美国各州工业电气化

2023年2月 美国各州的工业电气化 工业子部门和国家级技术经济分析 AliHasanbeigi博士-全球效率情报 LynnA.Kirshbaum和BlaineCollison-DavidGardinerandAssociates 作者的前言 这份报告是我们上一份报告的后续研究。美国工业电气化：一种基于技术和过程的脱碳方法。“在上一份报告中，我们研究了美国的电气化潜力。S.全国12个子行业。在本报告中，我们分析了相同的12个子行业的电气 化潜力，但在州一级，重点关注20个州。本研究考虑了不同州的行业，能源价格和电网排放因素的差异，以确定电气化潜力。 Acknowledgements 在ClimateWors基金会的支持下，该报告得以实现。作者要感谢气候工程基金会的丽贝卡·戴尔，丹·法赫伊和劳伦·马歇尔，大卫·加德纳及其同事的克莱尔·多尔蒂和大卫·加德纳，劳伦斯伯克利国家实验室的吉布兰·祖贝里，ACEEE的EdRightor，国家可再生能源实验室的ColiMcMilla，能源创新的SaraBaldwi和JMEergyCosltig的JohMarao对本研究的宝贵意见和/或对本文档早期版本的深刻评论。 免责声明 GlobalEfficiecyItelligece,LLC和DavidGardieradAssociates在本出版物中提供的信息仅供参考。尽管已非常谨慎地保持收集和呈现的信息的准确性，但GlobalEfficiecyItelligece,LLC和DavidGardieradAssociates并不对此类信息做出任何明示或暗示的保证。该出版物中包含的任何估计都反映了GlobalEfficiecyItelligece，LLC和DavidGardieradAssociates基于现有数据和信息的当前分析和期望。通过商品名、商标、制造商或其他方式对特定商业产品、工艺或服务的任何引用均不构成或暗示GlobalEfficiecyItelligece,LLC和DavidGardieradAssociates的认可、推荐或青睐。 ThereportdoesnotnecessaryrepresentsthepopulationsofallRenewableThermalCollaborative(RTC)membersorsponsors.Anorganization’sparticipationinthisprojectdoesnotrepresentanendnerviewofthefullcontentsofthisreport. 本文档可以自由引用或重印，但需要确认。https://www.globaleffecencyintel.com 执行摘要 美国设定了整个经济的目标，到2030年将其净温室气体（GHG）排放量减少到2005年水平的50-52％ ，并设定了到2035年实现100％碳无污染电力的目标。实现这些目标将需要集中力量开发和部署跨部门的清洁技术。TheU.S.的减排目标将新的重点放在工业排放上，强调了商业化和部署更清洁工业技术的必要性 。《减少通货膨胀法案》（IRA）释放了3690亿美元的气候和清洁能源激励措施，为实现这些缓解气候变化的目标提供了强大的顺风。 工业部门约占能源使用和温室气体排放量的四分之一 虽然发电产生的排放量继续下降，但工业中的热能需求，特别是过程加热，是减缓气候变化的重大挑战 。 通过从碳密集型化石燃料转移到使用低碳或零碳碳电力等清洁来源，工业部门有一个重要的脱碳机会。如图 ES1所示，仅对研究中包含的过程进行电气化就有可能在全国范围内实现显著的减排。 图ES1.2050年部分工业过程电气化的排放量变化（来源：本研究） 这份报告是我们上一份报告的后续研究。美国工业电气化：一种基于技术和过程的脱碳方法。“在上一份报告中，我们研究了国家层面的工业电气化潜力。在本报告中，我们分析了20个州的12个行业（铝铸造，纸浆和造纸，容器玻璃，氨，甲醇，再生塑料，钢铁，啤酒，甜菜糖，奶粉，湿玉米研磨和大豆油）的电气化潜力 。每个州具有最高减排潜力的行业如图ES2所示。 图ES2.2050年电气化减排潜力最高的行业（来源：本研究） 该报告确定了可以在短期内使用商业可用技术电气化的特定工艺，并分析了能源使用的预期变化，CO2排放和能源成本。了解哪些常规工艺可以电气化，以及这如何影响排放和成本，可以帮助工业设施确定哪些工艺可能是电气化的合适人选。此外，了解电气化带来的工业电力需求的潜在增长可以帮助公用事业，电网运营商和发电机为这些变化进行计划，并确保设备和发电资源可用，以满足对可再生电力日益增长的需求。 Itshouldbenotedthat,inpractice,electricificationprojectswillhappenattheplantlevel.Ifagivenindustrialfacilityinanystateelectricelectracytodayandpurchasesrenewableelectricity(例如,throughapowerpurchaseagreement(PPA)2可以立即实现电气化的减排。因此，我们基于预期的全网脱碳时间表的州一级结果不应超过与新的可再生能源购买合作的电气化工厂的直接脱碳影响。工厂不需要等到电网脱碳后才能产生减排影响。 减排具有全球效益，有助于减轻全球的气候风险和气候变化影响。但是减少排放也有当地的好处。当工业设施在现场使用化石燃料时，周围的社区可能会受到由此产生的空气污染的影响。在美国S.在城市和农村地区以及所有州，低收入社区往往面临更高水平的空气污染。工业电气化提供了减少局部排放和改善健康的机会。 社区的成果。 电气化工业流程和实现这些好处将需要多方面的努力来解决可再生能源发电和输电、技术开发和部署以及劳动力发展方面的重大挑战。本报告建议了六个有影响力的变革，以支持增加工业电气化: 1）支持新兴电气化技术的示范和现有技术的新应用，2）从财政上激励电气化，3）增加可再生能源发电能力，4）增强电网，5）动员社区，6）发展劳动力。 目录 Executive摘要 2 1.Introduction 5 1.0.1.1.1.2. 2.美国工业能源使用和热量消耗配置文件 8 3.国家级工业电气化电位 11 3.0.3.1. 工业 16 3.2.3.3.3.4.3.5.3.6.3.7.3.8.3.9. 工业 47 3.10.3.11.3.12.3.13.减排潜力62 2 4.工业电气化对电力的影响网格 65 4.0.4.1. 5.工业电气化共同效益 68 5.0.5.1.5.2.5.3.5.4. 6.加快工业发展的建议电气化 72 参考文献 76 附录 80 附录2.工业电气化技术的好处和挑战83 1 Introduction 美国设定了整个经济的目标，到2030年将其净温室气体（GHG）排放量减少到2005年水平的50-52％ ，并设定了到2035年实现100％碳无污染电力的目标。(《气候公约》2021年)。实现这些目标将需要集中力量开发和部署跨部门的清洁技术。发电和运输部门受益于二十年来对技术研发的支持政策和投资，而对工业部门的类似支持则滞后。TheU.S.的减排目标将新的重点放在工业排放上，强调了商业化和部署清洁技术的必要性。《减少通货膨胀法案》（IRA）释放了3690亿美元的气候和清洁能源激励措施，为实现这些缓解气候变化的目标提供了强大的顺风。 工业电气化为许多工业热过程脱碳提供了途径。进一步的可再生电力部署减少了全国电网的排放因素，创造了通过电气化减少工业热排放的近期机会。本报告确定了可以电气化的特定工业热过程，其中许多使用市售技术。 1.0.工业热能挑战 工业热能需求，特别是对热能的需求，是减缓气候变化努力的重大挑战。热量占工业部门所有能源需求的三分之二(IEA2018a)。但是，只有10％的需求是使用可再生能源来满足的（OECD/IEA2014）。在美国，很大程度上由于该国相对便宜的天然气，化石燃料燃烧产生用于过程加热，反应，蒸发，浓缩和干燥的热量和蒸汽产生了该国约52％的工业直接温室气体排放（McMilla2017）。 尽管工业热能对全球能源需求和温室气体排放做出了重大贡献，但用于解决工艺过程中的热能排放以及其他现场加热和冷却需求的可扩展、具有成本效益的解决方案并不广泛可用。这与运输和电力部门形成了鲜明对比，在这些部门中，可用的可再生电力，电动汽车和新的移动战略反映了过去二十年来的重要进展。 可再生热能解决方案，包括电气化解决方案，面临着许多技术，市场和政策障碍，这些障碍阻碍了其大规模开发和部署，正如我们先前的报告（Hasabeigi等人。2021)。与可再生电力相比，热能面临着几个独特的挑战。从一个工业过程到另一个工业过程的热需求变化很大，并且通常是特定于现场或部门的。 工艺还需要在广泛不同的温度下加热,并且用于高温工艺的解决方案与低温工艺有很大不同。 许多工业热能购买者已经为自己设定了雄心勃勃的、基于科学的减排目标，认识到不仅需要减少发电排放，而且还需要减少热能消耗的排放。但是，如果不进一步开发和部署减排技术，实现这些个人目标以及国家的减排目标将具有挑战性。 1.1.电气化的机会 通过将热量产生从碳密集型化石燃料转移到使用低碳或零碳电力的电气化等清洁来源，有一个重要的机会使工业部门脱碳。在全球范围内，超过50％的最终能源需求用于供暖，约一半用于工业供暖（IEA2018b ）。在低温和中等温度下对工业过程进行电气化有很大的未实现的潜力。一些行业也对高温工艺进行了电气化，例如使用电弧炉的钢铁行业。 然而，迄今为止的电气化讨论大多集中在运输和建筑部门，很少关注工业部门。本报告旨在通过根据现有的热量需求概况和可用于满足这些加热需求的电气化技术，检查工业子行业的热量消耗概况和电气化潜力，来填补其中的一些空白。 该报告确定了可以在短期内使用商业可用技术电气化的特定工艺，并分析了能源使用的预期变化，CO2排放和能源成本。了解哪些常规工艺可以电气化，以及这如何影响排放和成本，可以帮助工业设施确定哪些工艺可能是电气化的合适人选。此外，了解电气化带来的工业能源需求的潜在增长可以帮助公用事业、电网运营商和发电机为这些变化做出计划，并确保设备和发电资源可用，以满足对可再生电力日益增长的需求。 电气化工业过程具有在整个所研究州减少排放的潜力，如图1所示，该图显示了2050年工业过程电气化的排放变化。 工业电气化和相关的减排提供了潜在的共同利益，包括改善空气质量和公共卫生，降低空气污染减排成本，劳动生产率和作物产量效益。然而，重要的是要确保这些共同利益得到公平实现，因为几乎所有主要排放源部门，包括工业，不成比例地影响有色人种，而美国的空气质量有所改善S.在过去的几十年中，有色人种，特别是黑人和西班牙裔美国人，仍然暴露于高于平均水平的空气污染。在制定工业电气化计划、计划和政策时，确定和分析所有共同效益可以帮助提高使用率。有关共同福利的其他信息见第5章。 图1.2050年工业过程电气化排放变化 1.2.特定于部门和国家的分析 本报告包括对美国20个州的12个工业子行业的现有技术和电气化潜力的自下而上的工业子行业、系统和技 术水平评估。从图2中可以看出，减排潜力最高的行业在所研究的各州之间有所不同，尽管 几个趋势确实出现了。通过钢铁电气化，大湖区有明显的减少排放的潜力，而西北太平洋和墨西哥湾沿岸地区以及格鲁吉亚，可以看到氨电气化的最大排放量减少。 使纸浆和造纸工业电气化有可能显著减少几个州的排放，包括阿拉巴马州、佛罗里达州、肯塔基州和威斯康星州。附录4中各个州的概况报告中发现了对工业子行业的其他州级分析。 图2.2050年减排潜力最大的行业 报告还在第4章中考虑了工业电气化对未来发电，输电和配电的影响。随着建筑、交通和工业部门推动电气化和