以电气化推动能源转型 —— 实现零碳未来的关键

电气化会彻底改变过去依赖化石燃料的技术和工艺，转为电力驱动，由太阳能、风能和水能等可再生能源提供电能， 从而减少温室气体排放。

要想在2050年之前达成净零目标，能源行业必须采取行之有效的碳减排措施。电气化至关重要。在2030年至2050年期间，电气化是最有效的碳减排途径；在2022年至2030年期间，电气化仅次于风能和光伏发电。在21^{世纪内实现《巴黎协定》的1.5°C温控目标也离不开电气化。}

电气化通过使用可再生能源替换化石燃料，从而减少碳排放 —— 大部分措施需要使用现有的可扩展技术。

所有工业领域需要协同工作，探索多种途径，包括提高能效、碳捕集与封存（CCS），以及氢能燃料转换，才能最终实现碳中和。

为了实现全球和地区净零排放目标，现在仍在使用化石燃料的运输、供热和工业部门必须减少温室气体排放，碳减排工作并不简单轻松，成本也不低。以下章节重点介绍了不同行业的能源转型机遇。

交通工具常用化石燃料，是温室气体排放的主要来源，具体占比因地区而异。轻型电动汽车的电气化水平不断提高，但是分析整个行业的能源使用情况，其占比还不到1%，因此，轻型、中型和重型汽车制造领域仍有巨大的能源优化空间。

当下，中国、欧洲和美国拥有规模最大的汽车和电动汽车市场。得益于强有力的政府政策和补贴激励措施，以及国内石油供应不足的现状，中国的电动汽车销量位居全球第一。

然而，电动汽车也存在多个负市场外部性表现，其中以充电设施不足和前期成本高昂最为突出，后者主要归因于电池成本。伴随着电动汽车数量的增长，电力需求也大幅增加，给当地电网带来压力。部分地区安装太阳能光伏微电网，进行战略性电网扩容，能够在一定程度上缓解这一问题。

重型车辆制造领域的能源优化更是困难重重。例如，卡车有严格的载重标准，而电池本身质量较大，这给电动汽车的设计带来了挑战。此外，长途运输车辆每天需要行驶数百或数千公里，在充电设施有限的条件下，无法保证随时随地可以充电，也无法满足频繁充电需求。如果不实现技术创新，缩短充电时间，提高电池的质量能量密度，重型电动汽车就无法取代现有的化石燃料卡车。总使用成本是另一个重要因素，电动卡车的运营成本较低，但对于运输企业而言，最初的高昂购车成本是一个障碍。

航空业尚未考虑电气化，飞机重量巨大，需要足够容量的电池才能提供长距离飞行的动力。取而代之，航空业正在研究可持续航空生物燃料，优化运营，减少排放。

建筑物内的制冷、照明和计算设备均已使用电能，但仍有相当部分的供暖及水加热系统由丙烷、天然气或柴油驱动，仍有能源优化空间。

数十年来，在温暖气候条件下，电热泵一直是高效的家用制冷供暖设备。一旦温度降到零度以下，泵就无法正常工作了。最近研发的创新技术 —— 比如变频压缩机技术 —— 系统在零下12 °C（10.4 °F）也能正常运行。

地源热泵系统的能效很高，然而，更换天然气设备将耗费较高的投资成本，构成了一大障碍。从这个角度分析，新建建筑的前期投资很高，往往是电气化的良好契机。此外，随着时间的推移，节省的运营开支和减少的碳足迹也可收回投资。

总之，借助热泵技术结合清洁能源发电实现建筑电气化，也是达成气候目标的重要途径。

工业电气化还有巨大潜能，许多资产都可以电气化，减少化石燃料的使用，使用净零环保能源。低温加热工艺最具潜力，比如食品干燥、饮料生产、造纸，以及轻工产品制造。其中包括高达约400°C（752°F）的高温工艺。

饮料企业可以将使用天然气和燃油为动力的生产过程电气化。为使用化石燃料加热水和蒸汽的生产工艺选择专用设备，包括机械式蒸汽再压缩蒸发器、蒸汽干燥箱和电锅炉。据专家估算，生产过程所消耗的化石燃料，一半以上可以用电能取代，有助于能源转型。

涉及高温工艺（1,000°C (1,832 °F)甚至更高）的工业流程电气化，取决于新电气技术的发展，它们可能取代钢铁和水泥生产等行业中使用周期较长的设备。例如，正在开发的电弧炉，有望取代传统高炉，显著降低碳排放。

工业领域通过多种复杂途径减少温室气体排放。包括间接排放（使用化石燃料发电）和直接排放（现场燃烧化石燃料并发电），以及温室气体副产品和泄漏。电气化可以减少上述排放，尽管前期成本和运营成本较高。

电气化离不开电池和电池技术。电池是能源转型的关键部分，尤其是电动汽车和电网储能领域，它可以破解不稳定性和间歇性供电的问题（包括太阳能和风能）。电池还可以取代小型发电机、固定装置和移动设备，为设备和系统移动供电。

各种新型电池设计和材料科学的新近发展，使电池的化学性能和能量密度不断提高。通常，相比其他材料，锂电池的能量密度较高、循环寿命较长，因而备受青睐。得益于电池的规模化生产，性价比较高，是目前电网储能的主流电池技术。

电池由阳极、阴极、隔膜、电解质组成，带两个电极（正极和负极）。阳极和阴极负责储存锂，电解质通过隔膜，将带正电荷的锂离子从阳极带到阴极。反之亦然。锂离子运动，阳极上出现自由电子，正极上产生正电荷。随后，电流从正极经由设备流向负极。隔膜阻止电池内部的电子移动，只允许锂离子通过。

按需接收、存储和释放电能是电动汽车电池和电网级电池的主要优点，类似抽水蓄能电站。 

利用电池的优势实现电气化，给生产电池所需的原材料问题提出了新的挑战。负责任的电池矿物采购是全球可持续发展的重要议题之一。因此，应当选择可信赖的电池解决方案合作伙伴，负责此类材料的开采工作。 

同大多数电池一样，电动汽车电池主要由能源转型矿物（ETM）构成，也称为“关键矿物”。目前，大多数电动汽车都使用锂电池，含有锂、钴、镍、石墨等能源转型矿物，含量各异。在循环经济的大背景下，大多数材料都可以重复使用和回收再利用；不同于油车，需要不断开采和燃烧化石燃料。电动汽车的电机和风力发电汽轮机的永磁体还需要铜等其他稀土元素。

可持续供应链必须持续提高上述材料的可溯源性。Endress+Hauser等公司为电池制造商提供丰富的专业知识，帮助企业完成仪表审计和认证工作。

进行电气化决策时，有关成本、技术可行性和环境影响的充足全面信息和透明比对结果至关重要，但往往信息不全或缺失。在传统解决方案或电气化解决方案之间进行选择时，许多行业的客户完全不了解上述影响和政府激励措施，甚至对此产生了误解。

可喜的是，电气化和其他低碳技术在工业领域和消费市场的应用趋于广泛，成本逐步降低。技术的进步和规模化生产有助于推动行业发展进步。为了实现净零排放目标，企业和政府必须继续履行可持续发展承诺，借助电气化和其他方式减少运输、供热和工业生产的二氧化碳排放。