艰难的事情：驾驭能源转型的物理现实2024

导航能源转型的物理现实 麦肯锡全球研究院与麦肯锡全球能源与材料实践以及麦肯锡可持续发展合作 2024 年 8 月 机密及专有信息。未经麦肯锡公司的明确许可，不得使用本材料。 版权所有 © 2024 麦肯锡公司。保留所有权利。封面图像 ： 绿色球体内黑色 © Jorg Greuel / Getty Images 麦肯锡全球研究所 麦肯锡全球研究院成立于1990年。我们的使命是在全球经济和商业问题上为世界公司及政策领导者提供决策依据的事实基础。我们受益于麦肯锡在区域、行业和功能方面的全面知识、技能和专长，但编辑方向和决策完全由麦肯锡全球研究院的董事和合伙人负责。 我们的研究目前分为五个主要主题 ： - 生产率与繁荣：最有效地创造和利用世界资源- 世界资源：可持续地建设、供电、养活世界- 人类潜能：最大化并实现人才潜力- 全球联系：探索商品、服务、人员、资本和思想流动如何塑造经济- 将来的技术与市场：讨论价值和竞争的下一个大舞台 我们致力于独立且基于事实的研究。我们的工作未受任何企业、政府或机构委托或资助；我们免费公开分享研究成果；全部经费由麦肯锡的合作伙伴提供。尽管我们与多位杰出的外部顾问合作以贡献于我们的工作，但出版物中呈现的分析均为麦肯锡研究小组（MGI）独立完成，任何错误皆为我方责任。 您可以在 www. mckinsey. com / mgi 上找到有关 MGI 和我们的研究的更多信息。 MGI 董事 Sylvain Johansson Nick Leung Olivia WhiteSven Smit(主席) ChrisBradley Kweilin Ellingrud Michael ChuiJan Mischke Mekala KrishnanJeongmin Seong Anu Madgavkar Tilman Tacke 与麦肯锡的全球能源和材料实践以及麦肯锡可持续发展合作 麦肯锡的全球能源与材料实践团队运用其深厚的专业洞察、功能能力以及自有基准和数据解决方案，跨越能源、材料及自然资源供应链，以助于为利益相关方创造显著且持久的价值。我们借助先进的分析技术和全球团队的力量，为支持当今关键基础设施生态系统提供独特的行业视角，覆盖多个领域。我们自豪地与数百家主要行业参与者合作，作为战略与功能性转型的领先且最全面顾问，助力客户加速去碳化并实现能源、材料和食品的过渡。 麦肯锡可持续发展是公司为客户服务的平台，旨在帮助所有行业领域在2050年前达到净零碳排放，并助力全球达成与巴黎协定相一致的目标。可持续发展对于麦肯锡来说是一项关键任务，我们已经为二十年之久地帮助客户减少碳排放、构建气候韧性以及应对可持续性挑战。我们致力于成为最大的私营部门去碳化催化剂，并与全球各经济板块的公司合作，包括高排放者，以助其创新、减排并过渡至可持续增长模式。我们通过利用我们的思想领导力、创新工具和解决方案、领先的专业知识以及充满活力的合作伙伴生态系统来引领创新浪潮和经济增长，这些行动确保了地球的安全并推进了可持续性的发展。仅在2023年，就有超过4500名同事与750家客户在近67个国家的1700多个可持续性客户项目中进行了合作。麦肯锡已设定科学基准目标，经由科学基准目标倡议验证，符合1.5度路径，并承诺通过减少自身运营的碳排放和永久去除所有剩余排放来实现净零。www.mckinsey.com/sustainability Contents 一目了然4Introduction6执行摘要9 1. 能量转变是一个巨大的、新生的物理转变142. 需要应对 25 个身体挑战263. 是什么让这如此困难494. Concluding thoughts56 7 域5. Power636. 流动性877. 工业1078. 建筑物1329. 原材料14210. 氢和其他能源载体15011. 减少碳和能源165 Acknowledgments175尾注176 一目了然 能源转型仍处于初期阶段，到2050年大多数地区实现低碳排放技术部署的比例约为10%。经过数百年优化的现代能源系统具有许多优势，但能源的生产和消费占全球二氧化碳（CO₂）排放的超过85%。2在不确定的环境中实现稳定的市场份额增长。 为了推进转型，需要应对的物理挑战多达二十五个，这些挑战相互关联。这包括开发和部署新的低排放技术，以及建立支持这些技术和新供应链所需的全新基础设施。 - 大约一半的能源相关 CO2减排取决于解决最紧迫的物理挑战。示例包括管理包含大量可变可再生能源的电力系统、解决电动卡车的续航和载重问题、寻找生产工业材料时的替代热源和原料、以及在这些和其他应用场景中部署氢气和碳捕获技术。 最具挑战性的任务共具三大特点。首先，一些应用场景缺乏既能够提供与高排放版本相同性能又具备低排放技术的解决方案。其次，解决这些最具挑战性的任务需要同时应对其他难题，这要求采取系统性方法。最后，鉴于限制条件和缺乏成功案例的先例，部署所需的巨大规模使任务变得艰巨。 理解这些实际挑战能够帮助CEO和政策制定者成功过渡。他们可以确定在哪里采取攻势以捕捉当前可行的机会，预测并解决瓶颈问题，以及通过创新与系统重构相结合的方式最有效地应对最具挑战性的难题。 Introduction 全球能源系统是巨大的 ， 复杂的 ， 是现代生活的基础。一个普通人 消耗相当于每年800公斤原油的能量。以体力劳动来衡量，这相当于60个人每天不分昼夜地连续工作——在最富裕的经济体中，这一数字可能是两倍甚至三倍之多。充裕、廉价且可靠的能源供应支持了数十亿人的经济增长和繁荣。 然而 ， 尽管有所有的好处 ， 能源系统还是 85% 以上的碳来源。2二氧化物 (CO2） 排放。它仍然主要基于化石燃料 ， 化石燃料占更多3超过80%的全部基础能源消耗。因此，世界已经开始了能源转型，旨在减少排放并“将全球平均气温较工业化前水平提高控制在2°C以下，并努力限制气温升高”，以此作为目标。4将温度提高到比工业化前水平高 1.5 ° C ， ” 根据 2015 年《巴黎协定》。 这一能源转型尚处于初期阶段。迄今为止，在大多数领域，低排放技术的部署仅达到了2050年所需水平的大约10%，且主要是在相对容易应用的案例中。随着全球面临更复杂的跨地域使用案例，必然会出现更具挑战性的难题。 构建新的低排放能源系统的任务复杂化在于，这恰好与持续增长以扩大数亿尚未获得能源供应的人们的能源接入，从而经济上赋能他们的需求相重合。这一转变还需要解决能源负担能力和安全性的提升问题，以及能源系统在确保工业竞争力方面的作用。 此外，目标是迅速实现能源转型。当前的能源系统历经数世纪的构建与优化。然而，预计能源转型将在几十年内完成，5 通常与达到 CO 的净零排放有关2 by 2050. 这是一个很大的要求。在数字时代 ， 我们已经习惯了闪电般的转变。6 TikTok和ChatGPT分别在九个月和两个月内获得了1亿用户。然而，能源系统是一个实体存在，历史上的能源转型经历了数十年乃至数个世纪的时间。当前系统的转变过程漫长。在19世纪，生物质能占用了98%的能源；随着时间的推移，煤炭、石油和天然气逐渐取代了它。78 到中世纪末2000年代，生物质在初级能源中的份额降至不足10%。工业革命之后，各个产业从一种形式的能量（如马匹）转向新的能量形式（如汽车）的转变过程。9 在移动性和从生物质到建筑物中的燃气锅炉 - 平均花费了大约 50 年。 鉴于当前能源转型的多重目标和雄心勃勃的期望，因此理解所需条件至关重要。 麦肯锡和许多其他公司已经对能源转型进行了广泛的研究10 组织。麦肯锡强调了解决其他目标的重要性11 在通往净零排放的道路上，关注可负担性、可靠性和竞争力。此外，还探讨了有序过渡所需的几个关键、相互依存的基础要素，包括如技术与新型供应链等物理基础；经济和社会调整，涉及大量的资本支出；有效的治理和制度建设等方面。 坚定的承诺。 本研究在此庞大的文献基础上进行深化探讨，专注于转型的核心组成部分——“实体基础”——即所谓的“硬性要素”，并系统地跨行业进行分析，同时理解各部分之间的相互依存关系。具体而言，它探索了用低排放替代高绩效化石燃料相关资产或流程所面临的障碍或复杂性，并构建支撑这些系统的供应链和基础设施。形象地说，只有通过审视能源系统引擎下的实体组件系统及其相互连接方式，才能构思出一个既能满足社会需求、高性能且低排放的新能源系统。 这一观察被广泛归因于阿尔伯特 · 爱因斯坦 ， 给一个小时的时间来解决问题 ，13 他会在定义问题上花费55分钟，并用5分钟思考解决方案。正是基于这样的精神，本研究盘点了能源转型过程中的物理挑战，建立在大量关于脱碳路径的工作基础上。在能源系统的七个领域中，我们识别出了25个重要的物理挑战。这些挑战被分为三个级别，既表示目前的进展程度，也反映了解决它们的难度。对相关利益方的影响，包括创新和更广泛的系统重构，进行了探讨。本报告的前四章概述了研究发现。第5至11章则是对每个七领域的详细讨论及其内部的挑战，由麦肯锡专家共同撰写。 本工作的目标在于，从物理视角审视能源转型有助于设计出更成功的转型方案，并导航至成本可负担、可靠且竞争力强的净零路径。 在能源系统的七个领域 ， 我们已经确定了 25 个重大的物理挑战。 执行摘要 当今的能源系统，既包括能源资源的生产也涵盖了消费，规模庞大且结构复杂。该系统经过数世纪的优化，深深植根于 14全球经济体系，服务着数十亿人，尽管尚未惠及全人类。它运行高效。能源能够在需要的时 间和地点相对轻松地分配，因为当前的燃料密度高且易于运输。供应能够迅速调整增加或减少。 尽管具有所有优点 ， 但当今的系统也存在严重缺陷。目前约有三分之二的能源 浪费。该系统产生了全球 85% 以上的二氧化碳排放量 低排放技术，如太阳能和风能以及电动汽车（EVs），具有优势特性，并可以通过组合来实(CO2公司在这一努力中正致力于能源系统的转型并减少排放。取得了实质性的进展，但转型仍处于初期阶段。 现高性能。但要有效地部署这些技术和进一步推进能源转型，需要理解能源转型的物理现实及其相关物理挑战——即“硬性工作”。 认识到能源转型首先且本质上是一种物理转变，这是在净零情景的抽象中容易被遗忘的事实。但如果新的能源系统要保持甚至超越现有系统的性能，并确保能源既经济又可靠，这一认识至关重要。 净零的竞争路径。 能源系统的七个领域需要改造 ， 这项工作还处于早期阶段 能量转换涉及七个深度互连域的物理转换。第一个是功率领域，需要减少自身的排放，并大幅扩展以提供低排放能源给三大主要消费领域：移动性, 工业, and建筑物。最后三个领域是能源转型的推动者 ：原材料， 尤其是关键矿物 ； 新燃料 ， 如氢和其他能源载体;and碳和能源减排. 这项研究主要使用 2023 年麦肯锡实现的承诺情景 ， 而不是作为 预测，但要理解需要克服的物理挑战。在此情景下，数以十亿计的低排放资产——例如大约10亿辆电动汽车、超过15亿台热泵以及约35太瓦的低排放电力发电能力——到2050年需要与扩大支持基础设施（如电网、电动汽车充电站和供应链）一同部署。 近年来，许多但并非所有领域的势头都在持续。例如，约90%的所有电池电动汽车销售和近60%新增的太阳能及风能发电能力均集中在特定地区。 过去五年间。但总体而言，这一转变仍处于初期阶段。低排放技术的部署目前仅占到2050年所需水平的大约10%，且主要集中在相对容易实施的案例中。虽然像太阳能这样的领域发展迅速，但其他领域并未跟上步伐。对于低排放氢气和碳捕获等案例，到目前为止实现的部署量还不到2050年所需水平的1%。 减少大约一半的能源相关排放取决于解决 25 个物理挑战中最困难的问题 为了进一步推进转型，七个领域中需要解决25个物理挑战——定义为从高排放物理资产和流程转向低排放资产和流程的障碍（附件E1）。 MGI-H