主计划第 3 部分全地球的可持续能源总体规划第 3 部分 - 全地球的可持续能源 目录02总体规划第 3 部分 - 全地球的可持续能源ExecutiveSummary03当前的能源经济是Wasteful04消除化石的计划燃料051.用可再生能源为现有电网供电 052.切换到电动汽车 053.在住宅 ， 商业和工业中切换到热泵 074.电气化高温热传递和氢气 095.可持续燃料飞机和船只 126.制造可持续能源经济 12完全可持续能源建模经济13•储能技术评估 18•发电技术评估 19模型Results20•美国唯一的模型结果 - 满足新的电气化需求 20•世界模型结果 - 满足新的电气化需求 21••车辆 22•船舶和飞机 23•投资需要26土地面积需要30Materials需要31Conclusion37Appendix38•附录 ： 最终用途的生成和存储分配 38•附录 ： 建立可持续能源经济 - 能源强度 39发表于 2023 年 4 月 5 日Acknowledgements我们赞赏许多先前的研究 ， 这些研究推动了可持续能源经济的主题 ， 国际能源署 （ IEA ） ， 美国能源信息署 （ EIA ） 的工作 ，美国能源部国家实验室 ， 以及各种非特斯拉附属顾问的意见。Tesla 贡献者Felix Maire Matthew FoxMark Simons Turner Caldwell Alex YooEliah Gilfenbaum Andrew UlvestadTesla 顾问Drew Baglino Rohan Ma Vineet Mehta 执行摘要03总体规划第 3 部分 - 全地球的可持续能源电力需求预测完全电气化经济的电力需求 ， 以满足不使用化石燃料的全球能源需求。电力供应构建满足每小时电力需求的发电和存储资源的最低成本组合。材料可行性和投资确定电力经济和制造投资所需的材料需求的可行性。2TWh存储30TW可再生能源$10T1制造业投资所需的能源0.21%所需土地面积10%2022 年世界 GDP零无法克服的资源挑战2023 年 3 月 1 日 ， 特斯拉提出了总体规划第 3 部分 - 通过最终用途电气化和可持续发电和存储实现可持续全球能源经济的拟议路径。本文概述了该提案背后的假设 ， 来源和计算。欢迎输入和对话。分析有三个主要组成部分 ：图 1 ： 流程概述本文发现，与持续当今不可持续的能源经济相比，可持续的能源经济在技术上是可行的，并且需要更少的投资和更少的材料提取。尽管许多先前的研究得出了类似的结论，但这项研究旨在推动与全球所有能源行业过渡所需的材料强度，制造能力和制造投资有关的思考。图 2 ： 总体规划 3 所需的估计资源和投资 当前的能源经济是浪费的04总体规划第 3 部分 - 全地球的可持续能源根据国际能源署 （ IEA ） 2019 年世界能源平衡 ， 全球一次能源供应量为 165 PWh / 年 ， 化石燃料总供应量为 134 PWh / 年1ab。 37 ％ （ 61PWh ） 在进入最终消费者之前被消耗。这包括化石燃料行业在开采 / 提炼期间的自我消耗 ， 以及发电期间的转化损失。另外 27 ％ （ 44PWh ） 因内燃机车辆和天然气炉等低效最终用途而损失。总共只有 36 ％ （ 59PWh ） 的主要能源供应为经济产生有用的功或热量。劳伦斯 · 利弗莫尔国家实验室的分析显示 ， 全球和美国能源供应的低效率水平相似2.当今的能源经济 （ PWh / 年 ）图 3 ： 按部门划分的全球能源流量、 IEA 和特斯拉分析a在这项工作时 ， 2021 年和 2022 年 IEA 世界能源平衡尚未完成 ， 2020 年的数据集显示 ， 能源消耗比 2019 年有所下降 ， 这可能与大流行有关 ， 与能源消耗趋势不一致。b不包括用于非能源目的的某些燃料供应 ， 例如用于塑料制造的化石燃料。 消除化石燃料的计划05总体规划第 3 部分 - 全地球的可持续能源在可持续产生能源的电气化经济中，与采矿、精炼和燃烧燃料发电相关的大部分上游损失被消除，与非电力最终用途相关的下游损失也被消除。一些工业过程将需要更多的能源输入 （ 例如生产绿色氢气 ），而一些采矿和炼油活动需要增加 （ 与电池，太阳能电池板，风力涡轮机等的金属有关。).以下 6 个步骤显示了完全电气化经济和消除化石燃料使用所需的行动。这 6 个步骤详细介绍了可持续能源经济的电力需求假设 ， 并得出了建模的电力需求曲线。使用 2019 - 2022 年能源信息管理局 （ EIA ） 提供的高保真数据对美国能源经济进行建模c， 并根据 2019 年美国之间的能源消耗标量，使用 6 倍的比例因子对结果进行了缩放，以估计全球经济所需的行动S.和世界，根据 IEA 能源平衡。这是一个显著的简化，可能是未来分析需要改进的领域，因为全球能源需求不同于美国S.在它们的组成中，预计会随着时间的推移而增加。这项分析是在美国进行的S.由于高保真每小时数据的可用性。该计划将陆上 / 海上风能，太阳能，现有的核能和水力发电视为可持续的发电来源，并认为现有的生物质是可持续的，尽管随着时间的推移可能会逐步淘汰。此外，除了合成燃料产生所需的直接空气捕获外，该计划并未解决在过去一个世纪的化石燃料燃烧中排放的二氧化碳的封存问题 ； 此类技术的任何未来实施都可能增加全球能源需求。01用可再生能源为现有电网供电现有的美国每小时电力需求被建模为来自 EIA 的不灵活的基准需求4美国四个次区域 （ 德州、太平洋、大陆、东部 ） 的模型是考虑到区域变化的需求、可再生资源的可用性、天气和电网传输限制。这种现有的电力需求是必须由可持续发电和存储支持的基准负荷。在全球范围内 ， 向电力部门提供 65PWh / 年的一次能源 ， 包括 46PWh / 年的化石燃料 ； 然而 ， 由于将化石燃料转化为电力的效率低下 ， 仅产生 26PWh / 年的电力d如果电网由可再生能源供电 ， 则仅需要 26PWh / 年的可持续发电。02切换到电动汽车由于更高的动力传动系效率、再生制动能力和优化的平台设计 ， 电动汽车的效率比内燃机汽车高大约 4 倍。如表 1 所示 ， 这一比率在乘用车、轻型卡车和 8 级半车型中都适用。车辆类别ICE 车辆平均值5电动汽车效率比乘用车24.2 MPG115 MPGe (292 Wh. mi)e4.8 X轻型卡车 / 货车17.5 MPG75 MPGe (450 Wh. mi)f4.3 X8 级卡车5.3 MPG (柴油)22 MPGe (1.7 kWh. mi)f4.2 X表 1 ： 电动与内燃机效率c用作模型输入的美国小时时间序列数据可在 https: / / www. eia. gov / opendata / browser / 下载。d在 26 PWh / 年中嵌入 3.5 PWh / 年的有用热量 ， 主要在热电联产电站中产生 ， 这些电站产生热量和电力。 e 特斯拉的全球车队平均能源效率 ， 包括 Model 3 ， Y ， S 和 Xf特斯拉基于行业知识的内部估计 消除化石燃料的计划06总体规划第 3 部分 - 全地球的可持续能源2004006008001000驱动消耗上游损失1200作为一个具体的例子 ， 特斯拉的 Model 3 能耗为 131MPGe ， 而丰田花冠为 34MPG6， 或更低 3.9 倍 ，并且当考虑上游损失如与提取和精炼燃料相关的能量消耗时, 该比率增加 (参见图 4) 。0丰田花冠模型 3图 4 ： 特斯拉 Model 3 与丰田卡罗拉的比较为了确定电气化运输部门的电力需求 ， 每个子区域的历史月度美国运输石油使用量 （ 不包括航空和远洋运输 ） 按以上的 EV 效率系数 （ 4 倍 ） 进行缩放8特斯拉按小时计算的车队充电行为，分为不灵活和灵活的部分，被认为是 100 ％ 电气化运输部门的电动汽车充电负荷曲线。增压、商用车充电和具有 50% 充电状态的车辆被认为是不灵活的需求。家庭和工作场所交流充电是灵活的需求，并以 72 小时节能约束为模型，模拟了大多数驾驶员在可再生资源丰富时可以灵活充电的事实。平均而言，特斯拉司机每 1.7 天充电一次，从 60 ％ SOC 到 90 ％ SOC，因此电动汽车相对于典型的每日里程有足够的范围，可以在家庭和工作场所都有充电基础设施的情况下，围绕可再生能源可用性优化充电。运输部门的全球电气化消除了 28 PWh / 年的化石燃料使用 ， 并且应用 4 倍 EV 效率因子 ， 创造了约 7 PWh / 年的额外电力需求。消耗量 [Wh / mi] 消除化石燃料的计划07总体规划第 3 部分 - 全地球的可持续能源03在住宅 ， 商业和工业中切换到热泵热泵通过中间制冷剂的压缩 / 膨胀将热量从源头移动到汇9。通过适当选择制冷剂 ， 热泵技术适用于住宅和商业建筑中的空间加热 ， 水加热和衣物干燥机 ， 以及许多工业过程。空气水地面废热空气水蒸汽加热材料图 5 ： 热泵的工作原理10空气源热泵是最适合在现有家庭中改造燃气炉的技术 ， 基于 9.5 Btu / Wh 的供暖季节性性能因子 （ HSPF ） ， 每单位能耗可提供 2.8 单位热量 ， 这是当今热泵的典型效率等级11。燃气炉通过燃烧天然气来产生热量。它们的年燃料利用效率 （ AFUE ） 约为 90 ％12因此 ， 热泵使用的能量比煤气炉少 3 倍 （ 2.8 / 0.9 ） 。热源蒸发扩展压缩冷凝散热器 消除化石燃料的计划08总体规划第 3 部分 - 全地球的可持续能源0.0燃气炉热泵图 6 ： 热泵与燃气炉的空间加热效率提高住宅和商业部门EIA 为每个次区域的住宅和商业部门提供美国历史每月天然气使用量8如果所有燃气器具都通电，则 3 倍的热泵效率系数会降低能源需求。基线电力需求的每小时负载因子用于估计热泵的每小时电力需求变化，从而有效地将供暖需求归因于家庭正在积极加热或冷却的时间。在夏季，当制冷负荷最高时，住宅 / 商业需求在午后达到峰值，在冬季，需求遵循着众所周知的 “鸭子曲线 ”，在早晨和晚上达到峰值。使用热泵的住宅和商业电器的全球电气化消除了 18 PWh / 年的化石燃料 ， 并创造了 6PWh / 年的额外电力需求。140130夏季冬季12011010090807005101520时间 [hr]图 7 ： 住宅和商业供暖和制冷负荷系数与一天中的时间0.20.40.60.81.01.2能源消耗上游损失1.4平均负荷百分比输入能量 / 传递热量 消除化石燃料的计划09总体规划第 3 部分 - 全地球的可持续能源工业部门高达 200C 的工业过程 ， 如食品 ， 造纸 ， 纺织和木材工业 ， 也可以受益于热泵提供的效率增益13尽管热泵效率随着温差的增加而降低。热泵集成是微妙的 ， 确切的效率在很大程度上取决于系统从中提取的热源的温度 （ 温升是确定热泵效率的关键因素 ） ， 因为使用了按温度范围可实现的 COP 的简化假设 ：温度 / 应用COP0 - 60C 热泵4.060 - 100C 热泵3.0100 - 200C 热泵1.5表 2 ： 假设热泵效率随温度的提高根据 IEA 的工业热的温度组成和表 2 中按温度计算的假定热泵效率 ， 建模的加权工业热泵效率系数为 2.214.EIA 为每个次区域的工业部门提供历史月度化石燃料使用量8。所有工业化石燃料的使用 ， 不包括产品中的嵌入式化石燃料 （ 橡胶 ， 润滑剂 ， 其他 ） 被假定为用于过程热。根据 IEA ， 45 ％ 的过程热低于 200C ， 并且当使用热泵电气化时 ， 需要的输入能量减少 2.2 倍16。增加的工业热泵电力需求被建模为不灵活的 ， 平坦的每小时需求。使用热泵实现工业过程热量 < 200C 的全球电气化消除了 12PWh / 年的化石燃料 ， 并创造了 5PWh / 年的额外电力需求。04电气化高温传热和制氢电气化高热工业过程需要高温