一、前言
為滿足《巴黎協定》零碳排之目標，未來20年潔淨能源技術在電力系統中將持續扮演至關重要的角色。而與傳統化石燃料、碳氫化合物資源相比，在建造同類商品時電動汽車、太陽光電發電廠與風力發電廠等潔淨能源所需的礦物更多，例如每輛電動汽車所需的金屬礦物為傳統汽車的6倍；陸上風力發電廠所需的礦物資源是燃氣發電廠的9倍。隨著能源轉型的步伐加快，預計至2040年，潔淨能源技術對於礦物需求將成長至少4倍，包含太陽光電、風力發電及電動汽車的需求量皆有大幅成長，屆時對於鋰、石墨、鈷、鎳與稀土元素礦物的使用量將有所提升，其中鋰的需求量成長甚至達到42%，為成長幅度最高的礦物。由此可知，礦物為潔淨能源轉型下關鍵的材料，為此，以下針對多項重要的潔淨能源對礦物的潛在需求進行討論。

二、潔淨能源轉型下的關鍵礦物
(一)低碳發電
1.太陽光電
目前太陽光電市場以矽晶 (c-Si)模組為主(約占全球市場95%)，其面板約包含5%的矽、1%的銅及少於0.1%的銀與金屬。而利基市場的薄膜技術則是玻璃占比較高，礦物較矽晶模組低，且不需使用銀與矽，而是鎘、碲(碲化鎘，CdTe)或銦、鎵、硒(銅銦鎵二硒化物，CIGS)。另一方面，公共事業的發展促進太陽光電系統由集中式轉為分散式，因此串聯型變流器與微型變流器將比集中型變流器多出約40%的銅。

自2008年以來，隨著晶圓厚度大幅減少，使得其所需的矽降低了一半以上，加上使用效率較高的金屬化漿料所含的銀濃度較低，使得銀的所需量亦下降80%，預計至2030年，矽與銀的使用量將進一步減少約25%與30%。隨著整體太陽光電效率的提升，其他礦物的需求量預計亦會降低。然而由於太陽光電的快速部署，加上薄膜技術、分散式與建築應用的發展，預計2040年其對礦物的需求仍將成長一倍以上。而隨著技術的進步，太陽光電將朝碲化鎘、鈣鈦礦、砷化鎵技術發展，則將大大增加對鎘與碲、鉛以及砷、鎵、鎵等礦物的需求。

2.風力發電
風力發電機由塔架、機艙與轉子組成，主要需要混凝土、鋼、鐵、玻璃纖維、聚合物、鋁、銅、鋅與稀土元素等材料，而其礦物的使用量主要取決於發電機的尺寸與類型。

近年來由於技術的進步，無論是陸上或海上風力發電機的尺寸皆有顯著成長，並預計未來可達到5MW與20MW。而更高的塔架、更大的轉子與更輕的傳動系統成為容量因子增加與材料使用量減少的關鍵因素，例如3.45MW可比2MW的發電機減少約15%的混凝土、50%的玻璃纖維、50%的銅及60%的鋁之使用量。

現今發電機主要有齒輪箱雙饋式感應發電機(gearbox double-fed induction generator, GB-DFIG)、齒輪箱永磁同步發電機gearbox permanent-magnet synchronous generator, GB-PMSG)、直驅永磁同步發電機(direct-drive permanent-magnet synchronous generator, DD-PMSG)及直驅電勵磁同步發電機(direct-drive electrically excited synchronous generator, DD-EESG)四種類型，其中PMSG所包含的稀土元素較多，使得其尺寸較小、重量較輕且效率較高。目前陸上發電機主要使用GB-DFIG(占全球市場70%以上)；海上發電機則主要使用DD-PMSG(占全球市場60%)。預期至2040年，受到永磁式發電機的發展使得對稀土元素需求可能增加3倍以上，加上離岸風電的推動需要更多海底集電器(submarine collector)與電纜(cables)，銅的需求量將達到每年6百萬噸。

3.聚光太陽能熱發電(Concentrated solar power, CSP)
其使用鏡子聚集太陽輻射，並將能量傳輸至熱交換流體(heat-exchange fluid)以進行發電，目前主要有兩種類型的技術，分別為拋物線槽型集光器(parabolic troughs)及集中塔式(central towers)。前者透過將太陽輻射引導至內部含沿著拋物面鏡(parabolic mirror)長度流動的熱交換流體之管子上，與後者相比，其銅的需求量高出2倍多；後者則緊密追蹤太陽運動的方向，並將太陽輻射引導至含熱交換流體的集中式接收塔中，與前者相比，其需要更多的礦物材料，包含8倍的錳、4倍的鎳與2倍的銀。

由於集中塔式系統具有較高的效率及較大的儲存容量，預期至2040年其在市場的占比可達75%，屆時對鉻、銅、錳、鎳的需求量將比2020年成長75、67、92及89倍。

4.地熱發電
地熱發電廠透過管道將地下熱液資源(如蒸汽或熱水)輸送至地表以驅動渦輪機發電，並使用特殊的鋼(含鉻、鉬、鎳及鈦)以承受地熱儲集層(geothermal reservoirs)極高溫度與具腐蝕性的惡劣環境。與2020年相比，預計至2040年地熱的礦產需求將增加4倍以上，雖然地熱發電占總低碳電力容量增加量(all low-carbon power capacity additions)不到1%，然而其為鉻、鉬、鎳及鈦在電力部門中主要的需求來源。

5.水力發電與生物能源
與其他低碳能源相比，水力發電的礦物使用量較低，其使用較多的水泥與混凝土，除了不使用稀土元素外，銅(1150kg/MW)、錳(200kg/MW)及鎳(30kg/MW)的需求量亦是所有低碳能源中最低的，加上受到高資本成本與地域限制影響，預期至2040年其占總電力容量增加量(total power capacity additions)之比例將持續下降，屆時所需要的銅與鉻分別占所有低碳電力需求量的2%及11%。

生物能源則與多數再生能源發電技術相同，其主要的礦物需求主要為銅(2270kg/MW)，此外其所需的鈦(400kg/MW)高於除地熱發電外的發電技術。與2020年相比，預計至2040年其總礦物需求量將增加1倍以上，其中銅占四分之三以上。

6.核能發電
與水力發電相同，核能發電為礦物需求量較低的低碳技術之一，其礦物需求包含鉻(2190kg/MW)、銅(1470kg/MW)、鎳(1300kg/MW)、鉿(0.5kg/MW)和釔(0.5kg/MW)(此報告側重於設備生產而非營運的礦物需求，因此鈾不在其分析內)。由於核能發電技術成熟度較高，預期至2040年其礦物需求量僅略有下降。

(二)電力網絡
電力網絡為當今電力系統的支柱，其在全球擁有超過7000萬公里的輸配電線路(transmission and distribution lines)。配電線路占總線路長度的 90% 以上，除了向區域終端用戶提供電力外，並在整合住宅太陽光電與陸上風力發電上扮演著重要的角色。而輸電線路則在負載中心(load centres)與大型水力、熱力及核能的連結上發揮重要的作用，並整合大量的太陽光電與風力發電系統，強化國家間的連結以提高電力系統的彈性。而銅與鋁為構成電線與電纜主要的材料，前者具有較卓越的耐腐蝕性能(corrosion resistance)與抗拉強度(tensile strength)，常用於地下或海底電纜；後者則有重量的優勢，常用於架空線路。

隨著電力供應中再生能源的占比持續增加，加上對於智慧電網與靈活性的需求，預計至2040年電網擴張的速度將成長1倍以上，其中輸電與配電線路將增加約50%及35%。而電網的擴大對於礦物與金屬的需求亦將成長，預計至2040年銅與鋁的需求量將從2020年的5與9公噸提升至10與16公噸。而若為降低原材料成本以較便宜的鋁替代銅，將提高鋁並降低銅的需求量；與交流系統相比，若採用高壓直流系統則可節省三分之一的金屬消耗，同時降低銅與鋁的需求量。

(三)電動汽車與電池儲存
1.電動汽車
隨著各國的支持，2020年全球電動汽車銷量成長40%，而為了達到全球氣候目標，未來電動汽車占汽車市場份額將持續提升。而其主要的礦物使用來源可分為兩個部分─電動機與電池。

(1)電動機
插電式電動機技術又可分為永磁同步電動機(permanent-magnet synchronous motors)與異步感應電動機(asynchronous induction motors)。前者為現今主要使用的電動汽車發電機，其具有較高的效率與功率密度，然而由於使用較多的稀土元素使得其價格較昂貴，目前每輛車約使用0.25至0.50 公斤的釹、0.06至0.35公斤的其他稀土元素、3至6公斤的銅、0.9至2公斤的鐵及0.01至0.03公斤的硼；後者則不需使用稀土元素，但其需要大量的銅(每輛車11至24 公斤)。

(2)電池
A.鋰離子電池
鋰離子電池由活性陰極材料(如鋰、鎳、鈷與錳)、陽極(如石墨)、集電器(如銅)、鋁、鋼、冷卻劑及電子組件組成。

(A)正極
鋰離子電池根據正極的化學性質又可分為以下常見的品種，因安全性問題不適合應用於電動汽車上，常應用於攜帶式電子產品的鋰鈷氧化物(lithium cobalt oxide, LCO)；主要用於生產電動自行車與商用車的鋰錳氧化物 (lithium manganese oxide, LMO)；由於便宜與安全性，常用於固定式儲能與重型車輛的磷酸鋰鐵 (lithium iron phosphate, LFP)；應用於電力系統中備用與負載轉移上的鋰鎳鈷鋁氧化物(lithium nickel cobalt aluminium oxide, NCA)；以及因有較長的壽命，常用於純電動車(Battery Electric Vehicle, BEV)與插電式混合動力車(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)的鋰鎳錳鈷氧化物(lithium nickel manganese cobalt oxide, NMC)。近年來由於價格與道德採礦等考量，鋰離子電池技術致力減少電池中的鈷含量，亦同時使得替代材料─鎳的需求量提高。

(B)負極
石墨為目前主要的鋰離子電池負極材料，而現今亦發展其他材料取代石墨，如使用矽原子代替石墨負極中的碳離子，然而矽負極在充電過程中易膨脹導致其表面裂開，性能也因此下降。純鋰金屬的電荷蒐集能力遠高於石墨，為另一種替代負極，然而其缺點為材料價格較昂貴且不可用於液體電解質。

B.全固態電池(advent of lithium metal anode all solid-state batteries, ASSBs)
隨著鋰離子電池達到當前技術與材料優化的極限，為顯著降低成本，全固態電池的出現有望帶來更大的突破。其透過鋰金屬做為負極，取代鋰離子電池的石墨與電解液，除了在體積能量密度上較鋰離子電池高70%，同時解決電解液安全性與額外成本的問題。目前此技術致力擴大生產規模以使其具商業可行性。

2.公共事業規模的儲能電池
截至2020年底，全球約有15.5GW的儲能電池連接至電網中，而隨著間歇性再生能源(如太陽光電與風力發電)於電網中的部署逐年擴大，可支援短期充放電的儲能電池在未來電力系統中扮演重要的角色。預期至2040年全球公共事業規模儲能電池的年部署量將達到105GW，與2020年相比安裝量將成長25倍。

而現今用於公共事業規模的儲能電池主要為安全且便宜的LFP 電池，其次則為能量密度較高的NMC電池(主要用於家庭儲能)。隨著公共事業規模儲能電池的部署量增加，預估至2040年，鎳、鈷與錳的需求量將比2020年成長140倍、70倍與58倍。此外，全釩液流電池(vanadium flow battery, VFB)為未來可能應用於大型再生能源儲能的新興技術，若其在達到大型項目部署所需的成熟度有所提升，則可能提升釩的需求量。

(四)氫氣
1.電解槽
將化石燃料、生物質或電力進行電解水產生的氫氣為一種多功能的載體，電解槽則為此過程中重要的設備。現今電解槽主要可分為三種類型，分別為鹼性電解槽(Alkaline electrolysers)、質子交換膜(Proton Exchange Membrane, PEM)電解槽與固體氧化物電解槽(Solid Oxide Electrolysis Cells, SOEC)。鹼性電解槽的資本成本較低，部分原因是其避免使用貴金屬，現今每兆瓦的鹼性電解槽需要超過1噸的鎳、約 100 公斤的鋯、半噸的鋁、 約10噸的鋼、少量鈷與銅，並預計未來對於鎳的需求量將下降。而與鹼性電解槽相比，質子交換膜電解槽具有較高的成本，目前每兆瓦的質子交換膜電解槽需約0.3公斤的鉑及0.7公斤的銥，預計其未來十年將減少十分之一的礦物使用量以降低製造成本。固體氧化物電解槽則為頗具前景之技術，其擁有更高的效率與較低的材料成本，現今每兆瓦的固體氧化物電解槽需約150至200 公斤的鎳、40 公斤的鋯、20 公斤的鑭、不到5公斤的釔，並預計未來十年每項礦物的使用量皆可減少一半，而鎳的含量更可降低至每兆瓦10公斤以下。

2.燃料電池
而透過將氫氣轉化為電能的燃料電池為潔淨能源轉型下支援燃料電池電動汽車發展的重要技術，其主要的礦物需求為鉑，目前發展的主要目標為降低每輛汽車對鉑需求量(如日本計畫在2040年達到每輛汽車使用5克的鉑)，預計至2040年鉑的需求量將成長至略高於100噸。

三、IEA在礦物供應安全上的六項建議
為提升礦物供應的可靠性，IEA根據其在能源安全方面的長期經驗，於礦物供應安全上提供以下六項建議。

(一)確保足夠供應來源的多元化投資
政府可加強國家地質調查或簡化程序以縮短礦物交易時間，並透過鼓勵措施與政策項目確保供應鏈具有充足且穩定的投資。

(二)在價值鏈的各個環節上促進技術創新
強化需求與生產技術創新的研發力度，提高材料的利用效率(如回收再利用)、實現材料的替代品(如透過鋁緩解銅與錫的供應壓力)，並多樣化供應來源，從而帶來可觀的環境與安全效益。

(三)擴大回收利用
為減輕礦物供應的壓力，鼓勵從終端產品進行金屬的物理收集、分離及後續的治金加工，或直接於採礦與加工廢料中提高金屬的回收率，以提升再利用的效益並多樣化供應來源。

(四)提高供應鏈的彈性與市場的透明度
於採礦至加工的完整供應鏈進行定期壓力與彈性測試，可幫助決策者或政府識別潛在弱點並制定必要之政策行動，並透過實施庫存計劃以確保關鍵礦物供應的穩定性與安全性。

(五)提高環境、社會與治理的主流標準
提高環境與社會的標準可增加永續性與具品質的生產量及降低採購成本，並透過提供技術與激勵政策的支持，除了可創立一個公平競爭的環境，亦可為市場帶來更多元的供應商。

(六)加強生產者和消費者之間的國際合作
現今關鍵礦物缺乏總體的國際治理框架與政策行動。為此，透過加強國際合作可促進生產者與消費者間的溝通、加速技術創新的研發、促進知識與能力的轉移、提升競爭環境公平性，以確保更可靠的礦物供應。

四、結論
自2010年以來，隨著再生能源於電力系統中的占比逐年提升，每單位發電所需的礦物需求量亦增加了50%。而綜觀此文章可知，各式礦產資源在不同潔淨能源技術下需求也有所差異，如鋰、鎳、鈷、錳與石墨為影響電池性能、壽命與能量密度的關鍵因素；而稀土元素為風力發電機與電動汽車中磁鐵不可或缺的材料；銅與鋁則為電網架設的基石。為此，各國需在礦物開採與供應的永續性與穩定性上加以著墨，以確保潔淨能源可依規劃的步伐持續發展。