Pesado! A Tesla divulgou um longo texto com quatro personagens para apresentar o “Grand Plan 3”, e mais informações sobre os três novos carros

No início de março, Musk anunciou a terceira parte do grande plano secreto de Tesla (Plano Diretor Parte 3) na conferência de investidores, expressando sua esperança de alcançar uma economia de energia sustentável por meio de mudanças nas cinco áreas a seguir, incluindo:

• Substitua carros a gasolina por carros elétricos
• Popularizando bombas de calor em residências, empresas e indústrias
• Implementação de aquecimento e armazenamento de alta temperatura em processos industriais
• Eletricidade de aviões e navios
• Gerar eletricidade a partir de fontes renováveis ​​e fornecer energia a partir de armazenamento estacionário

Certa vez, Musk usou uma frase para resumir o grande plano secreto de Tesla: o caminho para um futuro energético totalmente sustentável para a Terra. Significa "o caminho para um futuro energético totalmente sustentável para a Terra".

Mas, na época, o plano foi acusado de "falta de detalhes" e o preço das ações da Tesla caiu mais de 3% após o expediente.

Hoje, a Tesla lançou um PDF de 41 páginas——Plano Diretor Parte 3 – Energia Sustentável para Toda a Terra

Este PDF detalha seu plano mestre secreto, parte 3, para criar um futuro melhor para eles e para as gerações futuras, abandonando os combustíveis fósseis e mudando para energia renovável.

O documento também revela mais informações sobre os 3 novos carros:

• O modelo básico usará uma bateria de ferro-lítio de 53kWh
• Uma van pequena usará uma bateria positiva de alto teor de níquel de 100kWh
• Outro ônibus grande usará bateria de ferro-lítio de 300kWh

Além disso, o Modelo 3/Y existente usará baterias de ferro-lítio de 75kWh, e o futuro Cybertruck usará baterias de alto níquel de 100kWh.

O seguinte é o conteúdo completo deste PDF. Você também pode responder ao " Hongtu Project " na conta oficial do WeChat de "Dong Chehui" para obter o documento Word deste artigo e o documento PDF do texto original.

vamos começar!

Índice

sumário executivo

A atual economia de energia é muito perdulária

plano para eliminar os combustíveis fósseis

• Realimentação da rede existente com energia renovável
• Mudança para EVs
• Conversão para bombas de calor em áreas residenciais, comerciais e industriais
• Eletrificação de transferência de calor de alta temperatura e hidrogênio
• Combustíveis Sustentáveis ​​para Aeronaves e Navios
• Criando uma economia de energia sustentável

Modelo econômico de energia totalmente sustentável

• Avaliação de tecnologia de armazenamento de energia
• Avaliação de Tecnologia de Geração de Energia

Resultados do modelo

• Modelo limitado nos EUA – atendendo às novas demandas de eletrificação
• Modelos Mundiais – Atendendo às Novas Demandas de Eletrificação
• baterias para transporte
• veículo
• navios e aeronaves
• Resultados do Modelo Mundial – Eletrificação e Baterias em Veículos

fundos necessários

área de terreno necessária

materiais necessários

Resumir

sumário executivo

Em 1º de março de 2023, a Tesla propôs a terceira parte do Plano Diretor – um caminho proposto para alcançar uma economia global de energia sustentável por meio de eletrificação, produção e armazenamento de energia sustentável. Este artigo descreve as suposições, fontes e cálculos por trás dessa recomendação. Todos são bem-vindos para fornecer comentários e trocas.

A teoria é dividida em três partes principais:

01 Demanda de eletricidade

Estimativas da demanda global de energia sem combustíveis fósseis.

02 Fonte de alimentação

Crie a combinação de recursos de geração e armazenamento de menor custo para atender à demanda horária de eletricidade.

03 Viabilidade material e investimento

Determinar a viabilidade dos materiais necessários para uma economia elétrica e os investimentos fabris necessários para que isso aconteça.

Este artigo conclui que uma economia de energia sustentável é tecnicamente viável e requer menos investimento e extração de material do que a economia de energia insustentável de hoje. Embora muitos estudos anteriores tenham chegado a conclusões semelhantes, este estudo visa avançar o pensamento relacionado à densidade do material, capacidade de fabricação e investimentos em fabricação necessários para uma transição em todos os setores de energia globalmente.

A atual economia de energia é um desperdício

De acordo com o Balanço Energético Mundial de 2019 da Agência Internacional de Energia (AIE), a oferta global de energia primária é de 165 PWh/ano, e a oferta total de combustíveis fósseis é de 134 PWh/ano. 37% (61PWh) foi consumido antes de chegar ao consumidor final. Isso inclui o autoconsumo da indústria de combustíveis fósseis durante a extração/refinação e as perdas de conversão durante a geração de eletricidade. Outros 27% (44PWh) são perdidos para usos finais ineficientes, como veículos com motor de combustão interna e aquecedores a gás natural. No geral, apenas 36% (59PWh) do fornecimento de energia primária produz trabalho ou calor economicamente útil. A análise do Lawrence Livermore National Lab mostra níveis semelhantes de ineficiência no fornecimento de energia global e dos EUA .

plano para eliminar os combustíveis fósseis

Em uma economia eletrificada baseada na geração sustentável, a maioria das perdas a montante associadas à mineração, refino e queima de energia para gerar eletricidade são eliminadas, juntamente com as perdas a jusante de usos finais não elétricos. Alguns processos industriais requerem mais entrada de energia (por exemplo, produção de hidrogênio verde), e algumas atividades de extração e purificação precisam aumentar (envolvendo metais usados ​​para fazer baterias, painéis solares, turbinas eólicas, etc.).

As 6 etapas a seguir demonstram as ações necessárias para eletrificar totalmente a economia e eliminar o uso de combustíveis fósseis. Essas seis etapas detalham as suposições sobre a demanda de eletricidade em uma economia de energia sustentável e levam a uma curva de demanda de eletricidade modelada.

Este modelo usa dados de alta fidelidade fornecidos pela U.S. Energy Information Administration (EIA) de 2019 a 2022 para analisar a economia energética dos EUA e realiza um cálculo de 6 vezes com base no coeficiente de consumo de energia entre os EUA e o mundo em 2019 no balanço energético da IEA Escala para estimar as ações necessárias para a economia global. Esta é uma simplificação significativa e pode ser uma área de foco para análises futuras, já que a demanda global de energia é composta de forma diferente da dos Estados Unidos e está projetada para aumentar com o tempo. Devido à disponibilidade atual desses dados disponíveis, esta análise é para os Estados Unidos.

O plano considera a energia eólica onshore/offshore, solar, nuclear e hídrica existentes como fontes sustentáveis ​​de geração de eletricidade, e considera a biomassa existente também sustentável, embora possa ser eliminada gradualmente. Além disso, o plano não considera a absorção de coisas como o dióxido de carbono emitido pela queima de combustíveis fósseis no século passado, exceto pela captura direta de ar necessária para a geração de combustível sintético; qualquer implementação futura de tais tecnologias provavelmente aumentaria a demanda global de energia.

01 Reequipar a rede existente com energia renovável

A demanda horária de eletricidade existente nos Estados Unidos é modelada como uma demanda de linha de base inflexível do EIA. Para quatro sub-regiões dos EUA (Texas, Pacífico, Centro-Oeste e Leste), a modelagem foi realizada para levar em conta variações regionais, disponibilidade de recursos renováveis, clima e restrições de transmissão da rede. Essa demanda de eletricidade existente é a carga de linha de base que deve ser suportada por geração e armazenamento sustentáveis.

O mundo fornece 65PWh de energia primária por ano para o setor elétrico, incluindo 46PWh por ano de combustíveis fósseis; no entanto, apenas 26PWh por ano de eletricidade são gerados devido a ineficiências na conversão de combustíveis fósseis em eletricidade. Se a rede fosse alimentada por energia renovável, seriam necessários apenas 26PWh de geração sustentável por ano para atender aos requisitos .

02 Mudança para EVs

Devido à maior eficiência do trem de força, capacidade de frenagem regenerativa e design de plataforma otimizado, os veículos elétricos são cerca de 4 vezes mais eficientes do que os veículos com motor de combustão interna. Conforme mostrado na Tabela 1, essa relação é correta para carros de passeio, caminhões leves e semirreboques classe 8.

Como exemplo concreto, o Tesla Model 3 consome 131MPGe, enquanto o Toyota Corolla consome 34MPG, uma diferença de 3,9 vezes, e esta relação aumenta quando se tem em conta as perdas a montante como o consumo de energia associado à extração e refinação de combustível (ver Fig. 4) .

Para determinar a demanda de eletricidade para o setor de transporte eletrificado, o uso mensal histórico de óleo de transporte dos EUA (excluindo transporte aéreo e marítimo) em cada sub-região será dimensionado pelo fator de eficiência do veículo elétrico acima (4x). A frota da Tesla é dividida por hora em segmentos não regulamentados e regulamentados e é considerado o perfil de carga de carregamento de EV no setor de transporte 100% eletrificado. Supercharger, carregamento de veículos comerciais e veículos com estado abaixo de 50% SOC são considerados demanda não regulatória. O carregamento CA doméstico e no local de trabalho é uma demanda ajustável e é modelado com um modelo de restrição de conservação de energia de 72 horas, que reflete a flexibilidade que a maioria dos motoristas tem para carregar quando os recursos renováveis ​​são abundantes. Em média, os motoristas da Tesla cobram de 60% SOC a 90% SOC a cada 1,7 dias, portanto, em relação à quilometragem diária típica, o EV tem alcance suficiente para otimizar o uso de energia renovável Carregamento, desde que haja infraestrutura de carregamento em casa e no trabalho.

A eletrificação do setor de transporte global elimina 28 PWh do uso anual de combustível fóssil e aplica um fator de eficiência 4x EV para criar uma demanda adicional de eletricidade de aproximadamente 7 PWh por ano.

03 Movendo-se para bombas de calor em ambientes residenciais, comerciais e industriais

As bombas de calor movem o calor da fonte para o dissipador comprimindo/expandindo um refrigerante intermediário. Com a seleção adequada de refrigerantes, a tecnologia de bomba de calor pode ser aplicada em aquecimento de ambientes, aquecimento de água e máquinas de lavar em edifícios residenciais e comerciais, bem como em muitos processos industriais.

As bombas de calor de fonte de ar são a tecnologia mais adequada para a modernização de fornos a gás em residências existentes, fornecendo 2,8 unidades de calor por unidade de energia consumida, com base em uma classificação de eficiência típica de 9,5 Btu/Wh com um fator de desempenho sazonal de aquecimento (HSPF). Os fornos a gás queimam gás natural para gerar calor. Eles têm uma taxa de utilização anual (AFUE) de cerca de 90%. Portanto, a bomba de calor de fonte de ar usa menos energia (2,8/0,9) em comparação com o uso de 3 vezes menos que a caldeira a gás natural.

áreas residenciais e comerciais

O EIA fornece histórico mensal de uso de gás natural nos EUA para os setores residencial e comercial de cada sub-região. Um fator de eficiência da bomba de calor 3x reduzirá a demanda de energia se todos os aparelhos a gás forem eletrificados. O fator de carga horária da demanda de eletricidade da linha de base é aplicado para estimar a variação da demanda horária de eletricidade da bomba de calor, atribuindo efetivamente a demanda de aquecimento a períodos de tempo em que a casa está aquecendo ou resfriando ativamente. No verão, a demanda residencial/comercial atinge o pico durante o pico da tarde, quando as cargas de resfriamento são maiores, e no inverno, a demanda segue a proverbial "curva do pato", com pico pela manhã e à noite.

Globalmente, 18PWh de combustível fóssil podem ser economizados anualmente e 6PWh de demanda adicional de eletricidade criada por meio da eletrificação de equipamentos residenciais e comerciais com bombas de calor.

Manufaturação industrial

Os processos industriais podem se beneficiar do aumento da eficiência das bombas de calor até uma temperatura máxima de cerca de 200°C, como as indústrias de alimentos, papel, têxtil e madeira. No entanto, à medida que a diferença de temperatura aumenta, a eficiência da bomba de calor diminui. A integração da bomba de calor é delicada e a eficiência exata depende muito da temperatura da fonte de calor absorvida pelo sistema (a temperatura é um dos fatores que determinam a eficiência da bomba de calor), portanto, é usada uma suposição simplificada da faixa de COP atingível:

De acordo com a composição de temperatura do calor industrial fornecida pela IEA e a eficiência da bomba de calor assumida na Tabela 2, o coeficiente de eficiência da bomba de calor industrial ponderado modelado é 2,2.

O EIA fornece histórico mensal de uso de combustível fóssil pelo setor industrial para cada sub-região8. Todo o uso de combustível fóssil industrial, excluindo combustíveis fósseis embutidos em produtos (borracha, óleo lubrificante, outros), é considerado para aquecimento de processo. De acordo com a Agência Internacional de Energia, 45% do calor do processo está abaixo de 200°C e, quando eletrificado com bombas de calor, requer 2,2 vezes a energia de entrada. O aumento da demanda de eletricidade da bomba de calor industrial é modelado como uma demanda horária fixa e inflexível.

Globalmente, a eletrificação do calor do processo industrial abaixo de 200°C com bombas de calor poderia remover 12PWh de combustíveis fósseis por ano e criar 5PWh de demanda adicional de eletricidade.

04 Eletrificação da transferência de calor em alta temperatura e produção de hidrogênio

Eletrificação de Processos Industriais de Alta Temperatura

Os processos industriais que requerem altas temperaturas (>200°C), que representam os 55% restantes do uso de combustível fóssil, requerem consideração especial. Isso inclui a produção de aço, produtos químicos, fertilizantes e cimento, entre outros.

Esses processos industriais de alta temperatura podem ser atendidos diretamente por aquecimento por resistência, fornos elétricos a arco ou protegidos por armazenamento térmico para aproveitar a energia renovável de baixo custo quando houver excesso de energia renovável. O armazenamento térmico no local pode ser valioso para acelerar a eletrificação industrial de maneira econômica (por exemplo, uso direto de meios de armazenamento térmico e elementos de aquecimento radiante).

O aquecimento por resistência e os fornos de arco elétrico têm eficiência semelhante ao aquecimento do alto-forno e, portanto, exigirão entradas de energia primária renovável semelhantes. Esses processos de alta temperatura são modelados como uma demanda plana e inflexível.

O armazenamento de calor é modelado como um buffer de energia para calor de processo de alta temperatura no setor industrial com uma eficiência térmica de ida e volta de 95%. Em áreas com alta capacidade solar instalada, o armazenamento térmico tenderá a carregar ao meio-dia e descarregar à noite para atender à demanda contínua de calor industrial 24 horas por dia. A Figura 9 mostra possíveis portadores de calor e ilustra vários materiais que são candidatos a fornecer calor de processo >1500C.

A eletrificação do calor do processo industrial global > 200C poderia eliminar 9PWh de combustíveis fósseis por ano e criar 9PWh de demanda adicional de eletricidade, assumindo eficiências iguais de transferência de calor.

Produção sustentável de hidrogênio para aço e fertilizantes

Hoje, o hidrogênio é produzido a partir de carvão, petróleo e gás natural e é usado para refinar combustíveis fósseis (especialmente diesel) e para várias aplicações industriais (incluindo produção de aço e fertilizantes).

O hidrogênio verde pode ser produzido por eletrólise da água (alta intensidade de energia, nenhum produto à base de carbono é consumido/produzido) ou por pirólise de metano (baixa intensidade de energia, subproduto sólido de negro de fumo é produzido, que pode ser convertido em carbono útil). produtos baseados).

Para estimar de forma conservadora a demanda de eletricidade para o hidrogênio verde, as suposições são:

– O futuro refino de combustíveis fósseis não exigirá hidrogênio
– A produção de aço será convertida para o processo de redução direta de ferro, requerendo hidrogênio como insumo. A demanda de hidrogênio para a redução do minério de ferro (assumida como Fe3O4) é baseada na seguinte reação de redução:

Redução com hidrogênio:

• Fe3O4+H2=3FeO+H2O
• FeO+H2=Fe+H2O

– Toda a produção mundial de hidrogênio vem da eletrólise.

Essas suposições simplificadoras para a demanda industrial levam a uma demanda global de hidrogênio verde de 150 Mt/ano, que se estima exigir cerca de 7,2 PWh de eletricidade sustentável por ano a partir da eletrólise.

A demanda de eletricidade para a produção de hidrogênio é modelada como uma carga flexível com restrições anuais de produção, e o potencial de armazenamento de hidrogênio é modelado como uma instalação de armazenamento subterrâneo de gás (como o gás natural armazenado hoje) com restrições máximas de recursos. As instalações subterrâneas de armazenamento de gás usadas para armazenar gás natural hoje poderiam ser convertidas para armazenar hidrogênio; o armazenamento simulado de hidrogênio nos EUA exigiria cerca de 30% das instalações existentes de armazenamento subterrâneo de gás nos EUA. Esteja ciente de que algumas instalações de armazenamento, como cavernas de sal, não são distribuídas geograficamente uniformemente, o que pode apresentar desafios e que pode haver melhores opções alternativas de armazenamento.

O hidrogênio verde sustentável global poderia eliminar 6PWh de uso de energia de combustível fóssil e 2PWh de uso não energético por ano . O combustível fóssil é substituído por uma demanda adicional de eletricidade de 7PWh.

05 Combustível sustentável para aeronaves e navios

O transporte marítimo continental e intercontinental pode ser eletrificado ao projetar velocidades e rotas otimizadas para que baterias menores possam ser carregadas com mais frequência em rotas longas. De acordo com a Agência Internacional de Energia, o transporte marítimo global consome 3,2 watts-hora por ano. Ao aplicar a vantagem de eficiência de eletrificação de 1,5x, uma frota global totalmente eletrificada consumiria 2,1PWh de eletricidade por ano.

Com as densidades atuais de energia das baterias, voos de curta distância também podem ser eletrificados otimizando o design da aeronave e as trajetórias de voo. Voos de longa distância, que representam cerca de 80% do consumo de energia das viagens aéreas (85 bilhões de galões de combustível de aviação são consumidos globalmente anualmente), podem ser sintetizados a partir do excesso de eletricidade renovável utilizando o processo de síntese Fischer-Tropsch, que usa monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2) para sintetizar uma variedade de hidrocarbonetos líquidos e provou ser uma rota viável para a síntese de combustível de aviação. Isso requer 5PWh adicionais de eletricidade por ano, consistindo em:

• Hidrogênio produzido por eletrólise
• Dióxido de carbono capturado por captura direta de ar
• Monóxido de carbono produzido pela eletrólise do dióxido de carbono

O carbono e o hidrogênio para combustíveis sintéticos também podem ser obtidos da biomassa. Métodos mais eficientes e econômicos de produção de combustíveis sintéticos podem surgir com o tempo, e baterias de densidade de energia mais alta eletrificarão as aeronaves de longa distância, reduzindo a necessidade de combustíveis sintéticos.

A demanda de eletricidade para a produção de combustível sintético é modelada como uma demanda flexível com restrições anuais de energia. Combustíveis sintéticos podem ser armazenados usando técnicas convencionais de armazenamento de combustível, assumindo uma proporção de volume de 1:1. A demanda de eletricidade para o transporte marítimo é modelada como uma demanda horária constante.

Combustíveis sintéticos e eletricidade globalmente sustentáveis ​​para navios e aeronaves poderiam eliminar 7PWh de combustíveis fósseis e criar 7PWh adicionais de demanda global de eletricidade por ano .

06 Criando uma economia de energia sustentável

A combinação de geração e armazenamento – painéis solares, turbinas eólicas e baterias – necessária para construir uma economia de energia sustentável requer eletricidade adicional. Essa demanda de eletricidade é modelada como um incremento e, no setor industrial, essa demanda de eletricidade é modelada como uma demanda plana incremental, não ajustável e plana no setor industrial. Veja o Apêndice: Construindo uma Economia de Energia Sustentável – Densidade de Energia para mais detalhes.

Construindo um modelo de economia de energia totalmente sustentável

Essas 6 etapas estabelecem uma demanda de eletricidade nos EUA que pode ser atendida por meio de geração e armazenamento sustentáveis. Para esse fim, um mix de geração e armazenamento é construído usando um modelo de expansão e despacho de capacidade integrada com ótimo custo-hora. O modelo é dividido entre quatro sub-regiões dos Estados Unidos, modela os limites de transmissão entre as regiões e é executado em quatro anos climáticos (2019-2022) para refletir uma variedade de condições climáticas sk. Os limites de transmissão inter-regional são limites estimados de transmissão inter-regional com base nas classificações atuais de capacidade de linha nas principais rotas de transmissão emitidas pelas entidades regionais do North American Electric Reliability Council (NERC) (SERC, WECC, ERCOT). A Figura 11 mostra os requisitos de energia para uma economia totalmente eletrificada nos Estados Unidos.

Os recursos eólicos e solares de cada região foram modelados com seus respectivos fatores de capacidade horária (ou seja, quanta eletricidade é produzida por hora por megawatt de capacidade instalada), seus custos de interconexão e a capacidade máxima para a qual o modelo pode ser construído. Os fatores de capacidade horária eólica e solar para cada região foram estimados usando o histórico de geração eólica/solar do EIA de cada região para capturar as diferenças no potencial de recursos devido aos padrões climáticos regionais. Os fatores de capacidade são dimensionados para representar tendências futuras com base no recente Estudo de Emissões Líquidas Zero dos Estados Unidos de Princeton. A Figura 11 mostra os fatores de capacidade horária para energia eólica e solar nos Estados Unidos em função do tempo. A Tabela 3 mostra os fatores médios de capacidade e demanda por região nos Estados Unidos.

O modelo estabelece geração e armazenamento com base nos atributos de custo e desempenho de recursos específicos, com o objetivo geral de minimizar o custo nivelado de energia. O modelo assume maior capacidade de transferência inter-regional.

Para fornecer energia confiável durante todo o ano, é economicamente ideal implantar o excesso de capacidade solar e eólica, o que leva à redução. quando:

1. Quando a geração de energia solar e/ou eólica é maior que a demanda de eletricidade de uma região;
2. Armazenamento está cheio;
3. Os cortes ocorrem quando não há capacidade de transmissão disponível para transmitir o excesso de geração para outras regiões.

Existem trade-offs econômicos entre a construção de excesso de capacidade de geração renovável e a construção de armazenamento na rede ou a expansão da capacidade de transmissão. Essa compensação pode mudar à medida que as tecnologias de armazenamento em rede amadurecem, mas com base nas suposições de modelagem, a combinação ideal de geração e armazenamento resulta em uma redução de 32%.

Para contextualizar, os mercados com alta penetração de energia renovável já estão encolhendo. 19% da geração eólica na Escócia foi reduzida em 2020 e 6% da geração solar na Califórnia (CAISO) em 2022 foi reduzida devido a restrições operacionais, como geradores térmicos que não conseguiram reduzir para níveis operacionais mínimos ou congestionamento localizado na sistema de transmissão.

Uma economia de energia sustentável fornecerá aos consumidores energia abundante e barata, o que afetará como e quando a energia é usada. Na Figura 12 abaixo, o despacho horário na amostra de outono é mostrado, mostrando o papel de cada geração e recurso de armazenamento no equilíbrio entre oferta e demanda e a concentração de restrições econômicas durante as horas de sol do dia.

Na Figura 14, o armazenamento de hidrogênio é normalmente preenchido na primavera e no outono, quando a demanda de eletricidade é baixa devido ao fim das estações de aquecimento e resfriamento e relativamente mais geração de energia solar e eólica. Da mesma forma, à medida que o excesso de geração no verão e no inverno é reduzido, o armazenamento de hidrogênio é reduzido, fornecendo armazenamento de hidrogênio ao longo das estações.

Avaliação de tecnologia de armazenamento de energia

Para aplicações estacionárias, consideramos as tecnologias de armazenamento de energia na Tabela 4 abaixo, que são atualmente implantadas em larga escala. Li-ion refere-se a bateria de lítio-íon de fosfato de ferro/grafite de lítio. Considerando a volatilidade dos preços das commodities (especialmente o lítio), é listada uma faixa conservadora de custo futuro instalado para o íon-lítio. Embora existam outras tecnologias emergentes, como metal-ar (Fe <-> Fe2O3 redox) e Na-ion, elas não estão sendo implantadas comercialmente e, portanto, não são consideradas.

Avaliação de Tecnologia de Geração de Energia

A tabela abaixo detalha todas as tecnologias de geração de energia consideradas em uma economia de energia sustentável. Os custos de instalação são retirados dos estudos de 2030-2040 do NREL e do Princeton US Net Zero Study.

Resultados do modelo

Resultados do modelo somente nos EUA – Atendendo às novas demandas de eletrificação

Para os Estados Unidos, a combinação ideal de geração e armazenamento para atender à demanda horária de eletricidade, para os anos modelados, é mostrada na tabela abaixo.

Além disso, 1,2 TWh de baterias estacionárias distribuídas foram adicionadas com base na implantação incremental de armazenamento estacionário distribuído ao lado da energia solar na cobertura em edifícios residenciais e comerciais. Isso inclui implantações de armazenamento de energia solar na cobertura em 15 milhões de residências unifamiliares, armazenamento industrial emparelhado com 43 GW de energia solar comercial na cobertura e armazenamento substituindo pelo menos 200 GW da capacidade existente do gerador de backup. Como a implantação de armazenamento distribuído é orientada por fatores não totalmente refletidos na estrutura do modelo de custo mínimo, incluindo resiliência e autossuficiência do usuário final, a implantação de armazenamento distribuído é uma variável exógena além da saída do modelo.

Resultados do Modelo Mundial – Atendendo às Novas Demandas de Eletrificação

Aplicando as 6 etapas ao fluxo de energia mundial, 125PWh de combustíveis fósseis necessários para a energia podem ser deixados a cada ano e substituídos por 66PWh de geração sustentável de eletricidade. Um adicional de 4PWh de nova indústria é necessário a cada ano para fabricar as baterias, painéis solares e turbinas eólicas necessárias.

O mix global de geração e armazenamento para atender à demanda de eletricidade é calculado dimensionando o mix de recursos dos EUA por um fator de seis. Conforme observado acima, esta é uma simplificação significativa e pode ser uma área para melhorias em análises futuras, já que a demanda global de energia é composta de forma diferente da dos Estados Unidos e está projetada para aumentar ao longo do tempo. A análise foi realizada para os Estados Unidos devido à disponibilidade de dados horários de alta fidelidade.

baterias para transporte

carro

Segundo a OICA, existem hoje 1,4 bilhão de carros no mundo, com uma produção anual de cerca de 85 milhões de carros de passeio. Com base nas suposições de tamanho da bateria, a frota exigiria 112 TWh de baterias. A tecnologia de direção autônoma tem o potencial de reduzir a frota global e a produção anual, melhorando a utilização do veículo.

Os veículos de alcance padrão podem utilizar produtos químicos de densidade de energia mais baixa (LFP), enquanto os veículos de alcance mais longo requerem produtos químicos de densidade de energia mais alta (níquel alto). A tabela a seguir lista a distribuição do cátodo no campo automotivo. Níquel alto refere-se aos cátodos de níquel-manganês de baixo a zero cobalto atualmente em produção que estão sendo desenvolvidos na Tesla, fornecedores da Tesla e grupos de pesquisa.

Uma frota global de veículos elétricos

navios e aeronaves

Com base em uma demanda anual de 2,1PWh, se os navios forem carregados em média cerca de 70 vezes por ano para 75% da capacidade de cada vez, seriam necessários 40TWh de baterias para eletrificar a frota oceânica. Suponha que 33% da frota exija cátodos baseados em níquel e manganês de alta densidade e 67% da frota exija apenas cátodos LFP de baixa densidade de energia. Para a indústria da aviação, se 20% das aproximadamente 15.000 aeronaves de fuselagem estreita fossem eletrificadas com uma bateria de 7 MWh, seria necessária uma bateria de 0,02TWh.
Essas são estimativas conservadoras e provavelmente exigirão menos baterias.

Resultados do Modelo Mundial – Baterias de Eletrificação e Transporte

A Tabela 9 resume o mix de geração e armazenamento para atender à demanda global de eletricidade e requisitos de armazenamento de transporte com base em suposições de veículos, navios e aeronaves. Uma explicação de como a combinação de geração e armazenamento é alocada para usuários finais pode ser encontrada no Apêndice: Alocação de Geração e Armazenamento para Usos Finais.

investimento necessário

Os investimentos listados aqui incluem instalações de fabricação, operações de mineração e refino e a instalação de cavernas de sal para armazenamento de hidrogênio. As instalações de fabricação são dimensionadas com base na taxa de substituição de cada ativo, e as operações upstream (como mineração) são dimensionadas de acordo. Os materiais que requerem um aumento significativo da capacidade são:

1. Para mineração: níquel, lítio, grafite e cobre;
2. Para refino: Níquel, Lítio, Grafite, Cobalto, Cobre, Ferro Grau de Bateria e Manganês.

A Tabela 9 resume o mix de geração e armazenamento para atender à demanda global de eletricidade e requisitos de armazenamento de transporte com base em suposições de veículos, navios e aeronaves. a Uma explicação de como a combinação de geração e armazenamento é alocada para usuários finais pode ser encontrada no apêndice: Alocação de geração e armazenamento para usos finais.

Além da despesa inicial, está incluída na estimativa de investimento uma despesa de manutenção de 5% ao ano durante 20 anos. Com base nessas suposições, a construção da infraestrutura de manufatura em uma economia de energia sustentável custaria US$ 10 trilhões, em comparação com os gastos projetados com energia fóssil de US$ 14 trilhões ao longo de 20 anos no ritmo de investimento de 2022.

A tabela abaixo fornece mais detalhes sobre mineração, refino, fábricas de automóveis, fábricas de baterias e premissas de reciclagem. As suposições de mineração e refino são estimativas internas das médias do setor com base em relatórios publicados do setor:

industria de mineração

refinaria

Fábricas de veículos e baterias

reciclar e reutilizar

área de terreno necessária

Área de terra necessária Os requisitos de área de terra solar são estimados com base na avaliação empírica do Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) de projetos do mundo real nos Estados Unidos, que encontrou uma densidade de energia média de 2,8 para painéis solares fixos instalados em 2011-2019 Acres/MWdc . Converter MWdc em MWac usando uma taxa de conversão de 1,4 produz aproximadamente 3,9 acres/MWac. Portanto, uma frota global de 18,3 TW de painéis solares exigiria aproximadamente 71,4 milhões de acres de terra, ou 0,19% do total global de 36,8 bilhões de acres . Os requisitos de área de terra para o vento são estimados com base em pesquisas do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), que encontrou um uso direto da terra de 0,75 acres por megawatt. Portanto, uma frota global de turbinas eólicas de 12,2TW exigiria aproximadamente 9,2 milhões de acres de terra, ou 0,02% da área total de terra.

materiais necessários

suponha

Os materiais totais necessários para painéis solares, turbinas eólicas e milhas de circuito são calculados com base em suposições de resistência de material de terceiros. A resistência do material da bateria é baseada em estimativas internas. As suposições de densidade de material para painéis solares e turbinas eólicas vêm de relatórios da Comissão Europeia. Bolachas de silício cristalino são usadas para células solares, enquanto minerais de terras raras são excluídos de turbinas eólicas, pois houve progresso no desenvolvimento da tecnologia.

De acordo com o estudo 2050 Net Zero Pathway da Agência Internacional de Energia, o mundo precisará adicionar ou reconstruir aproximadamente 60 milhões de milhas de circuitos elétricos para alcançar uma economia global eletrificada totalmente sustentável. A capacidade de distribuição será expandida principalmente por meio de reencaminhamento das linhas existentes e expansão da capacidade da subestação para acomodar aumentos substanciais no pico e na demanda média do usuário final. A transmissão de alta tensão expandirá principalmente a cobertura geográfica, conectando a capacidade de geração eólica e solar em larga escala a áreas densamente povoadas. Para estimar os requisitos de material, 90% dos 60 milhões de milhas de circuito seriam religação de sistemas de distribuição de baixa tensão existentes e 10% seriam novas milhas de circuito de transmissão de alta tensão, que é a proporção atual de transmissão de alta tensão para baixa tensão. distribuição de tensão nos Estados Unidos.

Com base nas suposições acima, o peso total de 12,815 bilhões de toneladas (444 milhões de toneladas por ano) será de 30 terawatts de geração de energia e 240 terawatts de armazenamento de energia da bateria, bem como as necessidades de 60 milhões de milhas de transmissão.

extração de material

O fluxo de material (ou seja, quanta terra é movida) associado a esses materiais depende do teor do minério e do rendimento do processo geral. Usando estimativas internas das médias da indústria compiladas de relatórios publicados da indústria (ver Tabela 19), o fluxo de massa anual necessário é estimado em 3,3 gigatoneladas (Gt). Se o cobre (1% de teor de minério) for substituído por alumínio (50% de teor de minério), a taxa de fluxo de massa pode ser reduzida, o que é possível em muitos casos de uso. Assumindo que 50% do lítio é extraído de 100% de salmoura, se não fosse esse o caso, o fluxo de massa associado ao lítio aumentaria em 0,8 Gt.

De acordo com o Circularity Gap Report de 2023, 68 Gt de materiais, excluindo biomassa, são extraídos da terra a cada ano, dos quais os combustíveis fósseis representam 15,5 Gt. Em uma economia de energia sustentável, a extração de material seria reduzida em 10,8 Gt – a maior parte da extração de combustível fóssil sendo substituída por 3,3 Gt de extração de material renovável. Assumindo a extração contínua de combustível fóssil associada a usos finais não energéticos (ou seja, plásticos e outros produtos químicos), representa cerca de 9% do suprimento de combustível fóssil, de acordo com a AIE.

disponibilidade de materiais

O material total extraído na Tabela 18 foi avaliado em relação ao recurso 2023 USGS para avaliar a viabilidade. Para a prata, o USGS não publica estimativas de recursos, então as reservas são usadas. A análise mostra que os painéis solares precisarão de 13% das reservas de prata do USGS em 2023, mas a prata pode ser substituída por cobre, que é mais barato e mais abundante. A demanda de grafite pode ser atendida com grafite natural e artificial – o primeiro é extraído e refinado, o segundo é derivado do coque de petróleo. Portanto, a base de recursos de grafite foi aumentada para levar em consideração a produção de grafite sintético a partir de produtos petrolíferos. Se apenas uma pequena porção dos recursos mundiais de petróleo for usada para produção de grafite artificial, então os recursos de grafite não serão um fator limitante. O trabalho de desenvolvimento em andamento visa avaliar outros produtos carbonáceos como matérias-primas para a produção de grafite artificial, incluindo dióxido de carbono e várias formas de biomassa.

Em conclusão, não há restrições materiais fundamentais ao avaliar o recurso estimado do USGS de 2023. Além disso, os recursos e reservas têm aumentado historicamente – ou seja, quando um mineral está em demanda, há mais incentivo para encontrá-lo e, portanto, mais minerais a serem descobertos. A mineração, concentração e refino anuais de minérios metálicos associados devem crescer para atender às demandas de uma economia de energia renovável, com restrições fundamentais sendo o capital humano e o tempo de licenciamento/regulamentação. Com base nas estimativas do Ministério (ver Tabela 19), o fluxo de massa anual necessário é estimado em 3,3 gigatoneladas (Gt). Se o cobre (1% de teor de minério) for substituído por alumínio (50% de teor de minério), a taxa de fluxo de massa pode ser reduzida, o que é possível em muitos casos de uso. Assumindo que 50% do lítio é extraído de 100% de salmoura, se não fosse esse o caso, o fluxo de massa associado ao lítio aumentaria em 0,8 Gt.

De acordo com o Circularity Gap Report de 2023, 68 Gt de materiais, excluindo biomassa, são extraídos da terra a cada ano, dos quais os combustíveis fósseis representam 15,5 Gt. Em uma economia de energia sustentável, a extração de material seria reduzida em 10,8 Gt – com a maior parte da extração de combustível fóssil substituída por 3,3 Gt de extração de material renovável. Assumindo a extração contínua de combustível fóssil associada a usos finais não energéticos (ou seja, plásticos e outros produtos químicos), representa cerca de 9% do suprimento de combustível fóssil, de acordo com a AIE.

reciclar e reutilizar

Para apoiar este plano, é necessário um crescimento substancial da demanda de materiais primários para facilitar a fabricação para uma economia de energia sustentável, que se estabilizará quando as instalações de fabricação forem fortalecidas. Em 2040, a reciclagem começará a reduzir significativamente a demanda de materiais primários à medida que baterias, painéis solares e turbinas eólicas chegarem ao fim de sua vida útil e materiais valiosos forem recuperados. Embora a demanda de mineração diminua, a capacidade de refino não.

para concluir

Uma economia totalmente eletrificada e sustentável é alcançável através das ações deste documento:

• Realimentação da rede existente com energia renovável
• mudar para veículos elétricos
• Conversão para bombas de calor em áreas residenciais, comerciais e industriais
• Eletrificação de aquecimento de alta temperatura e produção de hidrogênio
• Combustível sustentável para aeronaves e navios
• Criando uma economia de energia sustentável

Os modelos mostram que um futuro eletrificado e sustentável é tecnicamente viável e requer muito menos dinheiro e materiais do que continuar com a economia de energia insustentável de hoje.

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