Тяжелый! Tesla выпустила длинную статью, представляющую «Гранд-план 3», и дополнительную информацию о трех новых автомобилях.

В начале марта Маск объявил о третьей части секретного грандиозного плана Tesla (Master Plan Part 3) на конференции инвесторов, выразив надежду на достижение устойчивой энергетической экономики за счет изменений в следующих пяти областях, в том числе:

• Замените бензиновые автомобили электромобилями
• Популяризация тепловых насосов в домах, на предприятиях и в промышленности
• Внедрение высокотемпературного нагрева и хранения в промышленных процессах
• Электризация самолетов и кораблей
• Производство электроэнергии из возобновляемых источников и обеспечение энергией из стационарных накопителей

Маск однажды использовал одно предложение, чтобы резюмировать секретный грандиозный план Теслы: путь к полностью устойчивому энергетическому будущему Земли. Это означает «путь к полностью устойчивому энергетическому будущему Земли».

Но в то время план обвиняли в «отсутствии деталей», и цена акций Tesla упала более чем на 3% в нерабочее время.

Сегодня Tesla выпустила 41-страничный PDF-файл — Мастер-план, часть 3 — Устойчивая энергетика для всей Земли.

В этом PDF-файле подробно описан их секретный генеральный план, часть 3, по созданию лучшего будущего для себя и будущих поколений путем отказа от ископаемого топлива и перехода на возобновляемые источники энергии.

В документе также содержится дополнительная информация о трех новых автомобилях:

• Модель начального уровня будет использовать железо-литиевый аккумулятор емкостью 53 кВтч.
• Небольшой фургон будет использовать положительный аккумулятор с высоким содержанием никеля на 100 кВтч.
• Еще один большой автобус будет использовать литий-железный аккумулятор емкостью 300 кВтч.

Кроме того, все существующие Model 3/Y будут использовать железо-литиевые батареи емкостью 75 кВт·ч, а предстоящий Cybertruck будет использовать батареи с высоким содержанием никеля мощностью 100 кВт·ч.

Ниже приводится полное содержание этого PDF-файла.Вы также можете ответить на « Проект Хонгту » на официальном аккаунте WeChat «Донг Чехуэй», чтобы получить документ Word этой статьи и документ PDF с исходным текстом.

Давайте начнем!

Оглавление

управляющее резюме

Нынешняя энергетическая экономика очень расточительна

план отказа от ископаемого топлива

• Перезарядка существующей сети возобновляемой энергией
• Переход на электромобили
• Переход на тепловые насосы в жилых, коммерческих и промышленных зонах
• Электрификация высокотемпературного теплообмена и водорода
• Устойчивое авиационное и судовое топливо
• Создание устойчивой энергетической экономики

Полностью устойчивая энергетическая экономическая модель

• Оценка технологии накопления энергии
• Оценка технологии производства электроэнергии

Результаты модели

• Модель, выпущенная ограниченным тиражом в США, отвечает новым требованиям электрификации
• Модели для всего мира — отвечают новым требованиям электрификации
• аккумуляторы для транспортировки
• транспортное средство
• корабли и самолеты
• Результаты мировой модели — электрификация и аккумуляторы в транспортных средствах

необходимые средства

необходимая площадь земли

необходимые материалы

Подведем итог

управляющее резюме

1 марта 2023 года Tesla предложила третью часть Генерального плана — предлагаемый путь к достижению глобальной экономики устойчивой энергетики за счет электрификации, устойчивого производства и хранения энергии. В этой статье описываются предположения, источники и расчеты, лежащие в основе этой рекомендации. Все желающие могут оставлять комментарии и обмениваться мнениями.

Теория делится на три основные части:

01 Спрос на электроэнергию

Оценки мирового спроса на энергию без учета ископаемого топлива.

02 Источник питания

Создайте самую дешевую комбинацию ресурсов генерации и хранения для удовлетворения почасового спроса на электроэнергию.

03 Материальная осуществимость и инвестиции

Определите жизнеспособность материалов, необходимых для экономии электроэнергии, и производственных инвестиций, необходимых для ее реализации.

В этой статье делается вывод о том, что устойчивая энергетическая экономика технически осуществима и требует меньше инвестиций и добычи материалов, чем сегодняшняя неустойчивая энергетическая экономика. В то время как многие предыдущие исследования пришли к аналогичным выводам, это исследование направлено на то, чтобы продвинуть мышление, связанное с плотностью материала, производственными мощностями и производственными инвестициями, необходимыми для перехода во всех энергетических секторах во всем мире.

Нынешняя энергетическая экономика расточительна

Согласно Мировому энергетическому балансу Международного энергетического агентства (МЭА) за 2019 год, глобальное предложение первичной энергии составляет 165 ПВтч/год, а общее предложение ископаемого топлива — 134 ПВтч/год. 37% (61 ПВтч) было потреблено до того, как попало к конечному потребителю. Это включает в себя собственное потребление ископаемого топлива при добыче/переработке и потери при преобразовании при производстве электроэнергии. Еще 27% (44 ПВтч) теряется из-за неэффективного конечного использования, такого как автомобили с двигателями внутреннего сгорания и обогреватели, работающие на природном газе. В целом, только 36% (59 ПВтч) первичной энергии производят экономически полезную работу или тепло. Анализ, проведенный Ливерморской национальной лабораторией им. Лоуренса, показывает одинаковый уровень неэффективности энергоснабжения в мире и США .

план отказа от ископаемого топлива

В электрифицированной экономике, основанной на устойчивом производстве, исключается большая часть потерь на начальном этапе, связанных с добычей, переработкой и сжиганием энергии для производства электроэнергии, а также потери на нисходящем этапе от неэлектрического конечного использования. Некоторые промышленные процессы требуют большего количества энергии (например, производство зеленого водорода), а некоторые виды деятельности по извлечению и очистке должны быть увеличены (с участием металлов, используемых для производства батарей, солнечных панелей, ветряных турбин и т. д.).

Следующие 6 шагов демонстрируют действия, необходимые для полной электрификации экономики и отказа от использования ископаемого топлива. Эти шесть шагов детализируют предположения о спросе на электроэнергию в экономике устойчивой энергетики и приводят к смоделированной кривой спроса на электроэнергию.

В этой модели используются высокоточные данные, предоставленные Управлением энергетической информации США (EIA) с 2019 по 2022 год, для анализа энергетической экономики США и выполняется 6-кратный расчет на основе коэффициента соотношения энергопотребления между США и миром в 2019 год в энергетическом балансе МЭА Шкала для оценки действий, необходимых для мировой экономики. Это значительное упрощение, и оно может стать предметом пристального внимания для будущего анализа, поскольку глобальный спрос на энергию формируется иначе, чем в Соединенных Штатах, и, по прогнозам, со временем он будет увеличиваться. Из-за наличия в настоящее время этих доступных данных этот анализ предназначен для Соединенных Штатов.

План рассматривает береговой/морской ветер, солнечную энергию, существующие атомные и гидроэлектростанции в качестве устойчивых источников выработки электроэнергии, а также рассматривает существующую биомассу как устойчивую, хотя она может быть поэтапно прекращена. Кроме того, в плане не рассматривается поглощение таких вещей, как углекислый газ, выделяемый при сжигании ископаемого топлива за последнее столетие, за исключением прямого улавливания воздуха, необходимого для производства синтетического топлива; любое внедрение таких технологий в будущем, вероятно, увеличит глобальный спрос на энергию.

01 Переоснащение существующей сети возобновляемой энергией

Существующий почасовой спрос на электроэнергию в Соединенных Штатах смоделирован как негибкий базовый спрос из EIA. Для четырех субрегионов США (Техас, Тихий океан, Средний Запад и Восток) было выполнено моделирование для учета региональных различий, доступности возобновляемых ресурсов, погодных условий и ограничений передачи по сети. Этот существующий спрос на электроэнергию является базовой нагрузкой, которая должна поддерживаться устойчивым производством и хранением.

Мир поставляет 65 ПВтч первичной энергии в год электроэнергетическому сектору, в том числе 46 ПВтч в год ископаемого топлива, однако только 26 ПВтч электроэнергии в год вырабатывается из-за неэффективности преобразования ископаемого топлива в электричество. Если бы сеть питалась от возобновляемых источников энергии, то для удовлетворения требований потребовалось бы всего 26 ПВтч устойчивой генерации в год .

02 Переход на электромобили

Благодаря более высокой эффективности трансмиссии, возможности рекуперативного торможения и оптимизированной конструкции платформы электромобили примерно в 4 раза эффективнее автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Как показано в таблице 1, это соотношение верно для легковых автомобилей, легких грузовиков и полуприцепов класса 8.

В качестве конкретного примера, Tesla Model 3 потребляет 131 миль на галлон, в то время как Toyota Corolla потребляет 34 мили на галлон, разница в 3,9 раза, и это соотношение увеличивается, если принять во внимание потери на входе, такие как потребление энергии, связанное с добычей и переработкой топлива (см. рис. 4). .

Чтобы определить спрос на электроэнергию для электрифицированного транспортного сектора, исторический ежемесячный объем использования транспортной нефти в США (за исключением воздушного и морского транспорта) в каждом субрегионе будет масштабирован с помощью приведенного выше коэффициента эффективности электромобиля (4x). Автопарк Tesla почасово делится на нерегулируемые и регулируемые сегменты, и предполагается, что это профиль загрузки электромобилей в 100% электрифицированном транспортном секторе. Наддув, зарядка коммерческих автомобилей и автомобили с состоянием SOC ниже 50% считаются нерегулируемым спросом. Зарядка переменного тока дома и на рабочем месте является регулируемым спросом и смоделирована с помощью модели ограничения энергосбережения в течение 72 часов, что отражает гибкость, которую большинство водителей должны взимать, когда возобновляемые ресурсы в изобилии. В среднем водители Tesla заряжают от 60% SOC до 90% SOC каждые 1,7 дня, поэтому относительно типичного ежедневного пробега у электромобиля достаточно запаса хода, чтобы оптимизировать использование возобновляемых источников энергии. Зарядка при условии наличия инфраструктуры зарядки дома и на работе.

Электрификация глобального транспортного сектора позволяет сократить ежегодное использование ископаемого топлива на 28 ПВтч и применить 4-кратный коэффициент эффективности электромобиля для создания дополнительного спроса на электроэнергию примерно на 7 ПВтч в год.

03 Переход на тепловые насосы в жилых, коммерческих и промышленных

Тепловые насосы перемещают тепло от источника к приемнику путем сжатия/расширения промежуточного хладагента. При правильном подборе хладагентов технологию тепловых насосов можно применять для отопления помещений, нагрева воды и стиральных машин в жилых и коммерческих зданиях, а также во многих промышленных процессах.

Воздушные тепловые насосы — это технология, которая лучше всего подходит для модернизации газовых печей в существующих домах, обеспечивая 2,8 единицы тепла на единицу потребляемой энергии, исходя из типичного рейтинга эффективности 9,5 БТЕ/Втч с коэффициентом сезонной производительности отопления (HSPF). Газовые печи сжигают природный газ для выработки тепла. Они имеют годовой коэффициент использования (AFUE) около 90%. Таким образом, воздушный тепловой насос потребляет меньше энергии (2,8/0,9) по сравнению с потреблением в 3 раза меньше, чем у котла, работающего на природном газе.

жилые и коммерческие площади

EIA предоставляет исторические ежемесячные данные об использовании природного газа в США в жилом и коммерческом секторах для каждого субрегиона. 3-кратный коэффициент эффективности теплового насоса снизит потребность в энергии, если все газовые приборы будут электрифицированы. Почасовой коэффициент нагрузки базового спроса на электроэнергию применяется для оценки изменения почасового спроса на электроэнергию от теплового насоса, эффективно соотнося потребность в отоплении с периодами времени, когда дом активно нагревается или охлаждается. Летом жилой/коммерческий спрос достигает пика во второй половине дня, когда нагрузки на охлаждение самые большие, а зимой спрос следует пресловутой «утиной кривой», достигая максимума утром и вечером.

Во всем мире ежегодно можно сэкономить 18 ПВтч ископаемого топлива и создать 6 ПВтч дополнительного спроса на электроэнергию за счет электрификации бытового и коммерческого оборудования с помощью тепловых насосов.

промышленное производство

Промышленные процессы могут выиграть от повышения эффективности тепловых насосов до максимальной температуры около 200°C, например, в пищевой, бумажной, текстильной и деревообрабатывающей промышленности. Однако с увеличением разницы температур эффективность теплового насоса снижается. Интеграция теплового насоса деликатна, и точная эффективность сильно зависит от температуры источника тепла, поглощаемого системой (температура является одним из факторов, определяющих эффективность теплового насоса), поэтому используется упрощающее предположение о достижимом диапазоне COP:

В соответствии с температурным составом промышленного тепла, предоставленным МЭА, и предполагаемой эффективностью теплового насоса в таблице 2, смоделированный взвешенный коэффициент эффективности промышленного теплового насоса составляет 2,2.

В ОВОС представлены сведения о ежемесячном использовании ископаемого топлива в промышленном секторе для каждого субрегиона8. Предполагается, что все промышленное использование ископаемого топлива, за исключением внедренного в продукты ископаемого топлива (резина, смазочное масло и т. д.), предназначено для технологического нагрева. По данным Международного энергетического агентства, 45% технологического тепла имеет температуру ниже 200°C, и при электрификации с помощью тепловых насосов требуется в 2,2 раза больше входной энергии. Повышенный спрос на электроэнергию для промышленных тепловых насосов моделируется как негибкий фиксированный почасовой спрос.

Во всем мире электрификация промышленного тепла с температурой ниже 200 °C с помощью тепловых насосов может сократить 12 ПВтч ископаемого топлива в год и создать 5 ПВтч дополнительного спроса на электроэнергию.

04 Электрификация высокотемпературного теплообмена и производства водорода

Электрификация высокотемпературных промышленных процессов

Промышленные процессы, требующие высоких температур (>200°C), на долю которых приходится оставшиеся 55% использования ископаемого топлива, требуют особого рассмотрения. Это включает производство стали, химикатов, удобрений и цемента, среди прочего.

Эти высокотемпературные промышленные процессы могут обслуживаться непосредственно нагреванием сопротивления, электродуговыми печами или накапливать тепло, чтобы использовать преимущества дешевой возобновляемой энергии, когда есть избыток возобновляемой энергии. Аккумулирование тепла на месте может быть полезным для экономичного ускорения промышленной электрификации (например, прямое использование теплоаккумулирующих средств и лучистых нагревательных элементов).

Нагрев сопротивлением и электродуговые печи имеют такой же КПД, как доменный нагрев, и, следовательно, потребуют таких же возобновляемых источников первичной энергии. Эти высокотемпературные процессы моделируются как негибкий, фиксированный спрос.

Аккумулятор тепла моделируется как энергетический буфер для высокотемпературного технологического тепла в промышленном секторе с тепловым КПД 95 %. В районах с высокой установленной солнечной мощностью теплоаккумуляторы будут заряжаться в полдень и разряжаться ночью, чтобы удовлетворить непрерывный 24-часовой промышленный спрос на тепло. На рис. 9 показаны возможные теплоносители и несколько материалов, которые являются кандидатами на обеспечение технологического тепла >1500°C.

Электрификация глобального промышленного технологического тепла с температурой выше 200°C может сократить потребление ископаемого топлива на 9 ПВтч в год и создать 9 ПВтч дополнительного спроса на электроэнергию при равной эффективности теплопередачи.

Устойчивое производство водорода для стали и удобрений

Сегодня водород производится из угля, нефти и природного газа и используется для очистки ископаемого топлива (особенно дизельного топлива) и для различных промышленных применений (включая производство стали и удобрений).

Зеленый водород может быть получен электролизом воды (высокая энергоемкость, продукты на основе углерода не потребляются/не производятся) или пиролизом метана (низкая энергоемкость, образуется твердый побочный продукт сажи, который может быть преобразован в полезный углерод- продукты на их основе).

Для консервативной оценки спроса на электроэнергию для зеленого водорода используются следующие допущения:

– Будущая переработка ископаемого топлива не потребует водорода
– Производство стали будет переведено на процесс прямого восстановления железа, требующий использования водорода. Потребность в водороде для восстановления железной руды (предположительно Fe3O4) основана на следующей реакции восстановления:

Восстановление водородом:

• Fe3O4+H2=3FeO+H2O
• FeO+H2=Fe+H2O

– Все производство водорода в мире происходит за счет электролиза.

Эти упрощающие предположения о промышленном спросе приводят к тому, что глобальный спрос на зеленый водород составляет 150 Мт / год, что, по оценкам, требует около 7,2 ПВт-ч устойчивой электроэнергии в год за счет электролиза.

Спрос на электроэнергию для производства водорода моделируется как гибкая нагрузка с годовыми производственными ограничениями, а потенциал хранения водорода моделируется как подземное хранилище газа (аналогично хранящемуся сегодня природному газу) с максимальными ограничениями по ресурсам. Подземные хранилища газа, используемые сегодня для хранения природного газа, могут быть преобразованы для хранения водорода; для имитации хранения водорода в США потребуется около 30% существующих подземных хранилищ газа в США. Имейте в виду, что некоторые хранилища, такие как соляные пещеры, неравномерно распределены географически, что может создавать проблемы, и что могут существовать лучшие альтернативные варианты хранения.

Глобальный устойчивый зеленый водород может сократить 6 ПВт-ч использования энергии из ископаемого топлива и 2 ПВт-ч неэнергетического использования в год . Ископаемое топливо заменяется дополнительным спросом на электроэнергию в размере 7 ПВтч.

05 Устойчивое авиационное и судовое топливо

Как континентальное, так и межконтинентальное морское судоходство можно было бы электрифицировать, оптимизировав скорость и маршруты, чтобы батареи меньшего размера можно было чаще заряжать на длинных маршрутах. По данным Международного энергетического агентства, мировые морские перевозки потребляют 3,2 ватт-часа в год. Применяя 1,5-кратное преимущество эффективности электрификации, полностью электрифицированный глобальный парк будет потреблять 2,1 ПВтч электроэнергии в год.

При сегодняшней плотности энергии аккумуляторов полеты на короткие расстояния также можно электрифицировать за счет оптимизации конструкции самолета и траекторий полета. Полеты на дальние расстояния, на которые приходится примерно 80 процентов энергопотребления авиаперевозок (85 миллиардов галлонов авиатоплива ежегодно потребляется во всем мире), могут быть синтезированы из избыточной возобновляемой электроэнергии с использованием процесса синтеза Фишера-Тропша, в котором используется окись углерода. (CO) и водород (H2) для синтеза различных жидких углеводородов, и зарекомендовал себя как жизнеспособный путь к синтезу топлива для реактивных двигателей. Это требует дополнительных 5 ПВтч электроэнергии в год, состоящих из:

• Водород, полученный электролизом
• Углекислый газ, улавливаемый прямым захватом воздуха
• Окись углерода, полученная электролизом двуокиси углерода

Углерод и водород для синтетического топлива также можно получить из биомассы. Со временем могут появиться более эффективные и экономичные методы производства синтетического топлива, а батареи с более высокой плотностью энергии будут электрифицировать самолеты, совершающие дальние рейсы, что снизит потребность в синтетическом топливе.

Спрос на электроэнергию для производства синтетического топлива моделируется как гибкий спрос с ежегодными энергетическими ограничениями. Синтетическое топливо можно хранить с использованием обычных методов хранения топлива, принимая во внимание объемное соотношение 1:1. Спрос на электроэнергию для морских перевозок моделируется как постоянный почасовой спрос.

Глобально устойчивое синтетическое топливо и электроэнергия для кораблей и самолетов могут сократить использование ископаемого топлива на 7 ПВтч и создать 7 ПВтч дополнительного глобального спроса на электроэнергию в год .

06 Создание устойчивой энергетической экономики

Комбинация производства и хранения — солнечные панели, ветряные турбины и аккумуляторы — необходимая для создания устойчивой экономики энергетики требует дополнительной электроэнергии. Этот спрос на электроэнергию моделируется как прирост, а в промышленном секторе этот спрос на электроэнергию моделируется как почасовой прирост, нерегулируемый, фиксированный спрос в промышленном секторе. Дополнительную информацию см. в Приложении: Построение устойчивой энергетической экономики – Плотность энергии.

Создание полностью устойчивой модели энергоэкономики

Эти 6 шагов определяют спрос на электроэнергию в США, который может быть удовлетворен за счет устойчивого производства и хранения. С этой целью создается сочетание генерации и хранения с использованием оптимальной почасовой стоимости интегрированной модели расширения и диспетчеризации. Модель разделена между четырьмя субрегионами Соединенных Штатов, моделирует пределы передачи между регионами и работает в течение четырех погодных лет (2019–2022 гг.), чтобы отразить диапазон погодных условий sk. Межрегиональные лимиты передачи — это оценочные межрегиональные лимиты передачи, основанные на текущих рейтингах пропускной способности линий на основных маршрутах передачи, выпущенных региональными организациями Североамериканского совета по надежности электроснабжения (NERC) (SERC, WECC, ERCOT). На рис. 11 показаны потребности в энергии для полностью электрифицированной экономики США.

Ветровые и солнечные ресурсы в каждом регионе были смоделированы с соответствующими почасовыми коэффициентами мощности (то есть, сколько электроэнергии производится в час на мегаватт установленной мощности), их затратами на присоединение и максимальной мощностью, для которой модель могла быть построена. Коэффициенты почасовой мощности ветра и солнечной энергии для каждого региона были оценены с использованием исторической выработки ветровой/солнечной энергии каждого региона по EIA, чтобы отразить различия в ресурсном потенциале из-за региональных погодных условий. Коэффициенты мощности масштабируются для представления перспективных тенденций на основе недавнего исследования Принстонского университета в США по чистым нулевым выбросам. На рисунке 11 показаны почасовые коэффициенты мощности для ветра и солнца в Соединенных Штатах в зависимости от времени. В таблице 3 показаны средние коэффициенты мощности и спрос по регионам в США.

Модель устанавливает генерацию и хранение на основе атрибутов стоимости и производительности конкретных ресурсов с общей целью минимизации приведенной стоимости энергии. Модель предполагает увеличение межрегиональной пропускной способности.

Для обеспечения надежного круглогодичного электроснабжения экономически оптимально задействовать избыточную солнечную и ветровую мощность, что приводит к сокращению. когда:

1. Когда производство солнечной и / или ветровой энергии превышает потребность региона в электроэнергии;
2. Хранилище заполнено;
3. Отключения происходят, когда нет доступных передающих мощностей для передачи избыточной генерации в другие регионы.

Существуют экономические компромиссы между строительством избыточных возобновляемых генерирующих мощностей и строительством энергохранилищ или расширением пропускной способности. Этот компромисс может измениться по мере развития сетевых технологий хранения, но, исходя из предположений моделирования, оптимальное сочетание генерации и хранения приводит к сокращению на 32%.

Для контекста, рынки с высоким проникновением возобновляемых источников энергии уже сокращаются. 19% ветровой генерации в Шотландии было сокращено в 2020 году, а 6% солнечной генерации в Калифорнии (CAISO) в 2022 году было сокращено из-за эксплуатационных ограничений, таких как невозможность снижения тепловых генераторов до минимального рабочего уровня или локальные заторы на система передачи.

Устойчивая энергетическая экономика обеспечит потребителей обильной и дешевой энергией, что повлияет на то, как и когда будет использоваться энергия. На Рисунке 12 ниже показана почасовая диспетчеризация в осенней выборке, показывающая роль каждого ресурса генерации и хранения в балансировании спроса и предложения и концентрации экономических сокращений в солнечные часы дня.

На рис. 14 хранилища водорода обычно заполняются весной и осенью, когда спрос на электроэнергию низок из-за окончания отопительного и охлаждающего сезонов и относительно большей выработки солнечной и ветровой энергии. Аналогичным образом, по мере сокращения избыточной выработки летом и зимой уменьшается объем запасов водорода, что обеспечивает хранение водорода в любое время года.

Оценка технологии накопления энергии

Для стационарных приложений мы рассматриваем технологии накопления энергии в таблице 4 ниже, которые в настоящее время развернуты в больших масштабах. Li-ion относится к литий-железо-фосфатным/графитовым литий-ионным аккумуляторам. Учитывая волатильность цен на сырьевые товары (особенно на литий), указан консервативный диапазон будущих установленных затрат на ионно-литиевые аккумуляторы. Хотя существуют и другие появляющиеся технологии, такие как металл-воздух (окислительно-восстановительный потенциал Fe <-> Fe2O3) и ион натрия, они не используются в коммерческих целях и поэтому не рассматриваются.

Оценка технологии производства электроэнергии

В приведенной ниже таблице подробно описаны все технологии производства электроэнергии, рассматриваемые в рамках устойчивой энергетической экономики. Стоимость установки взята из исследований 2030–2040 годов, проведенных NREL, и исследования Net Zero в Принстоне, США.

Результаты модели

Результаты модели только для США — соответствие новым требованиям электрификации

Для Соединенных Штатов оптимальное сочетание производства и хранения для удовлетворения почасового спроса на электроэнергию для смоделированных лет показано в таблице ниже.

Кроме того, были добавлены 1,2 ТВт-ч распределенных стационарных батарей на основе постепенного развертывания распределенных стационарных аккумуляторов наряду с солнечными батареями на крышах жилых и коммерческих зданий. Это включает в себя развертывание хранилищ солнечной энергии на крыше в 15 миллионах домов на одну семью, промышленное хранилище в сочетании с 43 ГВт коммерческой солнечной энергии на крыше и хранилище, заменяющее не менее 200 ГВт существующей мощности резервного генератора. Поскольку развертывание распределенного хранилища определяется факторами, не полностью отраженными в модели минимальной стоимости, включая отказоустойчивость и самодостаточность конечного пользователя, развертывание распределенного хранилища является экзогенной переменной, выходящей за рамки выходных данных модели.

Результаты World Model — удовлетворение новых требований к электрификации

Применяя 6 шагов к мировому энергетическому потоку, 125 ПВт-ч ископаемого топлива, необходимого для производства энергии, можно ежегодно оставлять и заменять 66 ПВт-ч устойчивого производства электроэнергии. Ежегодно для производства аккумуляторов, солнечных панелей и ветряных турбин требуется дополнительно 4 ПВтч новой промышленности.

Глобальное сочетание генерации и хранения для удовлетворения спроса на электроэнергию рассчитывается путем шестикратного масштабирования структуры ресурсов США. Как отмечалось выше, это существенное упрощение, которое может стать областью для улучшения в будущем анализе, поскольку глобальный спрос на энергию формируется иначе, чем в Соединенных Штатах, и, по прогнозам, со временем он будет увеличиваться. Анализ проводился для США из-за наличия высокоточных почасовых данных.

аккумуляторы для транспортировки

машина

По данным OICA, сегодня в мире насчитывается 1,4 миллиарда автомобилей, а годовой объем производства легковых автомобилей составляет около 85 миллионов. Исходя из предположений о размере аккумуляторной батареи, автопарку потребуется 112 ТВтч аккумуляторов. Технология автономного вождения может сократить глобальный автопарк и годовой объем производства за счет повышения эффективности использования транспортных средств.

В транспортных средствах стандартной дальности могут использоваться химические вещества с более низкой плотностью энергии (LFP), в то время как в транспортных средствах с большей дальностью полета требуются химические вещества с более высокой плотностью энергии (с высоким содержанием никеля). В следующей таблице показано распределение катодов в автомобильной отрасли. Высокое содержание никеля относится к никель-марганцевым катодам с низким или нулевым содержанием кобальта, которые в настоящее время производятся и разрабатываются Tesla, поставщиками Tesla и исследовательскими группами.

Мировой парк электромобилей

корабли и самолеты

Исходя из годовой потребности в 2,1 ПВтч, если суда заряжаются в среднем около 70 раз в год до 75% мощности каждый раз, то для электрификации морского флота потребуется 40 ТВтч батарей. Предположим, что для 33% парка требуются катоды высокой плотности на основе никеля и марганца, а для 67% парка требуются только катоды LFP с низкой плотностью энергии. Для авиационной промышленности, если бы 20% из примерно 15 000 узкофюзеляжных самолетов были электрифицированы аккумуляторной батареей емкостью 7 МВтч, потребовалась бы батарея емкостью 0,02 ТВтч.
Это консервативные оценки, и, вероятно, потребуется меньше батарей.

Результаты мировой модели – Электрификация и транспортные батареи

В Таблице 9 обобщается сочетание производства и хранения для удовлетворения глобального спроса на электроэнергию, а также потребности в транспортном хранении на основе предположений о транспортных средствах, кораблях и самолетах. Объяснение того, как комбинация генерации и хранения распределяется между конечными пользователями, можно найти в Приложении: Распределение генерации и хранения для конечных пользователей.

необходимые инвестиции

Инвестиции, перечисленные здесь, включают производственные мощности, добычу и переработку, а также установку соляных каверн для хранения водорода. Размеры производственных мощностей определяются на основе коэффициента замещения каждого актива, а операции по добыче (например, добыча полезных ископаемых) определяются соответственно. Материалы, требующие значительного увеличения емкости:

1. Для добычи: никель, литий, графит и медь;
2. Для рафинирования: никель, литий, графит, кобальт, медь, железо для аккумуляторов и марганец.

В Таблице 9 обобщается сочетание производства и хранения для удовлетворения глобального спроса на электроэнергию, а также потребности в транспортном хранении на основе предположений о транспортных средствах, кораблях и самолетах. a Объяснение того, как комбинация генерации и хранения распределяется между конечными пользователями, можно найти в приложении: Распределение генерации и хранения для конечных пользователей.

В дополнение к первоначальным затратам в смету инвестиций включены расходы на техническое обслуживание в размере 5% в год в течение 20 лет. Исходя из этих предположений, создание производственной инфраструктуры в условиях устойчивой энергетической экономики обойдется в 10 триллионов долларов США по сравнению с прогнозируемыми расходами на ископаемые виды энергии в размере 14 триллионов долларов США в течение 20 лет при темпах инвестиций в 2022 году.

В приведенной ниже таблице представлены более подробные сведения о добыче полезных ископаемых, переработке, автомобильных заводах, заводах по производству аккумуляторов и предпосылках по переработке. Допущения в отношении горнодобывающей и перерабатывающей промышленности представляют собой внутренние оценки средних показателей по отрасли, основанные на опубликованных отраслевых отчетах:

горнодобывающая индустрия

Очистительный завод

Заводы по производству автомобилей и аккумуляторов

перерабатывать и повторно использовать

необходимая площадь земли

Требуемая площадь земли Требования к площади земли под солнечную энергию оцениваются на основе эмпирической оценки реальных проектов в Соединенных Штатах Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (LBNL), которая обнаружила медианную плотность мощности 2,8 для стационарных солнечных панелей, установленных в 2011–2019 акрах/МВт постоянного тока. . Преобразование МВт постоянного тока в МВт переменного тока с использованием коэффициента преобразования 1,4 дает приблизительно 3,9 акра/МВт переменного тока. Таким образом, для глобального парка солнечных панелей мощностью 18,3 ТВт потребуется примерно 71,4 млн акров земли, или 0,19% от общего количества в 36,8 млрд акров . Требования к площади земли для ветра оцениваются на основе исследований Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), которые обнаружили, что прямое землепользование составляет 0,75 акра на мегаватт. Следовательно, для глобального парка ветряных турбин мощностью 12,2 ТВт потребуется примерно 9,2 миллиона акров земли, или 0,02% от общей площади суши.

необходимые материалы

предполагать

Общее количество материалов, необходимых для солнечных панелей, ветряных турбин и километров контуров, рассчитывается на основе предположений о прочности материалов третьих сторон. Прочность материала батареи основана на внутренних оценках. Предположения о плотности материалов для солнечных панелей и ветряных турбин взяты из отчетов Европейской комиссии. Кристаллические кремниевые пластины используются для солнечных элементов, в то время как редкоземельные минералы исключены из ветряных турбин, поскольку в разработке технологии достигнут прогресс.

Согласно исследованию Net Zero Pathway, проведенному Международным энергетическим агентством к 2050 году, миру потребуется добавить или перестроить около 60 миллионов миль электрических цепей, чтобы достичь полностью устойчивой электрифицированной глобальной экономики. Распределительная мощность будет увеличена в первую очередь за счет изменения маршрута существующих линий и увеличения мощности подстанций для удовлетворения значительного увеличения пикового и среднего спроса конечных пользователей. Высоковольтная передача в первую очередь расширит географический охват, подключив крупномасштабные ветровые и солнечные генерирующие мощности к густонаселенным районам. Чтобы оценить потребности в материалах, 90 % из 60 миллионов миль цепей будет приходиться на замену проводки существующих низковольтных распределительных систем, а 10 % — на новые мили цепей от высоковольтной передачи, что является текущим отношением высоковольтной передачи к низковольтной. распределение напряжения в США.

Исходя из вышеизложенных предположений, общий вес 12,815 млрд тонн (444 млн тонн в год) составит 30 тераватт выработки электроэнергии и 240 тераватт аккумуляторной энергии, а также потребности 60 млн миль передачи.

добыча материала

Поток материалов (т. е. количество перемещенной земли), связанный с этими материалами, зависит от качества руды и производительности всего процесса. Используя внутренние оценки средних показателей по отрасли, составленные из опубликованных отраслевых отчетов (см. Таблицу 19), требуемый годовой массовый расход оценивается в 3,3 гигатонны (Гт). Если медь (содержание руды 1 %) заменить алюминием (содержание руды 50 %), можно уменьшить массовый расход, что возможно во многих случаях использования. Предполагая, что 50% лития извлекается из соляного раствора со 100% содержанием руды, если бы это было не так, массовый поток, связанный с литием, увеличился бы на 0,8 Гт.

Согласно Отчету о разрыве кругооборота за 2023 год, ежегодно из земли извлекается 68 Гт материалов, не считая биомассы, из которых 15,5 Гт приходится на ископаемое топливо. В условиях устойчивой энергетической экономики добыча материалов сократится на 10,8 Гт, при этом большая часть добычи ископаемого топлива будет заменена на 3,3 Гт добычи из возобновляемых источников. Если предположить, что непрерывная добыча ископаемого топлива, связанная с неэнергетическим конечным использованием (например, пластмассы и другие химические вещества), составляет около 9% поставок ископаемого топлива, согласно МЭА.

доступность материала

Общий материал, извлеченный в Таблице 18, был сопоставлен с ресурсами Геологической службы США на 2023 год для оценки осуществимости. Что касается серебра, Геологическая служба США не публикует оценки ресурсов, поэтому используются запасы. Анализ показывает, что солнечным панелям потребуется 13% запасов серебра Геологической службы США в 2023 году, но серебро может быть заменено медью, которая дешевле и более распространена. Спрос на графит можно удовлетворить за счет природного и искусственного графита – первый добывается и перерабатывается, второй получают из нефтяного кокса. Поэтому ресурсная база графита была увеличена с учетом производства синтетического графита из нефтепродуктов. Если для производства искусственного графита используется лишь небольшая часть мировых нефтяных ресурсов, то ресурсы графита не будут ограничивающим фактором. Текущие опытно-конструкторские работы направлены на оценку других углеродосодержащих продуктов в качестве сырья для производства искусственного графита, включая двуокись углерода и различные формы биомассы.

В заключение, нет никаких фундаментальных материальных ограничений при оценке ресурсов USGS на 2023 год. Кроме того, ресурсы и запасы исторически увеличивались, то есть, когда минерал пользуется спросом, появляется больше стимулов для его поиска и, следовательно, для обнаружения большего количества полезных ископаемых. Ежегодная добыча, обогащение и переработка попутных металлических руд должны расти, чтобы удовлетворить потребности экономики возобновляемых источников энергии, при этом основными ограничениями являются человеческий капитал и сроки лицензирования/регулирования. По оценкам Министерства (см. Таблицу 19), требуемый годовой массовый расход оценивается в 3,3 гигатонны (Гт). Если медь (содержание руды 1 %) заменить алюминием (содержание руды 50 %), можно уменьшить массовый расход, что возможно во многих случаях использования. Предполагая, что 50% лития извлекается из соляного раствора со 100% содержанием руды, если бы это было не так, массовый поток, связанный с литием, увеличился бы на 0,8 Гт.

Согласно Отчету о разрыве кругооборота за 2023 год, ежегодно из земли извлекается 68 Гт материалов, не считая биомассы, из которых 15,5 Гт приходится на ископаемое топливо. В условиях устойчивой энергетической экономики добыча материалов сократится на 10,8 Гт, при этом большая часть добычи ископаемого топлива будет заменена на 3,3 Гт добычи из возобновляемых источников. Если предположить, что непрерывная добыча ископаемого топлива, связанная с неэнергетическим конечным использованием (например, пластмассы и другие химические вещества), составляет около 9% поставок ископаемого топлива, согласно МЭА.

перерабатывать и повторно использовать

Для поддержки этого плана требуется значительный рост спроса на первичные материалы, чтобы облегчить производство для устойчивой экономики энергетики, который выровняется после укрепления производственных мощностей. В 2040 году переработка начнет значительно сокращать спрос на первичные материалы, поскольку срок службы батарей, солнечных панелей и ветряных турбин подходит к концу, а ценные материалы восстанавливаются. В то время как спрос на добычу снизится, мощности по переработке не уменьшатся.

в заключение

Полностью электрифицированная и устойчивая экономика достижима благодаря действиям, описанным в этой статье:

• Перезарядка существующей сети возобновляемой энергией
• перейти на электромобили
• Переход на тепловые насосы в жилых, коммерческих и промышленных зонах
• Электрификация высокотемпературного отопления и производства водорода
• Экологически чистое топливо для самолетов и кораблей
• Создание устойчивой энергетической экономики

Модели показывают, что электрифицированное и устойчивое будущее технически осуществимо и требует гораздо меньше денег и материалов, чем сохранение сегодняшней неустойчивой экономики энергетики.

#Добро пожаловать, обратите внимание на официальный публичный аккаунт Айфанер в WeChat: Айфанер (идентификатор WeChat: ifanr), более интересный контент будет представлен вам как можно скорее.

Ай Фанер | Оригинальная ссылка · Просмотреть комментарии · Sina Weibo