《全球難題：應對能源轉型的現實問題》由麥肯錫全球研究所發佈，深入探討了能源轉型過程中的 25 個物理挑戰，橫跨電力、交通、工業、建築、原材料、氫和其他能源載體以及碳減排七個領域。以下是報告的主要內容介紹：

1. 能源轉型的背景和重要性

• 能源系統現狀
• 全球能源系統龐大複雜，對現代生活至關重要，但也面臨諸多問題。目前，能源生產和消費產生了超過 85% 的全球二氧化碳排放，且大部分能源仍依賴化石燃料。
• 能源系統經過數百年最佳化，具有能量密度高、運輸方便、供應可靈活調節等優點，但也存在約三分之二的能源被浪費的問題。
• 能源轉型的目標和現狀
• 目標是減少排放，將全球平均氣溫上升控制在特定範圍內。然而，能源轉型仍處於早期階段，大多數領域僅實現了 2050 年所需低排放技術部署的約 10%，且多集中在較容易的應用案例。

2. 能源轉型的 25 個物理挑戰

• 挑戰的分類和界定
• 研究將挑戰分為三個難度等級。一級挑戰需推進現有技術部署，面臨的物理障礙最少；二級挑戰需加速已知技術部署並擴展相關基礎設施和投入；三級挑戰存在技術性能差距、高度相互依賴且轉型剛剛開始。
• 各領域的具體挑戰
• 二級挑戰是提高能源效率，這可以通過採用更高效的照明和裝置、提高車輛燃油效率以及改進工業過程等方式來實現，但需要對大量資產進行改造。
• 三級挑戰包括從點源捕獲碳和直接從大氣中捕獲碳。碳捕獲技術在處理低濃度二氧化碳排放源時面臨困難，需要大規模的技術創新和基礎設施建設。
• 三級挑戰包括利用氫氣的潛力以及擴大氫氣的基礎設施。氫氣具有作為能源載體和工業原料的潛力，但在生產、運輸和使用過程中存在能量損失和技術難題，需要大規模的基礎設施建設和技術創新。
• 二級挑戰是管理生物燃料的足跡，隨著能源轉型的推進，生物燃料的使用需要加速，但也需要管理土地競爭等問題。
• 關鍵礦物質的供應是二級挑戰。隨著能源轉型的推進，對關鍵礦物質（如鋰、鈷、稀土等）的需求將大幅增加，但目前的供應僅為 2050 年所需的 10% - 35%，需要加速供應並管理需求。
• 一級挑戰是確保熱泵在寒冷溫度下的效率，這可以通過改進熱泵技術和採用雙源熱泵等方式來實現。
• 二級挑戰是應對冬季電力需求高峰，這需要通過提高建築能效、採用儲能技術、部署雙源供暖系統以及升級熱泵等方式來解決。
• 鋼鐵、水泥、塑料和氨這四種主要工業材料的脫碳是三級挑戰。這些行業高度依賴化石燃料作為原料和高溫熱源，需要多種技術途徑和大規模的資產重新組態來實現脫碳，如採用氫氣直接還原鐵、碳捕獲技術等。
• 其他工業的脫碳屬於二級挑戰，主要通過現有技術的推廣和應用來實現，如採用電加熱、替代燃料或提高能源效率等方式，但也需要對現有工業場地進行改造。
• 一級挑戰包括確保電動乘用車在整個生命周期內的排放低於內燃機汽車以及滿足電動乘用車的續航里程需求。目前，電動乘用車在續航里程和充電時間方面仍存在一些問題，但在一些地區已經能夠滿足大部分家庭的日常出行需求。
• 二級挑戰是擴大電動乘用車和燃料電池汽車的充電基礎設施和供應鏈。這需要大量的投資和建設，同時也需要解決關鍵礦物質供應等相關問題。
• 三級挑戰涉及電動卡車、航空和航運的脫碳。電動卡車在續航里程和有效載荷方面面臨挑戰，航空和航運則需要大規模的新型低排放燃料供應以及相關基礎設施建設。
• 三級挑戰包括管理可再生能源的波動性以及新興電力系統的規模化。隨著太陽能和風能在電力供應中佔比增加，電力系統的輸出變得更加不穩定，需要新的靈活性措施，如能源儲存、備用發電和電網互聯等。新興電力系統在擴展和適應可再生能源滲透方面面臨更大困難，需要更多的靈活性和技術創新。
• 二級挑戰包括確保可再生能源的土地供應、電網擴張連接以及靈活調整電力需求。可再生能源需要大量土地，但土地獲取可能受到限制，需要通過多種方式解決。電網需要擴大和升級以適應能源轉型，但面臨許可和建設時間長等問題。同時，需求側靈活性也有很大的提升空間，可以通過智能充電、工業負荷調整等方式實現。
• 還可以通過增加能源儲存、備用發電和電網互聯等方式來應對這些挑戰。
• 電力領域
• 交通領域
• 工業領域
• 建築領域
• 原材料領域
• 氫和其他能源載體領域
• 碳減排領域

3. 挑戰的難點和應對策略

• 挑戰的難點
• 技術性能差距：一些低排放技術在性能上無法與高排放技術相比，如電動卡車在續航里程和有效載荷方面的不足。
• 相互依賴關係：許多挑戰之間存在相互依賴關係，如氫燃料卡車的發展依賴於氫氣供應基礎設施的建設，而氫氣生產又依賴於可再生能源和碳捕獲技術。
• 規模擴展困難：能源轉型需要大規模的技術部署和基礎設施建設，但面臨著原材料供應、土地獲取、成本等多種限制。
• 應對策略
• 持續創新：包括提高電池能量密度、改進氫氣電解器效率、開發新的電氣化高溫工業過程等。
• 系統整合：改變技術組合方式，如增加需求側靈活性以平衡可再生能源的波動性，或通過改變能源生產、運輸和使用方式來減少能源損失。
• 適應應用場景：根據不同的應用場景，採用替代材料或調整技術應用方式，如在建築中採用節能措施，或在工業中採用替代燃料。

4. 對能源轉型的展望和建議

• 轉型的路徑選擇
• 能源轉型的路徑並不簡單，需要在不同的策略之間進行權衡。例如，可以選擇快速推進技術創新，也可以選擇逐步過渡，同時還需要考慮社會和經濟的承受能力。
• 對政策制定者和企業的建議
• 政策制定者需要提供正確的激勵措施和政策環境，促進企業投資和創新，同時還需要確保能源轉型的公平性和包容性。
• 企業需要評估自身在能源轉型中的機遇和挑戰，制定相應的戰略，包括投資新技術、調整供應鏈和商業模式等。

5. 報告的意義和侷限性

• 意義
• 報告全面系統地分析了能源轉型過程中的物理挑戰，為政策制定者和企業提供了重要的參考依據。
• 通過對不同領域和挑戰的深入研究，有助於促進跨部門的合作和協同創新。
• 侷限性
• 報告主要關注物理挑戰，對非物理因素（如成本、市場接受度等）的考慮相對較少。
• 部分挑戰的分類和界定可能存在主觀性，不同地區和行業可能面臨不同的挑戰和解決方案。

報告強調了能源轉型過程中的物理現實和挑戰，為實現全球能源轉型目標提供了重要的指導和參考。同時，報告也指出了需要進一步研究和解決的問題，為未來的能源研究和政策制定指明了方向。 (歐米伽未來研究所)