能源效率2.0：打造未来能源系统白皮书.pdf

1 影响力系列白皮书 第四册能源效率 2.0打造未来能源系统影响力系列白皮书 第四册1 影响力系列白皮书 第四册是时候重新思考能源效率了费允德（Jrgen Fischer）丹佛斯集团气候方案事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。2 影响力系列白皮书 第四册同样，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。“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（Gretchen Bakke）电网4“任何足够先进的科技，均与魔法无异。”阿瑟克拉克（Arthur C.Clarke）预言的危害53 影响力系列白皮书 第四册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。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。能源系统2.0关键要点只有两分钟？H2 4 影响力系列白皮书 第四册5 影响力系列白皮书 第四册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。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政策建议7111925313541能源效率2.0 6 影响力系列白皮书 第四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。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Helge Vandel Jensen、数字服务组合经理Ditte Lykke Wehner和丹佛斯气候方案全球公共事务与传播负责人Andrea Voigt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Sara Vad Srensen:。丹佛斯行业专家库（按名首字母排序）程宝江船舶解决方案曲 磊数据中心解决方案唐小辉储能、工业热泵解决方案练 俊新能源汽车功率半导体解决方案15201847582jun.liansemikron-芮小东电子厂房解决方案王 超电气化解决方案7 影响力系列白皮书 第四册“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（Fatih Birol），国际能源署总干事12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。8 影响力系列白皮书 第四册图 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1620100100200300400500600700历史数据EJ(艾焦耳)2023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净零方案2050年既定政策2020203020402050Year世界能源供应的转变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。如图1所示，这将成为未来的主要能源之一，与太阳能和水力发电等其他功生能源并驾齐驱。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。9 影响力系列白皮书 第四册图2：改编自Eyre,N.(2021)。热生能源的来源包括生物质、煤炭、石油、天然气、核能和地热。功生能源包括水电、风能和太阳能。在可再生电力系统中，我们预计会有一些能源来自核能和地热，但从全球范围来看，这些能源微不足道。热能服务包括建筑供暖、洗涤、烹饪、干燥、蒸汽加热和熔化。做功服务包括固定电源、运输、照明、数据处理和电子化学。资料来源：Eyre,N.(2021).从使用热能到使用功：重新认识零碳能源转型，能源效率14:77,1-20当前能源系统中的热与功能源来源最终燃料最终用途的转换能源服务锅炉固态液态气态来源于热煤、石油、天然气、生物质、核能、地热来源于功水电，风能，太阳能电力电加热引擎马达做功供热未来能源系统中的热与功能源来源最终燃料最终用途的转换能源服务锅炉固态液态气态来源于功水电，风能，太阳能电力电加热引擎马达做功供热 10 影响力系列白皮书 第四册实现全面电气化，大多数可再生能源都能发电。为了配合实现净零排放带来的可再生能源大规模建设，电气化的广度和深度都需要更进一步。这是本章节的要点。摒弃热生能源，转而通过电力制热如第13页所述，直接通过热泵制热或间接上通过区域能源。在100C以下的供热中，电力比化石能源更高效，而100C的标准对于建筑供热和许多工业流程来说绰绰有余18。在难以脱碳的行业实现间接的电气化。虽然还未实现完整规划，但我们必须在长途航空业、长途航运业和一些高温工业流程中寻找替代能源。其中最有前途的替代能源之一是低排放的氢能，我们将在第15页对此进行探讨。在净零排放的情况下，不仅能源来源必须改变，能源的使用方式也必须改变。我们的电网必须进行转型，在不牺牲舒适度、能源安全或经济增长的前提下提供服务。这种转变包括：21能源网络电气化的关键步骤311 影响力系列白皮书 第四册充分电气化的能源系统可降低高达40%的最终能源消耗19。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。12 影响力系列白皮书 第四册全球工程机械每年排放400公吨二氧化碳22，相当于国际航空的排放总量23。排放量的50%来自挖掘机24。现如今，挖掘机的系统效率只有30%，这意味着发动机产生能量的70%被浪费掉了，而不是为挖掘机的铲斗供能。要确定重型车辆的能源损耗，光看车辆的发动机是不够的。在工程机械的液压系统中，液压泵对液体（油）进行加压，以传输发动机的动力，从而完成起重或挖掘等工作。无论车辆使用的是电动机还是内燃机，都可以采取节能措施大幅降低车辆的能耗。例如，通过变排量泵、数字排量泵、变速泵和分散式驱动器等解决方案，可以在车辆非运行期间大幅降低能耗。这些节能措施可以使挖掘机能够用更紧凑的发动机和更少的燃料完成更多的工作。这些措施还可将电气化所需的电池容量减少24.8%25。这类技术发展迅速，其中一些先进技术可为15吨以上的挖掘机节省15-30%的燃料，同时提高机器的工作表现26。很快，这类技术就可以应用到所有规格的挖掘机上，甚至可以节省高达50%的燃料消耗27。案例：重型车辆脱碳15-30%Danfoss Impact Issue no.4 12 通过提高能效可节省燃料消耗13 影响力系列白皮书 第四册正如我们在第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。案例：高效电采暖目前，全球约60%的供暖通过化石能源实现28，每年排放约4千兆吨二氧化碳，占全球排放量的10%29。这是因为许多住宅和商业建筑都在使用燃气锅炉等传统供热技术。然而，热泵可以提供相同水平的热量，但能耗更低，碳排放量更少。事实上，对于一个普通家庭来说，热泵输出的热量是用于运行热泵的电能的四倍30。根据热泵类型的不同，即便是单个热泵的能效也比化石燃料或电阻系统高出3-5倍31，因为热泵的原理是用电力从空气、水或地下源源不断地获取已有的热量，而不是使用燃气或电力产生新的热量。换句话说，热泵可以循环利用热量，从而减少加热相同空间所需的能量。此外，与燃气锅炉相比，热泵可节省大量能源费用，在德国可节省45%，在法国甚至可节省60%，具体取决于燃气价格和安装的热泵类型32。在单体建筑中，特别是在城市中，区域能源是热泵很好的替代品，可以将可再生能源和多余热量等不同能源更深入地渗透到能源网中。当然，热泵也可以作为区域能源的补充。例如，如果区域能源网的温度低于需求水平，热泵可以用来提升温度。3-5倍热泵的能效是化石燃料或电阻系统的 14 影响力系列白皮书 第四册陆路交通排放占全球能源相关排放量的15%以上33。然而人们普遍认为，扩大新能源汽车规模是我们降低陆路交通排放，实现2050年净零排放的最大机遇。事实上，根据国际能源署的数据，目前看来，“扩大新能源汽车规模”是为数不多的几个在实现净零排放道路上进度正常的目标之一34。但是，新能源汽车究竟能多大程度上帮助减少碳排放呢？显而易见的一点是，新能源汽车不会直接向大气排放温室气体，而且电力可以做到零碳。但推动该行业实现脱碳的另一个关键因素是，新能源汽车的电驱系统比其燃烧系统更高效，能量损失仅为15-20%，而汽油发动机的能量损失为64-75%35。除此之外，通过采用高能效的功率模块，还可以进一步减少能量损耗，从而将电池体积缩小 5-10%，或将行驶里程增加4-10%36,37,38,39。也就是说，驾驶新能源汽车行驶同样的距离，浪费的能源更少，这意味着驾驶者可以用更少的电来行驶相同里程。转头来看看新能源汽车的生产过程。尽管由于电池制造过程中碳排放量大，新能源汽车的生产往往比使用内燃机的汽车更加高碳，但麻省理工学院的一项研究显示，由于新能源汽车靠充电行驶，生产过程中的排放将在6到18个月内被迅速抵消40。如果这些技术发展、迭代，新能源汽车将成为内燃机汽车更好的替代品。案例：新能源汽车产业推动减排进程15 影响力系列白皮书 第四册案例：让能源密集型行业实现脱碳在还不能实现电气化的行业，我们至少可以实现脱碳。例如，生产钢铁和水泥需要极高的温度，而电炉还无法实现高效生产。虽然高温工艺电气化技术已在发展，但这些工艺目前还没有实现大规模投入使用。除了化石燃料，我们几乎没有其他选择。同样，在航空和长途航运等行业，虽然电动机可以产生足够的动力，但所需的电池过于重，而且占用空间太大，以至于并不实用。在高温生产和长途航运、航空等行业，氢能都是实现脱碳的最大希望。水通过电解分成氧气和氢气，氧气可以被简单地释放回大气中，而氢气则可以被捕获、储存或进一步转化为替代燃料，如电子氨、电子煤油和电子甲醇。然后，这些燃料可用于需要高温或长距离运输的工业或工艺。转换过程中的每一步都会有能量损失。例如，电解过程中有大约30%的能量损失41。把氢再转换成某种形式的可部署能源（如电子燃料）时，还会有额外的能量损失，因此总的往返能源效率为18-42%42。由于存在较大量的能量损失，这些电子燃料并不一定比化石燃料更节能。然而，假设用于制氢的电力来自可再生能源（2050年能源系统中的绝大多数电力都将来自可再生能源），这将是实现这些能源密集型行业脱碳的可行途径，但这还有很长的路要走。16 影响力系列白皮书 第四册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。能效能源系统 2.0可持续能源电气化图3：如果我们要在 2050 年实现净零排放，就必须同时考虑能效、电气化和可再生能源。17 影响力系列白皮书 第四册更高效的电气化技术将使可再生能源更快地占据能源市场的更大份额。”Jan Rosenow博士和Nick Eyre教授（Dr.Jan Rosenow&Prof.Nick Eyre）为零排放重新定义能源效率44“18 影响力系列白皮书 第四册提升能效可加快电气化进程提升能效可加快电气化进程。例如，在乘用车、重型车辆和海运中，提升能效的措施可以减小所需的电池体积。这就意味着减少了所需的充电功率和可再生能源，从而使电气化成本更低，更具竞争力。提升效率还可以降低对充电基础设施的需求，提高车辆的生产率和续航能力。电气化本身就是一种能效提升手段电气化既能推动可再生能源取代化石燃料，又能以电力技术的更高效率实现能源的节约，从而实现减排。事实上，牛津大学的一项研究表明，从化石能源系统转变为充分电气化的能源系统，可降低高达40%的最终能源消耗45。这是因为通过可再生能源而不是煤炭或天然气等产热来源来发电，不会以热能的形式浪费能源（见图2）。实现全面电气化1219 影响力系列白皮书 第四册“在可再生能源发电量较少的高峰时段节约一度电，比在可再生能源发电量过剩的时段节约同样一度电，所产生的减碳价值和环境效益要大得多。”Nick Eyre教授,为零排放重新定义能源效率46灵活性技术：时机决定一切我们一天的能量消耗方式由行为决定。清晨时分，我们大多数人都在熟睡。路灯亮着，火车每半小时才来一班。但是，当我们醒来开始一天的生活时，水流进了楼房，煤气通到了炉灶，电力通到了家中。孩子们上学去了，大人们上班去了，家里便没有了能源消耗。然而，在白天住房空空如也时，城市的其他地方却开始热闹起来。商店开门营业，办公室里人满为患，火车运行频率也更高了。经过短暂的午餐高峰和空调与午后酷热的搏斗，人们从学校和工作场所返回家中。这时，我们对能源的需求陡增。准备晚餐、洗衣服、看电影、入夜后开灯照明。在家里度过一个正常的夜晚后，我们和能量系统终于可以获得整晚的休息。这是一个生动的例子，说明在一个相对发达的能源系统中，能源需求是如何在正常工作日中循环往复的。同样，在未来以可再生能源为基础的能源系统中，能源生产也会出现高峰和低谷。当人们起床或工作一天后回家时，能源系统中会出现急剧的用电高峰，但这并不总是与艳阳高照或狂风大作的时段完全一致（见第32页图7）。这种不对位是我们未来能源系统面临的主要挑战之一。目前，即使是在可再生能源占比较高的国家，化石燃料仍被用作高峰时段的补充能源，这意味着我们在这些高峰时段排放的二氧化碳远远超标。然而，当不能再用天然气发电厂来满足高峰时段的需求时，我们必须找到新的方法来更灵活地管理能源。20 影响力系列白皮书 第四册案例：模型预测控制利用数字技术控制设备或改变使用能源的方式或时间，可以实现负荷转移和削峰填谷的自动化，主要通过实施“模型预测控制”数字工具来实现。以楼宇为例，人工智能驱动的技术通过结合楼宇、天气和用户数据来预测供暖和通风需求，可为楼宇节省高达20%的能源成本。通过控制，建筑物可以在高峰时段提前预热，或者在太阳即将照射到建筑物外墙时降低供暖，从而节约能源。对芬兰的100,000套配备了这种技术的公寓进行 跟踪分析显示，最大用电量减少了10%-30%48。同时，通过将用电量转移到最经济的时段，该系统可确保在不影响居民舒适度的情况下节省高达20%的建筑能源成本49。2021年，伦敦地方政府在八栋住宅楼中安装了模型预测控制装置，运行的前11个月就成功收回了初始成本，并节省了600兆瓦时的热量，相当于英国50个家庭一年的供暖用量。本节介绍了实现更加灵活的能源系统的途径，以及大规模实施需求侧灵活性解决方案可能节约的能源和成本的新数据。什么是需求侧灵活性解决方案？需求侧灵活性解决方案是指在可再生能源充足时使用可再生能源，并在高峰时段降低用电需求。这意味着要平衡能源消耗，使我们的高需求和绿电的低供应时段不会同时出现。实现这一目标的主要方法是需求侧灵活性解决方案，如负荷转移或削峰填谷，这两种方法或多或少都是为了减少高峰期的能源需求。要么将能源使用从高峰期转移到其他时段，要么通过减少一种功能的能源消耗，供给给另一种功能，从而完全避开高峰期。从根本上说，可以在需求高峰期关闭或减少设备，而选择在其他时间使用。虽然在某些情况下，这一过程实际上会导致更高的能源使用量，但容易实现，有时甚至更便宜和环保。因为能源在需求高峰期之外使用，不仅减少了电网压力，还节省了资金，因为非高峰期的能源更便宜。事实上，在美国，通过优化建筑能效、需求灵活性解决方案和电气化等手段，每年可节省高达1,070亿美元的用电成本。到2050年，建筑物的碳排放量还将减少91%47。当需求侧灵活性解决方案与高效的能源储存机制（见“储能”部分）相结合时，能效会更高，因为可以实现在低需求时段自动储存能源，以便在高需求时段使用。同样，这也能让消费者在能源价格高昂、碳排放高的时段使用廉价的可再生能源。21 影响力系列白皮书 第四册案例：欧盟和英国的能源灵活性前景让我们想象一下未来的情景，当电力充足时，我们的汽车会自动开始充电，而当电力不足时，汽车又会自动送电。在未来，供暖和制冷系统可以在不影响舒适度的情况下，自动在最佳需求时段运行。或者，当电价便宜时，超市里的冰箱可以自动调至超冷却状态。其实，这并不是科幻场景，其中许多灵活性解决方案已经存在，而且现在就可以实施（见“模型预测控制”案例）。在提高能源安全的同时，需求侧灵活性解决方案在节约能源、减排和节约成本方面的潜力同样巨大。包括欧盟在内的许多政府机构都认识到，需求侧灵活性对于大规模整合可再生能源非常重要50。然而，虽然政府部门对此认可度很高，但激励全面实施需求侧灵活性解决方案的政策行动却不甚积极。经由丹佛斯委托，一项新的分析研究了需求侧灵活性在欧盟和英国能源市场中的潜力51。分析发现，雄心勃来巨大的社会和环境效益，并降低消费者的能源开支。实际上，需求侧灵活性政策的潜力可能更大，因为本分析未考虑节省下来的配电网和内部输电网的投资，以及向系统运营商出售相关的支持性服务可能带来的收益。需求侧灵活性解决方案是逐步淘汰化石燃料发电的重要工具。到2030年，天然气年发电量会大幅减少106太瓦时，约占2022年欧盟天然气发电量的五分之一52。同样，到2030年，欧盟和英国每年可减少4,000万吨二氧化碳排放，超过丹麦2021年的国内碳足迹53。22 影响力系列白皮书 第四册10.5亿欧元到2030年每年可节约的社会成本高达与此同时，到2030年，欧盟和英国每年可节省105亿欧元的社会成本，到2050年可节省155亿欧元，这其中也包含了需求侧灵活性解决方案的大部分建造成本。2050年节省的部分成本源自于电力线路投资减少的21%。在最近的能源危机中，英国为应对能源危机拨出1,030亿欧元的专款，欧盟国家拨出了6,810亿欧元54。整个欧盟和英国都可以推广需求侧灵活性技术，使电网更具韧性。这将大大减少对政府补贴的需求，并在社会和消费者层面节省资金。到2030年欧盟和英国的普通消费者可以节省7%的电费，到2050年可以节省10%。为了实现巴黎协定的目标，欧盟和英国必须实现能源系统电气化。这将需要发电量的大幅增加，包括巨大的电池容量。然而，通过全面实施需求侧灵活性解决方案，在2050年之前，发电量的扩张可以减少313吉瓦，约占总发电量的10%。这包括将电网级的电池存储需求从298吉瓦大幅降至2吉瓦以下。从这个角度来看，2022年全球电池容量为28吉瓦55。世界已经面临着电池原材料稀缺的挑战56。通过减少对电池的需求，关键矿产供应链的压力将会缓解，并限制矿产开采带来的环境恶化。如果不能大规模推广需求侧灵活性解决方案，可能会对社会和环境造成重大影响。如今，我们每年要向可再生能源运营商支付数亿美元，让他们在风力或日照太强时关闭生产57。然而，到2030年，需求侧灵活性解决方案可以将这项支出减少25%58。同样，如果我们不设计一个可再生能源系统来应对能源供应不足的时期，我们就会面临停电的风险，这可能会造成巨大的经济损失59,60,61。需求侧灵活性解决方案是避免这些代价高昂的停电事故的重要工具。这应该给决策者留下一个问题：“我们负担得起错过需求侧灵活性解决方案的机遇吗？”40万吨到2030年每年减排的二氧化碳高达23 影响力系列白皮书 第四册超冷却超冷却关闭冰箱123456789101112131415161718192021222324时间用电量新的需求曲线Alsense技术关闭冰箱图4:Alsense技术如何降低需求高峰案例：超市冷柜的超冷却技术超市用电量占工业化国家总用电量的3%。而在超市内部，制冷系统在总能耗中所占的比例最高。然而，通过优化需求或负荷转移，可以降低超市在高峰时段的用电需求。例如，利用Alsense等数字技术，可以自动进行负荷转移，将超市冷柜冷却到比所需温度低得多的温度（也称为超冷却），在需求高峰时段之外，冷柜可以像电池一样有效地储存能量。这样，冰箱就可以在能源需求高峰时段关闭，既降低了电网压力，又为超市节省了开支。虽然该系统比传统冰箱系统耗电更多，但通过在可再生能源充足的时候使用能源，超市可以通过降低用高峰时段的需求，减少对高碳能源的需求。欲知更多信息，请参阅丹佛斯案例研究“为世界建造更好的超市”63。3%的工业化国家总电力需求来自超市 24 影响力系列白皮书 第四册灵活性能源需求可减少排放 通过实施需求侧灵活性解决方案，电力需求可以更好地与供应高峰时段保持一致。在欧盟和英国，将能源使用从碳密集型的需求高峰转移开来，到2030年每年可减少4,000万吨二氧化碳排放，超过丹麦2021年的国内碳足迹。同样，到2030年，天然气年发电量可大幅减少106太瓦时，约为2022年欧盟天然气发电量的五分之一。灵活性将为社会和家庭带来重大经济效益一项新的分析显示，雄心勃勃但又切合实际的需求侧灵活性解决方案将为消费者和整个社会带来巨大的经济效益。到2030年，欧盟和英国每年可节省105亿欧元的社会成本。除此之外，到2030年，普通消费者还可节省7%的电费。减少对电网级电池存储的需求通过全面实施需求侧灵活性解决方案，欧盟在2050年前的电网扩张可减少313吉瓦，约占总发电能力的10%。其中包括将电网级的电池储能需求从298吉瓦大幅减少到不足2吉瓦。从这个角度来看，2022年全球电池容量为28吉瓦。实施灵活性解决方案12325 影响力系列白皮书 第四册可再生能源可以生产出大量绿电。然而，在电力供大于求的情况下，风电机组和太阳能电池板等可再生能源基础设施就会被关闭。过多的电力供应会破坏电网稳定性，若运营商不削减部分能源供应，会为电网稳定性带来影响。因此，可再生能源运营商有时会被要求停产一段时间。在德国，2019年的停产补偿高达到7.1亿欧元64。然而，正如我们在第22页所探讨的，到2030年，需求侧灵活性解决方案可以让这种情况减25%65。实现这一目标的两个主要方法是能源转换和储存。在本节中，我们将探讨转换过程中的挑战和机遇，然后在下一节中重点讨论储能。什么是能源转换？能源转换既简单又复杂。简单地说，就是将一种形式的能源转换成另一种形式的能源，可以是风能转化为电能，也可以是电能转化为氢能，还可以是其他任何形式的转换。然而，在实践中，成功的能源转换需要相当复杂的工程技术。如果我们要实现能源系统的脱碳，掌握能源转换的技术和实施方法至关重要。未来的能源系统中，几乎所有的能源都来自于将太阳能和风能等可再生能源转化的绿电。此外，氢能转换将成为储能的主要形式。接下来让我们深入探讨如何提供足够的电力来支持氢能生产，以及这一过程如何帮助稳定电网。氢能在未来至关重要未来，我们将需要大量低排放的氢能，以实现巴黎协定的目标。一方面，氢能是储存多余可再生能源电力的有用工具。而同时，氢能在生产低排放钢铁、电子氨气、电子甲醇和其他电子燃料的行业中也至关重要，因为氢能可以替代化石燃料。此外，它还有潜力成为一种可持续的低排放燃料，用于长途国际航运、重型卡车甚至飞机等难以减碳的领域。虽然各项研究的结果不尽相同，但总的来说，氢能在能源组合中所占的比例只会继续增长66,67,68,69。但是，如何才能实现这些宏伟的制氢目标呢？未来，电解水，也就是通过将水分离为氢气和氧气而将电能转化为氢能的过程将大规模推广。如果为这一过程供电的电力来自可再生能源，我们就可以间接地使任何可以使用氢能，或由氢能产生的电子燃料的行业实现电气化，进而实现脱碳。能源转换：实现净零的关键 26 影响力系列白皮书 第四册+-然而，电解水过程需要大量电力供应。据国际能源署估计，到2030年，我们将需要额外11EJ的氢能，到2050年将需要54EJ的氢能70。从这个角度来看，氢能生产将需要目前总电力需求的一半以上71,72,73,74。这将不可避免地推动绿电供应的扩大，如何为电网提供这一部分电力，将成为未来的一大挑战之一。要生产2050年所需的低排放氢，需要大量的投资75。但未来我们究竟需要多少氢呢？欧盟计划到2030年生产和进口总计666太瓦时的氢，全部由低排放源生产76。这相当于约140座核电站