总体规划

2023 Master Plan Part 3

总体规划 第三章 —— 让全地球都用上可持续能源

Sustainable Energy for All of Earth

发布于 2023 年 4 月 5 日

致谢

感谢此前众多研究推动了"可持续能源经济"这一议题的发展，特别是国际能源署（IEA）、美国能源信息署（EIA）、美国能源部国家实验室，以及非 Tesla 关联的各位顾问的工作。

Tesla 贡献者：Felix Maire、Matthew Fox、Mark Simons、Turner Caldwell、Alex Yoo、Eliah Gilfenbaum、Andrew Ulvestad

Tesla 顾问：Drew Baglino、Rohan Ma、Vineet Mehta

执行摘要

2023 年 3 月 1 日，Tesla 发布了《总体规划 第三章》——提出了一条通往全球可持续能源经济的路径：通过终端用能全面电气化，以及可持续的电力生产与储能。本文详细说明了该提案背后的假设、数据来源和计算过程，欢迎讨论和反馈。

关键数字：

分析包含三个主要部分：

  1. 电力需求：预测一个完全电气化经济（不使用化石燃料）下满足全球能源需求的电力需求。
  2. 电力供给：构建一个最低成本的发电和储能组合，以满足每小时的电力需求。
  3. 物料可行性与投资：判断电气化经济对物料的需求与制造投资是否可行。

本文发现：一个可持续能源经济在技术上是可行的，而且其所需的投资和物料开采少于继续维持今天不可持续的能源经济。尽管此前许多研究得出过类似结论，本研究致力于将思考推进到"跨全球所有能源部门"所需的物料强度、制造产能和制造投资层面。

当前能源经济是浪费的

根据 IEA 的 2019 年《世界能源平衡》，全球一次能源供给为 165 PWh/年，其中化石燃料供给 134 PWh/年。37%（61 PWh）在到达终端消费者之前就被消耗掉了——包括化石燃料行业在开采/精炼过程中的自用能量以及发电转换损失。另外 27%（44 PWh） 由于终端用能效率低下而被浪费，比如内燃机车辆和天然气供暖炉。总的来说，只有 36%（59 PWh）**的一次能源供给真正转化为经济体所需的"有用功"或"有用热"。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的分析对美国与全球能源供给也得出了类似的浪费水平。

消除化石燃料的计划

在一个使用可持续电力的电气化经济中，上游损失（开采、精炼、燃烧制电）和下游损失（非电终端用能）的大部分都可以消除。某些工业过程会需要更多的能量输入（例如生产绿氢），某些开采与精炼活动需要增加（与电池、太阳能板、风机相关的金属等）。

以下 6 个步骤展示了完全电气化经济、消除化石燃料所需的行动。建模使用了 EIA 提供的 2019-2022 年美国高精度小时级数据，再按 2019 年美国与世界能源消费之比（约 6 倍）进行缩放以估算全球所需的行动。这是一个较大的简化，未来分析可以改进。

本规划将陆上/离岸风电、太阳能、现有核电和水电视为可持续发电源，并将现有生物质视为可持续（尽管长期可能被逐步淘汰）。本规划不考虑对过去一个世纪化石燃料燃烧排放的 CO2 进行封存——除用于合成燃料的直接空气捕获外。

1. 用可再生能源为现有电网换装

现有美国小时电力需求被建模为不可延展的基线需求。建模划分为 4 个美国子区域（德州、太平洋、中西部、东部），以反映需求、可再生资源、天气和电网输电约束的区域差异。

全球每年 65 PWh 的一次能源被投入电力部门，其中化石燃料 46 PWh/年；但由于化石发电转化效率低下，真正产出的电力只有 26 PWh/年。如果电网全部由可再生能源供电，只需 26 PWh/年的可持续发电即可。

2. 切换到电动车

由于动力总成效率更高、具备能量回收制动以及优化的平台设计，电动车的能效大约是内燃机车辆的 4 倍。这一比率在乘用车、轻型卡车和 8 级重卡中都成立：

车型类别 电动车 燃油车 能效比
乘用车 115 MPGe（292 Wh/mi） 24.2 MPG 4.8×
轻卡/货车 75 MPGe（450 Wh/mi） 17.5 MPG 4.3×
8 级卡车 22 MPGe（1.7 kWh/mi） 5.3 MPG（柴油） 4.2×

具体例子：Tesla Model 3 的能耗相当于 131 MPGe，丰田卡罗拉是 34 MPG——差距 3.9 倍；如果考虑到燃料开采与精炼的上游损失，这一比率还会进一步拉大。

全球交通电气化消除每年 28 PWh 的化石燃料消耗，应用 4 倍的效率因子后，产生约 7 PWh/年的新增电力需求。

3. 居民、商业与工业全面切换到热泵

热泵通过制冷剂的压缩/膨胀在源侧与汇侧之间搬运热量。选择合适的制冷剂，热泵可以覆盖居民与商业建筑的空间供暖、热水和衣物干燥，以及许多工业过程。

空气源热泵最适合替换现有住宅中的燃气炉，其供暖季节性能系数（HSPF）为 9.5 Btu/Wh，意味着可以"每输入 1 单位能量、输出 2.8 单位热量"。燃气炉的年度燃料利用效率约为 90%。因此热泵比燃气炉少用约 3 倍的能量（2.8/0.9）。

居民与商业部门

夏季，居民/商业需求在午后达到峰值（冷负荷最高时）；冬季则呈经典的"鸭子曲线"，早晚出现需求高峰。

全球居民与商业电器用热泵电气化消除每年 18 PWh 的化石燃料，产生 6 PWh/年的新增电力需求。

工业部门

200°C 以下的工业过程（食品、造纸、纺织、木材等）也能受益于热泵。基于不同温度区间的 COP 假设：

温度 / 应用 COP
0-60°C 热泵 4.0
60-100°C 热泵 3.0
100-200°C 热泵 1.5

根据 IEA，45% 的工业热需求低于 200°C。

全球 200°C 以下的工业热用热泵电气化消除 12 PWh/年的化石燃料，产生 5 PWh/年的新增电力需求。

4. 高温热工艺电气化与氢能生产

高温工业过程电气化

剩下 55% 的化石燃料工业用能对应高温（>200°C）过程，包括钢铁、化工、化肥和水泥生产。

这些高温工艺可以直接通过电阻加热、电弧炉来完成，也可以通过热储能进行缓冲，以便利用廉价且过剩的可再生能源。热储能的介质选择上，石墨/碳可达 3000°C 以上；氧化铝、二氧化硅、铸造砂可达 1500°C 以上；熔盐最高约 550°C；热油、水适用于更低温度区间。熔盐和热油可以作为传热流体输送热量，而空气则可以作为载体达到 2000°C 以上。

全球 200°C 以上工业过程热电气化消除 9 PWh/年的化石燃料，产生 9 PWh/年的新增电力需求（假设传热效率相等）。

为钢铁和化肥可持续地生产氢气

今天的氢气主要从煤、石油和天然气中获得，被用于化石燃料精炼（尤其是柴油）和各种工业应用（包括钢铁和化肥）。

绿氢可以通过电解水生产（能量强度高，不消耗/产生含碳产品），或通过甲烷热解生产（能量强度较低，产生固态炭黑副产品）。

保守估计的假设包括：

据此估计全球年需求为 1.5 亿吨绿氢，电解这些氢气大约需要 7.2 PWh/年的可持续电力。

全球可持续绿氢消除 6 PWh/年的化石能源消费和 2 PWh/年的非能源消费，取而代之的是 7 PWh/年的新增电力需求。

5. 可持续地为飞机与船舶供能

远洋和跨洋航运都可以通过优化设计速度和航线（从而减小电池规模并在长航线上更频繁地充电停靠）来电气化。据 IEA，全球海运每年消耗 3.2 PWh 能量。应用约 1.5 倍的电气化效率优势后，一个完全电气化的全球航运船队每年需要约 2.1 PWh 电力。

短程航班也可以通过优化的飞机设计和飞行航迹，在今天的电池能量密度下实现电气化。远程航班——约占航空能耗的 80%（全球每年约 850 亿加仑航空燃料）——可以使用由过剩可再生电力产生的合成燃料（通过 Fischer-Tropsch 工艺）供能。合成燃料所需：

这额外需要 5 PWh/年的电力。合成燃料的碳和氢也可以来源于生物质。随着电池能量密度提升，更多航班可以直接电动化，从而降低对合成燃料的依赖。

全球可持续合成燃料和船、机用电消除 7 PWh/年的化石燃料，产生 7 PWh/年的新增电力需求。

6. 制造可持续能源经济本身

建造可持续能源经济所需的发电与储能组合（太阳能板、风机和电池）本身需要额外的电力。这一部分被建模为一个增量的、不可延展的、恒定的工业部门用电需求。

对完全可持续能源经济的建模

以上 6 步合在一起，构造出一个美国全境的电力需求曲线，需由可持续发电与储能来满足。为此，我们使用一个小时级成本最优的"容量扩张 + 调度一体化"模型，在 4 个美国子区域之间运行，并使用 2019-2022 四个气象年。跨区输电极限基于 NERC 区域实体公布的主要通道容量：

模型约束为每小时留出 15% 运行储备裕度，以保证组合对超出显式建模的天气和系统状况具有鲁棒性。

各区域的风光小时级容量因子基于 EIA 数据估算，并参考普林斯顿《净零美国》研究的前瞻性趋势进行缩放。

区域 需求 (PWh/年) 太阳 CF 风电 CF
中西部 3.6 23% 40%
德州 1.6 27% 37%
东部 4.6 22% 29%
太平洋 1.9 27% 24%
美国整体 11.6 34% 36%

为了提供可靠的全年供电，经济上最优的做法是部署过量的风光装机——这会导致弃风弃光。当以下三个条件同时成立时会出现弃电：(1) 风光发电高于需求，(2) 储能已满，(3) 没有可用输电容量把过剩电力送到其他区域。在建模的假设下，最优发电与储能组合对应的弃电比例为 32%。

作为参考：2020 年苏格兰弃风 19%；2022 年加州（CAISO）弃光 6%。

一个有充裕、廉价能源的可持续能源经济，会改变能源的使用方式和时机。

在秋季样本日的建模中，日间太阳能充沛时出现大量弃光，同时储能充电；傍晚以后由锂电池和风电接力。氢储能则在春秋"肩部月份"（电力需求较低、风光较多时）整体充氢；而在夏冬高峰时释放——提供跨季节的储能能力。

储能技术评估

技术 往返效率 寿命 装机成本 (2030-2040)
锂离子（4-8h，LFP/石墨） 95% 20 年 $184-$231/kWh
热储能（15h） 95%* 20 年 $78/kWh
抽水蓄能 80% 100 年 >$270/kWh（受库容约束）
氢气（地质/盐穴） 98% 50+ 年 $19/kg H₂
季节性水电（约 2 个月） — 100 年 受入流约束

*热储能的效率为电→热的转换效率；模型不包括把热再变回电的过程。

金属空气电池（Fe ↔ Fe₂O₃）和钠离子电池尚未实现商业化部署，因此未纳入评估。

发电技术评估

发电 产能因子 寿命 装机成本 (2030-2040) 美国理论潜力
太阳能 23-28% 30 年 $752/kW + 联网 <153 TW（土地受限）
陆上风电 36-52% 30 年 $855/kW + 联网 <11 TW
离岸风电 48-49% 30 年 $2,401/kW + 联网 <1 TW
水电 >95% 100 年 $4,200-$7,000/kW <152 GW（仅现有）
地热 — 80 年 $5,616/kW <100 GW（仅现有）
核电（现存） — — $10,500/kW 仅现有

模型假设不新建核电和新建水电/地热。

建模结果

仅美国模型结果 —— 满足新增电气化需求

发电/储能 装机 年发电量 (TWh) 弃电 (TWh)
太阳能 PV 3,052 GW 4,046 2,431
陆上风电 1,971 GW 6,060 1,721
离岸风电 264 GW 453 62
现有核电 99 GW 699 —
现有水电 152 GW 620 —
发电合计 5,338 GW 11,637 TWh 4,214 TWh
8h 锂离子储能 815 GW / 6.5 TWh — —
工业热储能 212 GW / 6.9 TWh — —
电解槽 418 GW — —
氢储能 — / 107 TWh — —

此外还有 1.2 TWh 的分布式固定电池储能，基于与屋顶太阳能配套的住宅和商业储能部署。

全球模型结果 —— 电气化 + 交通电池

将上述 6 步应用到全球能源流动，将消减 125 PWh/年 的化石燃料能源消费，代之以 66 PWh/年 可持续电力（额外 4 PWh/年用于制造这些电池、太阳能板和风机）。全球发电与储能组合通过把美国组合放大 6 倍估算。

交通用电池

车辆

今天全球有 14 亿辆汽车，年产乘用车约 8500 万辆。基于各细分市场的电池包容量假设，全球车队需要 112 TWh 电池。自动驾驶有潜力通过提升车辆利用率来降低所需车队规模和年产量。

车型 电池包 (kWh) 正极 全球保有量 电池总量 (TWh)
紧凑型（相当于未来 Tesla 车型） 53 LFP 6.86 亿 36
中型（Model 3/Y） 75 LFP 3.80 亿 28
大型轿车/SUV/皮卡（Model S/X, Cybertruck） 100 高镍 1.49 亿 15
商用/乘用厢式车 100 高镍 1.63 亿 16
巴士 300 LFP 500 万 2
短程重卡 500 LFP 670 万 3
长程重卡 800 高镍 1330 万 11
合计 — — 14.03 亿 112

标准续航车辆使用 LFP 电池，长续航车辆使用高镍电池。

船舶与飞机

按每年 2.1 PWh 电力需求计算，如果船舶平均每年充电约 70 次、每次充到 75%，则全球船队需要约 40 TWh 电池。假设 33% 的船队需要镍锰基高密度正极，67% 仅需 LFP。

对航空：若全球约 15000 架窄体机中有 20% 电气化，每架配 7 MWh 电池包，则只需约 0.02 TWh 电池。这些是保守估计，实际可能更少。

全球组合汇总

用途 发电 (太阳+风，TW) 锂电储能 (TWh) 车辆电池 (TWh) 船机电池 (TWh)
为现有电网换装 10.6 22.9 — —
切换到电动车 4.9 3.7 112 —
切换到热泵 12.1 6.7 — —
高温热电气化 2.8 4.1 — —
可持续绿氢 3.7 4.4 — —
为飞机和船舶供能 3.7 4.4 — 40
合计 30.3（18.3 太阳 + 12.1 风） 46.2 112 40

总的全球储能加起来约 240 TWh（其中车辆 112、船机 40、固定电化学 46、固定热储能 42）。

所需投资

可持续能源经济的成本仅为继续投资化石燃料的 60%

投资清单包括制造设施、需要显著增长的物料的采矿与精炼、以及氢气盐穴储存的建设。在初始资本支出之外，还包括每年 5% 的维持性资本支出、20 年的期限。

在此假设下，建设可持续能源经济的制造基础设施将花费 $10 万亿，相比之下，若按 2022 年的投资节奏，20 年内继续投资化石燃料需要 $14 万亿。

主要投资类别（含 20 年 5% 维持性 Capex）：

类别 年产能 单位初始投资 总投资
电化学电池工厂 11,488 GWh/年 $1,091B $2,183B
车辆工厂 8900 万辆/年 $890B $1,780B
交通上游采矿/精炼 9,178 GWh/年 $837B $1,674B
电解槽 25 亿 kW/年 $577B $1,155B
Fischer-Tropsch 合成燃料 550 万桶/天 $385B $770B
碳捕获（合成燃料用） 8 亿吨 CO₂/年 $160B $320B
太阳能板工厂 610 GW/年 $212B $424B
车辆上游电化学 9,178 GWh/年 $221B $443B
固定式采矿/精炼 2,310 GWh/年 $189B $378B
氢气储存 — $362B $725B
发电用采矿/精炼 1,013 GW/年 $138B $277B
固定式热能工厂 2,070 GWh/年 $50B $99B
固定式上游电化学 2,070 GWh/年 $34B $67B
热泵 — $30B $60B
风机工厂 402 GW/年 $11B $21B
合计 — $5,211B $10,421B

所需土地面积

基于劳伦斯伯克利国家实验室对 2011-2019 年美国固定倾角系统的实测：功率密度约为 3.9 英亩/MWac。因此，全球 18.3 TW 的太阳能板车队将需要约 7140 万英亩，仅占全球 368 亿英亩陆地总面积的 0.19%。

基于 NREL 的研究，风电直接占地为 0.75 英亩/MW。因此全球 12.2 TW 风机车队将需要约 920 万英亩，占总陆地的 0.02%。

总共只需要全球陆地面积的 0.21%。

所需物料

基于第三方物料强度假设估算，要建造 30 TW 发电、240 TWh 储能、6000 万电路英里的输电线，总共需要 128.15 亿吨物料（年度 4.44 亿吨）。

对比参考：根据《2023 循环经济缺口报告》，全球每年从地球开采 680 亿吨物料（不含生物质），其中化石燃料占 155 亿吨。在可持续能源经济下，物料开采量将减少 108 亿吨——其中大部分是化石燃料开采被可持续物料的 33 亿吨开采替代。

物料可得性

将所需开采量与 2023 年 USGS 估计资源量对比评估：

此外，资源与储量在历史上一直在增长——即，当某矿物有需求时，就会有更多勘探投入、更多被发现。满足可再生能源经济的矿产开采、选矿与精炼产能必须增长，但其根本约束在于人力资本和审批/监管时间表。

回收

本规划需要大量的原生物料需求增长来启动可持续能源经济的制造规模化；一旦制造设施投产稳定，原生物料需求就会趋于平稳。进入 2040 年代，回收将开始显著降低原生物料需求，因为电池、太阳能板和风机将逐步达到寿命终点，其中有价值的物料将被回收利用。尽管采矿需求将下降，但精炼能力不会下降。

假设 80% 的关键物料可被回收，这一转型呈现为一个典型的"循环填充"过程：2023-2030 年代由于"电路正在被填满"，原生需求显著上升；2040 年代随着回收量增加和车辆/固定储能市场趋于饱和，需求增长趋于平缓；2050 年代当退役产品规模接近总需求时，原生物料需求开始下降。

结论

一个全面电气化、可持续的经济是可以企及的，只需以下 6 步行动：

  1. 用可再生能源为现有电网换装
  2. 切换到电动车
  3. 居民、商业与工业全面切换到热泵
  4. 高温热工艺电气化与氢能生产
  5. 可持续地为飞机与船舶供能
  6. 制造可持续能源经济本身

建模表明，电气化且可持续的未来在技术上是可行的，并且所需投资与物料开采都比继续维持今天不可持续的能源经济要少。

原文链接：https://www.tesla.com/ns_videos/Tesla-Master-Plan-Part-3.pdf