麦肯锡-难啃的硬骨头：应对全球能源转型中的物理挑战

摘要

难啃的硬骨头

应对全球能源转型中的物理挑战

作者

MekalaKrishnanChrisBradley

HumayunTaiTiagoDevesaSvenSmit

DanielPacthod

编辑

JanetBush

数据可视化

JuanM.Velasco

麦肯锡全球研究院

麦肯锡全球能源和基础材料咨询业务麦肯锡可持续发展咨询业务

合作研究

2024年11月

机密且专有。未经麦肯锡许可，严禁擅用本材料。

版权所有©麦肯锡公司2024年保留所有权利。

封面图片：黑色球中的绿色球©JorgGreuel/GettyImages

麦肯锡全球研究院

麦肯锡全球研究院（MGI）成立于1990年。其使命是帮助全球的企业和政策领导人做出最重要的经济和业务决策。MGI的研究成果得益于麦肯锡全面的地区、行业和职能知识、技能及专长，但报告的文字方向和决策由MGI全球资深董事合伙人及董事合伙人全权负责。

MGI的研究目前分为五大主题：

—生产力与社会繁荣:更高效地创造和利用全球资产

—全球资源：以可持续的方式建设世界、为其提供能源和养分—人类潜能：最大限度地发挥和实现人才的潜力

—全球网络：探索商品、服务、人员、资本和观点的互通如何引领经济发展—未来的技术和市场：讨论下一个重要的价值和竞争领域

MGI的目标是开展独立、基于事实的研究。我们的研究未受任何企业、政府或其他机构的委托或资助；MGI免费公开分享研究成果；研究资金全部来自麦肯锡的全球董事合伙人。虽然我们聘请了多位杰出的外部顾问为研究工作献计献策，但出版物中展示的分析成果仅代表MGI的观点，任何错误由MGI负责。

您可通过/mgi了解有关MGI和研究工作的更多信息。

MGI全球资深董事合伙人

MGI全球董事合伙人

SvenSmit(主席梁敦临)

SylvainJohansson

MichaelChui

JanMischke

ChrisBradley

NickLeung(梁敦临)

MekalaKrishnan

JeongminSeong

KweilinEllingrud

OliviaWhite

AnuMadgavkar

TilmanTacke

与麦肯锡全球能源和基础材料咨询业务、麦肯锡可持续发展咨询业务合作

麦肯锡全球能源和基础材料咨询业务提供对能源、材料和自然资源供应链的深厚洞见，为设立专项标杆及数据解决方案等提供咨询服务，旨在帮助利益相关方持续创造巨大价值。通过高级分析和全球团队的实力引导，我们对支持当前关键基础设施生态系统的各个部门提供独特的行业视角。作为战略和职能转型领域的综合性头部咨询公司，我们与数百家主要行业企业合作，帮助客户加速去碳化进程，实现能源、材料和食品转型，对此我们深感自豪。

麦肯锡可持续发展咨询业务是麦肯锡公司的客户服务平台，其目标是帮助所有行业到2050年实现净零排放，并按照《巴黎协定》达成全球目标。可持续发展是麦肯锡的首要任务，二十年来，我们一直帮助客户实现去碳化、打造气候适应能力和应对可持续发展挑战。我们的目标是成为私营部门最大的去碳化催化剂，并与全球各个经济领域的企业（包括高排放企业）合作，帮助他们创新、减排、并向可持续发展模式转型。为此，我们充分利用麦肯锡的思想领导力、创新工具和解决方案、领先的专业知识以及充满活力的合作生态系统，引领创新和经济增长，保护地球并促进可持续发展。仅在2023年，麦肯锡有超过4,500名同事与750家客户合作，在近67个国家开展了1,700项可持续发展项目。麦肯锡已设定科学基础目标，并经科学基础目标倡议（SBTi）验证，符合1.5摄氏度路径。我们致力于通过实现自身运营的去碳化和永久消除所有剩余排放，实现净零排放。

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夕阳下的熔盐塔式太阳能热电站

©koiguo/GettyImages

概述

—全球能源转型的进程尚处于早期阶段，大多数地区的低排放技术部署率仅仅达到2050年预设目标的10%左右。经过数个世纪的优化，目前的能源系统具备很多优势，但能源的生产和消耗却占全球二氧化碳(CO2)排放量的85%以上。即便扩大全球能源供应，创建一个低排放的能源系统，抑或是仅仅提高当前能源系统的覆盖率，均需要部署数以千百万计的新资产。当然，在部分领域，能源转型也已经取得了一些进展，但目前主要集中在低难度的用例。

—为顺利推进能源转型的进程，25个相互关联的艰巨挑战亟待解决。其中包括了开发和部署新的低排放技术，以及建立与之配套的全新供应链和基础设施。

—约有一半左右的与能源相关的二氧化碳减排目标与有赖于解决最艰巨的挑战。例如，管理包含多种可再生能源的电力系统，应对电动卡车在续航里程和有效载荷方面的挑战，寻找生产工业材料的替代热源和原料，以及在上述用例和其他用例部署氢气和碳捕获技术。

—最艰巨的挑战有三个共同特点。首先，部分用例缺乏成熟的低排放技术，无法提供与高排放技术相同的性能。其次，最艰巨的一些挑战往往伴随其他一系列的的困难与问题，因此需要采取系统性的方法。最后，鉴于存在各种制约因素和缺乏过往经验，新技术或系统很难马上进行大规模部署。

—了解上述挑战或将帮助企业领导者和决策者们实现能源的成功过渡与转型。他们可以确定当前在哪些方面可以主动出击、把握机会，在哪些方面会遇到可能的问题与瓶颈，以及如何融合创新和系统重组，以最佳方式应对严峻挑战。

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工程师在检查核电站的涡轮机。

©MontyRakusen/GettyImages

简介

全球能源系统庞大而复杂，是现代社会运行的基础。平均每人每年消耗的能源相当于800公斤原油。1从体力劳动角度估算，这大约等同于60人昼夜不停工作。在最富裕的经济体中，这个数字或能达到两倍或三倍。充足、廉价而可靠的能源支撑着数十亿人的发展和繁荣。

尽管能源系统有诸多益处，但却是85%以上二氧化碳(CO2)的排放源2。目前的系统仍然以化石燃料为主，化石燃料占所有初级能源消耗的80%以上3。因此，自2015年签署《巴黎协定》起，世界开始以减少排放为目标，进行能源转型，具体目标是“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2°C之内，并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5°C之内”。4

当前，能源转型尚处于初期阶段。迄今为止，大多数地区的低排放技术部署仅达到2050年设定目标所要求的10%左右，且集中于相对容易实现的用例。随着全球各地区面临更多棘手的用例，能源转型势必会出现更严峻的挑战。

更为复杂的是，在建设低排放新能源系统的同时，该系统仍需不断扩大，让数十亿尚未有机会获得能源的人能够有机会使用能源，即从经济上赋予他们发展的能力。能源转型还需要考虑能源的经济承受力和能源安全性的担忧，同时还需承担能源系统对工业竞争力所发挥的保障作用。

此外，目前的净零目标要求快速实现能源转型。虽然当今的能源系统经过了几个世纪的建设和优化。然而，目标设定者普遍认为能源转型只需要几十年的时间，即到2050年即可实现二氧化碳净零排放。5

然而，目前看来，要实现这一目标似乎是一个巨大的挑战。在数字时代，我们已经习惯了快如闪电的转型。TikTok用了9个月、ChatGPT仅用了2个月就获得了1亿用户。6但能源系统是一个物理实体，历史上的能源转型都花费了几十年甚至上百年的时间。例如，过渡到当前能源系统的过程就十分漫长。19世纪，生物质能占能源使用量的98%；随着时间的推移，煤炭、石油和天然气逐渐取代了生物质能。7到2000年代中期，生物质能在初级能源的占比降至10%以下。8工业革命之后，各行业开始向新的能源形式过渡——交通领域：从马匹到汽车，建筑领域：从生物质能到燃气锅炉——平均需要大约50年的时间。9

鉴于当前能源转型有多重目标且期望颇高，因此了解转型需付出的代价十分重要。

麦肯锡和许多其他组织对能源转型进行了广泛的研究。10麦肯锡强调了在实现净零排放的道路上还需实现经济承受性、可靠性和竞争力等其他目标。11同时指出有序转型需具备的其他相互依存的关键要素，包括技术和新供应链等物理要素；经济和社会调整，包括庞大的资本支出；有效的治理和机构建设，以及强有力的承诺。12

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本研究在大量文献的基础上，对转型的“硬骨头”——上述物理要素进行了更深入的分析，并在了解各行业相互依存关系的同时，进行了系统的研究。具体来说，它探讨了以低排放资产或工艺替代高性能化石燃料资产或工艺，以及建立配套供应链和基础设施的阻碍或复杂性。打个比方，只有研究能源系统引擎中螺母和螺栓的实际构造，以及它们之间如何衔接，才能构想出满足社会需求的高性能、低排放的新型能源系统。

爱因斯坦曾说，如果给他一小时来解决一个问题，他会用55分钟来确定问题，用5分钟来思考解决方案。13本次研究正是本着这一精神，在去碳化途径的大量研究基础上，对能源转型所面临的物理挑战进行评估。我们确定了能源系统在七个领域中的25项重大的物理挑战。挑战被划分为三个等级，既肯定了迄今为止的进展程度，也呈现了解决挑战的难度。本文探讨了对利益相关方的启示，包括创新和广泛系统重组带来的影响。前四章概述了研究成果，第五至第十一章是与麦肯锡专家共同撰写，更为详细地讨论了七个领域中的每个领域及其内部的挑战。

本次研究的目标是从实际角度看待能源转型，将有助于设计更为成功的转型，并为实现零净排放指引一条经济可承受、可靠且竞争力强的道路。

我们确定了能源系统在七个领域

内的25项重大的物理挑战。

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电塔林立的迷雾山谷

©kelvinjay/GettyImages

摘要

当今的能源系统庞大而复杂，包含能源的生产和消耗。该系统经过几个世纪的优化，已深深扎根于全球经济，它性能优越，服务于几十亿人口（即便还不是全人类）。14由于目前的燃料能量密集，易于运输，因此在需要的时间和地点可以相对容易地调度，还可快速增加或减少供应。

尽管当今的能源系统有很多优点，但也存在严重缺陷。目前，约有三分之二的能源被浪费。15能源系统产生的二氧化碳排放量占全球85%以上。16目前，各公司和国家都在努力实现能源系统的转型，并降低排放。虽然，转型已取得一系列的实质进展，但仍处于早期阶段。

太阳能、风能和电动汽车（EV）等低排放技术具有优势特性，可组合在一起发挥卓越的性能。但若想妥善部署上述技术并进一步推进能源转型，须了解转型的物理现实和相关物理挑战，即“硬骨头”。

能源转型实际是重要的物理变化，但这一真相可能在抽象的净零情景中变得混淆。至关重要的是，新的能源系统要保持甚至提高当前系统的性能，并确保以经济可承受、可靠且具有竞争力的方式实现净零排放。17

能源系统在七个领域需加以转型，且转型尚且处于早期阶段

能源转型涉及七个相互关联领域的物理变化。首先是电力领域，一方面电力领域需要减少自身排放，另一方面还需要扩大规模为三大耗能领域，即交通、工业和建筑业提供低排放能源。剩余的三个领域是能源转型的赋能因素，即原材料，特别是关键矿物、新燃料（如氢能和其他能源载体）以及减碳节能。

本次研究主要基于麦肯锡2023年所进行的情景分析，研究结果并不是预测，而是为了能了解我们需要应对哪些物理挑战。18在这一情景下，到2050年，全球需部署数十亿低排放资产——例如，约10亿辆电动汽车、超过15亿台热泵和约35兆瓦的低排放发电容量。同时还要扩建配套的基础设施，如电网、电动汽车充电桩和供应链。

近年来，许多领域都呈现出转型的势头，但并非所有领域。例如，电动汽车电池销量的约90%和太阳能和风能新增发电容量的约60%都是在过去五年中发生的。19但总体而言，转型仍处于初期阶段。目前

在大多数地区，低排放技术的部署只达到2050年要求水平的10%左右，而且主要是在相对简单的用例。太阳能等一些领域发展迅速，其他领域则不然。在低排放氢能和碳捕获等方面，按2050年要求部署的比例迄今还不到1%。

能源减排的半数目标或将有赖于解决最难的25个物理挑战

为了进一步推进转型，需解决七个领域中的25个物理挑战，这些挑战被视为从高排放有形资产和流程转向低排放资产和流程的阻碍（见图E1）。

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@E1

成功的能源转型需应对25项物理挑战

电力部门

电力

1

管理可再

2

6

生能源的

变异性

扩展新兴电力系统

发展核能

和其他清

洁能源

扩大电网覆盖

调节电力需求

保障

3

5

可再生

能源用地

4

难度更大

领域

挑战

第1级挑战要求在成熟技术的部署上取得进展，面临的实际阻碍最少。

第2级挑战要求加速部署已知技术，并扩大相关基础设施和投入。

第3级挑战出现在技术性能存在差距(往往是用例要求高)、相互依赖程度较高、且转型刚刚开始的情况下。

终端使用部门

交通出行

7

8

推动纯电汽车突破盈亏平衡

延长纯电

汽车的续

航里程

航空和航

运的燃料

加注

优化电动

卡车的装

载能力

9

11

电动汽车充电

10

工业

12

煅烧

13

低排放

钢材

夯实

建筑业的变革

为其他行业供暖

16

破解塑料难题

14

低排放合成氨

15

建筑业

17

用热泵供暖御寒

18

迎接冬季高峰

赋能因素

原材料

19

发掘重要矿物

氢能和其他能源载体

20

21

利用氢能

扩大氢能

基础设施

的规模

管理生物燃料的

生产布局

22

减碳节能

23

24

增大能效

点碳捕获

大气碳捕获

25

注：本分析报告重点关注的25项挑战是根据相关技术在减排方面的潜力确定优先次序。更多详情，请参阅“范围和方法”侧栏。

资料来源：麦肯锡全球研究院分析

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有些挑战更难应对，根据技术性能、不同挑战之间的相互依存性和扩展需求，这些挑战被分为三个难度等级：

—第1级挑战有三项，要求在成熟技术的部署上取得进展，面临的实际阻碍最少。—第2级挑战有十项，要求加速部署已知技术，并扩大相关基础设施和投入。

—第3级挑战有十二项，主要集中在技术存在差距（往往是用例要求高）、相互依赖程度较高、且转型刚刚开始的情况下。

消除能源系统40%至60%的二氧化碳排放需解决第3级的挑战。

七个领域均需应对各自的物理挑战：概要

—电力。总体而言，到2050年低排放发电容量须增加十倍左右。电力领域存在两个第3级挑战：随着太阳能和风力发电占比的增加，需要加强对电力系统波动的管理，尤其在快速发展的新兴电力系统更要加强这方面的管理。上述波动的管理包括灵活安排发电容量，比如备用发电、储电以及不同地区电网的互联，这些要素的增长或将需要比电力需求的增长快两到七倍才能满足要求，但这些要素的部署均会面临阻碍与挑战。20另外电力领域还存在四个第2级的挑战，包括确保可再生能源有足够的用地、投资当前的输配电基础设施、甚至扩大电网、加速核电和其他清洁稳定电力的部署，以及增加电力需求的灵活性。

—交通出行。到2050年，全球上路的电动汽车将从目前大约3000万辆增至大约10亿辆。交通出行领域有两个第1级的挑战：确保乘用型纯电动车（BEV）相对于内燃机汽车（ICE）的终生减排量具有优势，以及确保电动车有足够的续航能力满足所有需求。21对于后者，纯电动车已经满足了大约70%的家庭用车情景需求。扩大电动汽车充电基础设施和供应链的规模还有很长的路要走，因此这属于第2级挑战。卡车运输、航空和航运更难实现脱碳，因为它们需要长途运输，载重量大，属于第3级挑战。

—工业。现代文明的“四大”工业材料支柱领域——钢铁、水泥、塑料和合成氨的去碳化路径包含了四个第3级挑战，可以说，工业领域的能源转型才刚刚开始。目前上述工业领域均严重依赖化石燃料作为进料和/或燃料进行高温加热。22去碳化进程可考虑组合使用包括提高能源效率，采用不同的原料、包括氢和再生原料，使用替代材料，电气化，替代燃料如生物质能，以及采取进行碳捕获技术。其他行业如一般制造业，普遍无需高温加热，因此无需使用化石燃料作为原料，但仍需扩大低排放供热工艺的规模，属于第2级挑战。

—建筑业。供暖占建筑业排放的最大份额。热泵已是成熟技术且性能良好，但仍面临两个物理挑

战。23确保热泵在低温条件下的效率是第1级挑战，事实上在95%以上的人居住的地方现存热泵技术都可满足要求。如果热泵的使用范围扩大，某些地区的峰值电力需求可能会增加一倍或两倍，这对管理的要求更高，因此是第2级挑战。24

—原材料。预计锂、钴和稀土等关键矿产的需求将激增，但目前的供应量仅为2050年需求量的10%至35%左右。这是第2级的挑战，需加速供应，同时管理对上述矿产的需求。

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—氢能和其他能源载体。需使用新的能源载体作为工业流程的替代燃料和原料。氢能是其中一个选项，但面临两个第3级的挑战。首先，氢分子在能够被使用之前需要经过多重步骤，从而造成能量损失；需尽量减少能量损失，并权衡其优势特性。其次，氢生产和基础设施需要大幅扩建。但目前几乎没有大规模的低排放氢能项目是可操作的。25管理生物燃料日益增长的用地要求是第2级的挑

战。

—减碳节能。除了用低排放技术取代高排放技术以外，还需减少当前技术的能耗和排放。利用成熟技术提高能效，例如改善建筑隔热性能，是第2级挑战。从水泥等新“点源”中进行碳捕获的难度和成本可能是目前要求较低用例的三倍。而通过“直接空气捕捉”从大气中脱碳的成本可能更高。两者都属于第3级挑战。

了解能源转型将遇到的物理挑战有助于CEO和政策制定者们顺利度过转型

了解转型中所将遇到的物理挑战对于转型是否能够取得成功至关重要。全球将需要持续开展技术创

新，如提高电池的能量密度。同时，也需进行更广泛的系统层面的转型，即改变各种技术相互配合的方式，例如通过扩大灵活调节电力需求来降低电力系统的波动性。此外，能源和材料的消耗方式也可以调整，例如，可使用替代材料取代难以脱碳的工业材料。

在能源转型的过程中，CEO和政策制定者们或将发挥关键作用。对于第1级挑战，他们可以考虑如何快速部署那些有望迅速成熟的技术。对于第2级挑战，他们可以考虑如何解决瓶颈问题，抓住新一波的机遇。对于最难解决的第3级挑战，他们既要考虑如何在短期内取得进展，同时还需兼顾如何促进与之相配套的系统层面的变革。在此过程中，利益相关方需要考虑如何平稳地淘汰旧的系统、上马新的系统，以及哪些投资可以减少当前排放，从而为应对未来的物理挑战奠定基础。

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尾注

简介

1《世界到底是怎样工作的：我们目前取得的成就以及未来前进方向的科学依据》VaclavSmil，2022年5月。

2麦肯锡排放管理和影响追踪(EMIT)数据库，2023。

3截至2022年的初级能耗数据，能源研究所，2024年5月参考。

4《巴黎协定》，联合国，2015年。

5政府间气候变化专门委员会(IPCC)发现，要将全球升温控制在1.5摄氏度以内，同时不出现超调或有限的超调(概率大于50%)，到2030年温室气体排放量必须减少43%，到2050年，二氧化碳排放量必须比2019年的模拟排放量减少约100%(其中每个值都是不同情景下估计值的中位数)。见《2022年气候变化：减缓气候变化》，IPCC，2022年。

6“ChatGPT见证大规模增长，聊天机器人在两个月内获得了一亿用户。”《经济时报》，2023年3月。

7VaclavSmil《从“京都议定书”到2050年之间：零碳是极不可能的结果，2024》;以及DanielYergin,《能源转型的崎岖之路》金融与发展，国际货币基金组织，2022年12月。

8VaclavSmil,《能源转型：全球和国家视角》，第二增订版，普拉格出版社，2016年；《世界能源统计回顾》，能源研究所，2023年。

9RogerFouquet，《历史上的能源转型：速度、代价与系统转型》，《能源研究与社会科学》，第22卷，2016年12月。Fouquet将转型定义为能源和技术普及在某一行业的某一项服务能耗中占比从5%增至80%。

10例如，《ETP清洁能源技术指南》，2023年9月14日更新；《清洁技术制造现状》，国际能源署(IEA)，2023年5月；《2024年全球关键矿物展望》，国际能源

署，2024年5月；《净零路线图：2023年实现1.5ºC目标的全球途径》，国际能源机构，2023年9月更新；

《2023年世界能源转型展望：通向1.5ºC之路》，国际可再生能源机构，2023年；《能源转型的材料和资源需求》，能源转型委员会，2023年7月；以及《更好、更快、更清洁：清洁能源技术供应链保障》，能源转型委员会，2023年6月。

11《以经济可承受、可靠且竞争力强的方式实现净零目

标》麦肯锡可持续发展咨询业务，2023年11月。

12《净零解决方案:有序转型的九大要求》，麦肯锡可持续发展咨询业务，2021年10月；净零转型：必要的代价和可能的效益，麦肯锡全球研究院，2022年1月。

13NellDerickDebevoise，《爱因斯坦忽略的第三个解决

问题的关键步骤》，福布斯杂志，2021年1月26日。

摘要

14《无法获得可靠电力服务的人数》，联合国开发计划署，2022年。

15ClemensForman等，《全球废热潜力评估》，《可再生与可持续能源评论》，第57卷，2016年5月；《能源流程图：能源、水和碳之间的复杂关系图》，流程图，劳伦斯-利弗莫尔国家实验室和能源部，2024年7月阅读；PaulMartin,《初级能源谬误或者说，你没有犯热力学的第二宗罪！》2024年6月。

16麦肯锡排放管理和影响追踪（EMIT）数据库，2023年。全球能源燃烧和工业流程排放的二氧化碳总量约为370亿吨，农业、林业和其他用地排放的二氧化碳总量约为50亿吨。就甲烷而言，全球甲烷排放量

的35%以上来自能源系统、燃烧和工业流程，其余65%来自农业（约40%）、废物及其他行业（约25%）(2021年数据）。

17参见《以经济可承受、可靠且竞争力强的方式实现净零目标》，麦肯锡可持续发展咨询业务，2023年11月。同样重要的是，要从整体上看待不同转型途径的社会经济影响，并利用这一观点来帮助决策。参见《气候过渡影响框架：实现公平和包容性过渡的基本要素》，麦肯锡可持续发展咨询业务，2023年12月；以及《净零解决方案：有序转型的九大要求》,麦肯锡可持续发展咨询业务，2021年10月。

18本文普遍采用2023年麦肯锡“实现承诺”情景分析来界定迄今取得的进展、以及必要的转型规模。该情景分析包括不同经济体和不同类型资产的详细情况，说明了这些经济体为实现