案”的扩展，该方法包括三个维度：供应风险（SR）、环境影响（EI）和供应风险脆弱性（VSR），即所谓的关键度空间，如图2所示。

环境影响在LCA框架内得到解决，但供应风险和供应风险脆弱性则未被涵盖。供应风险随时间因外部因素而变化，而供应风险脆弱性则取决于组织层面（公司、国家、全球）的条件。矿产资源的供应风险归因于出口国家/地区的地缘政治状况、贸易政策（供应组合）和全球生产集中度。供应风险脆弱性因最终用途而异，包括重要性、可替代性和敏感性三个组成部分。通过替代关键资源或进行回收利用，可以降低供应风险脆弱性。

通常通过测量组织的供应风险和脆弱性来定量评估矿产资源关键度。一些方法为每个属性/组件提出了指标，以形成综合指标。根据GeoPolRisk方法，在生命周期影响评估中常区分的中点或终点层面模拟影响。

联合国环境规划署（UNEP）主持的一个特别工作组负责确定解决“自然资源”AoP的LCIA方法。该工作组审查了27种现有的评估LCA中矿产资源使用影响的LCIA方法。本章重点关注产品级供应风险评估，ADP经济资源、GeoPolRisk和ESSENZ方法提供了UNEP特别工作组推荐或建议的指标。

• 非生物耗竭潜力（ADP） ：Guinée和Heijungs（1995）开发了非生物耗竭潜力（ADP）模型。该模型使用开采率与储量估计的比率来评估耗竭情况。在储量估计方面，考虑了两种类型的储量：最终储量（地壳含量）和经济储量。最终储量是地壳中以质量衡量的储量数量，用作最终可开采储量的代理。ADP经济资源使用经济储量，即特定时间内可经济开采的自然资源部分。
• GeoPolRisk方法（中点） ：地缘政治供应风险（GeoPolRisk）方法由Gemechu等人（2016）首次提出，用于从国家、地区或国家集团的角度计算资源的供应风险（作为关键度的衡量指标）。它是LCSA中的中点特征化因子。该方法将供应风险量化为矿产资源全球生产集中度和贸易伙伴进口份额的函数，并根据其政治不稳定程度进行加权。生产集中度通过赫芬达尔 - 赫希曼指数（HHI）评估，政治不稳定程度通过世界治理指数（WGI - PV）的政治稳定和无暴力维度估计。

在后续迭代中，可替代性和可回收性被引入该方法。供应风险脆弱性取决于在资源不可获取时找到合适替代品的能力，这涉及分析待替代资源的最终用途及其机械和化学性质。GeoPolRisk方法中使用的可替代性指标值基于特定应用的专家咨询和文献综述。国内回收也可降低资源的供应风险，因为它可以替代供应链中的初级投入。资源的可回收性由欧盟使用的报废回收投入率（EoL - RiR）确定。在GeoPolRisk中，EoL - RiR用于根据贸易情景重新分配每种资源的进口。最佳情况进口情景涉及减少从WGI - PV得分高的国家的进口贸易，从而降低供应风险；类似地，最坏情况进口情景涉及增加从WGI - PV得分低的国家/地区的进口贸易价值。Santillán - Saldivar等人（2021a）的研究表明，这两种情景都显示出潜在的供应风险缓解效果。

最近发布的中点指标通过引入经济维度，为GeoPolRisk方法引入了一个新变量。资源的年度平均市场价格乘以供应风险得分，得出以货币单位每千克衡量的特征化因子。当乘以资源的质量时，结果表示处于风险中的资源价值（以美元计）。

从国家“c”的角度在给定年份获得资源“A”的GeoPolRisk的公式如下：
[GeoPolRisk_{Ac} = CF_{Ac} = HHI_A * \sum_{i} (\frac{g_i * f_{Aic}}{p_{Ac} + F_{Ac}}) * EoL_{RiR} * S_{Ac} * P]
其中：
- (HHI_A)：商品A的赫芬达尔 - 赫希曼指数
- (g_i)：国家i的地缘政治（不）稳定性
- (f_{Aic})：从国家i到国家c的商品A进口量
- (F_{Ac})：国家c对商品A的总进口量
- (p_{Ac})：国家c国内商品A的生产量
- (EoL_{RiR})：报废回收投入率（此处并非指数形式，而是表示其中的值已调整）
- (S_{Ac})：国家c中商品A的可替代性
- (P)：商品的年度平均市场价格

该概念进一步扩展，以解决使用矿产资源对“自然资源”AoP造成的社会经济损害，通过端点指标进行衡量。计算端点指标特征化因子（GeoPolEndpointAc）的公式为GeoPolRiskAc与资源价格弹性倒数的乘积。价格弹性提供了商品价格变化对需求数量影响的信息，价格变化被视为因矿产资源消费导致的经济损害的衡量指标。结果表示因地缘政治事件导致供应中断，每千克矿产资源平均成本的增加。

生产数据主要从英国地质调查局（BGS，2020）或美国地质调查局（USGS，2021）获取，贸易信息来自COMTRADE（联合国，2022），平均价格来自伦敦金属交易所，WGI - PV数据来自世界银行（World Bank，2020）。虽然生产、贸易、平均价格和不稳定指标有固定的数据来源，但可替代性和报废回收投入率的数据更新不及时，需要用户收集数据以相应地生成中点层面的特征化因子。生成这些特征化因子所需的数据量对该方法的广泛应用构成了重大挑战。

• ESSENZ方法 ：ESSENZ是一种综合方法，用于衡量可持续发展中产品、过程和服务的资源效率。它旨在集成到LCA中，专注于非生物资源、金属和化石矿产资源。该方法考虑了可持续性的三个维度。环境影响通过现有的LCIA方法进行表征，经济影响分为长期（物理可用性）和中期（社会经济可用性）影响，使用两个筛选指标衡量社会影响。ESSENZ总共考虑了19个影响衡量类别，如图3所示。

ESSENZ依赖非生物耗竭潜力（ADP）来衡量物理可用性时的人为冲击。此外，它使用11个指标来衡量社会经济可用性。该模型基于专家判断和利益相关者调查确定的目标，使用距离目标比率。由于所有指标都根据全球资源生产份额进行加权，因此ESSENZ在全球层面提供得分。

Bach等人（2016）经过多次迭代并通过利益相关者调查，最终确定了保护对象。他们认为人类是资源最相关的利益相关者，技术圈是主要系统，初级和二级供应链中资源的可用性与产品系统相关。定义如下：在“自然资源”保护领域内，“矿产资源”的保护对象是人类在技术圈中利用矿产资源价值的潜力。损害被量化为人类活动导致的这种潜力的减少或丧失。

UNEP特别工作组提出了关于资源使用影响的几个问题，分为“由内而外”和“由外而内”的影响。关于“由外而内”影响的两个问题如图4所示，UNEP特别工作组针对这些问题给出了在LCA中使用的建议和推荐方法列表。

4. 从生命周期成本核算到经济生命周期评估——引入经济影响路径

根据Bachmann（2013）和Neugebauer等人（2016）的观点，经济活动在社会中通过提供商品和服务发挥着关键作用，但LCSA中使用生命周期成本核算（LCC）进行经济评估时，仍主要关注财务成本。然而，经济活动可能产生许多积极和消极后果。因此，Neugebauer等人（2016）建议将LCSA中经济评估的范围扩展到经济生命周期评估（EcLCA），以在LCSA框架内体现经济支柱，遵循ISO 14044的要求，并引入一个或多个经济影响路径，包括与定义的保护领域（AoP）相关的中点和终点类别。

Neugebauer等人（2016）开发的EcLCA框架明确提出了将经济影响纳入LCSA的建议，超越了传统LCC以成本为驱动的观点，展示了经济活动与结果之间的关系。由于有充分理由将矿产资源关键度归类为经济问题（至少在供应中断导致原材料价格上涨造成经济损失的终点层面），因此需要进一步研究和完善Bachmann（2013）和Neugebauer等人（2016）的建议，以将矿产资源关键度评估也纳入其中。关于LCSA结果整合的货币化问题，可进一步参考相关内容。

综上所述，产品级供应风险指标的持续发展以及UNEP特别工作组对现有指标的建议，有助于行业和政策决策者最大限度地发挥供应风险缓解策略的潜在效益，推动向碳中和社会的转型。ADP指标评估自然资源的耗竭情况，而ESSENZ方法和GeoPolRisk中的指标则按照Neugebauer等人（2016）的建议，从经济维度分析资源使用的影响，超越了LCSA中传统LCC以成本为驱动的观点。

UNEP特别工作组指出了这些方法的潜在未来发展方向。如Cimprich等人（2019）所反映的，GeoPolRisk指标专为产品级供应风险评估而设计，需要将该指标与产品的功能单位相联系，这与其他用于环境评估的LCIA指标类似。在进行此类产品级矿产资源关键度评估时，主要挑战之一是无法分析供应链中采矿阶段之后的资源情况，因为此时存在基本流。

除了资源供应安全外，负责任的采购是与资源相关的一个新兴话题。包括美国和欧盟国家在内的一些国家已经通过了关于可持续采购、负责任采购等方面的法规。武装冲突和罢工运动等社会影响导致的供应风险是生产商的重大关切。建议未来开发一个或多个用于分析负责任采购的指标，为公司提供足够信息，使其能够履行尽职调查，从而涵盖LCSA中的治理问题。

在资源关键度评估这一领域，存在多个未来发展机会。目前正在努力从生命周期角度更好地量化资源使用的经济影响，这将使我们更接近一个更易于应用和成熟的框架。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(评估矿产资源关键度):::process --> B(考虑多个角度):::process
    A --> C(关联保护领域):::process
    B --> B1(时间范围):::process
    B --> B2(地理或经济视角):::process
    C --> C1(人类健康):::process
    C --> C2(生态系统健康):::process
    C --> C3(自然资源):::process
    C3 --> D(关键度评估方法):::process
    D --> D1(ADP经济资源):::process
    D --> D2(GeoPolRisk方法):::process
    D --> D3(ESSENZ方法):::process

以上流程图展示了评估矿产资源关键度的整体流程，从多个角度进行考虑，关联到不同的保护领域，最终引出具体的关键度评估方法。

方法	特点	数据来源
ADP经济资源	使用经济储量评估耗竭	无明确提及特定数据来源
GeoPolRisk方法	考虑地缘政治和贸易因素，引入可替代性和可回收性	生产数据：BGS、USGS；贸易信息：COMTRADE；平均价格：伦敦金属交易所；WGI - PV数据：世界银行
ESSENZ方法	综合考虑可持续性三个维度，使用11个指标衡量社会经济可用性	基于专家判断和利益相关者调查确定目标

生命周期可持续性评估中的矿产资源关键度评估

5. 关键度评估方法总结

为了更清晰地对比不同的矿产资源关键度评估方法，下面以表格形式总结各方法的主要特点、适用范围和局限性：
|方法名称|主要特点|适用范围|局限性|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|非生物耗竭潜力（ADP）|使用开采率与储量估计的比率评估耗竭，区分最终储量和经济储量|评估因地质耗竭导致的资源可用性降低|未考虑社会经济因素对资源可获取性的影响|
|GeoPolRisk方法|从国家、地区或国家集团角度计算供应风险，考虑生产集中度、贸易伙伴进口份额和政治不稳定程度，引入可替代性和可回收性|产品级供应风险评估|数据更新不及时，生成特征化因子所需数据量大，难以广泛应用|
|ESSENZ方法|综合考虑可持续性三个维度，使用11个指标衡量社会经济可用性，基于专家判断和利益相关者调查确定目标|衡量产品、过程和服务的资源效率|依赖专家判断和调查，主观性相对较强|

通过这个表格，我们可以直观地看到不同方法的优势和不足，有助于在实际应用中根据具体需求选择合适的评估方法。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(选择评估方法):::process --> B{需求类型}:::process
    B --> |资源耗竭评估| C(ADP经济资源):::process
    B --> |产品级供应风险评估| D(GeoPolRisk方法):::process
    B --> |资源效率衡量| E(ESSENZ方法):::process

这个流程图展示了根据不同的需求类型选择合适评估方法的过程，帮助使用者更清晰地进行决策。

6. 案例分析：以电动汽车为例

为了更好地理解矿产资源关键度评估在实际中的应用，下面以电动汽车为例进行分析。电动汽车的发展对多种矿产资源的需求巨大，如锂、钴、镍等，这些资源的供应风险直接影响着电动汽车产业的可持续发展。

• 供应风险分析 ：从GeoPolRisk方法的角度来看，这些关键矿产资源的供应风险受到多个因素的影响。例如，锂矿的主要生产国集中在少数几个国家，全球生产集中度较高，通过赫芬达尔 - 赫希曼指数（HHI）可以量化这种集中度。同时，这些国家的政治不稳定程度会影响其出口政策，进而影响到其他国家的进口情况。以某国为例，如果该国政治不稳定，其锂矿的出口可能会受到限制，导致进口国的供应风险增加。
• 可替代性和可回收性考虑 ：在电动汽车中，某些关键矿产资源的可替代性是降低供应风险的重要因素。例如，研究人员正在努力寻找可以替代钴的材料，以减少对钴资源的依赖。此外，提高电动汽车电池的可回收性也可以缓解供应风险。通过回收利用废旧电池中的锂、钴等金属，可以减少对原生矿产资源的需求，降低供应风险。根据相关研究，提高电池的回收利用率可以显著降低电动汽车产业对关键矿产资源的供应风险。

通过这个案例分析，我们可以看到矿产资源关键度评估在实际产业中的重要性，它可以帮助企业和政策制定者更好地应对资源供应风险，推动产业的可持续发展。

7. 未来发展趋势

随着全球经济的发展和资源需求的不断增长，矿产资源关键度评估领域也将面临新的挑战和机遇，未来可能呈现以下发展趋势：
- 数据更新与共享 ：目前，GeoPolRisk方法等在数据更新方面存在不足，未来需要建立更完善的数据更新机制，确保数据的及时性和准确性。同时，加强数据共享平台的建设，促进不同国家和机构之间的数据交流，提高评估的可靠性和可比性。
- 多维度评估方法的融合 ：单一的评估方法往往存在局限性，未来可能会将不同的评估方法进行融合，综合考虑技术、地质、环境、社会、地缘政治和经济等多个维度的因素，提供更全面、准确的评估结果。
- 关注新兴产业需求 ：随着新兴产业的不断涌现，如人工智能、物联网等，对新型矿产资源的需求也在增加。未来的评估方法需要更加关注这些新兴产业的需求，及时调整评估指标和方法，以适应产业发展的变化。
- 加强国际合作 ：矿产资源的供应和需求是全球性的问题，需要各国之间加强合作。未来，国际组织和各国政府可能会加强在矿产资源关键度评估方面的合作，共同制定标准和政策，促进全球资源的可持续利用。

8. 结论

矿产资源关键度评估在生命周期可持续性评估中具有重要意义。它不仅可以帮助企业和政策制定者更好地了解资源的供应风险，还可以为资源的合理利用和可持续发展提供决策依据。通过对ADP经济资源、GeoPolRisk和ESSENZ等评估方法的介绍和分析，我们可以看到不同方法的特点和适用范围。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的评估方法，并结合案例分析和未来发展趋势，不断完善评估体系。

同时，我们也应该认识到，目前的评估方法还存在一些不足之处，如数据更新不及时、难以分析供应链全流程等。未来需要进一步加强研究和创新，解决这些问题，推动矿产资源关键度评估领域的发展，为实现全球资源的可持续利用和经济的可持续发展做出贡献。

总之，矿产资源关键度评估是一个复杂而重要的领域，需要我们不断探索和实践，以应对日益严峻的资源挑战。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(当前评估方法):::process --> B(存在的问题):::process
    B --> B1(数据更新不及时):::process
    B --> B2(难以分析全流程):::process
    B --> B3(单一方法局限性):::process
    B --> C(未来发展方向):::process
    C --> C1(数据更新与共享):::process
    C --> C2(多维度方法融合):::process
    C --> C3(关注新兴产业):::process
    C --> C4(加强国际合作):::process
    C --> D(完善评估体系):::process
    D --> E(实现资源可持续利用):::process

以上流程图展示了从当前评估方法存在的问题到未来发展方向，最终实现资源可持续利用的过程，清晰地呈现了该领域的发展路径。