到2050年净零二氧化碳排放的美国能源系统

壳牌方案到 2050 年实现美国净零二氧化碳能源系统1520252035204520552020203020402050206区域和国家能源转型的视角 200520102015202020252030 内容格雷琴·沃特金斯的前言 4第一节：美国：以创新为主导的能源转型 8第二节：美国能源系统脱碳行动 12第三节：2050 年美国的二氧化碳净零能源系统 26第四节：如何取得进展 3420352040204520502055206020652070 前言格雷琴·沃特金斯1962 年，离我现在坐的地方几英里，约翰·肯尼迪总统在休斯敦莱斯大学的足球场上台发表关于太空探索的演讲——但准确地描述了我们今天在应对气候变化方面所面临的巨大挑战和责任。“我们在这片新的大海上启航，因为有新的知识要获得，要赢得新的权利，”他说，“必须赢得并使用它们来促进所有人的进步。”至于为什么美国应该领导这项努力，答案是：“简而言之，我们在科学和工业方面的领导地位，我们对和平与安全的希望，我们对自己和他人的义务，都要求我们做出这种努力，解开这些谜团，为了所有人的利益解开它们......”在能源行业工作了近 30 年后，我于 2018 年加入壳牌，因为我想成为为美国和世界创造能源未来的一部分。我看到壳牌在应对我们这个时代的挑战——气候变化时这样做。壳牌致力于提供更清洁的能源解决方案这将继续为世界提供可靠的能源，同时减少我们销售的能源产品的净碳足迹。事实上，我们在 2020 年 4 月宣布了到 2050 年或更早成为净零排放能源企业的雄心，与社会和我们的客户保持同步。我们目前的商业计划不足以4 .我们面前的奖品是一个更清洁的地球，美国在技术和能源创新方面的全球领导地位，以及所有以美国为家的人的安全经济未来。实现目标，但随着时间的推移，我们的目标是改变这些，直到实现这一目标。远远超出我们自己的业务，我们的目标是成为帮助和使我们的客户脱碳的先驱。我们对这一挑战感到兴奋，并期待充分利用由此带来的机会。当美国规划自己的道路时，我希望我们作为美国人被一种渴望参与新能源时代的渴望所驱使——通过我们的纯粹力量建设一个新的未来。独创性。这一进展已经在顺利进行。该情景草图描述了美国在经济和技术上可行的途径到 2050 年实现净零二氧化碳能源系统。但其可行性不应掩盖其大胆性和复杂性。这将需要前所未有的承诺，不愿因挫折而气馁，以及对我们今天所做工作的绝对信念将创造一个更健康、更可持续、更繁荣的明天。这种挑战对美国人来说并不新鲜。我们以前曾被要求应对巨大的挑战，现在我们可以再做一次。我们面前的奖品是一个更清洁的地球，美国在技术和能源创新方面的全球领导地位，以及所有以美国为家的人的安全经济未来。能够成为这个美国能源新时代的一部分确实是一种荣幸。格雷琴·沃特金斯壳牌石油公司总裁5 立即行动起来的行动1投资低碳燃料和技术。2建设低碳基础设施。3在更难消减的领域推进商业联盟。4通过更大程度的政策调整来加速变革。5实现公平和包容的过渡。6 转型必须激励和激励美国人民和国家赖以建立的工业技术基础。它还必须提高整个社会的生活质量。介绍美国向低碳能源系统的过渡正在顺利进行。经过 30 年的努力，创新者和先驱者正在利用能源部对新能源技术开发的投资。我们已经看到太阳能电池阵列出现在沙漠景观中，风力涡轮机成为中大陆平原的常见景象。第一代电动汽车开始出现在州际高速公路上从东海岸到西海岸。但是，这种转变的步伐现在必须大幅加快，才能在本世纪中叶实现净零排放。过渡必须激发和激励美国人民和国家赖以建立的工业技术基础。它还必须提高整个社会的生活质量。建立在我们的天空设想，1壳牌情景团队概述了美国实现净零二氧化碳（CO2) 排放2到 2050 年的能源系统。毫无疑问，实现这一目标并不容易。它要求以极具挑战性的变革步伐对美国能源系统进行根本性变革。然而，鉴于迄今为止取得的进展和过去十年所取得的变化，我们相信这在经济和技术上是可行的。这种转变需要跨行业的行业联盟，明确使命是减少排放并加快变革步伐。至关重要的是，它需要政策框架来协调政府、企业和社会更广泛的利益和持续承诺，以取得进展。气候变化是我们这个时代的决定性挑战之一。美国拥有当下所需的财富、科学专长和创新文化。我们希望这个情景草图将有助于塑造关于美国能源转型的全国性对话。7 8壳牌方案第一节美国：以创新为主导的能源转型 美国是世界上最大的石油和天然气生产国。 2019年，它分别占全球油气产量的19%和23%。由于技术进步，美国在 2019 年 62 年来首次成为能源净出口国。中国也是世界第二大一次能源消费国，2019年占全球一次能源消费量的15%以上，仅次于中国。鉴于这种规模和重要性，美国能源系统——包括美国生产和消费能源的方式——将在任何应对气候变化的努力中发挥关键作用全局变化。美国已经在取得进展。 2019 年，其与能源相关的二氧化碳排放量下降了 3%- 即使经济增长。各州、城市和企业采取行动的累积效应是显着的。根据一项估计，到 2030 年，这些行动可以将美国的温室气体 (GHG) 排放量比 2005 年的水平减少 25%。3通过实施在州、城市和企业中取得成功的行动，然后扩大规模，到 2030 年，与 2005 年的水平相比，美国的温室气体排放量可以减少 37%，在联邦政府的参与下最多可以减少 49%。越来越多的州和城市正在制定雄心勃勃的能源转型目标。目前，23 个州制定了经济范围内的温室气体排放目标，其中一些州制定了碳中和或净零目标。4纽约、波士顿、明尼阿波利斯、休斯顿、丹佛、旧金山和西雅图等城市也宣布了雄心勃勃的减排目标和计划。八个美国城市签署了全球净零碳建筑宣言。5在联邦层面，新政府承诺美国将通知联合国其重新加入《巴黎协定》的意图。政府还承诺恢复联邦环境和气候法规，并为该国设定雄心勃勃的目标，到 2050 年实现净零排放。美国企业正在通过许多自愿倡议在气候变化方面发挥领导作用。亚马逊6 已宣布其目标是到 2040 年实现净零碳排放；苹果有承诺到 2030 年在其供应链和产品中实现碳中和；微软7计划到 2050 年消除所有当前和历史排放；福特汽车公司承诺到 2050 年实现净零排放。8美国市值最大的五家电力公司9还设定了到 2050 年实现净零排放的目标。在社会层面，现在越来越多的美国人表示全球气候变化是对该国的主要威胁——2020 年这一比例为 60%，而 2009 年这一比例为 44%。10千禧一代——出生于1980 年代和 1990 年代——更有可能认为政府应对气候变化的努力不够。这个问题仍然存在分歧，人们通常优先考虑更直接的问题9 需求，例如他们的工作、财务保障或健康。然而，越来越多的迹象表明人们认识到气候变化的威胁和采取行动的必要性。COVID-19 对公共卫生和经济的影响是毁灭性的，但这种流行病可能会在能源转型中创造一个关键时刻。在 COVID-19 袭击之前，全球社会并未走上实现《巴黎协定》目标的道路。这场危机开启了使世界步入正轨的可能性——甚至可能成为潜在的触发因素。11实现净零排放的全球领导力该情景草图描述了美国到 2050 年实现能源系统净零排放的途径（方框 1）。它建立在我们的 2018 年天空情景，探索了一条具有挑战性但在技术上可行的全球社会实现全球能源净零排放的途径本世纪下半叶初。然而，这个草图对能源结构做出了更积极的假设，并加快了变革步伐，以满足美国的时间表。凭借其丰富的创业和创新历史，如果美国旨在实现净零排放，它完全有能力承担全球领导角色10到 2050 年的排放量。 凭借其丰富的创业和创新历史，美国完全有能力承担全球领导角色，如果它的目标是到 2050 年实现净零排放。从东海岸到西海岸，美国拥有丰富的清洁能源资源，从风能和太阳能等可变可再生能源到地热和水电等非可变可再生能源。美国还可以通过降低成本和成本来帮助将清洁技术、燃料和产品商业化开发能源解决方案以满足不同市场和行业的需求。这些新技术将支持美国丰富的可再生资源的开发，并有助于弥补从化石燃料的转变。低碳技术的商业化将使美国成为全球市场领导者，并对其他国家产生溢出效应。然而，随着美国的脱碳，会有赢有输。尽管到 2050 年美国能源结构中仍需要石油和天然气，但与能源转型相关的经济活动和资源的重大调整不会在各州、行业和人民之间平均分布。受益于能源转型的群体和部门将不同于处于不利地位的群体和部门。例如，低收入群体在能源上花费的收入比例较高，因此在转型期间可能会受到潜在的更高能源成本的不成比例的影响。能源转型也可能推动工作的重大转变，包括从传统行业到新的低碳行业的工作。工作和生计将随着碳排放而改变密集型产业调整经营模式。因此，能源转型可能会在社会内部造成摩擦和混乱。损失无疑会非常深刻地感受到这种转变。在美国不同地区，向净零过渡的外观和感觉会有所不同。能源供应从化石燃料向低碳能源的转变意味着生产能源的州和地区今天可能在未来不一定相同，创造机遇和挑战。为了保持进步，重要的是要确保经济、社会和环境效益对广大美国人来说是显而易见的。成功管理经济和社会影响对于未来 30 年平稳、快速过渡到净零排放至关重要。这将要求各级政府制定政策，确保所有州、地区和收入群体的人们都能参与能源转型。在这种情况下，壳牌情景团队对美国进行了更深入的研究，反思了我们从我们的经验中汲取的经验教训。天空情景，以及新兴的见解和正在进行的世界各地的发展。此情景草图是该评估的概述。11框 1为什么到 2050 年实现净零？随着大气中二氧化碳含量的升高，地球的表面温度也会升高。在全球范围内，如果在本世纪下半叶初达到净零排放，那么变暖应该会在比工业化前水平高出 2oC 的范围内稳定下来。出于这个原因，发达经济体的许多政策制定者的目标是实现到 2050 年实现净零排放。净零二氧化碳排放意味着社会不再增加排放量大气中的二氧化碳。这可以通过使用低碳或无碳的技术和燃料来实现，并通过使用技术或自然来平衡不可避免的二氧化碳排放与它们从大气中的去除。能源效率也可以发挥重要作用。 12壳牌方案第二节美国能源系统脱碳行动 在未来三十年实现美国能源系统的净零排放将需要对美国经济进行根本性的结构性变革。它不仅需要改变能源的生产方式，还需要改变能源的运输和消耗方式。它还需要政策制定者（在联邦、州和城市层面）、企业和消费者进行前所未有的合作和行动，共同努力创造一个良性的变革循环。下面我们将更详细地了解需要采取的行动：加快清洁技术和能源的大规模部署；支持节能和低碳选择；和消除二氧化碳排放。加速清洁技术在过去十年中，美国在减少电力部门二氧化碳排放方面取得了重大进展——从燃煤发电转向燃气发电和可再生能源。水力压裂技术的进步与水平钻井技术相结合，发现了重要的国内页岩气资源，使燃气发电在成本上与煤炭相比具有竞争力。同时，过去 10-15 年可再生能源技术成本的下降也使风能和太阳能的竞争力越来越强。用低碳能源增加电气化任何实现净零排放的途径都需要对美国经济进行更深入的电气化，其中大部分电力来自可再生能源（图 1）。在我们的分析中，到 2050 年，超过 60% 的最终能源需求将需要电气化，而现在这一比例约为 22%。电力系统的规模也需要增加一倍以上，需要将历史电气化率提高五倍（自 1960 年代以来每十年提高 2.5%）。一些地区，特别是中西部和德克萨斯州，生产的可再生能源将大大超过其消耗量，而西部和东北部的其他地区的消耗量将远远超过其生产量。这将需要高压输电线路将可再生能源丰富的地区与需求中心连接起来。例如，拟建的 780 英里粮带特快高压输电线路预计将从堪萨斯州向密苏里州和伊利诺伊州输送 4 吉瓦 (GW) 的低成本太阳能和风能，足以为 160 万户家庭每年供电。为了说明这一点，该草图估计，到 2050 年，每年将需要超过 28 吉瓦的风能和太阳能。13 可再生能源12 到 2030 年代中期，太阳能将成为发电量的 85% 左右，其次是风能。13这需要到 2050 年安装覆盖美国约 4% 表面积的太阳能发电厂，尽管如果太阳能电池板变得更有效率，这可能会更