特斯拉大計畫
石化燃料用於發電的二氧化碳CO2排放，造成地球暖化、生態破壞、氣候變遷，這些災難已經迫在眼前。各國大力提倡使用清潔能源，採取減碳對策，設置太陽能、風力電廠，建立一個倚賴永續乾淨能源的社會機制，但很少像電動車特斯拉公司提出大計畫(Master Plan)，詳列整個節能減碳方案，涉及的技術要項、證據原理一一列舉，目標、手段、方法、背景、成本、效益、......說明到位、清楚，沒有一處含糊，堪稱範本。整個計畫展現特斯拉的經營水準，熟悉這套計畫，除了瞭解解決全球二氧化碳排放對策外，更重要的，學習全球最具競爭力企業(特斯拉公司)如何制訂計畫，並將計畫願景化為實際行動，這是一堂千萬價值課程，我稍加整理免費分享如下。
沒有比公司將自己內部使用的管理文件、作業準則、目標計畫、......公諸於世，更慷慨了。它們必須動員公司資源製作，顯示公司實力，容易讓競爭者模仿、學習，若有錯誤或疏漏，更是自曝其短，留人笑柄。特斯拉敢提出大計畫，絕不是簡單的炫耀、公關，或為了銷售自家電動車企圖，相反的，這是特斯拉的企業風格，Elon Mus的天才表現，世間絕無僅有。
在商業世界裡，每一個世代都會出現獨領風騷的企業家或創業家，他所創辦經營的企業、所建造的商業模式，帶給他們鉅額財富。他的創業經歷、經營成果是那個世代的經營標誌，或是legacy，他的策略成為當代顯學，也是當時所有人仿效的對象。在我鑽研企業40多年的歲月，從上世紀IBM的Thomas Watson、GE的Jack Welch，到本世紀Apple的Steve Jobs、Amazon的Bezos，我一路追蹤、觀察、學習，目前正在上演的Tesla的Elon Musk，一秉初衷，我努力觀察，編入我的教材，傳授給學生。
企業明星的策略行為，多數【被動】在公眾曝露而被媒體報導、傳送、仿效，成為legacy。Elon Musk與其他企業明星不同，他直接向公眾【主動】傳送，連忌諱讓公眾知曉的內部祕聞，例如：老闆賣股、現金短缺、私有化構想、正在研發的新產品、未來大計畫(Master Plan)、…….等等，都赤裸裸、沒有遮掩地公開，Elon Musk主動爆自己的料、公司的料，甚至買下媒體(推特)，直接面對公眾，特立獨行。
也許Elon Mus爆太多料，我們從媒體領受太多資訊，以至於真正寶貴的legacy卻被忽視，而錯過Elon Musk真正寶貴的知識經驗。
學習，從不是一件簡單的事。
學習必須從判斷哪些是最寶貴的可學習之處開始。
學習，必須真正進入門道，必須投入，做功課，學到真正精髓，不是只在周遭窺探，看熱鬧。
特斯拉在3月1日舉辦【投資人日】，17位主管坐在台上一字排開，Elon Musk 宣佈【Master Plan 3】，暢談他的經營理念，然後每位接續演出，分別報告自己部門的職責、做法與績效表現，歷時約4個小時。
這4個小時是一堂千萬價值課程。
只要把這4個小時每位主管的演出好好看一遍，找出不懂之處，查資料，作筆記，搞懂它，Elon Musk的天才本領，特斯拉的管理精髓，全部在這裡--價值千萬。
能夠聽完【投資人日】17位主管(包括Elon Musk本人)的演講，以及會後的Q&A，是我有生之年最札實的管理課程。能有這種體會，得力於我40年來孜孜不倦的學習經驗，因為瞭解17位主管的演講內容，需要專業理論基礎，否則無從洞悉這17位主管完成工作職責的價值。
沒錯，這應是一學期18週課程!一位主管講述一個課程主題，一週課程，17位主管17週課程，Elon Musk本人的管理佔2週，一家全球最具競爭力的管理守則、原理、秘密、......全部在這裡，一學期18週課程。
我沒有時間心力將這18週課程全部整理起來，目前只將【投資人日】Elon Musk本人講述的【Master Plan 3】為藍本，設計一週教材如下：
【電動車生態系統的建構】內容以Elon Musk介紹的【Master Plan 3】永續能源計畫為藍本、案例。4月5日特斯拉公開41頁的【Master Plan 3】檔案，詳列示計畫細節，這份檔案成為這堂課的核心教材，它包括各種發電技術與數據，也是一套作企劃、撰寫計劃書的實務教材範本。
感謝這41頁的【Master Plan 3】，否則單憑【投資人日】現場解說，很難知道永續能源計畫的全貌與細項。我花了不少時間詳閱【Master Plan 3】檔案，特斯拉提出這套永續能源計畫確是救世大計畫，不僅讓我瞭解整個綠能產業的生態，也欣賞大計畫的撰寫內容、格式、數據圖表、參照、引證、...，堪稱經典，能撰寫這一水準的計畫書是商學院學生必備的技能。
永續能源計畫
【投資人日】，Musk解說【Master Plan 3】永續能源計畫，要達成的目標，現場打出PPT：
上述7個數字十分宏偉，它highligh幾個關鍵數據，由左到右：
1. 建置240百萬兆瓦儲能電池、2. 每年使用30百萬兆瓦/時再生能源、3. 投資10兆美元、4. 發電量僅為目前一半、5.使用面積不到地球陸地0.2%、6. 投資2022年全球GDP的1/10、7. 零碳永續能源。
為達成上述零碳目標，特斯拉提出6項能源改革對策：1.佈建再生能源電網、2. 轉用電動汽車、3.轉用熱泵、4.廢熱發電、5.氫電能、6. 再生能源飛機船舶。
【Master Plan 3】所要挑戰的目標是永續能源零排放(Zero CO₂ emissions)，達成目標所需的建設只有兩項：1. 建置240百萬兆瓦儲能電池、2. 每年使用30百萬兆瓦/時再生能源。上述3項具有【目標-手段】關係。我將它繪製如下，上半圈是再生能源發電量，下半圈是儲能電量。
發電與儲電兩者的配合是特斯拉的永續能源計畫的核心，我們熟悉的傳統電廠大多集中式，以發電廠為中心再輸送給用電戶。特斯拉想建立一個分散式電力系統，每一社區或住家都有太陽能或風力電廠，自己的用電自己發(電)，不足，再向電網買，過剩，儲能或賣給電廠。整個【Master Plan 3】在解說這一永續能源計畫的系統優於傳統發電用電系統，我從中學習不少新觀念、新技術。下圖是我用電廠與輸配電示意圖來解說永續能源計畫的發電/用電系統。
上面提及排成一列的7個數字彼此具有關聯意義：達成零碳目標所需的兩項建設(儲能電池與再生能源發電)只須投資10兆美元，這金額是2022年全球GDP的1/10，使用面積不到地球陸地0.2%，再生能源發電量是目前(石化燃料)發電量的1/2。我將這4項數據劃在【目標-手段】圓圈四周，這些數據告訴我們：達成(零碳)永續能源的投資沒有我們想像的龐大，它是一項非常可行的投資。
圖表的目標數據連結特斯拉提出的以下6項能源改革對策：1.佈建再生能源電網、2. 轉用電動汽車、3.轉用熱泵、4.廢熱發電、5.氫電能、6. 再生能源飛機船舶。41頁的【Master Plan 3】清楚交代每一項對策所涉及的技術、投資與分析數據，補充【投資人日】演講無法在現場解說的內容。
我根據【Master Plan 3】的資料整理出特斯拉永續能源矩陣表，表中的數據、比率、合計、顏色對我都有特別意義，這是我的精心作品，除非我作解說，外人無法理解該表意義。
上表內每一數據在【Master Plan 3】都有清楚的交代與解說，這些數據最後會對應到永續能源計畫的2項投資目標。
以下是我翻譯的【Master Plan 3】內容，它呈現全球最具競爭力企業如何制訂計畫，我建議下載檔案來研究。我對發電與儲電完全外行，許多涉及發電與儲電技術內容，我都在學習、理解，我的翻譯隨時在修改，只能參考，有一半以上的【Master Plan 3】圖表並未附在本文，只能去參考原文。
目錄
執行摘要
當前的能源經濟非常浪費
消除化石燃料計畫
1. 再生能源併入現有電網供電
2. 轉換電動汽車
3. 家用、商用和工業用暖氣轉用熱泵(Heat Pumps)
4. 熱能和氫能發電
5. 飛機和船舶的永續燃料
6. 建造永續能源經濟
永續的能源經濟模型
1. 儲能技術評估
2. 發電技術評估
模型結果
1. 美國用電模型——新電動化需求
2. 全球用電模型——新電動化需求
3. 交通運輸的儲能電池
4. 車輛
5. 船舶和飛機
6. 全球用電模型——交通工具的電動化和電池
所需資金
所需土地面積
所需原材料
內容摘要
2023年3月 1 日，特斯拉發表【Master Plan 3】——透過電動化、永續能源的生產和儲存的方案，完成全球永續能源經濟。本文詳述該計畫背後的假設、技術來源和計算方法。請各界指教。
這個理論主要分為三個部分：
01 電力需求
估計沒有化石燃料下的全球能源需求。
02 電力供應
構建一個成本最低的發電和儲能資源的組合，滿足以小時為單位的供電需求。
03 材料可行性和投資
確定電動經濟所需材料的可行性以及必需的廠房機器投資。
本文發現，永續能源經濟在技術上是可行的，它只需要比今天的(汙染)能源經濟更少的投資和原材料。雖然許多先前研究也有類似結論，本研究再針對全球能源轉型所需的材料改良、製造產能和製造投資等相關議題作更深入的思考。
當前能源經太浪費了
(The Current Energy Economy is Wasteful)
根據國際能源署（IEA）2019 年世界能源平衡表，全球主要能源供應為 165 PWh/年，化石燃料總供應量為 134PWh/年。在到達最終消費者之前，有 37%（61PWh）被消耗掉了。這包括化石燃料行業在開採/精製過程中自我消耗以及電力發電過程中的轉換損失。另外 27%（44PWh）由於內燃機車輛和天然氣加熱器等低效末端使用而損失。總體而言，只有 36%（59PWh）的主要能源供應產生對經濟有用的工作或熱量。來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Lab）的分析顯示，在全球和美國的能源供應方面存在類似水準的低效率問題。
消除化石燃料計畫
永續能源的電能經濟，消除了採礦、煉油、燃燒石化原料來發電的上游耗損，終端用戶的下游耗損也沒有了。有些生產過程需要更多能源投入（例如生產綠氫），有時需要增加採礦和提煉活動（例如要製造電池、太陽能板、風力渦輪機等金屬材料）。
以下 6 個方案是消除化石燃料電廠所需採取的行動。這 6 個方案背後各有永續能源經濟關連的電力需求假設，從中能推估電力需求曲線模型。這模型是利用 2019-2022 年美國能源資訊管理局（EIA）提供的資料，並對美國能源經濟進行分析，根據 IEA 能源平衡表中 2019 年美國與世界之間關於能耗比例係數進行 6 倍縮放，從而估算出全球經濟所需採取行動。這是一個重大的簡化，可能是未來的分析中需要重點改進的領域，因為全球能源需求與美國的構成不同，並且預計隨著時間的推移而增加。由於目前可以獲得這些可用的資料，因此該分析是針對美國進行的。
該計畫將陸上/海上風電、太陽能、現有核電和水力視為可持續發電來源，並認為現有生物質也是可持續的，儘管它可能會逐漸被淘汰。此外，該計畫未考慮吸收過去一個世紀化石燃料燃燒所排放出來的二氧化碳之類物質，除了合成燃料生成所需直接空氣捕集之外；任何未來實施這種技術都可能會增加全球能源需求。
01 再生能源併入現有電網供電
美國現有的每小時用電需求被建模為來自 EIA 的不靈活基線需求。對於四個美國子區域（德克薩斯州、太平洋地區、中西部和東部），進行建模以考慮區域變化，可再生資源供應情況，天氣和電網傳輸限制。這種現有的電力需求是必須由可持續發電和儲存支援的基線負載。
全球每年向電力行業提供每年 65PWh 的一次性能源，其中包括每年 46PWh 的化石燃料；然而只有每年 26PWh 的電力產生，因為將化石燃料轉換成電力時存在低效率問題。如果改用可再生能源驅動該網路，則只需要每年 26PWh 可持續發電量即可滿足要求。
02 轉換電動汽車
由於傳動軸效率提升、再生制軔(regenerative braking)效能、優化的平台設計，電動車比燃油車能源效率約高出 4 倍。表 1 比較轎車、輕型卡車和 Class 8 semis的能源效率：
為了確定電動交通工具的用電需求，每個子區域歷史上每月使用的美國交通石油（不包括航空和海洋運輸）將通過上述電動汽車效率係數（4 倍）進行縮放。特斯拉車隊按小時分割為不可調節和可調節兩部分，並假定其為 100% 電氣化交通部門中的電動車充電負載曲線。超級充電、商業車輛充電以及狀態低於 50% SOC 的車輛被視為不可調節需求。家庭和工作場所 AC 充電是可調節需求，並採用 72 小時能源保護約束模型來建模，這反映了大多數駕駛員在可再生資源豐富時有靈活性進行充電。平均而言，特斯拉駕駛員從 60％ SOC 到 90％ SOC 每 1.7 天充一次，因此相對於典型的日常里程而言，電動汽車具有足夠的續航里程來優化其在可再生能源供應情況下進行充電，前提是家庭和工作場所都有充電基礎設施。
全球交通領域的電氣化消除了每年 28 PWh 的化石燃料使用量，並應用 4 倍電動汽車效率係數創造出約每年 7 PWh 的額外電力需求。
03 家用、商用和工業暖氣轉用熱泵
熱泵通過壓縮/膨脹中間製冷劑將熱量從源移動到匯。通過適當選擇製冷劑，熱泵技術可應用於住宅和商業建築的空間供暖、水加熱和洗衣機，以及許多工業過程。
空氣源熱泵最適合在現有住宅中改裝燃氣爐的技術，根據加熱季節性能係數（HSPF）為 9.5 Btu/Wh 的典型效率評級，每單位消耗的能量可以提供 2.8 個單位的熱量。燃氣爐通過燃燒天然氣來產生熱量。它們具有約 90％的年度利用率（AFUE）。因此，與使用 3 倍少於天然氣鍋爐相比，空氣源熱泵使用了更少的能源（2.8 / 0.9）。
家用和商用暖氣
EIA 提供了每個子區域家用和商用歷史月度美國天然氣使用情況。如果所有燃氣設備改為用電，3 倍熱泵效率係數將降低能源需求。基準電力需求的小時負載因數被應用於估計從熱泵中產生的小時電力需求變化，有效地將加熱需求歸因於家庭正在積極加熱或冷卻的時間段。在夏季，家用和商用暖氣需求在下午高峰時達到頂峰，此時冷卻負荷最大，在冬季，需求遵循眾所周知的「鴨子曲線」，在早上和晚上達到高峰。
通過採用帶有熱泵的家用和商用暖氣設備改為用電，全球每年可節省 18PWh 的化石燃料，並創造 6PWh 額外電力需求。
工業暖氣
工業過程可受益於熱泵的效率提升，最高溫度可達約 200 攝氏度，例如食品、紙張、紡織和木材行業。然而，隨著溫差的增加，熱泵的效率會降低。熱泵整合很微妙，並且確切的效率在很大程度上取決於系統所吸收熱源的溫度（溫度是確定熱泵效率因素之一），因此使用可實現 COP 範圍的簡化假設：
根據 IEA 提供的工業熱力的溫度構成和表 2 中假設的熱泵效率，建模的加權工業熱泵效率係數為 2.2。
EIA 提供了每個次區域的工業部門的歷史月度化石燃料用量 8。所有工業化石燃料的使用，不包括產品中的嵌入式化石燃料（橡膠、潤滑油、其他），都被假定為用於工藝加熱。根據國際能源署，45% 的工藝熱量低於 200℃，當用熱泵進行電氣化時，需要 2.2 倍的輸入能源。增加的工業熱泵電力需求被建模為一個不靈活的、平坦的小時需求。
在全球範圍內，用熱泵對低於 200℃的工業加工熱改為電能，每年可減少 12PWh 的化石燃料，並創造 5PWh 的額外電力需求。
04 熱能和氫能發電
高溫工業過程的發電
需要高溫（>200℃）的工業流程，占化石燃料使用量的其餘 55%，需要特別考慮。這包括鋼鐵、化工、化肥和水泥生產等。
這些高溫工業過程可以直接由電阻加熱、電弧爐提供服務，或通過熱存儲進行緩衝，以便在可再生能源過剩時利用低成本的可再生能源。現場蓄熱可能是有價值的，可以低成本地加速工業電氣化（例如，直接使用蓄熱介質和輻射加熱元件）。
電阻加熱和電弧爐的效率與高爐加熱相似，因此將需要類似的可再生一次能源輸入量。這些高溫工藝被模擬為一種不靈活的、平坦的需求。
儲熱被模擬為工業部門高溫工藝熱的能源緩衝器，往返熱效率為 95%。在太陽能裝機容量高的地區，熱存儲將傾向於在中午充電，在夜間放電，以滿足連續 24 小時的工業熱需求。圖 9 顯示了可能的熱載體，並說明了幾種材料是提供>1500C 的工藝熱的候選材料。
全球工業加工熱>200C 的電氣化每年可消除 9PWh 的化石燃料，並創造 9PWh 的額外電力需求，如果假設熱輸送效率相等的話。
生產用於鋼鐵和化肥的氫氣
今天，氫氣是由煤、石油和天然氣生產的，並被用於提煉化石燃料（特別是柴油）和各種工業應用（包括鋼鐵和化肥生產）。
綠色氫氣可以通過電解水（能源強度高，不消耗/生產含碳產品）或通過甲烷熱解（能源強度較低，產生固體碳黑副產品，可轉化為有用的碳基產品）來生產。
為了保守地估計綠色氫氣的電力需求，假設是：
– 未來的化石燃料煉製將不需要氫氣
– 鋼鐵生產將轉為直接還原鐵工藝，需要氫氣作為投入。氫氣需求用於鐵礦石（假設為 Fe3O4）的還原需求是基於以下還原反應：
用氫氣來還原：
Fe3O4+H2=3FeO+H2O
FeO+H2=Fe+H2O
– 全球所有的氫氣生產都來自於電解。
這些對工業需求的簡化假設，導致全球對綠色氫氣的需求量為 1.5 億噸/年，而從電解中獲取這一需求估計每年需要約 7.2PWh 的可持續發電量。
氫氣生產的電力需求被模擬為具有年度生產限制的靈活負荷，氫氣儲存潛力被類比為具有最大資源限制的地下儲氣設施（就像今天儲存的天然氣）。今天用於儲存天然氣的地下儲氣設施可以被改造為儲氫；類比的美國儲氫需要約 30% 的美國現有地下儲氣設施。請注意，一些儲存設施，如鹽穴，在地理上分佈不均勻，這可能會帶來挑戰，而且可能有更好的替代儲存方案。
全球可持續的綠色氫氣每年可消除 6PWh 的化石燃料能源使用，以及 2PWh 的非能源使用。礦物燃料被替換成 7PWh 的額外電力需求。
05 飛機和船舶的永續燃料
通過優化設計速度和航線，使較小的電池在長航線上更頻繁地充電，內陸和洲際遠洋運輸都可以實現電氣化。根據國際能源署的資料，全球遠洋運輸每年消耗 3.2 瓦時。通過應用 1.5 倍的電氣化效率優勢，一個完全電氣化的全球船隊每年將消耗 2.1PWh 的電力。
在今天的電池能量密度下，通過優化飛機設計和飛行軌跡，短距離飛行也可以實現電氣化。較長距離的飛行，估計占航空旅行能源消耗的 80%（全球每年消耗 850 億加侖的噴氣燃料），可以通過利用費托合成工藝從多餘的可再生電力中獲得合成燃料，該工藝使用一氧化碳（CO）和氫氣（H2）的混合物來合成各種液體碳氫化合物，並且已經被證明是合成噴氣燃料的可行途徑。這需要額外的每年 5PWh 的電力，其中包括：
電解產生的氫氣
通過直接空氣捕集捕獲的二氧化碳
通過電解二氧化碳產生的一氧化碳
合成燃料的碳和氫也可以從生物質中獲取。更有效和更具成本效益的合成燃料生產方法可能會及時出現，更高能量密度的電池將使通行距離最遠的飛機實現電氣化，從而減少對合成燃料的需求。
合成燃料生產的電力需求被模擬為具有年度能源約束的靈活需求。合成燃料的儲存可以採用傳統的燃料儲存技術，假設體積比為 1:1。遠洋運輸的電力需求被模擬為每小時的恒定需求。
全球可持續的合成燃料和船隻和飛機用電，每年可消除 7PWh 的化石燃料，並創造 7PWh 的全球額外電力需求。
06 打造永續能源經濟
打造永續能源經濟所需的發電和儲電組合——太陽能電池板、風力渦輪機和電池，需要額外的電力。這種電力需求被模擬成一個增量，在工業部門，這種用電需求被建模為工業部門每小時遞增、不可調節、平坦的需求。更多詳細資訊請參見附錄：構建可持續能源經濟-能量密度。
完全永續能源經濟模型
Modeling the Fully Sustainable Energy Economy
上述6方案著重投資永續發電和儲電來滿足美國的電力需求，為此，利用每小時成本最優整合來擴展和調度發電和儲能組合模型。在美國有四個次區域都各建一套模型，而區域之間則有傳輸限制模型，2019-2022 年四個年度的氣象資料已經輸入模型。區域間的傳輸限制是根據北美電力可靠性委員會（NERC）區域實體（SERC、WECC、ERCOT）發佈的主要輸電路徑上當前線路容量評級估計跨區域傳輸限制。
圖 11 顯示全美完全永續能源的能源需求：
Modeled Regions and Grid Interconnections
每個地區的風能和太陽能資源都以其各自的小時容量係數（即每兆瓦裝機容量每小時產生多少電力）、其互聯成本和模型可建立的最大容量為模型。每個地區的風能和太陽能小時容量係數是利用每個地區的 EIA 的歷史風能/太陽能發電量來估計的，從而捕捉到由於地區天氣模式造成的資源潛力差異。根據最近的普林斯頓美國淨零排放研究，容量係數被縮放以代表前瞻性趨勢。圖 11 顯示了全美每小時風能和太陽能的容量係數與時間的關係。
表 3 顯示了美國各地區的平均容量係數和需求。
該模型基於特定資源的成本和性能屬性，以及最小化能源平准化成本的總體目標，建立了發電和存儲。該模型假設提升區域間傳輸容量。
為了提供可靠的全年電力，部署過剩的太陽能和風能容量在經濟上是最理想的，這導致了縮減的發生。當 ：
太陽能和/或風能發電量高於一個地區的電力需求時；
存儲已滿；
沒有可用的傳輸能力將過剩的發電量傳輸到其他地區，就會發生削減。
在建設過剩的可再生能源發電能力、建設電網存儲或擴大傳輸能力之間，存在著經濟上的權衡。隨著電網儲能技術的成熟，這種權衡可能會發生變化，但根據建模的假設，最佳的發電和儲能組合導致 32% 的縮減。
就背景而言，可再生能源高滲透率的市場已經存在縮減現象。2020 年，蘇格蘭 19% 的風力發電被削減，2022 年加利福尼亞（CAISO）6% 的太陽能發電由於操作限制而被削減，例如熱發電機無法降至最低運行水準，或輸電系統局部擁堵。
可持續能源經濟將為消費者提供大量廉價能源，這將影響能源的使用方式和時間。在下圖 12 中，顯示了秋季樣本中每小時調度情況，展示了每種發電和儲存資源在平衡供需方面的作用以及經濟性縮減集中在白天太陽充足時段。
在圖 14 中，氫氣儲存通常在春季和秋季被填滿，此時由於供暖和製冷季節結束，電力需求較低，太陽能和風能發電相對較多。同樣，隨著夏季和冬季過剩發電量的減少，氫氣庫也會減少，提供跨季節的氫氣儲存。
儲能技術評估
Energy Storage Technologies Evaluated
對於固定應用，我們考慮了以下表 4 中的儲能技術，這些技術目前已經大規模部署。鋰離子指磷酸鐵鋰/石墨鋰離子電池。考慮到商品價格的波動性（尤其是鋰），列出了鋰離子未來保守的安裝成本範圍。雖然還有其他新興技術，如金屬空氣（Fe <-> Fe2O3 氧化還原）和 Na-ion，但這些都沒有進行商業化部署，因此不予考慮。
發電技術評估
Generation Technologies Evaluated
下表詳細列出了可持續能源經濟中考慮的所有發電技術。安裝成本取自 NREL 和普林斯頓美國淨零度研究的 2030-2040 年的研究。
模型結果
Model Results
僅美國的模型結果——滿足新的電氣化需求
對於美國來說，為滿足每小時的電力需求，最佳的發電和儲能組合，在所類比的年份，如下表所示。
此外，根據在住宅和商業建築的屋頂太陽能旁邊部署分散式固定存儲的增量，增加了 1.2 TWh 的分散式固定電池。這包括在 1500 萬個單戶家庭的屋頂太陽能的存儲部署，工業存儲與 43GW 的商業屋頂太陽能配對，以及存儲替代至少 200GW 的現有備用發電機容量。由於分散式存儲部署受到未完全反映在最小成本模型框架中的因素驅動，包括終端使用者彈性和自給自足性，因此分散式存儲部署是模型輸出之外的外生變數。
世界模型結果——滿足新的電氣化需求
World Model Results – Meeting New Electrification Demand
將 6 個步驟應用於世界能源流，每年可剩下 125PWh 的能源所需的化石燃料，並以 66PWh 的可持續發電量取代之。每年還需要 4PWh 的新工業來製造所需的電池、太陽能電池板和風力渦輪機。
滿足電力需求的全球發電和存儲組合是通過將美國的資源組合按 6 倍比例計算出來的。如上所述，這是一個重大的簡化，可能是未來分析中需要改進的領域，因為全球能源需求的構成與美國不同，而且預計會隨著時間的推移而增加。由於可以獲得高保真的每小時資料，該分析是針對美國進行的。
運輸用電池
Batteries for Transportation
汽車
OICA估算，目前全球有 14 億輛汽車，每年年產約8500萬輛乘用車。如果全部轉換為電動車，所需裝載的電池約需112 TWh。透過自動駕駛技術能夠提高車輛使用率，上述車輛數與年產量可以再減少。
小型電動車可以使用能量密度較低的LFP電池，大型電動車需要較高能量密度的高鎳電池。下表列出全球電動車所需裝載電池的計算：
計算方法說明：To approximate the battery storage required to displace 100% of road vehicles, the global fleet size, pack size (kWh)/ Global passenger fleet size and annual production (~85M vehicles/year) is based on data from OICA. The number of vehicles by segment is estimated based on S&P Global sales data. For buses and trucks, the US-to-global fleet scalar of ~5x is used as global data was unavailable
全球電動車(總數)
船舶和飛機
以每年 2.1PWh 的需求計算，如果船舶平均每年充電約 70 次，每次充電到 75% 的容量，那麼需要 40TWh 的電池來實現遠洋商船的電氣化。假設 33% 的船隊需要高密度的鎳和錳基陰極，67% 的船隊只需要低能量密度的 LFP 陰極。對於航空業，如果約 15,000 架窄體飛機中的 20% 使用 7 兆瓦時的電池組進行電氣化，那麼將需要 0.02TWh 的電池。這些都是保守估計，實際需要的電池可能會更少。
全球電力需求與運輸電池
World Model Results – Electrification & Transportation Batteries
表 9 總結了滿足全球電力需求的發電和存儲組合，以及基於車輛、船舶和飛機假設的運輸存儲需求。關於如何將發電和儲能組合分配給終端使用者的解釋可參見附錄： 發電和儲存分配到終端用途。
所需投資
Investment Required
此處列出的投資包括製造設施、採礦和精煉作業，以及儲氫鹽洞的安裝。製造設施的規模是根據每個資產的替換率確定的，而上游業務（如採礦）的規模是相應的。需要大量產能增長的材料是：
用於採礦：鎳、鋰、石墨和銅；
用於精煉：鎳、鋰、石墨、鈷、銅、電池級鐵和錳。
表 9 總結了滿足全球電力需求的發電和存儲組合，以及基於車輛、船舶和飛機假設的運輸存儲需求。關於如何將發電和儲能組合分配給終端使用者的解釋可參見附錄： 發電和儲存分配到終端用途。
除了初始支出外，還將 20 年內，每年 5% 的維護支出納入投資估算。基於這些假設，在可持續能源經濟中建立製造基礎設施將耗費 10 萬億美元，而在 2022 年投資速度下預計 20 年內化石能源支出為 14 萬億美元。
下表提供了關於採礦、精煉、汽車廠、電池廠和回收利用假設的更多細節。採礦和煉油的假設是根據公開的行業報告對行業平均水準的內部估計：
- 採礦業
- 煉油
- 車輛和電池工廠
- 回收利用
Enapter: Building Hydrogen Futures
所需土地面積
Land Area Required
所需土地面積太陽能土地面積要求是根據美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）對美國實際專案的經驗評估而估算的，該評估發現 2011-2019 年安裝的固定太陽能電池板的功率密度中值為 2.8 英畝/MWdc。使用 1.4 的轉換率將 MWdc 轉換為 MWac，大約可以得到 3.9 英畝/MWac。因此，全球 18.3TW 的太陽能電池板車隊將需要大約 7140 萬英畝的土地，或占全球總面積 368 億英畝的 0.19%。風的土地面積需求是根據美國國家可再生能源實驗室（NREL）的研究估計的，該研究發現每兆瓦的直接土地使用量為 0.75 英畝。因此，全球 12.2TW 的風力渦輪機群將需要約 920 萬英畝的土地，或總土地面積的 0.02%。
所需原材料
Materials Required
假設
太陽能電池板、風力渦輪機和電路里程所需的總材料是根據協力廠商的材料強度假設計算的。電池的材料強度是基於內部估計。太陽能電池板和風力渦輪機的材料密度假設來自歐洲委員會報告。太陽能電池採用晶體矽片，而稀土礦物則被從風力渦輪機中排除，因為在開發技術方面已經取得了進展。
根據國際能源署的 2050 年淨零路徑研究，全球將需要增加或重建約 6000 萬英里的電路，以實現一個完全可持續的電氣化全球經濟。配電能力將主要通過重新鋪設現有線路和擴大變電站容量來擴大，以適應峰值和平均終端使用者需求的大幅增長。高壓輸電將主要擴大地理覆蓋範圍，將大型風能和太陽能發電能力連接到人口密集地區。為了估計材料需求，6000 萬英里電路中的 90% 將是對現有低壓配電系統的重新佈線，10% 將是來自高壓輸電的新電路英里，這是目前美國高壓輸電和低壓配電的比例。
基於上述假設，這 128.15 億噸（每年 4.44 億噸）的總重量將是 30 太瓦的發電量和 240 太瓦的電池儲能，以及 6 千萬英里的傳輸里程的需要。
原材料
與這些材料相關的物質流量（即移動了多少土地）取決於礦石品位和整個過程的產量。使用從公開的行業報告中彙編的行業平均數的內部估計（見表 19），所需的年品質流量估計為 3.3 千兆噸（Gt）。如果用鋁（50% 的礦石品位）代替銅（1% 的礦石品位），品質流量可以減少，這在許多使用案例中是可能的。假設 50% 的鋰是從 100% 礦石品位的鹽水中提取的，如果不是這樣的話，那麼與鋰相關的品質流量將增加 0.8Gt。
根據《2023 年迴圈性差距報告》，每年從地球上提取 68Gt 的材料，不包括生物質，其中化石燃料占 15.5Gt。在一個可持續的能源經濟中，材料提取將減少 10.8Gt– 大部分化石燃料的提取被 3.3Gt 的可再生材料提取所取代。假設與非能源最終用途（即塑膠和其他化學品）相關的化石燃料開採繼續進行，根據國際能源署，約占化石燃料供應的 9%。
材料可用性
表 18 中提取的總材料與 2023 年美國地質調查局的資源量進行了評估，以評估可行性。對於銀，美國地質調查局沒有公佈資源估計，所以使用了儲量。分析表明，太陽能電池板將需要 2023 年美國地質調查局銀儲量的 13%，但銀可以用銅代替，因為銅更便宜、更豐富。石墨的需求可以用天然和人造石墨來滿足– 前者是開採和提煉的，後者是從石油焦中提取的。因此，增加了石墨資源基礎，以考慮到石油產品的人造石墨生產。如果世界石油資源中只有一小部分被用於人工石墨生產，那麼石墨資源將不會成為一個制約因素。正在進行的開發工作旨在評估其他含碳產品作為人造石墨生產的原料，包括二氧化碳和各種形式的生物質。
總之，在根據 2023 年美國地質調查局的估計資源量進行評估時，不存在基本的材料限制。此外，資源量和儲量歷來都在增加– 也就是說，當一種礦物有需求時，就會有更多的動力去尋找它，從而發現更多的礦物。相關金屬礦石的年度開採、濃縮和精煉必須增長，以滿足可再生能源經濟的需求，其基本制約因素是人力資本和許可/監管的時間。部估計（見表 19），所需的年品質流量估計為 3.3 千兆噸（Gt）。如果用鋁（50% 的礦石品位）代替銅（1% 的礦石品位），品質流量可以減少，這在許多使用案例中是可能的。假設 50% 的鋰是從 100% 礦石品位的鹽水中提取的，如果不是這樣的話，那麼與鋰相關的品質流量將增加 0.8Gt。
根據《2023 年迴圈性差距報告》，每年從地球上提取 68Gt 的材料，不包括生物質，其中化石燃料占 15.5Gt。在一個可持續的能源經濟中，材料提取將減少 10.8Gt——大部分化石燃料的提取被 3.3Gt 的可再生材料提取所取代。假設與非能源最終用途（即塑膠和其他化學品）相關的化石燃料開採繼續進行，根據國際能源署，約占化石燃料供應的 9%。
回收利用
為了支援這一計畫，需要大量的初級材料需求增長，以促進可持續能源經濟的製造，一旦製造設施得到加強，初級材料需求將趨於平穩。在 2040 年，隨著電池、太陽能電池板和風力渦輪機達到使用壽命，有價值的材料被回收，回收利用將開始有意義地減少初級材料需求。儘管採礦需求將減少，但煉油能力不會減少。
結論
Conclusion
通過本文的推論，一個完全電氣化和可持續能源的經濟是可行的：
- 再生能源導入現有電網供電
- 轉向電動汽車
- 家用、商用和工業用暖氣轉用熱泵
- 高溫輸熱和氫氣的電氣化
- 永續的飛機和船舶燃料
- 建立永續能源經濟
模型顯示，在技術上電氣化和永續能源的未來是可行的，它與目前的能源經濟相比，所需的資金和原材料資源會更少。
end(以下內容為個人筆記)
是發電廠的平均發電量除以額定容量，介乎0到1。不同類型發電廠的容量因子會有很大差異。一般而言，核電廠通常24小時以滿載額定容量運行，容量因子接近1。停機維修時，容量因子便是0。再生能源的容量因子則會受天氣影響。在夏季，水電廠平均發電量會較高，容量因子便較高。如果發電廠以較高的容量因子運作，其發電平均成本會較低。因為可以攤薄固定成本，如投資發電機及租地的支出，令電力公司可以賺取更大利潤。因此，一些電力公司會提供累退式的收費，用電量愈多，電費愈平宜，吸引工廠使用更多電力。
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