难啃的硬骨头：应对全球能源转型中的物理挑战

难啃的硬骨头摘要 应对全球能源转型中的物理挑战 作者Mekala KrishnanChris BradleyHumayun TaiTiago DevesaSven SmitDaniel Pacthod 编辑Janet Bush 数据可视化Juan M. Velasco 麦肯锡全球研究院麦肯锡全球能源和基础材料咨询业务麦肯锡可持续发展咨询业务合作研究 2024年11月 机密且专有。未经麦肯锡许可，严禁擅用本材料。 版权所有©麦肯锡公司2024年保留所有权利。 封面图片：黑色球中的绿色球© Jorg Greuel/Getty Images 麦肯锡全球研究院 麦肯锡全球研究院（MGI）成立于1990年。其使命是帮助全球的企业和政策领导人做出最重要的经济和业务决策。MGI的研究成果得益于麦肯锡全面的地区、行业和职能知识、技能及专长，但报告的文字方向和决策由MGI全球资深董事合伙人及董事合伙人全权负责。 MGI的研究目前分为五大主题： —生产力与社会繁荣:更高效地创造和利用全球资产—全球资源：以可持续的方式建设世界、为其提供能源和养分—人类潜能：最大限度地发挥和实现人才的潜力—全球网络：探索商品、服务、人员、资本和观点的互通如何引领经济发展—未来的技术和市场：讨论下一个重要的价值和竞争领域 MGI的目标是开展独立、基于事实的研究。我们的研究未受任何企业、政府或其他机构的委托或资助；MGI免费公开分享研究成果；研究资金全部来自麦肯锡的全球董事合伙人。虽然我们聘请了多位杰出的外部顾问为研究工作献计献策，但出版物中展示的分析成果仅代表MGI的观点，任何错误由MGI负责。 您可通过www.mckinsey.com/mgi了解有关MGI和研究工作的更多信息。 MGI全球资深董事合伙人 MGI全球董事合伙人 Michael ChuiMekala KrishnanAnu MadgavkarJan MischkeJeongmin SeongTilman Tacke Sven Smit (主席梁敦临)Chris BradleyKweilin EllingrudSylvain JohanssonNick Leung (梁敦临)Olivia White 与麦肯锡全球能源和基础材料咨询业务、麦肯锡可持续发展咨询业务合作 麦肯锡全球能源和基础材料咨询业务提供对能源、材料和自然资源供应链的深厚洞见，为设立专项标杆及数据解决方案等提供咨询服务，旨在帮助利益相关方持续创造巨大价值。通过高级分析和全球团队的实力引导，我们对支持当前关键基础设施生态系统的各个部门提供独特的行业视角。作为战略和职能转型领域的综合性头部咨询公司，我们与数百家主要行业企业合作，帮助客户加速去碳化进程，实现能源、材料和食品转型，对此我们深感自豪。 麦肯锡可持续发展咨询业务是麦肯锡公司的客户服务平台，其目标是帮助所有行业到2050年实现净零排放，并按照《巴黎协定》达成全球目标。可持续发展是麦肯锡的首要任务，二十年来，我们一直帮助客户实现去碳化、打造气候适应能力和应对可持续发展挑战。我们的目标是成为私营部门最大的去碳化催化剂，并与全球各个经济领域的企业（包括高排放企业）合作，帮助他们创新、减排、并向可持续发展模式转型。为此，我们充分利用麦肯锡的思想领导力、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生态系统，引领创新和经济增长，保护地球并促进可持续发展。仅在2023年，麦肯锡有超过4,500名同事与750家客户合作，在近67个国家开展了1,700项可持续发展项目。麦肯锡已设定科学基础目标，并经科学基础目标倡议（SBTi）验证，符合1.5摄氏度路径。我们致力于通过实现自身运营的去碳化和永久消除所有剩余排放，实现净零排放。 概述 —全球能源转型的进程尚处于早期阶段，大多数地区的低排放技术部署率仅仅达到2050年预设目标的10%左右。经过数个世纪的优化，目前的能源系统具备很多优势，但能源的生产和消耗却占全球二氧化碳(CO2)排放量的85%以上。即便扩大全球能源供应，创建一个低排放的能源系统，抑或是仅仅提高当前能源系统的覆盖率，均需要部署数以千百万计的新资产。当然，在部分领域，能源转型也已经取得了一些进展，但目前主要集中在低难度的用例。 —为顺利推进能源转型的进程，25个相互关联的艰巨挑战亟待解决。其中包括了开发和部署新的低排放技术，以及建立与之配套的全新供应链和基础设施。 —约有一半左右的与能源相关的二氧化碳减排目标与有赖于解决最艰巨的挑战。例如，管理包含多种可再生能源的电力系统，应对电动卡车在续航里程和有效载荷方面的挑战，寻找生产工业材料的替代热源和原料，以及在上述用例和其他用例部署氢气和碳捕获技术。 —最艰巨的挑战有三个共同特点。首先，部分用例缺乏成熟的低排放技术，无法提供与高排放技术相同的性能。其次，最艰巨的一些挑战往往伴随其他一系列的的困难与问题，因此需要采取系统性的方法。最后，鉴于存在各种制约因素和缺乏过往经验，新技术或系统很难马上进行大规模部署。 —了解上述挑战或将帮助企业领导者和决策者们实现能源的成功过渡与转型。他们可以确定当前在哪些方面可以主动出击、把握机会，在哪些方面会遇到可能的问题与瓶颈，以及如何融合创新和系统重组，以最佳方式应对严峻挑战。 本文仅包含摘要。阅读完整报告请访问mck.co/physicaltransition 工程师在检查核电站的涡轮机。© Monty Rakusen/Getty Images 简介 全球能源系统庞大而复杂，是现代社会运行的基础。平均每人每年消耗的能源相当于800公斤原油。1从体力劳动角度估算，这大约等同于60人昼夜不停工作。在最富裕的经济体中，这个数字或能达到两倍或三倍。充足、廉价而可靠的能源支撑着数十亿人的发展和繁荣。 尽管能源系统有诸多益处，但却是85%以上二氧化碳(CO2)的排放源2。目前的系统仍然以化石燃料为主，化石燃料占所有初级能源消耗的80%以上3。因此，自2015年签署《巴黎协定》起，世界开始以减少排放为目标，进行能源转型，具体目标是“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2°C之内，并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5°C之内”。4 当前，能源转型尚处于初期阶段。迄今为止，大多数地区的低排放技术部署仅达到2050年设定目标所要求的10%左右，且集中于相对容易实现的用例。随着全球各地区面临更多棘手的用例，能源转型势必会出现更严峻的挑战。 更为复杂的是，在建设低排放新能源系统的同时，该系统仍需不断扩大，让数十亿尚未有机会获得能源的人能够有机会使用能源，即从经济上赋予他们发展的能力。能源转型还需要考虑能源的经济承受力和能源安全性的担忧，同时还需承担能源系统对工业竞争力所发挥的保障作用。 此外，目前的净零目标要求快速实现能源转型。虽然当今的能源系统经过了几个世纪的建设和优化。然而，目标设定者普遍认为能源转型只需要几十年的时间，即到2050年即可实现二氧化碳净零排放。5 然而，目前看来，要实现这一目标似乎是一个巨大的挑战。在数字时代，我们已经习惯了快如闪电的转型。TikTok用了9个月、ChatGPT仅用了2个月就获得了1亿用户。6但能源系统是一个物理实体，历史上的能源转型都花费了几十年甚至上百年的时间。例如，过渡到当前能源系统的过程就十分漫长。19世纪，生物质能占能源使用量的98%；随着时间的推移，煤炭、石油和天然气逐渐取代了生物质能。7到2000年代中期，生物质能在初级能源的占比降至10%以下。8工业革命之后，各行业开始向新的能源形式过渡——交通领域：从马匹到汽车，建筑领域：从生物质能到燃气锅炉——平均需要大约50年的时间。9 鉴于当前能源转型有多重目标且期望颇高，因此了解转型需付出的代价十分重要。 麦肯锡和许多其他组织对能源转型进行了广泛的研究。10麦肯锡强调了在实现净零排放的道路上还需实现经济承受性、可靠性和竞争力等其他目标。11同时指出有序转型需具备的其他相互依存的关键要素，包括技术和新供应链等物理要素；经济和社会调整，包括庞大的资本支出；有效的治理和机构建设，以及强有力的承诺。12 本研究在大量文献的基础上，对转型的“硬骨头”——上述物理要素进行了更深入的分析，并在了解各行业相互依存关系的同时，进行了系统的研究。具体来说，它探讨了以低排放资产或工艺替代高性能化石燃料资产或工艺，以及建立配套供应链和基础设施的阻碍或复杂性。打个比方，只有研究能源系统引擎中螺母和螺栓的实际构造，以及它们之间如何衔接，才能构想出满足社会需求的高性能、低排放的新型能源系统。 爱因斯坦曾说，如果给他一小时来解决一个问题，他会用55分钟来确定问题，用5分钟来思考解决方案。13本次研究正是本着这一精神，在去碳化途径的大量研究基础上，对能源转型所面临的物理挑战进行评估。我们确定了能源系统在七个领域中的25项重大的物理挑战。挑战被划分为三个等级，既肯定了迄今为止的进展程度，也呈现了解决挑战的难度。本文探讨了对利益相关方的启示，包括创新和广泛系统重组带来的影响。前四章概述了研究成果，第五至第十一章是与麦肯锡专家共同撰写，更为详细地讨论了七个领域中的每个领域及其内部的挑战。 本次研究的目标是从实际角度看待能源转型，将有助于设计更为成功的转型，并为实现零净排放指引一条经济可承受、可靠且竞争力强的道路。 我们确定了能源系统在七个领域内的25项重大的物理挑战。 摘要 当今的能源系统庞大而复杂，包含能源的生产和消耗。该系统经过几个世纪的优化，已深深扎根于全球经济，它性能优越，服务于几十亿人口（即便还不是全人类）。14由于目前的燃料能量密集，易于运输，因此在需要的时间和地点可以相对容易地调度，还可快速增加或减少供应。 尽管当今的能源系统有很多优点，但也存在严重缺陷。目前，约有三分之二的能源被浪费。15能源系统产生的二氧化碳排放量占全球85%以上。16目前，各公司和国家都在努力实现能源系统的转型，并降低排放。虽然，转型已取得一系列的实质进展，但仍处于早期阶段。 太阳能、风能和电动汽车（EV）等低排放技术具有优势特性，可组合在一起发挥卓越的性能。但若想妥善部署上述技术并进一步推进能源转型，须了解转型的物理现实和相关物理挑战，即“硬骨头”。 能源转型实际是重要的物理变化，但这一真相可能在抽象的净零情景中变得混淆。至关重要的是，新的能源系统要保持甚至提高当前系统的性能，并确保以经济可承受、可靠且具有竞争力的方式实现净零排放。17 能源系统在七个领域需加以转型，且转型尚且处于早期阶段 能源转型涉及七个相互关联领域的物理变化。首先是电力领域，一方面电力领域需要减少自身排放，另一方面还需要扩大规模为三大耗能领域，即交通、工业和建筑业提供低排放能源。剩余的三个领域是能源转型的赋能因素，即原材料，特别是关键矿物、新燃料（如氢能和其他能源载体）以及减碳节能。 本次研究主要基于麦肯锡2023年所进行的情景分析，研究结果并不是预测，而是为了能了解我们需要应对哪些物理挑战。18在这一情景下，到2050年，全球需部署数十亿低排放资产——例如，约10亿辆电动汽车、超过15亿台热泵和约35兆瓦的低排放发电容量。同时还要扩建配套的基础设施，如电网、电动汽车充电桩和供应链。 近年来，许多领域都呈现出转型的势头，但并非所有领域。例如，电动汽车电池销量的约90%和太阳能和风能新增发电容量的约60%都是在过去五年中发生的。19但总体而言，转型仍处于初期阶段。目前在大多数地区，低排放技术的部署只达到2050年要求水平的10%左右，而且主要是在相对简单的用例。太阳能等一些领域发展迅速，其他领域则不然。在低排放氢能和碳捕获等方面，按2050年要求部署的比例迄今还不到1%。 能源减排的半数目标或将有赖于解决最难的25个物理挑战 为了进一步推进转型，需解决七个领域中的25个物理挑战，这些挑战被视为从高排放有形资产和流程转向低排放资产和流程的阻碍（见图E1）。 有些挑战更难应对，根据技术性能