铜的“金属即服务”（MaaS）模式：一种涵盖系统层面的框架，用于实现循环管理、数字可追溯性及可持续资源治理

铜是电气化、数字化和低碳基建的核心材料，但传统线性模式难以应对需求激增与环境约束。本文提出 Metals as a Service (MaaS)框架，整合数字追踪、生命周期管理、服务化系统与政策协同，重构铜的循环模式，促进高值闭环流动。

迈克尔·希奇 | 李佳杰 | 贾多雪尔

加拿大不列颠哥伦比亚省阿伯茨福德市弗雷泽谷大学理学院

摘要

铜在全球向电气化、数字化和低碳基础设施转型的过程中处于核心地位。然而，传统的线性开采、制造、消费和处置模式越来越与不断增长的需求趋势和日益严峻的环境约束不匹配。矿石品位的下降、能源强度的上升以及供应的地缘政治集中加剧了系统的脆弱性，而铜在基础设施中的长期存在又延缓了二次材料重新进入生产循环的速度。为应对这一问题，本文提出了一种综合的、系统层面的框架——“金属即服务”（MaaS），将铜重新定义为一种长期管理的工业资产，而不仅仅是一种可消耗的投入。本文基于最新的物质流动研究、循环经济政策发展以及新兴的数字可追溯性技术，展示了MaaS如何重构激励机制、提高回收效率、减少初级开采，并在需求加速增长的情况下稳定供应。

引言

铜对当代技术和社会系统至关重要，它是电网、可再生能源设施、电信、电动汽车、工业机械和数据中心基础设施等一切的基础（Watari等人，2021年；Lei等人，2023年）。预测显示，由于电气化、数字化和城市化的推动，铜的需求将在本世纪中叶之前急剧增加（Seck等人，2020年；Watari等人，2021年）。然而，这种增长伴随着初级生产的深层限制，包括矿石品位下降、能源需求增加、水资源短缺以及经济可行矿床的地缘政治集中（Wang和Graedel，2022年；Klose和Pauliuk，2021年）。

传统的回收方式虽然不可或缺，但无法解决这些长期压力。铜在建筑物、电网系统和耐用设备中的长期存在延缓了二次材料的回收，而实际回收过程中的污染物（如聚合物、涂层和合金元素）降低了其用于高纯度应用的适用性（Reuter等人，2023年）。这些结构性动态暴露了快速发展的技术社会与有限矿产资源之间的根本性错位。

循环经济文献越来越强调管理有序的高价值材料循环，而不仅仅是产品寿命结束时的处理措施（Geyer和Jackson，2004年；MacArthur，2019年）。 “金属即服务”（MaaS）作为一种变革性响应，将铜从一种交易性商品转变为一种受管理的、长期存在的资源。MaaS不仅符合产品服务系统（PSS）的理论，还通过整合数字可追溯性、生命周期智能、模块化设计、生产者责任和协调的回收基础设施，超越了其传统界限（图1）。

本文采用了一种适合资源治理和循环经济系统概念开发研究的结构化叙事综合方法。该方法包括三个连续的分析阶段：

• (1).
  文献识别与选择。通过Scopus、Web of Science、ScienceDirect和Google Scholar使用关键词组合进行搜索：“copper AND circular economy”、“Metals as a Service”、“product-service systems AND metals”、“digital traceability AND materials”以及“material-flow analysis AND copper”。纳入的标准包括：(a) 主要发表于2018至2025年的同行评审研究；(b) 提供实证、定量或基于物质流分析（MFA）证据的研究；(c) 来自可信机构（欧盟、经合组织、国际铜协会、联合国环境规划署）的政策和监管分析。
• (2).
  分析整合。采用概念整合方法，将五个领域结合起来：产品服务系统（PSS）、循环经济理论、数字生命周期管理、物质流科学和铜循环政策框架。适当时将实证数据集（包括MFA模型、生命周期排放因子、回收效率和污染概况）纳入概念架构中。
• (3).
  数据验证与三角验证。使用国际铜协会（ICA，2021年）的数据集、联合国环境规划署的资源流报告以及经过同行评审的MFA研究（Wang等人，2022年；Lei等人，2023年；Reuter等人，2023年）对定量回收率、生命周期延长指标和污染阈值进行交叉验证。只有当数据来源可以透明追溯和三角验证时，才会保留案例研究。

章节摘录

循环经济中的铜：限制、潜力与系统需求

铜在循环经济讨论中占据独特地位，因为它是少数几种可以无限次回收而不会丧失冶金质量的工业金属之一。这一材料特性支撑了关于铜可持续性潜力的长期观点及其与闭环工业系统的理论兼容性。然而，仅靠可回收性无法解决当前全球铜产业面临的深刻结构性失衡问题。

重新构建金属行业的产品-服务系统

产品-服务系统（PSS）仍是基于使用权提供的服务的核心理论基础。在传统的PSS模型中，价值创造从一次性产品销售转向功能提供、结果实现和服务保障（Tukker，2015年；Yang等人，2018年）。这些模型在耐用制造领域（如工业机械、移动系统和基础设施设备）中越来越受到重视，因为增强型的生命周期责任和基于性能的合同提供了

铜的MaaS新系统架构

铜的MaaS引入了一种系统层面的架构，整合了材料管理、数字智能、商业模式创新和监管协调。该架构不仅仅依赖于下游回收，而是将循环性贯穿于富含铜的资产的整个生命周期。

基于使用权的提供与价值创造

在MaaS模式下，客户可以获得铜的功能性使用——如导电性、结构完整性或热性能——而无需购买金属本身。相反，他们签订服务合同，明确服务保障、使用条件、生命周期监控要求和回收义务。对于用户来说，这种模式用可预测的运营成本替代了资本密集型的采购方式，提高了流动性并减少了铜价波动的风险（Salfore等人，2023年）。

基于性能的服务合同

金属即服务的财务与战略逻辑

“金属即服务”（MaaS）的财务逻辑源于价值创造方式的根本转变，从依赖材料吞吐量转向长期资源生产力。在传统的铜市场中，购买富含铜的设备的公司必须承担大量的前期资本支出，并且还要独立管理维护、翻新和报废责任。在这种线性模式下，价值只有在

数字可追溯性基础设施

数字可追溯性是铜的MaaS的基础，它实现了对铜进行持续生命周期监控、验证和数据管理，使其能够在高价值的循环系统中持续存在。没有强大的可追溯性，铜容易发生泄漏、被盗、非正式回收、污染和来源丢失。MaaS需要一个综合的数字架构，以确保铜的身份在数十年内以及不同产品形态中保持一致。

生命周期管理与资产监控

生命周期管理是MaaS框架的运营核心，它将铜从一种被动嵌入的材料转变为一种主动管理的、基于数据的工业资产。与线性模型不同——在传统模型中，铜被整合到产品中后通常会分散到各种废物流中——MaaS从初始部署到翻新、重新部署直至最终回收，都建立了持续的行政监督。

MaaS中的运营循环性

MaaS中的运营循环性不仅仅依赖于产品寿命结束时的回收，而是通过设计、部署、监控、维护和回收等协调行动实现的。这种系统方法保留了铜的身份，减少了污染，并确保材料保持在高价值的技术循环中，而不会流入混合废物流或低等级废品市场。

在传统的铜产业路径中，回收通常只在

MaaS兼容实践的实证案例研究

尽管完整的铜MaaS系统仍在发展中，但来自相关行业的实证证据证明了基于服务的管理模式的实际可行性、运营效益和经济合理性。这些案例研究提供了操作层面的例证，验证了MaaS的核心原则，包括托管所有权、数字生命周期监控、预测性维护、协调的回收物流和高纯度回收。

治理、政策协调与制度前提

铜的MaaS实施在很大程度上依赖于促进全球供应链透明度、标准化和生命周期责任制的治理体系。铜的生产、交易、加工和回收涉及多个具有不同监管能力的地区。如果没有支持的治理架构，MaaS可能会面临碎片化、采用不均衡和循环潜力下降的风险。

技术限制、材料复杂性及系统障碍尽管铜具有理论上无限可回收的特性，但实际存在多种技术障碍阻碍了闭环系统的完全实现。这些障碍包括冶金挑战、污染途径、合金不相容性以及由基础设施限制、文化抵抗和市场碎片化引起的系统障碍。本节总结了这些关键的限制因素。

未来研究方向与战略机遇

未来的研究需要弥合技术、政策、经济和系统集成方面的持续差距。随着全球能源转型的加速，对铜的需求将增加，循环经济的战略价值将更加明显。本节概述了关键的研究重点，这些研究将推动MaaS从一个新兴概念发展成为一种稳健且可扩展的工业系统。

CRediT作者贡献声明

迈克尔·希奇：撰写——原始草稿、监督、方法论设计、正式分析、数据整理、概念构建。李佳杰：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金筹措、数据整理。贾多雪尔：数据可视化、数据整理。