3 月初，馬斯克在投資者大會上公布了特斯拉秘密宏圖計劃的第三部分（Master Plan Part 3），表示希望通過以下 5 個領(lǐng)域的變革實現(xiàn)可持續(xù)的能源經(jīng)濟，包括：

• 用電動汽車代替燃油汽車
• 在家庭、企業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)中普及熱泵
• 在工業(yè)過程中實施高溫供熱和儲存
• 將飛機和輪船電動化
• 用可再生能源發(fā)電，并用固定式存儲提供能源

馬斯克曾經(jīng)用一句話來概括特斯拉的秘密宏圖計劃：The path to a fully sustainable energy future for Earth。意為「通往地球完全可持續(xù)能源的未來之路」。

但在當時，這一計劃被指「缺乏細節(jié)」，特斯拉股價盤后一度跌超 3%。

今天，特斯拉發(fā)布了一個長達 41 頁的 PDF——Master Plan Part 3 – Sustainable Energy for All of Earth

這份 PDF 詳細介紹了他們的秘密宏圖計劃第三部分（Master Plan Part 3），通過擺脫對于化石燃料的依賴并轉(zhuǎn)向可再生能源，為自己和后代創(chuàng)造更美好的未來。

文檔還透露了 3 款新車的更多信息：

• 入門車型將使用 53kWh 的鐵鋰電池包
• 一款小型廂式車將使用 100kWh 高鎳正極電池包
• 另一款大型巴士將使用 300kWh 鐵鋰電池包

此外，現(xiàn)有的 Model 3/Y 將全系采用 75kWh 鐵鋰電池，即將推出的 Cybertruck 則為 100kWh 的高鎳電池。

下面是這份 PDF 的全部內(nèi)容，你也可以在「董車會」微信公眾號回復「宏圖計劃」，來獲取本文的 Word 文檔，以及原文的 PDF 文檔。

讓我們開始吧！

目錄

執(zhí)行摘要

當前的能源經(jīng)濟是非常浪費的

消除化石燃料的計劃

• 用可再生能源為現(xiàn)有的電網(wǎng)重新供電
• 轉(zhuǎn)向電動汽車
• 在住宅、商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)用熱泵
• 高溫輸熱和氫氣的電氣化
• 可持續(xù)的飛機和船舶燃料
• 制造可持續(xù)能源經(jīng)濟

完全可持續(xù)的能源經(jīng)濟模型

• 能源儲存技術(shù)評估
• 發(fā)電技術(shù)評估

模型結(jié)果

• 局限于美國的模型——滿足新的電氣化需求
• 世界范圍內(nèi)的模型——滿足新的電氣化需求
• 交通運輸所用電池
• 車輛
• 船舶和飛機
• 世界模型結(jié)果——交通工具的電氣化和電池

所需資金

所需土地面積

所需材料

總結(jié)

執(zhí)行摘要

2023 年 3 月 1 日，特斯拉提出了 Master Plan 的第三部分——通過電氣化、可持續(xù)能源的生產(chǎn)和儲存，達到全球可持續(xù)能源經(jīng)濟的建議路徑。本文概述了該建議背后的假設(shè)、來源和計算方法。歡迎大家提供意見和交流。

這個理論主要分為三個部分：

01 電力需求

預估在沒有化石燃料的情況下的全球能源需求。

02 電力供應

構(gòu)建一個成本最低的發(fā)電和存儲資源組合，以滿足以小時為單位的電力需求。

03 材料可行性和投資

確定電動經(jīng)濟所需材料的可行性以及實現(xiàn)它所必需的制造業(yè)投資。

本文發(fā)現(xiàn)，可持續(xù)能源經(jīng)濟在技術(shù)上是可行的，并且需要比今天不可持續(xù)的能源經(jīng)濟更少的投資和材料提取。雖然許多先前的研究得出了類似的結(jié)論，但本研究旨在推動與跨越全球所有能源部門轉(zhuǎn)型所需的材料密度、制造能力和制造投資相關(guān)的思考。

▲預計本計劃所需的總投入

當前的能源經(jīng)濟是十分浪費的

根據(jù)國際能源署（IEA）2019 年世界能源平衡表，全球主要能源供應為 165 PWh/年，化石燃料總供應量為 134PWh/年。在到達最終消費者之前，有 37%（61PWh）被消耗掉了。這包括化石燃料行業(yè)在開采/精制過程中自我消耗以及電力發(fā)電過程中的轉(zhuǎn)換損失。另外 27%（44PWh）由于內(nèi)燃機車輛和天然氣加熱器等低效末端使用而損失?？傮w而言，只有 36%（59PWh）的主要能源供應產(chǎn)生對經(jīng)濟有用的工作或熱量。來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Lab）的分析顯示，在全球和美國的能源供應方面存在類似水平的低效率問題。

消除化石燃料計劃

在一個以可持續(xù)發(fā)電為基礎(chǔ)的電氣化經(jīng)濟中，大多數(shù)與采礦、提煉和燃燒能源以產(chǎn)生電力相關(guān)的上游損失都被消除了，非電氣終端使用所帶來的下游損失也隨之消失。一些工業(yè)過程需要更多的能量投入（例如生產(chǎn)綠色氫），一些采掘和提純活動需要增加（涉及到用于制造電池、太陽能板、風力渦輪機等金屬）。

以下 6 個步驟展示了完全實現(xiàn)經(jīng)濟電氣化并消除化石燃料使用所需采取的行動。這 6 個步驟詳細說明了可持續(xù)能源經(jīng)濟中對電力需求的假設(shè)，并導致建模出來的電力需求曲線。

該模型是利用 2019-2022 年美國能源信息管理局（EIA）提供的高保真數(shù)據(jù)對美國能源經(jīng)濟進行分析，并根據(jù) IEA 能源平衡表中 2019 年美國與世界之間關(guān)于能耗比例系數(shù)進行 6 倍縮放，從而估算出全球經(jīng)濟所需采取行動。這是一個重大的簡化，可能是未來的分析中需要重點改進的領(lǐng)域，因為全球能源需求與美國的構(gòu)成不同，并且預計隨著時間的推移而增加。由于目前可以獲得這些可用的數(shù)據(jù)，因此該分析是針對美國進行的。

該計劃將陸上/海上風電、太陽能、現(xiàn)有核電和水力視為可持續(xù)發(fā)電來源，并認為現(xiàn)有生物質(zhì)也是可持續(xù)的，盡管它可能會逐漸被淘汰。此外，該計劃未考慮吸收過去一個世紀化石燃料燃燒所排放出來的二氧化碳之類物質(zhì)，除了合成燃料生成所需直接空氣捕集之外；任何未來實施這種技術(shù)都可能會增加全球能源需求。

01 用可再生能源重新裝備現(xiàn)有電網(wǎng)

美國現(xiàn)有的每小時用電需求被建模為來自 EIA 的不靈活基線需求。對于四個美國子區(qū)域（德克薩斯州、太平洋地區(qū)、中西部和東部），進行建模以考慮區(qū)域變化，可再生資源供應情況，天氣和電網(wǎng)傳輸限制。這種現(xiàn)有的電力需求是必須由可持續(xù)發(fā)電和儲存支持的基線負載。

全球每年向電力行業(yè)提供每年 65PWh 的一次性能源，其中包括每年 46PWh 的化石燃料；然而只有每年 26PWh 的電力產(chǎn)生，因為將化石燃料轉(zhuǎn)換成電力時存在低效率問題。如果改用可再生能源驅(qū)動該網(wǎng)絡(luò)，則只需要每年 26PWh 可持續(xù)發(fā)電量即可滿足要求。

02 轉(zhuǎn)向電動汽車

由于更高的動力總成效率、再生制動能力和優(yōu)化的平臺設(shè)計，電動汽車比內(nèi)燃機汽車約高出 4 倍。如表 1 所示，在乘用車、輕型卡車和 8 級半掛車中，這個比例是正確的。

▲表 1：電動車與內(nèi)燃機汽車的效率對比

作為一個具體的例子，特斯拉的 Model 3 能耗為 131MPGe，而豐田花冠為 34MPG，相差 3.9 倍，考慮到上游損失，如與提取和提煉燃料有關(guān)的能源消耗，該比率會增加（見圖 4）。

▲圖 4：特斯拉 Model 3 與豐田卡羅拉的對比

為了確定電氣化交通部門的用電需求，每個子區(qū)域歷史上每月使用的美國交通石油（不包括航空和海洋運輸）將通過上述電動汽車效率系數(shù)（4 倍）進行縮放。特斯拉車隊按小時分割為不可調(diào)節(jié)和可調(diào)節(jié)兩部分，并假定其為 100% 電氣化交通部門中的電動車充電負載曲線。超級充電、商業(yè)車輛充電以及狀態(tài)低于 50% SOC 的車輛被視為不可調(diào)節(jié)需求。家庭和工作場所 AC 充電是可調(diào)節(jié)需求，并采用 72 小時能源保護約束模型來建模，這反映了大多數(shù)駕駛員在可再生資源豐富時有靈活性進行充電。平均而言，特斯拉駕駛員從 60％ SOC 到 90％ SOC 每 1.7 天充一次，因此相對于典型的日常里程而言，電動汽車具有足夠的續(xù)航里程來優(yōu)化其在可再生能源供應情況下進行充電，前提是家庭和工作場所都有充電基礎(chǔ)設(shè)施。

全球交通領(lǐng)域的電氣化消除了每年 28 PWh 的化石燃料使用量，并應用 4 倍電動汽車效率系數(shù)創(chuàng)造出約每年 7 PWh 的額外電力需求。

03 在住宅、商業(yè)和工業(yè)中轉(zhuǎn)向熱泵

熱泵通過壓縮/膨脹中間制冷劑將熱量從源移動到匯。通過適當選擇制冷劑，熱泵技術(shù)可應用于住宅和商業(yè)建筑的空間供暖、水加熱和洗衣機，以及許多工業(yè)過程。

▲圖 5：熱泵如何工作

空氣源熱泵是最適合在現(xiàn)有住宅中改裝燃氣爐的技術(shù)，根據(jù)加熱季節(jié)性能系數(shù)（HSPF）為 9.5 Btu/Wh 的典型效率評級，每單位消耗的能量可以提供 2.8 個單位的熱量。燃氣爐通過燃燒天然氣來產(chǎn)生熱量。它們具有約 90％的年度利用率（AFUE）。因此，與使用 3 倍少于天然氣鍋爐相比，空氣源熱泵使用了更少的能源（2.8 / 0.9）。

▲圖 6：熱泵相較于燃氣灶進行空間加熱的效率提升

住宅和商業(yè)領(lǐng)域

EIA 提供了每個子區(qū)域住宅和商業(yè)部門歷史月度美國天然氣使用情況。如果所有燃氣設(shè)備電氣化，3 倍熱泵效率系數(shù)將降低能源需求。基準電力需求的小時負載因數(shù)被應用于估計從熱泵中產(chǎn)生的小時電力需求變化，有效地將加熱需求歸因于家庭正在積極加熱或冷卻的時間段。在夏季，住宅/商業(yè)需求在下午高峰時達到頂峰，此時冷卻負荷最大，在冬季，需求遵循眾所周知的「鴨子曲線」，在早上和晚上達到高峰。

通過采用帶有熱泵的住宅和商業(yè)設(shè)備電氣化，全球每年可節(jié)省 18PWh 的化石燃料，并創(chuàng)造 6PWh 額外的電力需求。

▲圖 7：住宅的商業(yè)供暖和制冷負荷率在一天之內(nèi)的變化

工業(yè)制造

工業(yè)過程可受益于熱泵的效率提升，最高溫度可達約 200 攝氏度，例如食品、紙張、紡織和木材行業(yè)。然而，隨著溫差的增加，熱泵的效率會降低。熱泵集成是微妙的，并且確切的效率在很大程度上取決于系統(tǒng)所吸收熱源的溫度（溫度是確定熱泵效率因素之一），因此使用了可實現(xiàn) COP 范圍的簡化假設(shè)：

▲表 2：預估的熱泵效率的提高，按溫度來劃分

根據(jù) IEA 提供的工業(yè)熱力的溫度構(gòu)成和表 2 中假設(shè)的熱泵效率，建模的加權(quán)工業(yè)熱泵效率系數(shù)為 2.2。

EIA 提供了每個次區(qū)域的工業(yè)部門的歷史月度化石燃料用量 8。所有工業(yè)化石燃料的使用，不包括產(chǎn)品中的嵌入式化石燃料（橡膠、潤滑油、其他），都被假定為用于工藝加熱。根據(jù)國際能源署，45% 的工藝熱量低于 200℃，當用熱泵進行電氣化時，需要 2.2 倍的輸入能源。增加的工業(yè)熱泵電力需求被建模為一個不靈活的、平坦的小時需求。

在全球范圍內(nèi)，用熱泵對低于 200℃的工業(yè)加工熱進行電氣化，每年可減少 12PWh 的化石燃料，并創(chuàng)造 5PWh 的額外電力需求。

04 高溫輸熱和制氫的電氣化

高溫工業(yè)過程的電氣化

需要高溫（>200℃）的工業(yè)流程，占化石燃料使用量的其余 55%，需要特別考慮。這包括鋼鐵、化工、化肥和水泥生產(chǎn)等。

這些高溫工業(yè)過程可以直接由電阻加熱、電弧爐提供服務，或通過熱存儲進行緩沖，以便在可再生能源過剩時利用低成本的可再生能源。現(xiàn)場蓄熱可能是有價值的，可以低成本地加速工業(yè)電氣化（例如，直接使用蓄熱介質(zhì)和輻射加熱元件）。

▲圖 8：熱存儲概述

▲圖 9A：蓄熱——通過傳熱流體向工業(yè)過程輸送熱量

▲圖 9B：蓄熱——通過直接輻射加熱向工業(yè)過程輸送熱量

電阻加熱和電弧爐的效率與高爐加熱相似，因此將需要類似的可再生一次能源輸入量。這些高溫工藝被模擬為一種不靈活的、平坦的需求。

儲熱被模擬為工業(yè)部門高溫工藝熱的能源緩沖器，往返熱效率為 95%。在太陽能裝機容量高的地區(qū)，熱存儲將傾向于在中午充電，在夜間放電，以滿足連續(xù) 24 小時的工業(yè)熱需求。圖 9 顯示了可能的熱載體，并說明了幾種材料是提供>1500C 的工藝熱的候選材料。

全球工業(yè)加工熱>200C 的電氣化每年可消除 9PWh 的化石燃料，并創(chuàng)造 9PWh 的額外電力需求，如果假設(shè)熱輸送效率相等的話。

▲圖 10：蓄熱介質(zhì)

可持續(xù)地生產(chǎn)用于鋼鐵和化肥的氫氣

今天，氫氣是由煤、石油和天然氣生產(chǎn)的，并被用于提煉化石燃料（特別是柴油）和各種工業(yè)應用（包括鋼鐵和化肥生產(chǎn)）。

綠色氫氣可以通過電解水（能源強度高，不消耗/生產(chǎn)含碳產(chǎn)品）或通過甲烷熱解（能源強度較低，產(chǎn)生固體碳黑副產(chǎn)品，可轉(zhuǎn)化為有用的碳基產(chǎn)品）來生產(chǎn)。

為了保守地估計綠色氫氣的電力需求，假設(shè)是：

- 未來的化石燃料煉制將不需要氫氣
- 鋼鐵生產(chǎn)將轉(zhuǎn)為直接還原鐵工藝，需要氫氣作為投入。氫氣需求用于鐵礦石（假設(shè)為 Fe3O4）的還原需求是基于以下還原反應：

用氫氣來還原：

• Fe3O4+H2=3FeO+H2O
• FeO+H2=Fe+H2O

- 全球所有的氫氣生產(chǎn)都來自于電解。

這些對工業(yè)需求的簡化假設(shè)，導致全球?qū)G色氫氣的需求量為 1.5 億噸/年，而從電解中獲取這一需求估計每年需要約 7.2PWh 的可持續(xù)發(fā)電量。

氫氣生產(chǎn)的電力需求被模擬為具有年度生產(chǎn)限制的靈活負荷，氫氣儲存潛力被模擬為具有最大資源限制的地下儲氣設(shè)施（就像今天儲存的天然氣）。今天用于儲存天然氣的地下儲氣設(shè)施可以被改造為儲氫；模擬的美國儲氫需要約 30%的美國現(xiàn)有地下儲氣設(shè)施。請注意，一些儲存設(shè)施，如鹽穴，在地理上分布不均勻，這可能會帶來挑戰(zhàn)，而且可能有更好的替代儲存方案。

全球可持續(xù)的綠色氫氣每年可消除 6PWh 的化石燃料能源使用，以及 2PWh 的非能源使用。礦物燃料被替換成 7PWh 的額外電力需求。

05 可持續(xù)的飛機和船只燃料

通過優(yōu)化設(shè)計速度和航線，使較小的電池在長航線上更頻繁地充電，大陸和洲際遠洋運輸都可以實現(xiàn)電氣化。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，全球遠洋運輸每年消耗 3.2 瓦時。通過應用 1.5 倍的電氣化效率優(yōu)勢，一個完全電氣化的全球船隊每年將消耗 2.1PWh 的電力。

在今天的電池能量密度下，通過優(yōu)化飛機設(shè)計和飛行軌跡，短距離飛行也可以實現(xiàn)電氣化。較長距離的飛行，估計占航空旅行能源消耗的 80%（全球每年消耗 850 億加侖的噴氣燃料），可以通過利用費托合成工藝從多余的可再生電力中獲得合成燃料，該工藝使用一氧化碳（CO）和氫氣（H2）的混合物來合成各種液體碳氫化合物，并且已經(jīng)被證明是合成噴氣燃料的可行途徑。這需要額外的每年 5PWh 的電力，其中包括：

• 電解產(chǎn)生的氫氣
• 通過直接空氣捕集捕獲的二氧化碳
• 通過電解二氧化碳產(chǎn)生的一氧化碳

合成燃料的碳和氫也可以從生物質(zhì)中獲取。更有效和更具成本效益的合成燃料生產(chǎn)方法可能會及時出現(xiàn)，更高能量密度的電池將使通行距離最遠的飛機實現(xiàn)電氣化，從而減少對合成燃料的需求。

合成燃料生產(chǎn)的電力需求被模擬為具有年度能源約束的靈活需求。合成燃料的儲存可以采用傳統(tǒng)的燃料儲存技術(shù)，假設(shè)體積比為 1:1。遠洋運輸?shù)碾娏π枨蟊荒M為每小時的恒定需求。

全球可持續(xù)的合成燃料和船只和飛機用電，每年可消除 7PWh 的化石燃料，并創(chuàng)造 7PWh 的全球額外電力需求。

06 制造可持續(xù)能源經(jīng)濟

建設(shè)可持續(xù)能源經(jīng)濟所需的發(fā)電和儲存組合——太陽能電池板、風力渦輪機和電池，需要額外的電力。這種電力需求被模擬成一個增量，在工業(yè)部門，這種用電需求被建模為工業(yè)部門每小時遞增、不可調(diào)節(jié)、平坦的需求。更多詳細信息請參見附錄：構(gòu)建可持續(xù)能源經(jīng)濟-能量密度。

建立完全可持續(xù)的能源經(jīng)濟模型

這 6 個步驟建立了一個美國的電力需求，通過可持續(xù)的發(fā)電和儲存來滿足。為此，利用每小時成本最優(yōu)的綜合能力擴展和調(diào)度模型建立了發(fā)電和存儲組合。該模型在美國的四個次區(qū)域之間劃分，在區(qū)域之間建立傳輸限制模型，并在四個天氣年（2019-2022 年）運行，以反映一系列的天氣狀況 sk。區(qū)域間的傳輸限制是根據(jù)北美電力可靠性委員會（NERC）區(qū)域?qū)嶓w（SERC、WECC、ERCOT）發(fā)布的主要輸電路徑上當前線路容量評級估計跨區(qū)域傳輸限制。圖 11 顯示了全美實現(xiàn)完全電氣化經(jīng)濟的能源需求。

▲地圖 1：模擬的美國各區(qū)域的相互關(guān)聯(lián)性

每個地區(qū)的風能和太陽能資源都以其各自的小時容量系數(shù)（即每兆瓦裝機容量每小時產(chǎn)生多少電力）、其互聯(lián)成本和模型可建立的最大容量為模型。每個地區(qū)的風能和太陽能小時容量系數(shù)是利用每個地區(qū)的 EIA 的歷史風能/太陽能發(fā)電量來估計的，從而捕捉到由于地區(qū)天氣模式造成的資源潛力差異。根據(jù)最近的普林斯頓美國凈零排放研究，容量系數(shù)被縮放以代表前瞻性趨勢。圖 11 顯示了全美每小時風能和太陽能的容量系數(shù)與時間的關(guān)系。表 3 顯示了美國各地區(qū)的平均容量系數(shù)和需求。

▲表 3：風電和太陽能歷史平均容量系數(shù)，以及各地區(qū)完全電氣化的需求

該模型基于特定資源的成本和性能屬性，以及最小化能源平準化成本的總體目標，建立了發(fā)電和存儲。該模型假設(shè)提升區(qū)域間傳輸容量。

為了提供可靠的全年電力，部署過剩的太陽能和風能容量在經(jīng)濟上是最理想的，這導致了縮減的發(fā)生。當 ：

1. 太陽能和/或風能發(fā)電量高于一個地區(qū)的電力需求時；
2. 存儲已滿；
3. 沒有可用的傳輸能力將過剩的發(fā)電量傳輸?shù)狡渌貐^(qū)，就會發(fā)生削減。

在建設(shè)過剩的可再生能源發(fā)電能力、建設(shè)電網(wǎng)存儲或擴大傳輸能力之間，存在著經(jīng)濟上的權(quán)衡。隨著電網(wǎng)儲能技術(shù)的成熟，這種權(quán)衡可能會發(fā)生變化，但根據(jù)建模的假設(shè)，最佳的發(fā)電和儲能組合導致 32%的縮減。

就背景而言，可再生能源高滲透率的市場已經(jīng)存在縮減現(xiàn)象。2020 年，蘇格蘭 19%的風力發(fā)電被削減，2022 年加利福尼亞（CAISO）6%的太陽能發(fā)電由于操作限制而被削減，例如熱發(fā)電機無法降至最低運行水平，或輸電系統(tǒng)局部擁堵。

可持續(xù)能源經(jīng)濟將為消費者提供大量廉價能源，這將影響能源的使用方式和時間。在下圖 12 中，顯示了秋季樣本中每小時調(diào)度情況，展示了每種發(fā)電和儲存資源在平衡供需方面的作用以及經(jīng)濟性縮減集中在白天太陽充足時段。

在圖 14 中，氫氣儲存通常在春季和秋季被填滿，此時由于供暖和制冷季節(jié)結(jié)束，電力需求較低，太陽能和風能發(fā)電相對較多。同樣，隨著夏季和冬季過剩發(fā)電量的減少，氫氣庫也會減少，提供跨季節(jié)的氫氣儲存。

儲能技術(shù)評估

對于固定應用，我們考慮了以下表 4 中的儲能技術(shù)，這些技術(shù)目前已經(jīng)大規(guī)模部署。鋰離子指磷酸鐵鋰/石墨鋰離子電池。考慮到商品價格的波動性（尤其是鋰），列出了鋰離子未來保守的安裝成本范圍。雖然還有其他新興技術(shù)，如金屬空氣（Fe <-> Fe2O3 氧化還原）和 Na-ion，但這些都沒有進行商業(yè)化部署，因此不予考慮。

▲表 4：儲能技術(shù)評估

發(fā)電技術(shù)評估

下表詳細列出了可持續(xù)能源經(jīng)濟中考慮的所有發(fā)電技術(shù)。安裝成本取自 NREL 和普林斯頓美國凈零度研究的 2030-2040 年的研究。

▲表 5：發(fā)電技術(shù)評估

模型結(jié)果

僅美國的模型結(jié)果——滿足新的電氣化需求

對于美國來說，為滿足每小時的電力需求，最佳的發(fā)電和儲能組合，在所模擬的年份，如下表所示。

▲表 6：僅針對美國的模型結(jié)果

此外，根據(jù)在住宅和商業(yè)建筑的屋頂太陽能旁邊部署分布式固定存儲的增量，增加了 1.2 TWh 的分布式固定電池。這包括在 1500 萬個單戶家庭的屋頂太陽能的存儲部署，工業(yè)存儲與 43GW 的商業(yè)屋頂太陽能配對，以及存儲替代至少 200GW 的現(xiàn)有備用發(fā)電機容量。由于分布式存儲部署受到未完全反映在最小成本模型框架中的因素驅(qū)動，包括終端用戶彈性和自給自足性，因此分布式存儲部署是模型輸出之外的外生變量。

世界模型結(jié)果——滿足新的電氣化需求

將 6 個步驟應用于世界能源流，每年可剩下 125PWh 的能源所需的化石燃料，并以 66PWh 的可持續(xù)發(fā)電量取代之。每年還需要 4PWh 的新工業(yè)來制造所需的電池、太陽能電池板和風力渦輪機。

滿足電力需求的全球發(fā)電和存儲組合是通過將美國的資源組合按 6 倍比例計算出來的。如上所述，這是一個重大的簡化，可能是未來分析中需要改進的領(lǐng)域，因為全球能源需求的構(gòu)成與美國不同，而且預計會隨著時間的推移而增加。由于可以獲得高保真的每小時數(shù)據(jù)，該分析是針對美國進行的。

▲圖 15：可持續(xù)能源經(jīng)濟，全球能源流

交通運輸所用電池

汽車

根據(jù) OICA，全球如今有 14 億輛汽車，乘用車年產(chǎn)量約為 8500 萬輛。根據(jù)電池組大小的假設(shè)，車隊將需要 112 TWh 的電池。自動駕駛技術(shù)有可能通過提高車輛利用率來減少全球車隊和年產(chǎn)量。

標準范圍的車輛可以利用較低能量密度的化學制品（LFP），而長程車輛需要較高能量密度的化學制品（高鎳）。下表列出了汽車領(lǐng)域的陰極分配情況。高鎳指的是目前正在生產(chǎn)的、在特斯拉、特斯拉的供應商和研究小組開發(fā)的低至零鈷的鎳錳陰極。

▲表 7：車隊的細分情況

全球化的電動汽車車隊

船舶和飛機

以每年 2.1PWh 的需求計算，如果船舶平均每年充電約 70 次，每次充電到 75% 的容量，那么需要 40TWh 的電池來實現(xiàn)海洋艦隊的電氣化。假設(shè) 33%的船隊需要高密度的鎳和錳基陰極，67%的船隊只需要低能量密度的 LFP 陰極。對于航空業(yè)，如果約 15,000 架窄體飛機中的 20% 使用 7 兆瓦時的電池組進行電氣化，那么將需要 0.02TWh 的電池。
這些都是保守的估計，需要的電池可能會更少。

▲表 8：船舶和飛機的細分情況

世界模型結(jié)果——電氣化和交通電池

表 9 總結(jié)了滿足全球電力需求的發(fā)電和存儲組合，以及基于車輛、船舶和飛機假設(shè)的運輸存儲需求。關(guān)于如何將發(fā)電和儲能組合分配給終端用戶的解釋可參見附錄： 發(fā)電和儲存分配到終端用途。

▲表 9：滿足全球電力需求的發(fā)電和存儲組合及交通電池

所需投資

此處列出的投資包括制造設(shè)施、采礦和精煉作業(yè)，以及儲氫鹽洞的安裝。制造設(shè)施的規(guī)模是根據(jù)每個資產(chǎn)的替換率確定的，而上游業(yè)務（如采礦）的規(guī)模是相應的。需要大量產(chǎn)能增長的材料是：

1. 用于采礦：鎳、鋰、石墨和銅；
2. 用于精煉：鎳、鋰、石墨、鈷、銅、電池級鐵和錳。

表 9 總結(jié)了滿足全球電力需求的發(fā)電和存儲組合，以及基于車輛、船舶和飛機假設(shè)的運輸存儲需求。a 關(guān)于如何將發(fā)電和儲能組合分配給終端用戶的解釋可參見附錄： 發(fā)電和儲存分配到終端用途。

除了初始支出外，還將 20 年內(nèi)，每年 5% 的維護支出納入投資估算。基于這些假設(shè)，在可持續(xù)能源經(jīng)濟中建立制造基礎(chǔ)設(shè)施將耗費 10 萬億美元，而在 2022 年投資速度下預計 20 年內(nèi)化石能源支出為 14 萬億美元。

▲圖 16：投資比較

▲表 12：投資匯總

下表提供了關(guān)于采礦、精煉、汽車廠、電池廠和回收利用假設(shè)的更多細節(jié)。采礦和煉油的假設(shè)是根據(jù)公開的行業(yè)報告對行業(yè)平均水平的內(nèi)部估計：

采礦業(yè)

煉油

車輛和電池工廠

回收利用

所需土地面積

所需土地面積太陽能土地面積要求是根據(jù)美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）對美國實際項目的經(jīng)驗評估而估算的，該評估發(fā)現(xiàn) 2011-2019 年安裝的固定太陽能電池板的功率密度中值為 2.8 英畝/MWdc。使用 1.4 的轉(zhuǎn)換率將 MWdc 轉(zhuǎn)換為 MWac，大約可以得到 3.9 英畝/MWac。因此，全球 18.3TW 的太陽能電池板車隊將需要大約 7140 萬英畝的土地，或占全球總面積 368 億英畝的 0.19%。風的土地面積需求是根據(jù)美國國家可再生能源實驗室（NREL）的研究估計的，該研究發(fā)現(xiàn)每兆瓦的直接土地使用量為 0.75 英畝。因此，全球 12.2TW 的風力渦輪機群將需要約 920 萬英畝的土地，或總土地面積的 0.02%。

所需材料

假設(shè)

太陽能電池板、風力渦輪機和電路里程所需的總材料是根據(jù)第三方的材料強度假設(shè)計算的。電池的材料強度是基于內(nèi)部估計。太陽能電池板和風力渦輪機的材料密度假設(shè)來自歐洲委員會報告。太陽能電池采用晶體硅片，而稀土礦物則被從風力渦輪機中排除，因為在開發(fā)技術(shù)方面已經(jīng)取得了進展。

根據(jù)國際能源署的 2050 年凈零路徑研究，全球?qū)⑿枰黾踊蛑亟s 6000 萬英里的電路，以實現(xiàn)一個完全可持續(xù)的電氣化全球經(jīng)濟。配電能力將主要通過重新鋪設(shè)現(xiàn)有線路和擴大變電站容量來擴大，以適應峰值和平均終端用戶需求的大幅增長。高壓輸電將主要擴大地理覆蓋范圍，將大型風能和太陽能發(fā)電能力連接到人口密集地區(qū)。為了估計材料需求，6000 萬英里電路中的 90%將是對現(xiàn)有低壓配電系統(tǒng)的重新布線，10% 將是來自高壓輸電的新電路英里，這是目前美國高壓輸電和低壓配電的比例。

基于上述假設(shè)，這 128.15 億噸（每年 4.44 億噸）的總重量將是 30 太瓦的發(fā)電量和 240 太瓦的電池儲能，以及 6 千萬英里的傳輸里程的需要。

材料提取

與這些材料相關(guān)的物質(zhì)流量（即移動了多少土地）取決于礦石品位和整個過程的產(chǎn)量。使用從公開的行業(yè)報告中匯編的行業(yè)平均數(shù)的內(nèi)部估計（見表 19），所需的年質(zhì)量流量估計為 3.3 千兆噸（Gt）。如果用鋁（50%的礦石品位）代替銅（1%的礦石品位），質(zhì)量流量可以減少，這在許多使用案例中是可能的。假設(shè) 50%的鋰是從 100%礦石品位的鹽水中提取的，如果不是這樣的話，那么與鋰相關(guān)的質(zhì)量流量將增加 0.8Gt。

根據(jù)《2023 年循環(huán)性差距報告》，每年從地球上提取 68Gt 的材料，不包括生物質(zhì)，其中化石燃料占 15.5Gt。在一個可持續(xù)的能源經(jīng)濟中，材料提取將減少 10.8Gt--大部分化石燃料的提取被 3.3Gt 的可再生材料提取所取代。假設(shè)與非能源最終用途（即塑料和其他化學品）相關(guān)的化石燃料開采繼續(xù)進行，根據(jù)國際能源署，約占化石燃料供應的 9%。

材料可用性

表 18 中提取的總材料與 2023 年美國地質(zhì)調(diào)查局的資源量進行了評估，以評估可行性。對于銀，美國地質(zhì)調(diào)查局沒有公布資源估計，所以使用了儲量。分析表明，太陽能電池板將需要 2023 年美國地質(zhì)調(diào)查局銀儲量的 13%，但銀可以用銅代替，因為銅更便宜、更豐富。石墨的需求可以用天然和人造石墨來滿足--前者是開采和提煉的，后者是從石油焦中提取的。因此，增加了石墨資源基礎(chǔ)，以考慮到石油產(chǎn)品的人造石墨生產(chǎn)。如果世界石油資源中只有一小部分被用于人工石墨生產(chǎn)，那么石墨資源將不會成為一個制約因素。正在進行的開發(fā)工作旨在評估其他含碳產(chǎn)品作為人造石墨生產(chǎn)的原料，包括二氧化碳和各種形式的生物質(zhì)。

總之，在根據(jù) 2023 年美國地質(zhì)調(diào)查局的估計資源量進行評估時，不存在基本的材料限制。此外，資源量和儲量歷來都在增加--也就是說，當一種礦物有需求時，就會有更多的動力去尋找它，從而發(fā)現(xiàn)更多的礦物。相關(guān)金屬礦石的年度開采、濃縮和精煉必須增長，以滿足可再生能源經(jīng)濟的需求，其基本制約因素是人力資本和許可/監(jiān)管的時間。部估計（見表 19），所需的年質(zhì)量流量估計為 3.3 千兆噸（Gt）。如果用鋁（50%的礦石品位）代替銅（1%的礦石品位），質(zhì)量流量可以減少，這在許多使用案例中是可能的。假設(shè) 50%的鋰是從 100%礦石品位的鹽水中提取的，如果不是這樣的話，那么與鋰相關(guān)的質(zhì)量流量將增加 0.8Gt。

根據(jù)《2023 年循環(huán)性差距報告》，每年從地球上提取 68Gt 的材料，不包括生物質(zhì)，其中化石燃料占 15.5Gt。在一個可持續(xù)的能源經(jīng)濟中，材料提取將減少 10.8Gt——大部分化石燃料的提取被 3.3Gt 的可再生材料提取所取代。假設(shè)與非能源最終用途（即塑料和其他化學品）相關(guān)的化石燃料開采繼續(xù)進行，根據(jù)國際能源署，約占化石燃料供應的 9%。

回收利用

為了支持這一計劃，需要大量的初級材料需求增長，以促進可持續(xù)能源經(jīng)濟的制造，一旦制造設(shè)施得到加強，初級材料需求將趨于平穩(wěn)。在 2040 年，隨著電池、太陽能電池板和風力渦輪機達到使用壽命，有價值的材料被回收，回收利用將開始有意義地減少初級材料需求。盡管采礦需求將減少，但煉油能力不會減少。

結(jié)論

通過本文的行動，一個完全電氣化和可持續(xù)的經(jīng)濟是可以實現(xiàn)的：

• 用可再生能源為現(xiàn)有的電網(wǎng)重新供電
• 改用電動汽車
• 在住宅、商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)用熱泵
• 高溫供熱和氫氣生產(chǎn)電氣化
• 為飛機和船只提供可持續(xù)的燃料
• 制造可持續(xù)能源經(jīng)濟

模型顯示，電氣化和可持續(xù)的未來在技術(shù)上是可行的，與繼續(xù)今天不可持續(xù)的能源經(jīng)濟相比，所需的資金和材料更少。