【丹佛斯】2024能源效率2.0-打造未来能源系统白皮书.pdf

2024-02-20

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由丹佛斯发布了《能源行业影响力系列白皮书第四册：能源效率2.0，打造未来能源系统》这篇报告。以下是对该报告的部分摘录，完整内容请获取原文查看。本BG 围绕能源效率展开论述，展现了电气化、需求侧灵活性解决方案、能源转换、储能和行业耦合如何在未来能源系统中占据中心位置，从而打造由可再生能源驱动的电网。

1.是时候重新思考能源效率了

电网作为输送电力的基础设施，并未得到人们的足够关注。而实际上，无论是在当下还是未来，电力对我们的意义和影响，远超我们的想象。从工厂、医院和港口，到治安、军事和交通，以及通信系统，一切都依赖于电网来运作。停电时，失去光源只是最小的问题。在一些地区，电力中断的情况愈加频繁，有时持续时间也越来越长。未来，我们的电力需求将大幅增加，所以断电这一问题与我们在未来能源系统中所将面临的挑战相比，影响甚微。因此，如果我们不立即重新思考能源效率，并将其置于能源政策和应对气候变化战略的核心位置，我们将面临比电力中断更为严峻的挑战。为实现净零排放和《巴黎协定》的目标1，到2050 年，可再生能源在能源结构中的占比需达到70%左右。尽管如此，对于能源系统需要做出的改变，人们的关注度依然不足。如果届时，我们确实能获得足量的可再生能源，我们是否拥有相应的能力和基础设施，将其有效利用？为了实现未来能源系统脱碳，我们现在必须采取哪些措施？

我们先来谈谈风能和太阳能，它们是可再生能源讨论的热点。风能和太阳能所产生的能量主要以电力的形式表现出来。然而，无论是交通业、建筑业还是工业，如果我们没有相应的基础设施来进行有效使用，生产再多的电力也毫无意义。为了有效利用可再生能源产生的电力，我们必须展开一场系统化的基础设施层面的变革，使能源系统实现全面电气化。充分实现了电气化的社会可以减少高达40%的最终能源消耗，因为电力技术浪费的能源比化石燃料技术更少2 。与此同时，能源效率的提升措施能加速各个行业的电气化转型。例如，提高重型车辆的能源效率是缩小其供电所需电池尺寸的前提条件。因此，我们必须开始将电气化本身看作提升能效的一种形式。时机决定一切。在未来的能源系统中，仅确保使用绿色能源是不够的，我们还需要在正确的时间使用能源。现在，我们的习惯和行为决定了何时需要能源⸺白天需求量大，夜间需求量小。

同样，大自然也决定了太阳能和风能集中的时间，因此并不总能满足我们对能源的需求。在可再生能源供应不足时，我们必须使用化石能源作为替代。这不仅会提升电力成本，还会在高峰时段产生更多的碳足迹。幸运的是，通过制定需求侧灵活性解决方案来提升能源效率，我们可以更好地调整能源的供需关系，以避免在某些时刻对化石能源发电的需求高峰。通过现有的提升能源需求侧灵活性的技术，我们可以节省资金、减少二氧化碳排放、增强电网稳定性。即使在未来，也并非一切都直接依靠电力运作，因此我们仍需找到清洁的替代能源，助力重工业、航空和长途运输等行业深度脱碳。氢能是最有前景的替代能源。未来的能源系统不可避免会出现可再生电力过剩的时期，届时氢能将会发挥关键作用。然而，电制氢(电解水)的过程将需要大量的电力，为我们已经过时的能源电网带来巨大的压力。然而，将能源效率与电气化相结合，我们可以将氢能需求维持在实际可控的水平，同时以最节能的方式制氢。如果我们想要提高未来的能源效率，就必须从政策上支持高效的制氢方式。

2050年地球人口将达到98亿，即使能源系统实现充分电气化，可再生能源的产量仍旧不足以满足所有人的用能需求。为了弥补这部分需求差额，余热将为我们提供最大助力。到2030年，全球能源消耗中的53%将以余热的形式被浪费3 。然而，如果我们将这些余热回收再利用，以取代大量的电力、天然气等供热所需的其他能源形式，将有助于增强未来电网的稳定性，缓解绿色转型的压力。正如上述所示，提升能效并非可再生能源不足的补救办法。在未来的能源系统中，能源效率必须占据中心位置，并与可再生能源的开发建设相协调，以实现气候变化目标、保障能源安全、促进经济发展，并从根本上改变能源的管理和使用方式。我们将这种对能源效率的重新理解定义为“能源效率2.0”，对于我们实现2050年净零排放愿景，这是最快且最具成本效益的方式。乐观的是，我们已经掌握了必要的技术。我们不需要魔法，而需要立即采取行动，推出相关政策，以加速相关解决方案的实施。

2.能源效率2.0

打造未来能源系统

为实现净零排放，需要改变的不仅是能源的来源，能源的分部、转换、储存、使用和再利用的方式也必须改变。本白皮书围绕能源效率展开论述，展现了电气化、需求侧灵活性解决方案、能源转换、储能和行业耦合如何在未来能源系统中占据中心位置，从而打造由可再生能源驱动的电网。

丹佛斯《影响力系列白皮书》第四册，依托可靠信源，展示了对能效的另一种理解（本文称之为“能效2.0”）对于全面电气化和能源系统脱碳的关键作用。在各种文献中，“智能电网”一词被广泛用于描述未来的互联能源系统。在智能电网中，电气化、行业耦合、灵活性手段、能源转换和储能将在一个更高效的系统中相辅相成，在正确的时间为人们提供正确的能源，也就是我们本册中所指的“未来能源系统”。在未来想要实现脱碳，氢能的生产必须依靠电力。根据国际能源署的《世界能源展望》，本册将使用可再生能源生产的氢气称为“低排放氢”。该术语可与“绿氢”互换，后者在文献中被广泛使用，但没有标准定义。特别感谢Nick Eyre教授（牛津大学能源与气候政策教授、环境变化研究所能源高级研究员）、Jan Rosenow博士（监管援助项目欧洲项目主任、牛津大学环境变化研究所名誉副研究员、Frederik Dahl Nielsen（奥尔堡大学可持续能源规划博士研究员）和Brian Vad Mathiesen博士（奥尔堡大学可持续能源规划教授）对本文初稿提出的宝贵意见和建议。本文所表达的观点仅代表丹佛斯公司，其完整性和准确性与其他机构或个人无关。

3.电网大改造

要想打造未来净零排放的能源系统，世界能源供应需要在2021年至2050年间减少15%，同时可再生能源必须快速扩张（见图1）。 2021年，全球能源的79%来自化石燃料。到2050年，这一比例必须至少减少到18%，甚至更少。这其中减少的8%必须通过碳捕集与封存来实现。尽管对碳捕集与封存的潜力仍存在一些争议，但科学界的共识是，我们需要大幅减少对化石燃料的依赖。与此同时，可再生能源在2021年占能源供应总量的11%，到2050年这一数字必须增加到70%，其中太阳能和风能合计占 39%。也许不难理解，我们需要采取比现有政策更多的行动，甚至需要采取比已宣布的，在2050年实现净零排放的承诺更多的行动。这也就是说，我们必须对能源供应进行全面革新，以打造与净零目标相匹配的能源系统。从纯粹的能源供应角度来看，我们需要对太阳能、风能和其他可再生能源进行大量投资，额度远远超出了目前的声明甚至承诺范畴。

当然，对可再生能源的投资一定与减少化石能源同步进行13。幸运的是，近年来可再生能源的成本大幅下降，其中太阳能和陆上风能的进展最快14。与此同时，煤炭的价格却停滞不前。由于安全法规的增加，核能的价格却显著上涨。简而言之，投资可再生能源而非化石能源，在经济上是有利可图的。而且，随着风能功率转换器和太阳能逆变器等技术的发展，可再生能源生产清洁电力的效率获得提升，使得这种投资更具吸引力，这意味着我们向全世界提供的低排放能源，同时也是最便宜的、最高效的选择。然而，在向可再生能源过渡的同时，也需要对我们的电网进行重构。

用电力驱动世界

为了使未来能源系统脱碳，可再生能源必须取代化石燃料，能源系统必须实现全面电气化。这种全面电气化不仅会大幅减少温室气体排放，还将大幅减少最终能源需求，并节约大量经济成本15。为了理解电网的巨大转变，牛津大学教授Nick Eyre描述了如何从热生能源转变为功生能源，这是实现《巴黎协定》目标的必要条件。我们经济和社会的所有功能都以热能或做功为动力。化石燃料是热能的主要来源。燃烧后，化石燃料转化为热能，可用于为建筑供暖、为汽车提供动力等。另一方面，“做功”是指利用运动（如风电机组的旋转）来提供动力。

目前，我们社会主要由需要燃烧化石燃料的热生热源提供动力。要实现能源系统的脱碳，我们必须从根本上将大部分能源从热生转变为功生。从热能到电能转换过程中的主要挑战并不是电力的生产，而是用户端的电气化。目前，约80%的能源使用终端尚未实现电气化17。我们面临的变革基本上是工业革命的逆转，也就是说不再通过热能获取电力以为完成特定活动提供动力，而是利用“做功”为几乎所有服务提供能源。换句话说，既可通过做功获得热量，同时也为其他活动提供能源。我们迄今为止对能源系统的全部思考方式都将被颠覆，从用热能做功，到用做功生产热能。

4.未来属于电气化

20世纪是电气化的黄金时代。随着电力在效率、可靠性和应用场景方面的重大突破，电力成为并一直作为几乎所有现代技术的基础架构而存在20。正是因为有了电，20世纪以来的绝大部分技术突破才得以实现。试想一下，如果没有电，会有互联网、冰箱甚至是电灯吗？既然如此，如果说电气化定义了20世纪，我们对21 世纪又能有什么期待呢？事实证明，足以改变我们生活的电力，还远远未被挖掘。电气化已经促成了数以百万计的技术创新，极大地改善了人类的健康和生活质量。就像煤炭和天然气等化石燃料为工业革命提供动力一样，电气化也将为我们未来的能源系统提供动力。

电气化的途径

说到电气化，我们通常会想到将目前由化石燃料直接驱动的机械（如乘用车）转换为电动设备，当然最好是使用可再生能源。这就是我们所说的直接电气化。然而，电气化并不仅仅是给设备通电。例如在交通领域，走乘用车电气化转型的路径似乎看起来很简单：换成电池驱动，再用可再生能源充电。但对于大部分交通部门来说，说起来容易做起来难。让我们以重型车辆为例。首先，与乘用车相比，许多重型车辆的工作强度更大，充电间隔时间更长，这意味着它们需要超大容量的电池，才能达到柴油车的生产效率。其次，例如野外或大型建筑工地的场景中，操作和物流方面的障碍往往让电池更换变得复杂。第三，电网中的可再生能源并非无穷无尽，挖掘机电气化需要的可再生能源相当可观：据粗略统计，如果要实现全球所有挖掘机的电气化，所消耗的能源将相当于目前全球所有海上风电机组所产生的能源之和21。既然如此，化石能源驱动的机械应该先实现内部功能 (如液压泵)的电气化，以提高发动机效率。对于重型机械，尤其是工业、建筑和海运业来说，这种混合电气化形式是一种非常有价值的中短期解决方案。

正如我们在第12页所看到的，车辆效率的提高也为全面电气化铺平了道路。最后，在我们的能源系统中，有许多领域无法实现直接电气化或混合电动机械，或者说至少在短期内无法实现，比如航空、长途航运、水泥和钢铁生产等行业。要使这些行业实现直接电气化，所需的电池对于设备体积来说太大，或者需要产生大量的热量（如制造水泥和钢铁）。虽然这些领域很难实现直接电气化，但它们却是温室气体的主要排放者，因此这些行业的电气化将大大有助于减少温室气体排放和实现净零排放目标。为此，我们可以在这些行业采取间接电气化。间接电气化主要以电解氢的形式实现。通过电力制氢可以间接的储存电力，并在以上行业用作燃料。我们将在题为“转换：实现净零的关键 ”的章节中对此进行详细阐述，在此处仅作简要介绍，因为间接电气化是未来能源系统全面电气化的基本要素。

脱碳的基本要素

上述几个案例都说明了电气化与能效之间的紧密联系。通过提高能效，电气化更加容易实现，经济成本也更低。同时，电气化还能降低能源损耗，从而进一步提升能效。更重要的是，在完全由可再生能源驱动时，这些案例将会更加高效。但关键在于，只有通过节能措施和电气化降低能源需求，并确保有足够的、可满足需求的可再生能源供应，才有可能实现上述目标。这又回到了本节的开头：从化石能源系统转变为充分电气化的能源系统，可以降低高达40% 的最终能源消耗43。例如，在正常情况下，即便燃料不同，热泵的效率也要高于燃气锅炉，即使热泵的电力来自化石燃料的燃烧过程。通过采用电动技术，即使是在当前的能源系统中，我们也可以通过减少化石能源需求来减少碳排放。然而，在未来，如果电力来源于可再生能源，热泵的效率就会大幅提高，因为在系统中燃烧燃料产生电力时，能量损失将不复存在。新能源汽车或任何其他以电力为主要能源的情况也是如此。如果到2050年，世界要依靠可再生能源，我们就需要通过提高能效来减少能源需求，同时对我们的基础设施进行全面的电气化，以适应能源需求。同样，如果我们要安装数以百万计的热泵和新能源汽车充电站，我们将需要可再生能源电力来供电，并确保全面脱碳。这说明，如果我们要实现能源系统的全面脱碳，就必须同时考虑能效、可再生能源和电力技术，缺一不可。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）