能源转型必须解决的十个物理现实

能源转型必须应对的十个物理现实 能源转型将是一场大规模的物质性变革。为了成功，必须直面以下十个现实。 由 Mekala Krishnan、Chris Bradley、Humayun Tai 和 Tiago Devesa 撰写 已有显著势头向 然而，越来越明显的是，需要做更多的事情来直面物理挑战。例如，随着电力系统适应了更高比例的可再生能源，如太阳能和风能，这些能源本质上具有波动性，因此对管理波动性的需求日益增长。4数据中心不断增长的能源需求也凸显了扩大电力容量的挑战。在美国，从提出互联申请到商业运营，互联项目通常需要近五年的时间，据估计，70%的输电线路超过25年，需要在未来10到20年内进行更换。5 能源转型，但一些力量正在创造不确定性。这些力量包括地缘政治变化、许多国家的政策不确定性、宏观经济环境以及人工智能工具采用导致的能源需求上升，等等。 但即便面对这些短期不确定性，也必须不忘转型核心——长期挑战。能源转型是一场规模庞大的物理变革。当今高度复杂、相互关联且高度优化的能源生产与消费体系中的数十亿组成部分都需要进行转变——用新一代低碳选项替代依赖化石燃料的高排放技术——并期望在几十年内完成这一目标。这将要求我们，正如2024年报告所言，应对所谓的“硬骨头”——即处理高性能低碳技术发展与应用所涉及的物理挑战，以及这些技术运行所需的配套基础设施和供应链。1 总的来说，需要更多努力来应对大规模推广低碳技术带来的物理挑战。那么这些挑战是什么，利益相关者应该如何应对它们？为了支持决策， 我们的分析2024年发表的是我们相信的首次全面评估这些物理挑战的研究。6 在本文中，我们借鉴该研究，重点介绍了十项与转型核心要素相关的重要见解——这些要素涉及转型的心脏——电力部门；涉及三个主要终端使用部门，即交通（道路车辆和其他形式的载人与载货运输）、工业（制造钢、水泥等广泛材料和产品的行业）和建筑（消耗能源用于照明、供暖等设施）；最后，还包括能源系统转型的三大支撑要素，即原材料（特别是许多低排放技术如电池和电解器所需的关键矿物）、新型能源载体（如氢和生物燃料）以及碳捕获和能源减排方法，以管理任何剩余排放。 我们已经看到转型正在以实体形式显现。一方面，可再生能源和电动汽车等清洁技术的全球物理部署持续加速。据估计，2023年至2024年，新增可再生能源装机容量（以太阳能装机量创历史新高领航）增长了超过10%，而乘用电动汽车销量——包括纯电动车（BEVs）和插电式混合动力车（PHEVs）——则增长了超过25%。2并且技术不断改进，例如，更远续航里程的电动汽车、新的固定式储能技术，以及可在低于-20°C温度下提供不间断供暖的空气源热泵。3 但当今的能源系统存在缺陷。其中两点尤为突出。首先，它效率低下，目前约三分之二的所有能源被浪费，这主要是由于化石燃料在转换和使用过程中的低能效所致。9其次，能源的生产和消费导致全球二氧化碳（CO₂）排放超过85%。2).10 当今的能源系统高效，但也存在缺陷。 当今的能源系统具备五个高度有益的特性，有助于其发挥高性能（图1）。 因此，能源转型需要复制当前系统的效益和性能，同时解决其弊端。 例如，它能够相对容易地将能量输送到需要的地方，因为目前的燃料既具有高能量密度又易于运输。仅一艘平均规模的液化天然气运输船即可为美国超过40,000个家庭提供整整一年的能源。7 好消息是，在能源系统的某些领域，低碳技术往往已经达到或甚至超过了该性能。例如，电池甚至比燃气调峰电厂提供更快的可调发性，而核电厂通常比燃气电厂具有更高的容量因数。此外，许多清洁技术正快速提高其性能。 它能灵活调度，并能快速地根据需要调整能源的供应量，确保在正确的时间、正确的地点提供能源。燃气轮机发电厂可以在不到十分钟内从完全停机状态切换到满负荷发电。8 尽管如此，性能差距依然存在。目前，柴油等燃料的能量密度（或单位重量的能量）大约是电动汽车使用的电池的50倍。11电力以及氢能等多种低排放能源载体，在长距离运输方面比化石燃料更困难、成本更高。总体而言，能源转型将要求持续改进低排放技术的性能，并以新的方式将它们结合起来以实现高性能。 并且化石燃料是工业材料生产中高温热的有效来源，而它们的化学灵活性使其不仅可用作能源来源，还可作原料——例如，它们提供了构成塑料的分子。 Exhibit 1 麦肯锡公司 2 例如，到2050年需要部署发电能力。12 Only about 10 percent of低碳排放技术到2050年所需的全球承诺have been deployed 朝着该部署的势头已经形成。例如，据估计，几乎所有乘用车BEV销售以及所有太阳能和风能发电装机容量的60%都发生在过去的五年中。13但迄今为止，低排放技术的部署仅达到截至2050年满足全球大部分领域承诺所需水平的约10%——在其他领域则远低于该比例（见附表2）。例如，目前生产的9000万吨氢气中，不到1%来自低排放生产。因此，总体而言，能源转型仍处于早期阶段。14 要转型能源系统则需要替换数十亿项物理资产。根据麦肯锡2023年“已实现承诺”情景，为达国家声明的气候承诺目标，需要近10亿辆电动汽车、超过15亿台热泵以及约350太瓦的低排放能源。 迄今为止，低排放技术的部署仅达到到2050年满足大多数领域全球承诺所需水平的约10%—在许多其他领域则远低于此。 麦肯锡公司 3电力系统的转型必须处于转型的核心。 在该场景下，电力系统需要演变为安装发电容量大三倍的系统，并且整体利用率较低。 这是因为一个由可再生能源驱动的系统需要具备灵活性的资产，这些资产能够在没有阳光或风的时候提供备用电力——例如热能备份电站（如燃气或氢能电站）、储能设施以及与其他电力市场的更多互联。 根据大多数转型情景，对电力系统进行转型是整个能源转型的根本，因为在巨大的耗能领域——交通、工业和建筑——减少排放将涉及彻底的电气化。 即使可再生能源的产量增长，热力系统的规模也可能保持不变，而不是萎缩。 电力系统不仅需要增长，甚至需要在减少自身排放的同时实现增长。根据麦肯锡2023年已实现承诺情景，到2050年，全球电力系统（发电装机容量）需要增长五倍，同时，来自低碳能源的发电份额需要增加一倍以上，达到90%以上。15 热力系统的利用率会下降，因为它会转变为备用电源，而非稳定电力或基荷。 但电力系统的必要转型超越了其利用特征的改变。由于可变可再生能源资产有时规模较小、距离用电地点较远且分布更分散，电网的输电和配电线路规模将需要增长。例如，国际能源署预计，在2050年净零排放情景下，全球输电和配电线路的规模将需要几乎增加两倍，或每年增长超过3%。16 这些转变对电力系统需要如何构建和运行具有深远的影响。以德国为例来说明这一点（图3）。 在麦肯锡2023年“实现承诺”情景下，为履行其气候承诺，德国可能需要将发电量翻一番，且像太阳能和风能这样的变可再生能源（VRE）来源的发电份额可能需要增加到原来的三倍。 4产生令人激动的热量将需要管理更高的需求峰值 但建筑物供暖的全面电气化只会给电力系统增添另一层需求。在一年中最寒冷的日子里最冷的时段，当许多人同时开启供暖时，电力需求将急剧——急剧——峰值。例如在美国，峰值需求将从夏季（许多建筑使用空调）转移到冬季，随着热泵的普及。18 建筑物供暖和制冷需求占二氧化碳总排放量的近85%。2从建筑物排放的，其中空间供暖和水供暖占总排放量的75%以上。17 总体需求的增长意味着整个电力系统将需要更多发电容量。以美国为例，来展示这种情况可能的样子。如果（并且当）热泵得到普及，峰值需求（一年中任何时候所需的最大电量）可能会远远超过当今电网的峰值容量。在 对热能的需求目前主要通过燃烧化石燃料来满足——例如在燃气锅炉中。化石燃料可以用电气化方案替代。热泵是高效的供暖技术，也是大多数市场正在探索的主要方案。 美国在100%电力供暖情景下的预计峰值电力需求与当前状况及无额外需求管理措施的对比。 麦肯锡公司 ：通过结合更高效的热泵模型、更广泛地应用将电气化与其他选项相结合的供暖技术（所谓双燃料系统和其他技术），以限制在最寒冷的日子里对电力的使用，或者通过结合热泵和热能存储将供暖需求转移到一天中的不同时间来平滑电力需求，可以实施措施以最小化峰值——因此，系统所需的电力容量即可减少。21 在建筑物供暖完全实现电气化的一个场景中，外部研究估计，全美国的峰值电力需求可能是当今峰值的一倍半。19 在较寒冷的地区，这种效应可能更为显著。例如，在新英格兰地区，峰值需求可能比目前高出三倍。同样要记住的是，热泵在较低温度下目前效率较低。例如，当温度从5ºC下降到零下10ºC时，标准热泵的性能系数几乎减半。20 需求总体增长意味着整个电力系统将需要更多的容量。 5电动汽车要实现其潜力，电网需要更加清洁。 与内燃机（ICEs）相比，即使电网不再进一步脱碳，电动汽车在整个使用寿命期间也能节省45%至65%的排放量。22然而，在印度，目前约75%的所有电力是使用化石燃料产生的，尤其是煤。23若电网的排放强度没有任何改变，乘用型电动汽车最终可能会比表现最佳的燃油汽车排放更多，而不是更少，并且甚至可能比平均水平的燃油汽车排放仅略少一些。 乘客BEVs的部署正在增加，但它们在CO方面的节省程度如何。2与内燃机（ICE）动力车辆相比有所不同。尽管每行驶一公里的乘客纯电动汽车（BEV）运行排放量可能低于ICE车辆，但它们在制造过程中会产生更高的排放。因此，节约的程度取决于为其供电的电网的清洁程度（图5）。 当然，电网正在脱碳化，如果印度电网按照麦肯锡2023年已实现承诺情景进行脱碳，那么今天在印度购买的中型电动汽车相对于表现最佳的燃油车，其终身碳减排量最高可达15%。因此，继续提高电网的排放强度是降低向电动汽车转型过程中整体排放量的关键因素。 Where grids are already relatively clean, as in the European Union, small and midsize BEVs already 尽管每公里运行排放量低于内燃机汽车，但电动汽车在制造时有更高的排放。因此，能节省多少排放取决于为其供电的电网的清洁程度。 Exhibit 5 麦肯锡公司 氨气生产过程)，以及使用核能或地热能产生的热量。并且，对于那些利用热能不是为了提高温度，而是为了产生蒸汽进而用于完成机械任务的地区，可以使用电动驱动装置替代。 6 四大工业材料的生产需要非常高的温度——且更难实现电气化和脱碳。 针对需要高温的热应用领域，部分基于电的低排放技术可以发挥作用。一些进展正在取得。例如，在钢铁冶炼中，电弧炉可以提供非常高的温度，且是一项成熟的技术。在水泥和塑料行业，已启动电气化项目，包括使用新型旋转式加热器为水泥煅烧提供足够高的温度，或采用电裂解技术处理塑料。 现代文明的四大支柱——钢铁、水泥、塑料和氨——单独就占工业排放的三分之二左右。24 这些行业特别难以完全脱碳，因为它们严重依赖化石燃料作为原料（例如用于塑料的石油）以及作为其生产所需的极高温度热源。25“四大巨头”占用了能源行业中所使用的绝大部分极高温度热量的绝大部分（附录6）。 但这些方法的部署仍然相当有限，其中许多仍处于萌芽阶段。扩大规模还需要大规模的资产重组。这是因为传热形式往往需要改变。其他热源，如生物燃料等替代燃料，可能产生高温热，且通常需要的改造较少，但可能存在难以确保可靠输入的困难。 脱碳食品生产和造纸等其他行业并非如此困难，因为它们所需的热量中有90%是低温或中温。 尽管这些挑战难以克服，但这次转型也可能带来新的机遇。电气化往往具有成本效益。对工业过程进行电气化还可以开辟新的灵活需求形式，例如，与热能储存结合使用时。 跨行业（包括四大行业），在需要低温或中温的领域，高效且广泛的应用供暖技术是可用的。例如，包括通过高效工业热泵的电气化、废热回收（例