自公元前3000年左右的青铜时代以来，铜金属对人类发展至关重要。它是继铁和铝之后，全球第三大常用金属，其优异的导电性使其成为电线、电器设备以及其他家用和工业应用的关键组成部分。能源转型向可再生能源和电气化需要大量铜也就不足为奇了：用于建设电力基础设施，用于电动汽车(一辆典型的电动汽车需要83公斤铜，而燃油车仅需23公斤)以及风力涡轮机、太阳能电池板等等。全球南方地区的整体经济发展和人工智能驱动的数据中心增长预计也将增加铜的需求。

　　预测显示，铜的需求量将从2024年的每年约2600万吨增长到2035年的约3500万吨。这一规模扩张所需的资本预计约为2500亿美元(相比之下，前十年的投资额为1500亿美元)。
   一、铜的开采和加工过程
  铜矿开采包括通常是从露天矿或地下矿中开采矿石，并对其进行加工，主要包括破碎、研磨，然后通过浮选法分离硫化物矿中的铜矿物(随后进行冶炼和电解)或通过浸出法分离氧化矿中的铜矿物(随后进行溶剂萃取和电解精炼 SX-EW)，以获得高纯度的阴极铜。具体的加工路径取决于矿石是富含硫化物(Sulfide ore)还是富含氧化物(Oxide ore)，但两种路径最终都需要精炼，以获得可供使用的近乎纯净的铜。

　　二、今日铜市场-The copper market today

　　铜矿在全球各地均有开采，其中智利、秘鲁、中国和刚果民主共和国是主要的生产国。智利铜产量约占全球总产量的25%，铜产业也占智利国内生产总值的20%。必和必拓(BHP)、自由港麦克莫兰(Freeport-McMoRan)、嘉能可(Glencore)和智利国家铜业公司(Codelco)等大型矿业公司主导着该行业，在全球各地运营着大型矿山和加工厂。

　　尽管如此，铜市场在满足需求方面仍面临巨大挑战，预计到2035年将出现1000万吨的缺口，这可能会对全球电气化和减排目标产生负面影响。目前主要铜生产商的供应预测与现在持平，而且从发现矿藏到投产，一座新矿的平均开采时间超过16年，因此快速提高供应能力有限。这将导致铜价上涨和铜价波动。

　　铜矿典型生命周期的各个环节都面临着日益严峻的挑战：勘探效率低下且资金密集：仅有不到1%的勘探发现最终能建成矿山。高品位矿藏越来越难寻，勘探预算也在不断削减，矿业公司更倾向于进一步开发现有的棕地矿区。矿石品位的下降导致开采和加工成本不断攀升。尽管建设速度有所加快，但冗长的审批流程以及日益凸显的环境考量，却延长了矿山的建设周期。

　　铜的生产涉及多个阶段，从采矿到加工和精炼。铜的提取主要有两种方法：火法冶金(pyrometallurgy，目前约占铜产量的80%)和湿法冶金(hydrometallurgy)，每种方法都有其自身的一系列工艺流程。露天开采是目前应用最广泛的铜提取技术，约占全球铜矿的90%。当铜矿床位于地表附近时，通常采用露天开采。当铜矿床埋藏过深，无法进行露天开采时，则采用地下开采。地下开采需要开挖竖井或平巷(水平隧道)进入矿体，然后爆破矿石，并通过竖井或隧道将其运送到地面。提取后，矿石需要进行破碎：通过破碎和研磨来减小颗粒尺寸。

　　火法冶金提取铜的过程是将铜精矿在炉中燃烧以去除杂质。铜精矿是通过浮选法从铜矿石中提炼而成的：该方法逐步提高铜的含量，使矿石中铜的含量从低至0.5%提高到最终精矿中超过30%。冶炼后，铜精矿还要经过进一步精炼，最终得到纯度为99.99%的铜。虽然选矿通常在矿山现场进行，但大多数冶炼厂都位于中国，因为中国对这些高资本支出(CAPEX)的矿山进行了大量投资。

　　湿法冶金特别适用于氧化矿，其工艺包括浸出(使用酸性溶液，通常是硫酸，溶解铜)、溶剂萃取和电解(SX-EW)。溶剂萃取(SX)是指使用包括有机溶剂在内的试剂从浸出液中分离铜，而电解则是将纯化后的铜溶液电镀到阴极上。SX-EW工艺无需冶炼或精炼即可生产高纯度铜阴极。传统湿法冶金工艺占铜产量的20%，但只有氧化铜矿才适用于硫酸浸出和硫酸电解制铜工艺。高品位氧化铜矿床已基本枯竭，随着矿井深度的增加，低品位硫化物矿床逐渐占据主导地位。

　　三、铜生产的环境影响

　　铜生产是一个高能耗过程，会对环境造成显著影响。该行业平均每生产一吨铜排放4.1吨二氧化碳，总排放量约为每年1亿吨二氧化碳当量。每吨阴极铜的能耗为24-37吉焦耳，其中采矿、研磨、冶炼和电解是能耗最高的环节。这些高能耗直接转化为二氧化碳排放，尽管许多公司正致力于通过矿用车辆电气化和增加矿场可再生能源的使用来降低柴油消耗和排放。冶炼通常会产生二氧化硫作为副产品，导致局部污染和酸雨(二氧化硫也用于生产硫酸，以浸出氧化铜矿石)。

　　水资源也是一个令人担忧的问题。该行业用水量巨大，一个典型的矿山每生产一吨铜就要消耗高达170吨的水，而且铜的用水量通常高于其他关键金属。除了水消耗之外，酸性矿山排水和尾矿管理造成的水污染也带来了严重风险。尾矿溃决会导致地下水污染，进而影响当地的生态系统和社区。此外，铜矿开采本身也会破坏土地和栖息地，尤其是在露天矿开采中，一个大型矿井的直径可达近一英里，深度可达数千英尺。这两个方面都会引发负面情绪，影响企业能否获得社会认可，进而影响采矿许可证的审批。

　　采矿业(包括铜矿开采)面临着严峻的挑战：既要增加能源转型所需的材料供应，又要实现自身运营的脱碳，同时还要尽可能减少对环境的影响。

　　湿法冶金SX-EW工艺通常成本更低，环境影响更小，而冶炼在处理高品位硫化物矿石和回收贵金属方面仍然具有优势。主要挑战在于硫化物矿石不像氧化物矿石那样适合硫酸浸出——它们会形成一层难以渗透的“钝化层”，阻碍浸出。

　　四、弥补供需缺口

　　我们能否增加再生(回收)铜的供应?在一定程度上可以。铜的回收利用相对简单，回收率和再利用率可以提高。主要限制因素是铜在产品中的使用寿命，由于铜的使用寿命通常超过20年，因此可用的铜的最大量将是20年前的开采量，这不足以满足我们日益增长的需求。即使铜的回收利用率提高，预计到2035年仍将出现1000万吨的缺口。

　　我们能否降低需求?降低需求的两种主要方法是节约用铜(使用最少量的铜达到可接受的性能)和替代。由于铝比铜便宜，因此可以将其视为替代品，但其导电性能较差，这意味着要替代相同数量的铜线，需要三倍的铝。除非铜价翻倍以上，否则替代不太可能发挥重要作用。

　　我们能否加快审批流程?为了提高欧洲的供应安全，欧盟于2024年4月通过了《关键原材料法案》(CRMA)。该法案针对17种战略金属设定了一系列目标，包括40%的材料加工必须在欧盟境内完成，25%来自回收利用，以及10%的开采产自欧盟。为了实现这些目标，欧盟还引入了简化的许可流程，以加快审批速度并缩短矿山开发周期。此外，提高环境标准和加强社区参与也是获得社会许可、从而缩短许可审批时间的有效途径。

　　我们能否降低勘探过程的风险?勘探即系统地寻找和评估矿藏的潜在经济开采价值的过程，包含多个阶段从初步勘察到对矿产资源的详细评估。尽管勘探预算不断增加，勘探成功率却在下降。在1990年至2023年间发现的239个铜矿床中，仅有4个是在2019年至2023年间发现的。各公司正将专有勘探数据与现有地质调查和机器学习模型相结合，以提高勘探成功率;Kobold Metals是其中最知名的公司。其他公司包括EarthAI、VerAI和MinersAI。必和必拓(BHP)还设立了专门的加速器BHPXplor，为专注于勘探的公司提供资金支持，这些公司致力于探索新领域或应用创新技术。

　　五、我们能否提高矿山生产率?

　　避免勘探成本和审批时间的一种方法是继续开采现有矿藏。但这并非没有代价。高品位氧化矿石位于地表，随着矿井深度的增加，矿石品位往往会下降，矿床主要由黄铜矿等难处理原生硫化物矿石组成，也就是说，使用更环保的浸出方法提取这些矿石会变得更加困难，剩余储量的70%由黄铜矿(CuFeS2)矿石构成。下一节将概述当前的技术发展和初创企业，它们致力于：(i) 开发原生硫化物矿石;(ii) 通过降低能源需求来提高采矿效率;(iii) 通过减少用水量或栖息地破坏等方式来减少对环境的影响。

　　新型研磨技术(Novel grinding technologies)，新型研磨技术正在涌现，以解决传统破碎工艺高能耗的问题。目前，将岩石研磨至适合后续加工的粒度占采矿能耗的30-40%。旨在降低矿物加工能耗、提高效率并提升整体生产率的创新方法层出不穷。I-ROX 是一家初创公司，率先采用脉冲功率粉碎技术，以大幅降低能耗。

　　优势：显著降低能耗，改善下游工艺的粒度分布，可实现干磨，从而减少用水量。

　　挑战：初始投资额高，缺乏大规模示范应用。

　　矿山分选技术(Mine sorting technologies)，矿山分选技术利用先进的传感器和数据分析技术，在采矿过程早期将有价值的矿石与废石分离。这些技术旨在提高资源利用效率，并减少采矿作业对环境的影响。该领域的初创公司包括 NextOre、Comex 和 MineSense。

　　优势：提高矿石处理效率，降低能源和水的消耗，提高送入选矿厂的矿石品位

　　挑战：前期实施成本高，与现有矿山运营整合复杂，矿石特性差异会影响分选效率

　　生物浸出(Bioleaching), 生物采矿的一种类型是生物浸出。微生物在采矿中扮演着多种角色，其作用机制和商业模式各不相同，例如氧化、富集(常用于金矿开采)和修复等。生物浸出已被用于从硫化物矿石中提取铜;铜矿床中天然存在的极端微生物可以用于从矿石中浸出铜离子，同时还能耐受酸性pH值。这些微生物可以在矿场的生物反应器中培养，然后添加到矿堆中以促进浸出。它们能够在常温下发挥作用，从而节省能源成本(运营成本)，但反应速率较慢，且由于成分、温度、营养分布等因素的差异，整个堆体中的微生物活性难以控制。

　　生物采矿技术最早于 20 世纪 50 年代被发现，并在 21 世纪初和 21 世纪初经历了一波创新浪潮，但这些技术从未真正普及，冶炼厂的投资占据主导地位(尤其是在中国，以至于现在产能过剩)。尽管 Codelco 公司已发布了 80 多项生物采矿专利，但其专注于生物采矿的子公司 BioSigma 还是在 2017 年关闭，原因是铜价从 2011 年的每桶 4.50 美元跌至 2016 年的约 2 美元。如今，生物采矿领域的创新再次兴起，一些初创公司正在利用先进的基因组技术和建模方法，针对特定地点的特定矿石优化微生物和/或营养成分。

　　优势：能耗低，运营成本低,环境友好型工艺,能够从低品位矿石中提取金属,可用于修复。

　　挑战：速度慢,矿工对生物技术不熟悉,必须针对不同的矿石/场地进行调整,可能造成地下水污染。

　　先进化学浸出技术(Advanced chemical leaching)，非生物硫化物浸出技术也在不断发展，其中最有前景的技术是利用盐酸中的氯离子作为浸出剂。氯离子不利于矿石中的微生物生长，因此不能与生物浸出技术结合使用。这些化学浸出技术的优势在于无需依赖生物反应器，并且可以使用海水或微咸水，从而减轻淡水压力(智利的矿山正越来越多地使用淡化海水作为水源，以缓解水资源压力)。采用先进催化方法的公司包括安托法加斯塔公司及其Cuprochlor方法、智利的Ceibo公司以及Jetti Resources公司，后者正与大型矿业公司合作推广其技术，包括在自由港麦克莫兰公司旗下的智利El Abra矿。

　　优势：比生物浸出法速度更快，回收率高，可使用海水或微咸水，从而降低淡水压力，与传统方法相比，潜在的资本成本更低。

　　挑战：氯离子引起的腐蚀问题，氯化物使用带来的环境问题，地下水污染风险。

　　溶剂冶金(Solvometallurgy)，溶剂冶金法旨在完全摒弃水，使用对铜离子具有高亲和力的良性、低成本的有机或离子溶剂。尽管目前仍处于早期研发阶段(技术成熟度等级5级)但该方法有望在降低环境影响的同时提高萃取效率。pH7 Technologies是该领域的领先企业之一。

　　优势：用水量减少，金属提取选择性更高。与传统方法相比，能耗更低。

　　挑战：技术尚处于早期阶段，特定化学品的供应链尚不完善，有机溶剂可能对环境造成影响。

　　新兴电化学技术(Emerging electrochemical technologies)，目前有许多初创公司采用不同的电化学技术，例如，精矿的催化电化学处理。这种处理方法能够利用可再生能源在现场处理精矿，并避免冶炼过程中产生的二氧化硫排放。其他方法包括电化学膜过滤工艺，该工艺能够以低能耗分离目标金属离子。

　　优势：可利用可再生能源进行现场加工，与冶炼相比，可减少二氧化硫排放，金属分离选择性高。

　　挑战：采矿流程中的新工艺可能难以被现有企业接受并实现商业化，实施初期资本成本高，工艺能耗可能较高。该技术的大规模示范应用有限。

　　侵入性更小的采矿方式(Less invasive mining)，原地开采和精准开采两种旨在减少采矿土地占用的技术。原地开采(或原地回收，ISR)是将浸出液泵入地下，直接提取富含贵金属的浸出液，而不是在浸出前移除岩石。目前，该技术广泛应用于铀矿开采。电动力学原地回收结合了原地开采技术，并增加了地下电极，通过施加电场来改善离子迁移，目前由Ekion Technologies公司开发。

　　精准开采的目标是开采小型高品位矿床，其原理是通过类似巨型注射器的方式更精确地提取目标矿石。改进的传感和建模技术可以提高精准采矿的经济效益例如，Novamera公司就采用了这种方法。这种更具针对性的开采方式更加环保，因为它可以减少栖息地破坏，并降低挖掘、研磨或传统采矿所需的能源。

　　优势：可以开采大型传统铜矿无法经济开采的高品位矿石，可能缩短审批时间，用水量更低，减少废石和尾矿的产生。

　　挑战：可能无法提供足够的铜矿用于转型，仅适用于某些地质构造原地浸出(ISR)可能造成地下水污染，公众认知和监管方面的挑战。

　　六、技术创新者-The innovators

　　为了在这个领域产生影响，初创企业需要与矿业公司合作，获取矿石样本以验证其技术，并启动试点项目以验证概念。任何新技术都必须与现有的采矿作业流程兼容。大型矿业公司行动可能较为缓慢，因此从实验室概念到商业化，项目开发可能是一个漫长且资本支出密集的过程。

　　铜的供需缺口正在逼近，显然，新技术和有利的政策对于弥合这一缺口至关重要。矿石品位正在下降，铜储量主要由低品位且难处理的黄铜矿构成，矿业公司面临着减少该行业对缺水地区和生态系统影响的压力。通过采用这些回收率高、资源密集度低(例如水/能源/土地)的技术，该行业或许能够满足能源转型所需的需求，并且能够以可持续的方式实现这一目标。

　　阅读原文：https://www.zerocarbon.vc/post/innovations-to-close-the-copper-supply-demand-gap

△ 钢铁行业脱碳技术创新者(Zero Carbon)