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电动车效率是内燃机4倍,马斯克宏图3里那些“触目惊心”的数字!

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4月20日,马斯克造的史上最大运载火箭Space X“星舰”将再次发射。这是人类有史以来建造的最强大火箭,超级重型助推器和顶部的星际飞船

4月20日,马斯克造的史上最大运载火箭Space X“星舰”将再次发射。这是人类有史以来建造的最强大火箭,超级重型助推器和顶部的星际飞船堆叠在一起约120米,仅仅是助推器就搭载33台“猛禽”发动机。

30亿美元的发射成本,也是人类距离“前往火星、实现载人登月”梦想最近的一次,引发全球围观并不意外。

马斯克除对火星殖民、多行星物种有疯狂想法外,围绕着地球上能源经济的可持续发展,也是操碎了心。前段时间发布的宏图计划第三篇章里,就展示了抹除化石能源后的全球可持续能源发展的缜密构想。



储能 240TWH,可再生电力 30 TWH,制造投资 10 万亿美元,能源需求不到化石能源的一半,可再生能源设施占全球 0.2% 土地,世界 GDP的10%......很多人以为,这只是马斯卡为自己的商业帝国画出的又一张大饼,但其实仔细对照研究宏图计划part 3的完整全文后会发现,其中藏着不少真实的“触目惊心”的数字,推导过程算得上严谨。

看完后的结论是,内燃机、化石能源确实该说再见了。

01

当前的能源经济是浪费的,只有36%发挥作用

开门见山,宏图计划part 3批评了传统化石能源经济的低效。



根据国际能源署2019年报告,全球一次能源供应量为165PWh/年,化石燃料供应总量为134PWh/年,37%(61PWh)在进入终端消费前就被消耗掉了。这包括化石燃料在开采/提炼过程中的自我消耗,以及发电过程中的转化损失。另有27%(44PWh)被低效的终端适用所损失,如内燃机汽车、天然气炉。

总体来说,只有59PWh的一次能源供应产生了工作或热量,这部分只占36%,被用在经济社会活动中。其余都被浪费掉了。

在全球范围内,65PWh/年的一次能源被供应给电力部门,包括46PWh/年的化石燃料。然而,由于将化石燃料转化为电能的效率极低,每年只生产了26PWh/年的电力。如果电网改用可再生能源,每年只需要26PWh/年的可持续发电。

按照马斯克宏图计划3,通过铺设大量太阳能电池,每年可从太阳获取电量超过46PWh,以替换发电侧产生的35%的化石能源消耗。

02

电动车的效率是内燃机汽车的4倍

电能、氢能是能源可持续发展的两大依仗,电气化在交通能源领域的推进,对能源可持续发展具有重要意义。

按照宏图计划3中的构想,用纯电动汽车替换燃油汽车,将替代交通能耗21%的化石能源。马斯克预计,完成这一计划,一年需要生产2000万辆电动汽车,将耗资7万亿美元。这些车辆的电池也将组成总量达115TWh的移动储能,成为电力系统灵活调节的重要组成部分。

交通工具的电气化大势所趋,包括未来的轮船、火箭等都可使用电能。但放弃化石能源还不仅仅是因为碳排放,给地球“降温”。燃油车效率低这一点,往往容易被忽视。

电车动力系统效率比燃油车高多少呢?马斯克算了一笔帐,听起来有点儿“触目惊心”。



这种变化是结构性的,是真正的降维打击。由于更高的动力效率、再生制动能力和优化的平台设计,电动汽车的效率比内燃机汽车高了整整4倍多。乘用车的效率比是4.8倍,轻卡/货车为4.3倍,重卡约为4.2倍。



特斯拉还直接拿Model 3与丰田卡罗拉燃油车进行了对比,前者的能耗为131MPGe(33.7 千瓦时的电力 = 1加仑的天然气),而丰田卡罗拉则为34MPG(1加仑油所行驶的英里数),Model 3的效率比丰田卡罗拉低3.9倍。

这个数字确实让人有点儿“震惊”。

以电动汽车4倍效率计算,全球交通部门电气化,如果消除28PWh/年的化石燃料,换算到电动车上,只需要7PWh/年的额外电力,就能满足市场的需求。

03

热泵,又是一个大杀器


除了光伏、电动汽车储能外,马斯克热捧的还有一项可能大众不太熟知的热泵技术。

马斯克提出,热泵并不产生热量,而是将外部热量转移到房屋或汽车内部,这将为建筑物供暖减少3倍以上的能耗,且可以减少22%的化石燃料消耗。在减碳潜力方面,热泵的地位甚至还高于电动汽车。



热泵工作原理

不仅是马斯克,欧盟也在去年5月公布了“RepowerEU” 能源转型行动方案,其中明确要求将热泵部署速度提升一倍,未来五年将累计安装超过1000万台热泵。

国际能源署(IEA)同样给出了肯定的答案。在去年12月发布的《热泵的未来》特别报告中提及,未来数年,热泵销量有望呈现持续增长态势,到2050年,热泵将占轻工业热需求的30%,等于30年内每月都可以上马500Mw。



热泵相较于燃气灶进行空间加热的效率提升

何为热泵?本质上是热量的“搬运工”,热效率通常可达到300%-400%,比如一度电就可以搬运3-4度电,热泵要比直接制热的电热水器、采暖的燃油锅炉等高出数倍。最关键的是,热泵几乎没有污染。

热泵不仅适用于住宅、商业建筑的空间加热、水加热和烘干,还能替代电动汽车里传统的热管理系统。

相比传统的PTC空调,热泵的制热效率更高,更省电,尤其是电动汽车还存在严重的里程续航和充电焦虑。如果将车内空调替换成热泵,就不用“争夺”电池电能,续航能力也延长了。不仅是特斯拉,国内的比亚迪、蔚来等主机厂均在布局热泵技术,未来有望成为标配。

而且,在提供等量热能的前提下,热泵能耗成本约为燃煤的15%-20%,燃油燃气的30%-50%,太阳能的60%-70%。

在马斯克的宏图计划3中,如果全球都使用热泵来取暖和加热、烘干,住宅和商业设备电气化可以消除18PWh/年的化石燃料,同时只需要额外6PWh/年的电力需求。

食品、造纸、纺织、木材等行业,以及钢铁、化工、化肥和水泥生产领域,都需要高温输热、加工热。用热泵替代的话,这两项加和到一起,可以消除21PWh/年的化石能源,14PWh/年的电力就搞定了。

04

10万亿美元造出的新文明

按马斯克的构想,通过优化设计速度和航线,使较小的电池在长航线上更频繁地充电,船只、飞机也可以实现电气化。

根据国际能源署的数据,目前全球远洋运输每年消耗3.2PWh/年,如果完全采取电气化,只需要消耗2.1PWh/年的电力。短途飞行也可以通过优化飞机设计和飞行轨迹,在当下的电池能量密度下实现电气化。占航空旅行80%能源消耗的长距离飞行,可用一氧化碳、氢气的混合物合成液体碳氢化合物燃料,这些需要5PWh/年的电力。

如果要满足以上所需的电力需求,用太阳能电池板、风力涡轮机和电池储能的组合出力,就能达到可持续能源经济所需的能量规模。



美国的模型结果



特斯拉目标汽车销量(含A、B级、客车、重卡、皮卡等)

在这一可持续能源体系中,全球14亿辆汽车、船只和飞机组合在一起,将形成超大容量的“电池组”。根据特斯拉宏图计划3披露,全球车队将需要112TWh的电池,40TWh的电池来实现海洋舰队的电气化,其中33%的船只用高镍电池,67%使用低能量密度的磷酸铁锂LFP电池;15000架飞机中的20%使用7MWh的电池组进行电气化,则需要0.02TWh的电池。



全球汽车目标销量



船只、飞机电池组容量



满足全球电力需求的发电和存储组合及交通电池



可持续能源经济的储能及可再生能源发电容量

这是满足全球电力需求的发电和储能的组合,以及基于车辆、船只和飞机假设的电池组的需求。



可持续能源经济与化石能源投资对比



可持续能源经济的投资汇总

那么,完成这一宏图计划需要在基础设施建设上耗费多少资金?答案是10万亿美元,相当于继续投资化石能源60%的成本。而且太阳能、风能所需的土地面积只需拿出全球0.2%的比例就够了。

只能说,马斯克不仅敢想,还有周密的计划,而且已经开始这么做了。

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