特斯拉可持续性能源发展“宏图计划”第三篇章

主计划第3部分 可持续能源的地球 总体规划第3部分–全地球的可持续能源 执行总结03 当前的能源经济浪费的04 该计划消除化石燃料05 1.重新提供动力的现有电网可再生能源05 2.切换到电动汽车05 3.在住宅，商业和工业中切换到热泵07 4.电气化高温热传递和氢气09 5.可持续燃料的飞机和船只12 6.制造可持续能源经济12 建模完全可持续能源经济13 •储能技术评估18 •一代技术评估19 模型结果20 •美国专用车型结果–满足新的电气化需求20 •世界模型结果–满足新的电气化需求21 • •车辆22 •船只和飞机23 • 投资要求26 土地面积要求30 材料要求31 结论37 附录38 •附录：最终用途的生成和存储分配38 •附录：建立可持续能源经济——能源强度39 4月5日,2023年出版 确认 我们赞赏许多先前推动可持续能源经济主题的研究，国际能源署（IEA），美国能源信息署 （EIA）的工作， 美国能源部国家实验室，以及各种非特斯拉附属顾问的意见。 特斯拉的贡献者FelixMaire马修·福克斯 马克西蒙斯考德威尔特纳亚历克斯柳 安德鲁EliahGilfenbaumUlvestad 特斯拉顾问马画BaglinoRohanVineet梅塔 2023年3月1日，特斯拉提出了总体规划第3部分——通过最终用途电气化和可持续发电和存储实现可持续全球能源经济的拟议路径。本文概述了该提案背后的假设 、来源和计算。欢迎提供意见和对话。分析有三个主要组件: 电力需求 预测完全电气化经济体的电力需求，满足全球能源需求，而无需化石燃料。 电力供应 构建满足每小时电力需求的发电和存储资源成本最低的组合。 材料的可行性及投资确定实现电力经济所需的材料需求的可行性和制造投资。 图1:过程概述 本文发现，与延续当今不可持续的能源经济相比，可持续能源经济在技术上是可行的，需要更少的投资和更少的材料开采。虽然许多先前的研究都得出了类似的结论，但本研究旨在推动与材料强度、制造能力和全球所有能源部门转型所需的制造投资相关的思考。 2TWh 存储 30太瓦 可再生能源 t10美元 制造业投资所需的能量 1 0.21% 土地面积要求 10% 2022年世界国内生 零 不可逾越的资源挑战 图2：总体规划3所需的估计资源和投资 根据国际能源署（IEA）2019年世界能源平衡，全球一次能源供应量为165PWh/年，化石燃料总供应量为134PWh/年1ab.37%（61PWh）在到达最终消费者之前被消耗掉。这包括化石燃料行业在开采/精炼过程中的自我消耗，以及发电过程中的转化损失。 另外27%（44PWh）因内燃机汽车和天然气炉等低效的最终用途而损失。总的来说，只有36%（59PWh）的一次能源供应为经济产生有用的功或热量。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的分析显示，全球和美国的能源供应效率低下程度相似。2. 今天的能源经济(PWh/年) 图3：按行业划分的全球能源流量，IEA和特斯拉分析 a在这项工作进行这项工作时，2021年和2022年国际能源署世界能源平衡尚未完成，2020年的数据集显示能源消耗比2019年有所下降，这可能与大流行有关，与能源消耗趋势不一致。 b不包括用于非能源目的的某些燃料供应，例如塑料制造中使用的化石燃料。 在具有可持续发电能源的电气化经济中，与采矿、精炼和燃烧燃料发电相关的大部分上游损失被消除，与非电力最终用途相关的下游损失也被消除。一些工业过程将需要更多的能量输入（例如生产绿色氢），一些采矿和精炼活动需要增加（与电池、太阳能电池板、风力涡轮机等金属有关）。 以下6个步骤显示了实现经济全面电气化和消除化石燃料使用所需的行动。这6个步骤详细说明了可持续能源经济的电力需求假设，并得出了建模的电力需求曲线。 使用能源信息署（EIA）提供的2019-2022年高保真数据对美国能源经济进行了建模c，并根据国际能源署能源平衡，使用基于2019年美国与世界之间能源消耗标量的6倍比例因子对结果进行缩放，以估计全球经济所需的行动。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，并且预计随着时间的推移而增加。由于高保真每小时数据的可用性，该分析是在美国进行的。 该计划将陆上/海上风能、太阳能、现有核能和水力发电视为可持续发电来源，并认为现有生物质是可持续的，尽管随着时间的推移可能会逐步淘汰。此外，除了合成燃料生产所需的直接空气捕获之外，该计划没有解决过去一个世纪化石燃料燃烧排放的二氧化碳封存问题;未来任何此类技术的实施都可能增加全球能源需求。 01重新提供动力的现有电网可再生能源 现有的美国每小时电力需求被建模为从EIA中获取的不灵活的基线需求4.对四个美国次区域（德克萨斯州、太平洋、中西部、东部）进行了建模，以考虑需求、可再生资源可用性、天气和电网传输限制的区域差异。这种现有的电力需求是必须由可持续发电和储能支持的基准负荷。 在全球范围内，65PWh/年的一次能源供应给电力部门，包括46PWh/年的化石燃料;然而，由于将化石燃料转化为电能的效率低下，每年仅生产26PWh的电力d.如果电网改为可再生能源供电，则只需要26PWh/年的可持续发电。 02切换到电动汽车 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，电动汽车的效率大约是内燃机汽车的4倍。如表1所示，这一比例适用于乘用车、轻型卡车和8级半挂车。 汽车类 冰车辆Avg5 电动汽车 效率比 乘用车 24.2英里/加仑 115年MPGe(292Wh.mi)e 4.8倍 轻型卡车/范 17.5英里/加仑 75年MPGe(450Wh.mi)f 4.3倍 类8辆卡车 5.3英里/加仑(柴油) 22MPGe(1.7kWh.mi)f 4.2倍 表1：电动与内燃机汽车效率 c用作模型输入的美国每小时时间序列数据可在https://www.eia.gov/opendata/browser/下载。 d嵌入在26PWh/年中的是3.5PWh/年的有用热量，主要在热电联产发电站中产生热量和电力。e特斯拉全球车队平均能效，包括Model3、Y、S和X f特斯拉基于行业知识的内部估计 举个具体的例子，特斯拉的Model3能耗为131MPGe，而丰田卡罗拉的能耗为34MPG。6或低3.9倍, 当考虑到上游损失时，该比率会增加，例如与提取和精炼燃料相关的能源消耗（见图4）。 200 400 600 800 1000 推动消费上游损失 1200 0 消费(Wh/mi) 丰田花冠模型3 图4：特斯拉Model3与丰田卡罗拉的比较 为了确定电气化运输部门的电力需求，每个次区域的历史月度运输石油使用量（不包括航空和海运）按上述电动汽车效率系数（4x）进行缩放8.特斯拉的车队每小时充电行为分为不灵活和灵活的部分，假设为100%电气化运输部门的电动汽车充电负载曲线。超级充电、商用车充电和充电状态为<50%的车辆被认为是不灵活的需求。家庭 和工作场所的交流充电是灵活的需求，并使用72小时节能约束进行建模，模拟了大多数司机在可再生资源丰富时可以灵活充电的事实。平均而言，特斯拉司机每1.7天从 60%SOC充电一次到90%SOC，因此电动汽车相对于典型的每日里程有足够的续航里程来优化其充电，前提是家庭和工作场所都有充电基础设施。 运输部门的全球电气化消除了28PWh/年的化石燃料使用，并应用4倍EV效率系数，创造了~7PWh/年的额外电力需求。 03在住宅、商业和工业中改用热泵 热泵通过中间制冷剂的压缩/膨胀将热量从源头输送到水槽9.通过适当选择制冷剂，热泵技术适用于住宅和商业建筑中的空间供暖、水加热和洗衣烘干机，以及许多工业过程。 空气水地面余热 热源 蒸发 扩张 压缩冷凝 散热器 空气水蒸汽加热材料 图5:热泵是如何工作的10 空气源热泵是最适合改造现有家庭燃气炉的技术，基于9.5Btu/Wh的供暖季节性性能系数（HSPF），每单位能耗可提供2.8单位的热量，这是当今热泵的典型效率等级11. 燃气炉通过燃烧天然气产生热量。它们的年燃料利用效率（AFUE）为~90%12.因此，热泵使用的能源比燃气炉（2.8/0.9）少~3倍。 1.4 能源消耗 上游的损失 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 输入能量/热传递 0.0 气炉热泵 图6：热泵与燃气炉的空间加热效率提高 住宅和商业领域 EIA提供每个次区域住宅和商业部门的历史月度天然气使用量8.如果所有燃气器具都通电，3倍热泵效率系数可降低能源需求。应用基准电力需求的每小时负荷系数来估计热泵的每小时电力需求变化，有效地将供暖需求归因于家庭积极供暖或制冷的时间。在夏季，住宅/商业需求在下午中午冷却负荷最高时达到顶峰，在冬季，需求遵循众所周知的“鸭子曲线”，在早上和晚上达到顶峰。 全球家用和商用电器的电气化与热泵消除了18PWh/年的化石燃料，并创造了6PWh/年的额外电力需求。 140 夏天冬天 130120110100908070 %的平均负荷 05101520 每天的时间(小时) 图7：住宅和商业供暖和制冷负荷系数与一天中的时间 工业部门 高达~200°C的工业过程，如食品、造纸、纺织和木材工业，也可以从热泵提供的效率提升中受益13，尽管热泵效率随着温差的增加而降低。热泵集成是微妙的，确切的效率在很大程度上取决于系统所抽取的热源的温度（温升是决定热泵效率的关键因素），因为使用了按温度范围实现的COP的简化假设： 温度/应用程序 警察 0-60C热泵 4.0 60-100c热泵 3.0 100-200c热泵 1.5 表2：按温度划分的假设热泵效率提高 根据IEA的工业热的温度构成和表2中按温度假设的热泵效率，建模的加权工业热泵效率系数为2.214. EIA提供了每个次区域工业部门的历史月化石燃料使用情况8.所有工业化石燃料的使用，不包括产品（橡胶、润滑剂等）中的嵌入化石燃料，都假定用于工艺加热。根据IEA的数据，45%的工艺热量低于200°C，当使用热泵供电时，所需的输入能量减少了2.2倍16.增加的工业热泵电力需求被建模为不灵活的、持平的小时需求。 带热泵的工业过程热<200C的全球电气化消除了12PWh/年的化石燃料，并创造了5PWh/年的额外电力需求。 04电气化高温热传递和制氢使充电高温工业过程 需要高温（>200C）的工业过程占化石燃料使用量的剩余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通过电阻加热、电弧炉或通过蓄热进行缓冲，以便在过剩时利用低成本的可再生能源。现场蓄热对于经济高效地加速工业电气化可能很有价值（例如，直接使用蓄热介质和辐射加热元件）17. 根据温度/应用确定最佳储热介质 充电= 用电、蒸汽、热风等加热蓄热介 质 热电池 能源 =质量thermal_battery *热能力*∆T 卸货=冷却热存储媒体 加热别的东西 图8:蓄热器的概述 提供热高温过程 热流体对交付过程 液体加热 水 蒸汽 熔盐 熔盐(550c) 空 热空气(2000C) 空气加热 熔盐加热 水蒸发 图9A：蓄热-通过传热流体传递热量 辐射热直接产品 图9B：蓄热-通过直接辐射加热将热量输送到工艺流程 电阻加热和电弧炉的效率与高炉加热相似，因此需要相似数量的可再生一次能源输入。这些高温过程被建模为不灵活、扁平的需求。 蓄热被建模为工业领域高温工艺热的能量缓冲器，往返热效率为95%。在太阳能装机容量较高的地区，蓄热将倾向于在中午充电，在夜间放电，以满足连续的24/7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工艺热量>1500C的候选材料。 全球工业过程热>200C电气化消除了9PWh/年的化石燃料燃料，并创造了9PWh/年的额外电力需求，因为假设热量传递效率相同。 3000 石墨/碳AI203系数莫来石钢沙子铝混凝土熔盐热油水