重磅!特斯拉发布万字长文介绍「宏图计划 3」,还有三款新车的更多信息

董车会

04-06 21:06

3 月初,马斯克在投资者大会上公布了特斯拉秘密宏图计划的第三部分(Master Plan Part 3),表示希望通过以下 5 个领域的变革实现可持续的能源经济,包括:

  • 用电动汽车代替燃油汽车
  • 在家庭、企业和工业生产中普及热泵
  • 在工业过程中实施高温供热和储存
  • 将飞机和轮船电动化
  • 用可再生能源发电,并用固定式存储提供能源

马斯克曾经用一句话来概括特斯拉的秘密宏图计划:The path to a fully sustainable energy future for Earth。意为「通往地球完全可持续能源的未来之路」。

但在当时,这一计划被指「缺乏细节」,特斯拉股价盘后一度跌超 3%。

今天,特斯拉发布了一个长达 41 页的 PDF——Master Plan Part 3 – Sustainable Energy for All of Earth

这份 PDF 详细介绍了他们的秘密宏图计划第三部分(Master Plan Part 3),通过摆脱对于化石燃料的依赖并转向可再生能源,为自己和后代创造更美好的未来。

文档还透露了 3 款新车的更多信息:

  • 入门车型将使用 53kWh 的铁锂电池包
  • 一款小型厢式车将使用 100kWh 高镍正极电池包
  • 另一款大型巴士将使用 300kWh 铁锂电池包

此外,现有的 Model 3/Y 将全系采用 75kWh 铁锂电池,即将推出的 Cybertruck 则为 100kWh 的高镍电池。

下面是这份 PDF 的全部内容,你也可以在「董车会」微信公众号回复「宏图计划」,来获取本文的 Word 文档,以及原文的 PDF 文档。

让我们开始吧!

目录

执行摘要

当前的能源经济是非常浪费的

消除化石燃料的计划

  • 用可再生能源为现有的电网重新供电
  • 转向电动汽车
  • 在住宅、商业和工业领域转用热泵
  • 高温输热和氢气的电气化
  • 可持续的飞机和船舶燃料
  • 制造可持续能源经济

完全可持续的能源经济模型

  • 能源储存技术评估
  • 发电技术评估

模型结果

  • 局限于美国的模型——满足新的电气化需求
  • 世界范围内的模型——满足新的电气化需求
  • 交通运输所用电池
  • 车辆
  • 船舶和飞机
  • 世界模型结果——交通工具的电气化和电池

所需资金

所需土地面积

所需材料

总结

执行摘要

2023 年 3 月 1 日,特斯拉提出了 Master Plan 的第三部分——通过电气化、可持续能源的生产和储存,达到全球可持续能源经济的建议路径。本文概述了该建议背后的假设、来源和计算方法。欢迎大家提供意见和交流。

这个理论主要分为三个部分:

01 电力需求

预估在没有化石燃料的情况下的全球能源需求。

02 电力供应

构建一个成本最低的发电和存储资源组合,以满足以小时为单位的电力需求。

03 材料可行性和投资

确定电动经济所需材料的可行性以及实现它所必需的制造业投资。

本文发现,可持续能源经济在技术上是可行的,并且需要比今天不可持续的能源经济更少的投资和材料提取。虽然许多先前的研究得出了类似的结论,但本研究旨在推动与跨越全球所有能源部门转型所需的材料密度、制造能力和制造投资相关的思考。

▲预计本计划所需的总投入

当前的能源经济是十分浪费的

根据国际能源署(IEA)2019 年世界能源平衡表,全球主要能源供应为 165 PWh/年,化石燃料总供应量为 134PWh/年。在到达最终消费者之前,有 37%(61PWh)被消耗掉了。这包括化石燃料行业在开采/精制过程中自我消耗以及电力发电过程中的转换损失。另外 27%(44PWh)由于内燃机车辆和天然气加热器等低效末端使用而损失。总体而言,只有 36%(59PWh)的主要能源供应产生对经济有用的工作或热量。来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Lab)的分析显示,在全球和美国的能源供应方面存在类似水平的低效率问题

消除化石燃料计划

在一个以可持续发电为基础的电气化经济中,大多数与采矿、提炼和燃烧能源以产生电力相关的上游损失都被消除了,非电气终端使用所带来的下游损失也随之消失。一些工业过程需要更多的能量投入(例如生产绿色氢),一些采掘和提纯活动需要增加(涉及到用于制造电池、太阳能板、风力涡轮机等金属)。

以下 6 个步骤展示了完全实现经济电气化并消除化石燃料使用所需采取的行动。这 6 个步骤详细说明了可持续能源经济中对电力需求的假设,并导致建模出来的电力需求曲线。

该模型是利用 2019-2022 年美国能源信息管理局(EIA)提供的高保真数据对美国能源经济进行分析,并根据 IEA 能源平衡表中 2019 年美国与世界之间关于能耗比例系数进行 6 倍缩放,从而估算出全球经济所需采取行动。这是一个重大的简化,可能是未来的分析中需要重点改进的领域,因为全球能源需求与美国的构成不同,并且预计随着时间的推移而增加。由于目前可以获得这些可用的数据,因此该分析是针对美国进行的。

该计划将陆上/海上风电、太阳能、现有核电和水力视为可持续发电来源,并认为现有生物质也是可持续的,尽管它可能会逐渐被淘汰。此外,该计划未考虑吸收过去一个世纪化石燃料燃烧所排放出来的二氧化碳之类物质,除了合成燃料生成所需直接空气捕集之外;任何未来实施这种技术都可能会增加全球能源需求。

01 用可再生能源重新装备现有电网

美国现有的每小时用电需求被建模为来自 EIA 的不灵活基线需求。对于四个美国子区域(德克萨斯州、太平洋地区、中西部和东部),进行建模以考虑区域变化,可再生资源供应情况,天气和电网传输限制。这种现有的电力需求是必须由可持续发电和储存支持的基线负载。

全球每年向电力行业提供每年 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 的电力产生,因为将化石燃料转换成电力时存在低效率问题。如果改用可再生能源驱动该网络,则只需要每年 26PWh 可持续发电量即可满足要求

02 转向电动汽车

由于更高的动力总成效率、再生制动能力和优化的平台设计,电动汽车比内燃机汽车约高出 4 倍。如表 1 所示,在乘用车、轻型卡车和 8 级半挂车中,这个比例是正确的。

▲表 1:电动车与内燃机汽车的效率对比

作为一个具体的例子,特斯拉的 Model 3 能耗为 131MPGe,而丰田花冠为 34MPG,相差 3.9 倍,考虑到上游损失,如与提取和提炼燃料有关的能源消耗,该比率会增加(见图 4)。

▲图 4:特斯拉 Model 3 与丰田卡罗拉的对比

为了确定电气化交通部门的用电需求,每个子区域历史上每月使用的美国交通石油(不包括航空和海洋运输)将通过上述电动汽车效率系数(4 倍)进行缩放。特斯拉车队按小时分割为不可调节和可调节两部分,并假定其为 100% 电气化交通部门中的电动车充电负载曲线。超级充电、商业车辆充电以及状态低于 50% SOC 的车辆被视为不可调节需求。家庭和工作场所 AC 充电是可调节需求,并采用 72 小时能源保护约束模型来建模,这反映了大多数驾驶员在可再生资源丰富时有灵活性进行充电。平均而言,特斯拉驾驶员从 60% SOC 到 90% SOC 每 1.7 天充一次,因此相对于典型的日常里程而言,电动汽车具有足够的续航里程来优化其在可再生能源供应情况下进行充电,前提是家庭和工作场所都有充电基础设施。

全球交通领域的电气化消除了每年 28 PWh 的化石燃料使用量,并应用 4 倍电动汽车效率系数创造出约每年 7 PWh 的额外电力需求。

03 在住宅、商业和工业中转向热泵

热泵通过压缩/膨胀中间制冷剂将热量从源移动到汇。通过适当选择制冷剂,热泵技术可应用于住宅和商业建筑的空间供暖、水加热和洗衣机,以及许多工业过程。

▲图 5:热泵如何工作

空气源热泵是最适合在现有住宅中改装燃气炉的技术,根据加热季节性能系数(HSPF)为 9.5 Btu/Wh 的典型效率评级,每单位消耗的能量可以提供 2.8 个单位的热量。燃气炉通过燃烧天然气来产生热量。它们具有约 90%的年度利用率(AFUE)。因此,与使用 3 倍少于天然气锅炉相比,空气源热泵使用了更少的能源(2.8 / 0.9)。

▲图 6:热泵相较于燃气灶进行空间加热的效率提升

住宅和商业领域

EIA 提供了每个子区域住宅和商业部门历史月度美国天然气使用情况。如果所有燃气设备电气化,3 倍热泵效率系数将降低能源需求。基准电力需求的小时负载因数被应用于估计从热泵中产生的小时电力需求变化,有效地将加热需求归因于家庭正在积极加热或冷却的时间段。在夏季,住宅/商业需求在下午高峰时达到顶峰,此时冷却负荷最大,在冬季,需求遵循众所周知的「鸭子曲线」,在早上和晚上达到高峰。

通过采用带有热泵的住宅和商业设备电气化,全球每年可节省 18PWh 的化石燃料,并创造 6PWh 额外的电力需求。

▲图 7:住宅的商业供暖和制冷负荷率在一天之内的变化

工业制造

工业过程可受益于热泵的效率提升,最高温度可达约 200 摄氏度,例如食品、纸张、纺织和木材行业。然而,随着温差的增加,热泵的效率会降低。热泵集成是微妙的,并且确切的效率在很大程度上取决于系统所吸收热源的温度(温度是确定热泵效率因素之一),因此使用了可实现 COP 范围的简化假设:

▲表 2:预估的热泵效率的提高,按温度来划分

根据 IEA 提供的工业热力的温度构成和表 2 中假设的热泵效率,建模的加权工业热泵效率系数为 2.2。

EIA 提供了每个次区域的工业部门的历史月度化石燃料用量 8。所有工业化石燃料的使用,不包括产品中的嵌入式化石燃料(橡胶、润滑油、其他),都被假定为用于工艺加热。根据国际能源署,45% 的工艺热量低于 200℃,当用热泵进行电气化时,需要 2.2 倍的输入能源。增加的工业热泵电力需求被建模为一个不灵活的、平坦的小时需求。

在全球范围内,用热泵对低于 200℃的工业加工热进行电气化,每年可减少 12PWh 的化石燃料,并创造 5PWh 的额外电力需求。

04 高温输热和制氢的电气化

高温工业过程的电气化

需要高温(>200℃)的工业流程,占化石燃料使用量的其余 55%,需要特别考虑。这包括钢铁、化工、化肥和水泥生产等。

这些高温工业过程可以直接由电阻加热、电弧炉提供服务,或通过热存储进行缓冲,以便在可再生能源过剩时利用低成本的可再生能源。现场蓄热可能是有价值的,可以低成本地加速工业电气化(例如,直接使用蓄热介质和辐射加热元件)。

▲图 8:热存储概述

▲图 9A:蓄热——通过传热流体向工业过程输送热量

▲图 9B:蓄热——通过直接辐射加热向工业过程输送热量

电阻加热和电弧炉的效率与高炉加热相似,因此将需要类似的可再生一次能源输入量。这些高温工艺被模拟为一种不灵活的、平坦的需求。

储热被模拟为工业部门高温工艺热的能源缓冲器,往返热效率为 95%。在太阳能装机容量高的地区,热存储将倾向于在中午充电,在夜间放电,以满足连续 24 小时的工业热需求。图 9 显示了可能的热载体,并说明了几种材料是提供>1500C 的工艺热的候选材料。

全球工业加工热>200C 的电气化每年可消除 9PWh 的化石燃料,并创造 9PWh 的额外电力需求,如果假设热输送效率相等的话。

▲图 10:蓄热介质

可持续地生产用于钢铁和化肥的氢气

今天,氢气是由煤、石油和天然气生产的,并被用于提炼化石燃料(特别是柴油)和各种工业应用(包括钢铁和化肥生产)。

绿色氢气可以通过电解水(能源强度高,不消耗/生产含碳产品)或通过甲烷热解(能源强度较低,产生固体碳黑副产品,可转化为有用的碳基产品)来生产。

为了保守地估计绿色氢气的电力需求,假设是:

– 未来的化石燃料炼制将不需要氢气
– 钢铁生产将转为直接还原铁工艺,需要氢气作为投入。氢气需求用于铁矿石(假设为 Fe3O4)的还原需求是基于以下还原反应:

用氢气来还原:

  • Fe3O4+H2=3FeO+H2O
  • FeO+H2=Fe+H2O

– 全球所有的氢气生产都来自于电解。

这些对工业需求的简化假设,导致全球对绿色氢气的需求量为 1.5 亿吨/年,而从电解中获取这一需求估计每年需要约 7.2PWh 的可持续发电量。

氢气生产的电力需求被模拟为具有年度生产限制的灵活负荷,氢气储存潜力被模拟为具有最大资源限制的地下储气设施(就像今天储存的天然气)。今天用于储存天然气的地下储气设施可以被改造为储氢;模拟的美国储氢需要约 30% 的美国现有地下储气设施。请注意,一些储存设施,如盐穴,在地理上分布不均匀,这可能会带来挑战,而且可能有更好的替代储存方案。

全球可持续的绿色氢气每年可消除 6PWh 的化石燃料能源使用,以及 2PWh 的非能源使用。矿物燃料被替换成 7PWh 的额外电力需求。

05 可持续的飞机和船只燃料

通过优化设计速度和航线,使较小的电池在长航线上更频繁地充电,大陆和洲际远洋运输都可以实现电气化。根据国际能源署的数据,全球远洋运输每年消耗 3.2 瓦时。通过应用 1.5 倍的电气化效率优势,一个完全电气化的全球船队每年将消耗 2.1PWh 的电力。

在今天的电池能量密度下,通过优化飞机设计和飞行轨迹,短距离飞行也可以实现电气化。较长距离的飞行,估计占航空旅行能源消耗的 80%(全球每年消耗 850 亿加仑的喷气燃料),可以通过利用费托合成工艺从多余的可再生电力中获得合成燃料,该工艺使用一氧化碳(CO)和氢气(H2)的混合物来合成各种液体碳氢化合物,并且已经被证明是合成喷气燃料的可行途径。这需要额外的每年 5PWh 的电力,其中包括:

  • 电解产生的氢气
  • 通过直接空气捕集捕获的二氧化碳
  • 通过电解二氧化碳产生的一氧化碳

合成燃料的碳和氢也可以从生物质中获取。更有效和更具成本效益的合成燃料生产方法可能会及时出现,更高能量密度的电池将使通行距离最远的飞机实现电气化,从而减少对合成燃料的需求。

合成燃料生产的电力需求被模拟为具有年度能源约束的灵活需求。合成燃料的储存可以采用传统的燃料储存技术,假设体积比为 1:1。远洋运输的电力需求被模拟为每小时的恒定需求。

全球可持续的合成燃料和船只和飞机用电,每年可消除 7PWh 的化石燃料,并创造 7PWh 的全球额外电力需求。

06 制造可持续能源经济

建设可持续能源经济所需的发电和储存组合——太阳能电池板、风力涡轮机和电池,需要额外的电力。这种电力需求被模拟成一个增量,在工业部门,这种用电需求被建模为工业部门每小时递增、不可调节、平坦的需求。更多详细信息请参见附录:构建可持续能源经济-能量密度。

建立完全可持续的能源经济模型

这 6 个步骤建立了一个美国的电力需求,通过可持续的发电和储存来满足。为此,利用每小时成本最优的综合能力扩展和调度模型建立了发电和存储组合。该模型在美国的四个次区域之间划分,在区域之间建立传输限制模型,并在四个天气年(2019-2022 年)运行,以反映一系列的天气状况 sk。区域间的传输限制是根据北美电力可靠性委员会(NERC)区域实体(SERC、WECC、ERCOT)发布的主要输电路径上当前线路容量评级估计跨区域传输限制。图 11 显示了全美实现完全电气化经济的能源需求。

▲地图 1:模拟的美国各区域的相互关联性

每个地区的风能和太阳能资源都以其各自的小时容量系数(即每兆瓦装机容量每小时产生多少电力)、其互联成本和模型可建立的最大容量为模型。每个地区的风能和太阳能小时容量系数是利用每个地区的 EIA 的历史风能/太阳能发电量来估计的,从而捕捉到由于地区天气模式造成的资源潜力差异。根据最近的普林斯顿美国净零排放研究,容量系数被缩放以代表前瞻性趋势。图 11 显示了全美每小时风能和太阳能的容量系数与时间的关系。表 3 显示了美国各地区的平均容量系数和需求。

▲表 3:风电和太阳能历史平均容量系数,以及各地区完全电气化的需求

该模型基于特定资源的成本和性能属性,以及最小化能源平准化成本的总体目标,建立了发电和存储。该模型假设提升区域间传输容量。

为了提供可靠的全年电力,部署过剩的太阳能和风能容量在经济上是最理想的,这导致了缩减的发生。当 :

  1. 太阳能和/或风能发电量高于一个地区的电力需求时;
  2. 存储已满;
  3. 没有可用的传输能力将过剩的发电量传输到其他地区,就会发生削减。

在建设过剩的可再生能源发电能力、建设电网存储或扩大传输能力之间,存在着经济上的权衡。随着电网储能技术的成熟,这种权衡可能会发生变化,但根据建模的假设,最佳的发电和储能组合导致 32% 的缩减。

就背景而言,可再生能源高渗透率的市场已经存在缩减现象。2020 年,苏格兰 19% 的风力发电被削减,2022 年加利福尼亚(CAISO)6% 的太阳能发电由于操作限制而被削减,例如热发电机无法降至最低运行水平,或输电系统局部拥堵。

可持续能源经济将为消费者提供大量廉价能源,这将影响能源的使用方式和时间。在下图 12 中,显示了秋季样本中每小时调度情况,展示了每种发电和储存资源在平衡供需方面的作用以及经济性缩减集中在白天太阳充足时段。

在图 14 中,氢气储存通常在春季和秋季被填满,此时由于供暖和制冷季节结束,电力需求较低,太阳能和风能发电相对较多。同样,随着夏季和冬季过剩发电量的减少,氢气库也会减少,提供跨季节的氢气储存。

储能技术评估

对于固定应用,我们考虑了以下表 4 中的储能技术,这些技术目前已经大规模部署。锂离子指磷酸铁锂/石墨锂离子电池。考虑到商品价格的波动性(尤其是锂),列出了锂离子未来保守的安装成本范围。虽然还有其他新兴技术,如金属空气(Fe <-> Fe2O3 氧化还原)和 Na-ion,但这些都没有进行商业化部署,因此不予考虑。

▲表 4:储能技术评估

发电技术评估

下表详细列出了可持续能源经济中考虑的所有发电技术。安装成本取自 NREL 和普林斯顿美国净零度研究的 2030-2040 年的研究。

▲表 5:发电技术评估

模型结果

仅美国的模型结果——满足新的电气化需求

对于美国来说,为满足每小时的电力需求,最佳的发电和储能组合,在所模拟的年份,如下表所示。

▲表 6:仅针对美国的模型结果

此外,根据在住宅和商业建筑的屋顶太阳能旁边部署分布式固定存储的增量,增加了 1.2 TWh 的分布式固定电池。这包括在 1500 万个单户家庭的屋顶太阳能的存储部署,工业存储与 43GW 的商业屋顶太阳能配对,以及存储替代至少 200GW 的现有备用发电机容量。由于分布式存储部署受到未完全反映在最小成本模型框架中的因素驱动,包括终端用户弹性和自给自足性,因此分布式存储部署是模型输出之外的外生变量。

世界模型结果——满足新的电气化需求

将 6 个步骤应用于世界能源流,每年可剩下 125PWh 的能源所需的化石燃料,并以 66PWh 的可持续发电量取代之。每年还需要 4PWh 的新工业来制造所需的电池、太阳能电池板和风力涡轮机。

满足电力需求的全球发电和存储组合是通过将美国的资源组合按 6 倍比例计算出来的。如上所述,这是一个重大的简化,可能是未来分析中需要改进的领域,因为全球能源需求的构成与美国不同,而且预计会随着时间的推移而增加。由于可以获得高保真的每小时数据,该分析是针对美国进行的。

▲图 15:可持续能源经济,全球能源流

交通运输所用电池

汽车

根据 OICA,全球如今有 14 亿辆汽车,乘用车年产量约为 8500 万辆。根据电池组大小的假设,车队将需要 112 TWh 的电池。自动驾驶技术有可能通过提高车辆利用率来减少全球车队和年产量。

标准范围的车辆可以利用较低能量密度的化学制品(LFP),而长程车辆需要较高能量密度的化学制品(高镍)。下表列出了汽车领域的阴极分配情况。高镍指的是目前正在生产的、在特斯拉、特斯拉的供应商和研究小组开发的低至零钴的镍锰阴极。

▲表 7:车队的细分情况

全球化的电动汽车车队

船舶和飞机

以每年 2.1PWh 的需求计算,如果船舶平均每年充电约 70 次,每次充电到 75% 的容量,那么需要 40TWh 的电池来实现海洋舰队的电气化。假设 33% 的船队需要高密度的镍和锰基阴极,67% 的船队只需要低能量密度的 LFP 阴极。对于航空业,如果约 15,000 架窄体飞机中的 20% 使用 7 兆瓦时的电池组进行电气化,那么将需要 0.02TWh 的电池。
这些都是保守的估计,需要的电池可能会更少。

▲表 8:船舶和飞机的细分情况

世界模型结果——电气化和交通电池

表 9 总结了满足全球电力需求的发电和存储组合,以及基于车辆、船舶和飞机假设的运输存储需求。关于如何将发电和储能组合分配给终端用户的解释可参见附录: 发电和储存分配到终端用途。

▲表 9:满足全球电力需求的发电和存储组合及交通电池

所需投资

此处列出的投资包括制造设施、采矿和精炼作业,以及储氢盐洞的安装。制造设施的规模是根据每个资产的替换率确定的,而上游业务(如采矿)的规模是相应的。需要大量产能增长的材料是:

  1. 用于采矿:镍、锂、石墨和铜;
  2. 用于精炼:镍、锂、石墨、钴、铜、电池级铁和锰。

表 9 总结了满足全球电力需求的发电和存储组合,以及基于车辆、船舶和飞机假设的运输存储需求。a 关于如何将发电和储能组合分配给终端用户的解释可参见附录: 发电和储存分配到终端用途。

除了初始支出外,还将 20 年内,每年 5% 的维护支出纳入投资估算。基于这些假设,在可持续能源经济中建立制造基础设施将耗费 10 万亿美元,而在 2022 年投资速度下预计 20 年内化石能源支出为 14 万亿美元。

▲图 16:投资比较

▲表 12:投资汇总

下表提供了关于采矿、精炼、汽车厂、电池厂和回收利用假设的更多细节。采矿和炼油的假设是根据公开的行业报告对行业平均水平的内部估计:

采矿业

炼油

车辆和电池工厂

回收利用

所需土地面积

所需土地面积太阳能土地面积要求是根据美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)对美国实际项目的经验评估而估算的,该评估发现 2011-2019 年安装的固定太阳能电池板的功率密度中值为 2.8 英亩/MWdc。使用 1.4 的转换率将 MWdc 转换为 MWac,大约可以得到 3.9 英亩/MWac。因此,全球 18.3TW 的太阳能电池板车队将需要大约 7140 万英亩的土地,或占全球总面积 368 亿英亩的 0.19%。风的土地面积需求是根据美国国家可再生能源实验室(NREL)的研究估计的,该研究发现每兆瓦的直接土地使用量为 0.75 英亩。因此,全球 12.2TW 的风力涡轮机群将需要约 920 万英亩的土地,或总土地面积的 0.02%。

所需材料

假设

太阳能电池板、风力涡轮机和电路里程所需的总材料是根据第三方的材料强度假设计算的。电池的材料强度是基于内部估计。太阳能电池板和风力涡轮机的材料密度假设来自欧洲委员会报告。太阳能电池采用晶体硅片,而稀土矿物则被从风力涡轮机中排除,因为在开发技术方面已经取得了进展。

根据国际能源署的 2050 年净零路径研究,全球将需要增加或重建约 6000 万英里的电路,以实现一个完全可持续的电气化全球经济。配电能力将主要通过重新铺设现有线路和扩大变电站容量来扩大,以适应峰值和平均终端用户需求的大幅增长。高压输电将主要扩大地理覆盖范围,将大型风能和太阳能发电能力连接到人口密集地区。为了估计材料需求,6000 万英里电路中的 90% 将是对现有低压配电系统的重新布线,10% 将是来自高压输电的新电路英里,这是目前美国高压输电和低压配电的比例。

基于上述假设,这 128.15 亿吨(每年 4.44 亿吨)的总重量将是 30 太瓦的发电量和 240 太瓦的电池储能,以及 6 千万英里的传输里程的需要。

材料提取

与这些材料相关的物质流量(即移动了多少土地)取决于矿石品位和整个过程的产量。使用从公开的行业报告中汇编的行业平均数的内部估计(见表 19),所需的年质量流量估计为 3.3 千兆吨(Gt)。如果用铝(50% 的矿石品位)代替铜(1% 的矿石品位),质量流量可以减少,这在许多使用案例中是可能的。假设 50% 的锂是从 100% 矿石品位的盐水中提取的,如果不是这样的话,那么与锂相关的质量流量将增加 0.8Gt。

根据《2023 年循环性差距报告》,每年从地球上提取 68Gt 的材料,不包括生物质,其中化石燃料占 15.5Gt。在一个可持续的能源经济中,材料提取将减少 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。假设与非能源最终用途(即塑料和其他化学品)相关的化石燃料开采继续进行,根据国际能源署,约占化石燃料供应的 9%。

材料可用性

表 18 中提取的总材料与 2023 年美国地质调查局的资源量进行了评估,以评估可行性。对于银,美国地质调查局没有公布资源估计,所以使用了储量。分析表明,太阳能电池板将需要 2023 年美国地质调查局银储量的 13%,但银可以用铜代替,因为铜更便宜、更丰富。石墨的需求可以用天然和人造石墨来满足– 前者是开采和提炼的,后者是从石油焦中提取的。因此,增加了石墨资源基础,以考虑到石油产品的人造石墨生产。如果世界石油资源中只有一小部分被用于人工石墨生产,那么石墨资源将不会成为一个制约因素。正在进行的开发工作旨在评估其他含碳产品作为人造石墨生产的原料,包括二氧化碳和各种形式的生物质。

总之,在根据 2023 年美国地质调查局的估计资源量进行评估时,不存在基本的材料限制。此外,资源量和储量历来都在增加– 也就是说,当一种矿物有需求时,就会有更多的动力去寻找它,从而发现更多的矿物。相关金属矿石的年度开采、浓缩和精炼必须增长,以满足可再生能源经济的需求,其基本制约因素是人力资本和许可/监管的时间。部估计(见表 19),所需的年质量流量估计为 3.3 千兆吨(Gt)。如果用铝(50% 的矿石品位)代替铜(1% 的矿石品位),质量流量可以减少,这在许多使用案例中是可能的。假设 50% 的锂是从 100% 矿石品位的盐水中提取的,如果不是这样的话,那么与锂相关的质量流量将增加 0.8Gt。

根据《2023 年循环性差距报告》,每年从地球上提取 68Gt 的材料,不包括生物质,其中化石燃料占 15.5Gt。在一个可持续的能源经济中,材料提取将减少 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。假设与非能源最终用途(即塑料和其他化学品)相关的化石燃料开采继续进行,根据国际能源署,约占化石燃料供应的 9%。

回收利用

为了支持这一计划,需要大量的初级材料需求增长,以促进可持续能源经济的制造,一旦制造设施得到加强,初级材料需求将趋于平稳。在 2040 年,随着电池、太阳能电池板和风力涡轮机达到使用寿命,有价值的材料被回收,回收利用将开始有意义地减少初级材料需求。尽管采矿需求将减少,但炼油能力不会减少。

结论

通过本文的行动,一个完全电气化和可持续的经济是可以实现的:

  • 用可再生能源为现有的电网重新供电
  • 改用电动汽车
  • 在住宅、商业和工业领域转用热泵
  • 高温供热和氢气生产电气化
  • 为飞机和船只提供可持续的燃料
  • 制造可持续能源经济

模型显示,电气化和可持续的未来在技术上是可行的,与继续今天不可持续的能源经济相比,所需的资金和材料更少。

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