2024能源效率2.0-打造未来能源系统白皮书

打造 未来 影第四响力册系列白皮书 能源效率2.0 能源系统 影第四响力册系列白皮书 能源效率了 是时候重新思考 费丹允佛德斯（集Jür气ge候nF方isc案he事r）业部总裁 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。 1 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。 影响力系列白第四皮书册 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。 “用‘停电无光’一词来指代电力中断实属不当。当电力系统崩溃时，失去光 源并不是最大的问题。” 格雷琴·巴克（GretchenBakke）《电网》4 2 影第四响力册系列白皮书 “任何足够先进的科技，均与魔法无异。” 阿瑟·克拉克（ArthurC.Clarke）《预言的危害》5 3 只有两分钟？ 影响力系列白第四皮书册 能源系统2.0关键要点 1.实现全面电气化 从化石能源系统过渡到充分电气化的能源系统，我们可以减少高达40%的最终能源消耗6。电气化本身就可以提升能效，因为大多数电力技术在实现与化石能源相同功能时能源损耗率较低。 2.实施需求侧灵活性解决方案 重塑能源效率不仅要减少能源使用，还要在合适的时间使用能源。通过最大限度地发挥需求侧灵活性方案的潜力，欧盟和英国每年可减少4000万吨二氧化碳排放，减少106太瓦时天然气发电量，约占2022年欧盟天然气发电消耗量的五分之一。此外，到2030年，每年可节省的社会成本将达到105亿欧元，家庭平均可节省7%的电费。 H2 3.合理发挥氢能潜力 利用可再生能源助力未来的能源系统，需要迅速扩大氢能的规模。然而，制备氢需要大量能源；到2050年，制氢所需的电力将超过现在总电力需求的一半7,8,9,10。高效的电解技术对于确保能源安全稳定以及降低氢能源需求至关重要。 4.推进行业耦合 通过战略性地实施行业耦合技术、充分利用余热，我们最终可以降低对能源生产的需求，并最大限度地提高效率。到2030年，全球高达53%的能源消耗将作为余热被浪费掉11。然而，通过更深入的行业耦合，这些热量可以被收集和再利用，为机械提供动力，为建筑供暖、提供生活用水。 4 影第四响力册系列白皮书 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。 7 11 19 25 31 35 电网大改造 未来属于电气化 灵活性：时机决定一切 能源转换：实现净零的关键储存未来能源 通过行业耦合实现能源再利用 41政策建议 5 影响力系列白第四皮书册 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NickEyre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）、JanRosenow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、FrederikDahlNielsen（奥尔堡大学可持续能源规划博士研究员）和BrianVadMathiesen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。 丹佛斯《影响力系列白皮书》第4册由丹佛斯集团传播与公共事务部分析团队编写，电气化业务发展总监HelgeVandelJensen、数字服务组合经理DitteLykkeWehner和丹佛斯气候方案全球公共事务与传播负责人AndreaVoigt提供了不可或缺的协助。 丹佛斯集团传播与公共事务分析团队负责人SaraVadSørensen:sara.sorensen@danfoss.com。 丹佛斯行业专家库（按名首字母排序） 程宝江 船舶解决方案 13952447758 chengbaojiang@danfoss.com 曲磊 数据中心解决方案 13924018046 qulei@danfoss.com 唐小辉 储能、工业热泵解决方案 13925015676 tangxiaohui@danfoss.com 练俊 新能源汽车功率半导体解决方案 15201847582 jun.lian@semikron-danfoss.com 芮小东 电子厂房解决方案 13601696529 ruixiaodong@danfoss.com 王超 电气化解决方案 13061893621 chao.wang@danfoss.com 6 电网大改造 影第四响力册系列白皮书 “化石燃料时代正开始走向终结，而我们正在见证这一历史性时刻。我们需要为此做好准备。” 法提赫·比罗尔（FatihBirol），国际能源署总干事12 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。 7 世界能源供应的转变 影响力系列白第四皮书册 EJ (艾焦耳)2023 历史数据 净零方案 2050年既定政策 700 600 500 400 300 200 100 无法减排的化石能源传统生物质能 可实现减排的化石能源核能 其他可再生能源生物质能 水能风能太阳能 0 2010 2020203020402050 Year 图1：如要实现净零排放过程中世界能源供应所必须要做出的改变，以及如果继续按照目前轨迹实施既定政策，到2050年我们的处境。资料来源：国际能源署2022年《世界能源展望》16 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NickEyre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”