美国能源转型净零路径

美国能源转型净零路径杜克大学尼古拉斯能源发布了《美国能源转型净零路径》这篇报告。以下是对该报告的部分摘录，完整内容请获取原文查看。该报告旨在加强美国强劲能源转型所需的证据基础，并阐明实现净零目标的关键障碍和途径。它也是美国能源途径未来工作的基础，它将对这些主题进行深入和持续的分析。1.美国排放历史和一切照旧方向美国是世界上最大的经济体，在后工业时代的大部分时间里一直是世界上最大的能源消费国，直到最近15年才被中国超越。同样，美国是全球累计温室气体排放的最大单一国家贡献者，甚至在考虑进口商品和服务所包含的排放之前也是如此。截至2020年，这一相对贡献占自工业革命开始以来全球二氧化碳排放总量的25%（Ritchie2019）。按人均计算，美国的能源使用量相对较高，但自2000年以来每年下降1.8%。美国人口增长，而能源消费总量保持相对稳定。拜登政府正在积极寻求美国的能源转型。拜登政府以《巴黎协定》的国际承诺为起点，更新了美国对该协定的国家自主贡献（NDC），到2030年温室气体排放目标比2005年的水平低50%至52%，“不迟于2050年”实现整个经济的净零排放（白宫2021a）。这是美国雄心壮志的大幅提高，从2015年NDC的目标到2025年比2005年的水平降低26%至28%，到2050年比2005年的水平降低80%。不出所料，一切照旧（BAU）情景不会让美国走上实现这些《巴黎协定》气候承诺或实现拜登政府本世纪中叶净零目标的轨道。六大类二氧化碳排放量是化石燃料燃烧，截至2019年占美国温室气体排放总量的74.4%。最大且不断增长的份额来自交通运输，占所有排放量的27.3%。在2010年之前，电力部门是最大的排放源，占所有排放量的三分之一;然而，到2019年，燃煤电厂的退役以及向天然气和可再生能源发电的持续转变使其份额降至24.1%。紧随其后的是工业（12.4%）和住宅部门（5.1%）。2019年，与化石燃料燃烧无关的工业来源的二氧化碳排放量占美国温室气体总量的6.0%，其中大部分排放来自水泥制造、能源生产和钢铁行业。2019年的甲烷排放量约占所有排放量的10%，其中约4%来自农业（主要是肠道发酵和粪便），4%来自能源生产（天然气系统和煤炭开采），2%来自废物（废水处理和燃烧）。2019年，一氧化二氮占总量的6.9%，主要来自农业，氟化气体占2.8%，主要来自化学品对臭氧消耗物质的替代。在此任务中，与发电相关的排放在电力消费者之间共享;因此，电力部门的右栏复制了其他部门已经以黄色显示的排放量。按燃料计算，45%的二氧化碳排放与石油消费有关，主要是在运输部门。天然气使用导致34%的CO2排放，并分布在工业、住宅和商业部门，其中工业用途是总数的最大组成部分。使用大部分煤炭用于发电，除了工业部门的少量。与电力消耗相关的排放是住宅和商业排放总量的最大份额，是工业排放的重要组成部分。能源消耗、能源生产以及商业、住房和运输等更广泛特征的这些趋势在美国各地差异很大。图4按住宅、商业和运输部门的人均能源消耗对美国各州进行排名。一般而言，人口最少的州人均能源使用量最高。这可能是由于人口更加分散，运输需求增加，这一假设值得在评估国家与区域或地方政策干预的影响时加以研究。这些州大致集中在该国中部，随着排名向东海岸和西海岸移动，人均能源消耗量下降。住宅和商业用途也大致遵循由供暖度天数测量的天气模式，较冷的州使用更多的能源用于供暖目的。各州的收入分配（未显示）也遵循类似的（尽管相反）排名，其中较贫穷的州更集中在国家中心，人均使用更多的能源，因此如果减排导致能源价格上涨，可能会面临更高的负担。影响这些数据的最大因素之一是包括能源生产过程中使用的能源，这被归类为工业。例如，这就解释了为什么路易斯安那州及其炼油厂的工业能源使用量是全国平均水平的6.5倍（按人均计算，它的人口也相对较少）。德克萨斯州还拥有全国大部分炼油业，部分原因是能源使用量超过2.5倍。美国平均水平，但这低于路易斯安那州，因为它的人口更高。更一般地说，工业使用仍然遵循其他部门能源使用的粗略分布，其中中央各州的人均能源使用量比沿海地区高得多。对于东海岸和西海岸，对服务业（反映在商业部门）的更大重视以及不太关注重工业或能源密集型行业的制造业基础使它们在排名中垫底。2.常态的预测撇开美国排放在国内的地理分布不谈，要了解整个国家的净零路径，首先要研究在没有新的气候政策的情况下，哪些经济部门将产生大部分未来排放。虽然本报告政策前景部分详述的最新立法将影响这些途径，但它们为未来分析和行动提供了重要的基线。图5将美国能源情报署（EIA）的2022年年度能源展望（AEO）参考案例排放预测（EIA2022）（代表缺乏新政策或BAU）分为几大类。目前，发电约占美国一氧化碳的30%2与能源消耗有关的排放。到2050年，在BAU路径下，发电的排放份额预计将略微下降至23%，但这一预测并不意味着近期历史的延续。导致燃煤排放量大幅减少的趋势。轻型车辆（LDV）约占预测总排放量的21%，这一比例在2050年之前保持不变。总体而言，AEO对电动汽车采用的预测是保守的（鉴于它完全依赖于现行政策），因此约占所有预期CO的44%22050年的排放仅来自两个来源——发电和LDV。这些部门在共同的事实是，目前使用的技术选择可以大大减少或消除这些排放，并且可以制定未来的政策，以BAU无法捕捉到的方式扩大这些技术的采用。运输部门的剩余排放量——货运卡车占2050年总排放量的8.5%，航空占6.3%，所有其他来源占5.2%——是2050年参考案例基线中整个经济体中最大的剩余排放源类别之一。然而，与LDV相比，这些运输方式的减排机会更少和/或可能更昂贵。在住宅和商业部门，预计一半的能源需求将由电力供应;据推测，使用当今可用的技术可以脱碳。这两个部门的剩余能源消耗（主要是天然气）各占总排放量的5%至6%。空间供暖占住宅能源需求的最大份额，也是整体商业能源消耗的重要组成部分。广义的工业部门目前排放的二氧化碳排放量约占美国能源相关二氧化碳排放量的20%，在BAU情景中，预计到2050年这一比例将增加到25%。水泥和钢铁行业的减排机会已经或正在开发中。然而，工业排放的任何大幅降低都将取决于散装化学品行业等领域的额外技术发展，预计占6.6%。所有我们的能源有限公司22050年的排放量。该领域以及包容性“其他”类别的减排技术可能因特定产品和行业，可能使这些来源的减排变得困难，并且比大多数其他行业的脱碳带来更多的技术挑战。在许多情况下，用非化石替代品代替原料具有挑战性，尤其是钢铁和水泥生产，因为高热要求、成熟的生产系统以及许多用于商业应用的替代原料未经测试的性质（Cleary2022）。电气化工业过程通常比传统的化石能源系统更昂贵。在AEO参考案例中（同样，没有2022年以后的气候政策，也没有最近立法的影响），图6中按单位类型划分的发电量预测显示，短期内煤炭发电量有所下降，但2050年仍有相当大的煤炭产能。天然气有所增长，随着可再生能源随着时间的推移增加产量，燃气轮机容量的变化最大，可用于提供可靠性服务。陆上风电在整个预测范围内不会持续扩张，尽管一些海上风电进入了该系统（部分是为了响应弗吉尼亚州《清洁经济法》（2020年）和最近联邦在东海岸租赁高达30吉瓦的潜在海上风电等任务）。中央参考预测中最大的持续变化是太阳能光伏发电，随着安装成本的持续下降，太阳能光伏发电建立在最近的增长基础上。一些电池存储在预测中变得具有成本竞争力，有些是强制性的，但在参考情况下，大多数可靠性需求都可以通过调峰燃气轮机来满足。建筑业在绝对能源方面面临着最大的扩张，集中在石油使用上-主要是重型车辆-这表明实现未来减排存在一些潜在的困难。粮食和农业能源使用量也大幅增加，甚至忽略了该部门超出能源消耗的温室气体排放。其他制造业也同样扩张，主要是在天然气的支持下。历史能源和排放特征以及BAU趋势为了解美国脱碳挑战提供了必要的窗口。BAU显然不足以实现美国的净零目标。相反，美国经济可能摆脱过去的能源系统有多种途径，每条途径都强烈利用清洁电力生产、传输和灵活可用性作为未来电力使用和高排放部门低碳电气化的支柱。以下部分总结了对这些途径的一些主要分析，并帮助阐明了进一步战略的必要性，以实现美国的净零排放。3.潜在的净零轨迹——来自近期研究的证据几项备受瞩目的定量分析探讨了到2050年在美国实现温室气体净零排放需要采取的步骤。比较这些分析突出了广泛的共识领域和替代观点，并提升了制定实现2050年目标的临时步骤、技术需求、政策目标以及可能的顺序和优先次序的关键考虑因素。（国际能源署的）2050年净零排放：全球能源部门路线图（IEA2021）、普林斯顿快速能源政策评估和分析工具包（REPEAT）项目的净零美国：潜在路径、基础设施和影响（Larson等人，2021年）和美国国家科学院（NAS）的加速美国能源系统脱碳（NAS2021）。总的来说，这些研究就实现净零排放的可能途径得出了一致的结论。从根本上说，到2050年实现净零排放在技术上是可行的，因为使排放密集型部门脱碳所需的技术类型要么已知，要么正在开发中。虽然这些技术的部署轨迹包含许多不确定性，但与在没有净零导向的气候政策的情况下可能发生的能源支出相比，成本估算占未来GDP的百分比通常相对较小（当前政策将在以下主要部分中讨论）。然而，到2030年，技术和基础设施必须在大多数部门以前所未有的速度部署，以实现2050年的目标。由于美国必须在短期内迅速扩大减排技术的实施，因此研究通常将风能和太阳能发电以及车辆电气化确定为减排的核心早期驱动力。家庭和企业的电气化（空间供暖和制冷、水加热等）也必须加速，而部署或准备部署先进的——不太成熟的——技术机会对于减少更难减排的来源的排放至关重要，例如某些工业过程和某些形式的运输（例如航空）。因此，需要研发（R&D）来快速扩展解决方案，例如先进电池，氢电解槽和直接空气捕获（DAC）等。总的来说，这些研究为能源转型的以下每个主要组成部分提出了关键步骤：清洁发电、最终用途电气化和工业过程脱碳。对于清洁发电，风能和太阳能生产是最近研究中最早和最大的减排来源。普林斯顿大学的研究-在五个主要情景中的四个-到2030年将风能和太阳能翻两番，达到600吉瓦，能够提供美国一半的电力。美国现有的燃煤电厂（以及全球情景中的其他发达经济体）需要在2030年或2035年之前停止运营（IPCC2022;国际能源署2021;拉尔森等人，2021年）。随着新一代的上线，到2030年，高压输电将扩大60%（Larson等人，2021年）。电网还需要容纳更多信息，更具弹性并保持可靠性，所有这些都需要对电网进行重大的现代化改造。总体而言，美国的电力净零排放将在2030年之后不久实现，发达经济体将在2035年实现净零排放（IEA2021）。除了清洁电网外，交通和建筑物还必须电气化，以取代目前用于这些目的的化石燃料。净零分析将电动汽车（EV）确定为减排的早期来源。在普林斯顿大学的报告中，美国有超过5000万辆轻型电动汽车上路，到2030年将有超过300万个公共充电器。建筑物电气化，主要是通过将住宅供暖和空调从天然气和石油转移到电力驱动的热泵。例如，普林斯顿大学的报告将到2030年将住宅中热泵的份额