向温室气体(GHG)净零排放经济转型是许多国家的目标。这些国家都已经提出了各种方法和时间表，但它们有一个共性就是，支持主要经济领域(包括交通、工业和住宅/商业建筑)的运作将更加依赖电力。
在本文中，我们将重点介绍美国年度脱碳展望(ADP)2022报告中的一些重要发现。本报告着眼于实现净零经济的各种情景。我们在本文中重点关注的方法称为“中心情景”，它遵循到2050年实现净零排放的时间表。
让我们先来看看2021年能源需求的主要来源及其相应的排放量。交通、工业以及商业和住宅建筑的能源构成了能源需求的主要来源，其中交通对温室气体排放的贡献最大，而燃煤或燃气发电厂的发电量紧随其后。
图1：2021年按领域划分的能源需求及其对温室气体排放的相对作用(基于美国ADP2022报告和美国EPA温室气体排放源报告的数据)。
现在让我们看看这份ADP报告中所提出的预测。
中心场景基于以下关键假设：
现在让我们更详细地看一下供求关系。
图2：能源供应总量、电力能源百分比、发电能力和可再生能源发电份额的预测(基于美国ADP 2022报告的数据，中心情景)。
如图2所示，在中心情景下，预计总能源供应量将会下降，因为关键需求应用领域更高的效率将受益于更大规模的电气化，并超过人口增长所带来的额外能源需求。到2050年，总发电量预计将达到5,000GW左右，其中风能和太阳能发电合计贡献了85%以上。
供给侧的挑战包括：
图3：按领域划分的能源总需求预测，以EJ为单位(基于美国ADP 2022报告中的数据，中心情景)。
如图3所示，由于采用了更高效的解决方案，预计住宅/商业建筑和交通运输等主要部门的总能源需求将下降。一个典型的例子是电动汽车，在电动汽车中，电力比内燃机在车辆行驶方面的效率要高得多。占美国家庭能源消耗40%以上的住宅空间供暖，目前有37%是电力驱动的。到2050年，这一比例预计将达到92%。
电气化面临的更大挑战在于某些行业，例如大宗化学品的生产，尤其是那些需要高温的行业，在这些应用中替代化石燃料更加困难。对于需要低于750℃的加热负荷的过程，预计电力将贡献约50%，而氢气将占其余部分的很大一部分。钢铁等行业预计将100%依赖氢气供热，而电力将用于为机器驱动和生产中所使用的HVAC提供动力。重型卡车和货运铁路预计也将严重依赖氢气。
据估计，2005年蒸汽产生占全球制造业能源使用量(44EJ)的38%。在ADP报告的中心情景中，到2050年，无化石TES(如熔盐)以及高温热泵和电动/双燃料锅炉将占到蒸汽产量的50%以上。
图4：按行业划分的某些工业生产中电能需求百分比的预测(基于美国ADP 2022报告的数据，中心情景)。
ADP 2022报告中提出了几种脱碳途径。太阳能和风能发电使用量增加的趋势，预计在未来几年将会加速。用于发电、配电和储存的能源网络的重大改进，将有望提高效率并适应可再生能源发电的可变性。住宅、商业、交通和工业应用的更高电气化则被视为实现温室气体净零排放的关键，尽管每个行业在某些领域都将面临挑战。
（原文刊登于EDN美国版，参考链接：The Electrification of Everything: Exploring Paths to a Greener Future，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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