困难的东西 ： 导航能量过渡的物理现实

作者 Mekala Krishnan Chris Bradley Humayun Tai Tiago Devesa Sven Smit Daniel Pacthod 麦肯锡全球研究所与麦肯锡全球能源与材料实践及麦肯锡可持续发展部门合作 2024 年 8 月 保密和专有。任何未经麦肯锡公司特定许可而使用此材料的行为都是严格禁止的。 版权所有 © 2024 麦肯锡公司。保留所有权利。封面图片 ： 黑色球体内的绿色球体© Jorg Greuel / 盖蒂图片社 麦肯锡全球研究所 麦肯锡全球研究所成立于1990年。我们的使命是为世界经济和商业问题中最关键的问题提供事实基础，以辅助企业的决策和政策领导者的决策。我们受益于麦肯锡公司在区域、行业和职能方面的全部知识、技能和专长，但编辑方向和决定仅由MGI董事和合伙人负责。 我们的研究目前分为五个主要主题 ： 生产力和繁荣 ： 最有效地创造和利用世界资产 世界资源 ： 可持续地建设、供电和养活世界 - 人的潜力 ： 最大限度地发挥和实现人才的潜力 ——未来的技术和市场 ： 讨论价值和竞争的下一个大舞台全球联系 ： 探索商品 ， 服务 ， 人员 ， 资本和思想的流动如何塑造经济 我们致力于独立和基于事实的研究。我们的工作未受任何企业、政府或其他机构的委托或资助；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支持我们的工作，但出版物中呈现的分析均为MGI独立完成，任何错误均由我们自行承担。 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MGI 合作伙伴Michael ChuiMekala KrishnanAnu MadgavkarJan MischkeJeongmin SeongTilman TackeSven Smit(主席) ChrisBradley Kweilin EllingrudSylvain Johansson Nick Leung Olivia White 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将其深厚的见解、功能能力和专属的基准和数据解决方案应用于不断融合的能源、材料和自然资源供应链中，以帮助为相关方创造显著且持久的价值。借助先进的分析技术和全球团队的力量，我们为各个行业的客户提供独特的行业视角，支持当今关键基础设施生态系统的发展。我们很自豪能够与数百家主要行业参与者合作，成为战略和功能转型方面的领先且最集成的顾问，助力客户加速脱碳进程并实现能源、材料和食品转型。 麦肯锡可持续发展是公司为客户服务的平台，旨在帮助所有行业部门在2050年前实现净零碳排放，并使世界达成与《巴黎协定》目标一致的气候目标。可持续发展是麦肯锡的关键使命之一，我们已帮助客户脱碳、增强气候韧性并应对可持续发展挑战长达二十年之久。我们致力于成为私营部门最大的脱碳催化剂，并与全球经济各个领域的公司合作，包括高排放企业，帮助他们创新、减少排放并转型为可持续增长模式。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活跃的合作生态系统来引领一波创新和经济增长浪潮，从而保护地球并推进可持续发展。仅在2023年，就有超过4,500名同事与来自近67个国家的750家客户开展了1,700多个可持续性客户项目合作。麦肯锡已根据科学基础目标倡议设定科学基础目标，并承诺通过自身脱碳和永久消除剩余排放量来实现净零排放。更多详情请访问www.mckinsey.com/sustainability — 能源转型仍处于早期阶段，大多数地区到2050年所需的低排放技术部署比例仅为约10%。经过数世纪的优化，当今的能源系统拥有许多优势，但能源的生产和消费占全球二氧化碳（CO₂）排放量的超过85%。2) 减排。即使在全球扩大能源 accessibility 的同时创建一个低排放系统，也需要部署数百万新的资产。在某些领域已经取得了进展，但迄今为止大多局限于较为简单的应用场景。 ——为了推动转型，需要应对二十五个相互关联的物理挑战。这些挑战包括开发和部署新的低排放技术，以及支持这些技术的全新供应链和基础设施。 - 大约一半的能源相关 CO2减排取决于应对最严峻的物理挑战。例如，在电力系统中管理高比例可变可再生能源、解决电动卡车的续航和载重问题、寻找工业材料生产中的替代热源和原料、以及在这些及其他应用场景中部署氢能源和碳捕获技术。 ——最具挑战性的挑战具有三个共同特征。首先，一些应用场景缺乏已建立的低排放技术，这些技术无法达到高排放技术相同的性能水平。其次，最具挑战性的挑战依赖于解决其他难题，这需要采取系统性方法。最后，考虑到现有约束条件和缺乏先例，所需的部署规模巨大，也颇具挑战性。 了解这些物理挑战可以幫助首席执行官和政策制定者成功过渡。他们可以确定在哪里采取攻势以抓住当前可行的机会，预测并解决瓶颈问题，并通过创新与系统重构的结合来最有效地应对最具挑战性的挑战。 本文档仅包含执行摘要。要阅读我们的完整报告 ， 请单击此处 ，或转到 mck. co / physicaltransition Introduction 全球能源系统庞大、复杂，并且对现代生活至关重要。平均而言，每人每年消耗的能量相当于800公斤的原油。1在物理劳动方面，这相当于60人日夜不停工作——而在最富裕的经济体中，这一数字可能是前者的两倍或三倍。获取充足、廉价且可靠的能源支持了数十亿人的经济增长与繁荣。 然而 ， 尽管有所有的好处 ， 能源系统还是 85% 以上的二氧化碳 (CO2) 排放量。2它仍然主要基于化石燃料 ， 占所有一次能源消耗的 80 ％ 以上。3世界因此启动了能源转型，目标是减少排放，并“将全球平均温度较工业化前水平升高幅度控制在2°C以下，并努力将温升幅度限制在1.5°C以内”，根据2015年巴黎协定。4 这个能源转型仍处于早期阶段。截至目前，低排放技术的部署仅达到了2050年大多数地区所需水平的大约10%，且这些进展主要集中在相对简单的应用场景上。随着全球各地面临更加复杂的应用场景，预计将会出现更具挑战性的挑战。 构建新的低排放能源系统的任务复杂化在于，这一过程必须同时满足扩大能源接入以惠及数十亿尚未享受现代能源的人口的需求，从而提升他们的经济实力。此外，这一转型还需要解决日益增长的能源负担能力和安全方面的担忧，以及能源系统在确保工业竞争力方面的作用。 此外，目标是实现快速的能源转型。当今的能源系统是在数百年的时间内逐步建立和优化的。然而，能源转型预计只需几十年的时间，并通常与实现净零二氧化碳排放相关。2 by 2050.5 这是一个很高的要求。在数字时代，我们已经习惯了闪电般的快速变革。TikTok 花费九个月时间获得了 1 亿用户，而 ChatGPT 只用了两个月。6但是，能源系统是一个物理实体，历史上的能源转型需要数十年甚至数世纪。例如，当前系统的形成过程漫长。19世纪时，生物质占能源使用量的98%，随着时间推移，煤炭、石油和天然气逐渐取代了它。7到 2000 年代中期 ， 生物质在一次能源中的份额下降到 10% 以下。8在工业革命之后，各个行业从旧能源形式向新能源形式的过渡——从移动领域的马匹到汽车，从建筑领域的生物质能到燃气锅炉——大约需要50年时间。9 鉴于当前能源转型的多重目标和雄心勃勃的期望，因此理解实现这些目标所需条件变得尤为重要。 麦肯锡和许多其他组织对能源转型进行了广泛的研究。10麦肯锡强调了在迈向净零目标的过程中解决负担能力、可靠性和竞争力等其他目标的重要性。11它还分析了需要共同作用以实现有序过渡的关键且相互依赖的基础要素，包括技术等物理基础要素和新的供应链；经济和社会调整，包括大量资本支出；有效的治理和机构，以及坚定的承诺。12 这项研究在此庞大的文献基础上进行，更详细地审视转型过程中的“硬核”组成部分——即物理层面的基础构件，并且系统性地覆盖各个行业，同时理解它们之间的相互依存关系。具体而言，它探讨了用低排放资产或工艺替代高性能化石燃料资产或工艺所面临的障碍或复杂性问题，以及构建支持这些资产或工艺的供应链和基础设施。形象地说，只有通过分析能源系统引擎背后的物理系统及其相互连接方式，才能构想出一个既能满足社会需求、性能高且低排放的新能源系统。 有人普遍认为爱因斯坦曾说过，给一个小时来解决问题，他会花55分钟定义问题，并花5分钟思考解决方案。13在这种精神指引下，本研究对能源转型中的物理挑战进行了盘点，基于大量关于去碳化路径的研究工作。在能源系统七个领域中，我们识别出了25个重要的物理挑战，并将这些挑战分为三个层级，这既反映了目前取得的进步程度，也指出了它们面临的难度。对于利益相关方的影响，包括创新和更广泛的系统重构，进行了探讨。本报告的前四章提供了概览性的研究成果。第五章至第十一章则对七个领域的各自挑战进行了更为详细的讨论，并与麦肯锡专家共同撰写。 本研究的愿景是从物理角度审视能源转型将有助于更好地设计成功的转型方案，并导航一条通往净零排放的经济、可靠且具有竞争力的道路。 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 今天的能源系统，涵盖能源资源的生产和消费，庞大而复杂。该系统经过数世纪的优化，深深嵌入全球经济之中，并服务于数十亿人，尽管尚未惠及所有人。14并且它具有高绩效。能源可以在需要的时间和地点相对容易地进行调度，因为当前燃料的能量密度高且易于运输。供应可以快速增加或减少。 尽管有其所有优点 ， 但当今的系统也存在严重缺陷。目前约有三分之二的能源被浪费。15该系统产生了全球 85% 以上的二氧化碳排放量 (CO2).16公司和国家现在正致力于转型能源系统并减少排放。取得了实际进展，但转型仍处于早期阶段。 低排放技术如太阳能、风能和电动汽车（EVs）具有优势特性，并且可以结合起来实现高性能。但要有效地部署这些技术并进一步推进转型，需要理解能源转型中的物理现实及其相关挑战——即“硬问题”。 认识到能源转型首先是一种物理转变，这一真理在净零情景的抽象概念中可能会被忽视。但这是确保新能源系统能够保持甚至提高当前系统的性能，并实现一条负担得起、可靠且具有竞争力的净零路径的关键。17 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。第一个是功率该领域需要减少自身的排放，并大幅扩展以向三大消耗领域提供低排放能源：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年麦肯锡实现承诺情景，不是作为预测，而是为了了解需要克服的物理挑战。18在这种情景下，到2050年需要部署数十亿低排放资产，例如大约10亿辆电动汽车、超过15亿台热泵以及约35太瓦的低排放发电能力，并且还需要扩大支持性基础设施，如电网、电动汽车充电站和供应链。 近年来，在许多但并非所有领域都取得了进展。例如，过去五年中，大约90%的全部电池电动汽车销量和近60%的新增太阳能和风能发电能力来自这一时期。19但是总体而言，这一转型仍处于早期阶段。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应用场景中。尽管像太阳能这样的领域发展迅速，但其他领域进展缓慢。例如，在低排放氢和碳捕获等领域，至今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，需要在七个领域中解决25个具体的挑战（定义为从高排放物理资产和过程转换到低排放资产和过程的障碍），具体内容参见图表E1。 MGI-Hard StuffPDF 2024 要使能源转型成功 ， 需要解决 20 个物理挑战。 ENABLERS 麦肯