Lourd! Tesla a publié un long article présentant « Grand Plan 3 », et plus d’informations sur les trois nouvelles voitures

Début mars, Musk a annoncé la troisième partie du grand plan secret de Tesla (Master Plan Part 3) lors de la conférence des investisseurs, exprimant son espoir de parvenir à une économie énergétique durable grâce à des changements dans les cinq domaines suivants, notamment :

• Remplacer les voitures à essence par des voitures électriques
• Populariser les pompes à chaleur dans les maisons, les entreprises et les industries
• Mise en œuvre du chauffage et du stockage à haute température dans les processus industriels
• Électrifier les avions et les navires
• Produire de l'électricité à partir de sources renouvelables et fournir de l'énergie à partir d'un stockage stationnaire

Musk a utilisé une fois une phrase pour résumer le grand plan secret de Tesla : la voie vers un avenir énergétique entièrement durable pour la Terre. Cela signifie "la voie vers un avenir énergétique entièrement durable pour la terre".

Mais à l'époque, le plan était accusé de "manque de détails" et le cours de l'action de Tesla a chuté de plus de 3% après les heures.

Aujourd'hui, Tesla a publié un PDF de 41 pages——Master Plan Part 3 – Sustainable Energy for All of Earth

Ce PDF détaille leur plan directeur secret, partie 3, pour créer un avenir meilleur pour eux-mêmes et les générations futures en nous sevrant des combustibles fossiles et en passant aux énergies renouvelables.

Le document révèle également plus d'informations sur les 3 nouvelles voitures :

• Le modèle d'entrée de gamme utilisera une batterie fer-lithium de 53 kWh
• Une petite camionnette utilisera une batterie positive à haute teneur en nickel de 100 kWh
• Un autre grand bus utilisera une batterie au lithium-fer de 300 kWh

De plus, le modèle 3/Y existant utilisera tous des batteries fer-lithium de 75 kWh, et le prochain Cybertruck utilisera des batteries à haute teneur en nickel de 100 kWh.

Vous pouvez également répondre au " Hongtu Project " sur le compte officiel WeChat de "Dong Chehui" pour obtenir le document Word de cet article et le document PDF du texte original.

commençons!

Table des matières

résumé

L'économie énergétique actuelle est très gaspilleuse

plan d'élimination des combustibles fossiles

• Réalimenter le réseau existant avec des énergies renouvelables
• Passez aux véhicules électriques
• Conversion aux pompes à chaleur dans les zones résidentielles, commerciales et industrielles
• Électrification du transfert de chaleur à haute température et de l'hydrogène
• Carburants durables pour avions et navires
• Créer une économie énergétique durable

Modèle économique énergétique entièrement durable

• Évaluation de la technologie de stockage d'énergie
• Évaluation de la technologie de production d'énergie

Résultats du modèle

• Modèle limité aux États-Unis – répondant aux nouvelles exigences d'électrification
• Modèles mondiaux – Répondre aux nouvelles demandes d'électrification
• piles pour le transport
• véhicule
• navires et avions
• Résultats du modèle mondial – Électrification et batteries dans les véhicules

fonds nécessaires

superficie de terrain requise

les matériaux nécessaires

Résumer

résumé

Le 1er mars 2023, Tesla a proposé la troisième partie du plan directeur – une voie proposée pour parvenir à une économie mondiale de l'énergie durable grâce à l'électrification, à la production et au stockage d'énergie durable. Cet article décrit les hypothèses, les sources et les calculs qui sous-tendent cette recommandation. Tout le monde est invité à fournir des commentaires et des échanges.

La théorie est divisée en trois grandes parties :

01 Demande d'électricité

Estimations de la demande énergétique mondiale sans combustibles fossiles.

02 Alimentation

Créez la combinaison la moins coûteuse de ressources de production et de stockage pour répondre à la demande horaire d'électricité.

03 Faisabilité matérielle et investissement

Déterminer la viabilité des matériaux nécessaires à une économie électrique et les investissements de fabrication nécessaires pour y arriver.

Ce document conclut qu'une économie énergétique durable est techniquement réalisable et nécessite moins d'investissements et d'extraction de matériaux que l'économie énergétique non durable d'aujourd'hui. Alors que de nombreuses études antérieures sont parvenues à des conclusions similaires, cette étude vise à faire avancer la réflexion sur la densité des matériaux, la capacité de fabrication et les investissements de fabrication nécessaires à une transition dans tous les secteurs de l'énergie à l'échelle mondiale.

L'économie énergétique actuelle est un gaspillage

Selon le bilan énergétique mondial 2019 de l'Agence internationale de l'énergie (AIE), l'approvisionnement mondial en énergie primaire est de 165 PWh/an et l'approvisionnement total en combustibles fossiles est de 134 PWh/an. 37% (61PWh) ont été consommés avant d'atteindre le consommateur final. Cela comprend l'autoconsommation de l'industrie des combustibles fossiles pendant l'extraction/le raffinage et les pertes de conversion pendant la production d'électricité. Un autre 27 % (44PWh) est perdu pour des utilisations finales inefficaces telles que les véhicules à moteur à combustion interne et les appareils de chauffage au gaz naturel. Globalement, seuls 36 % (59 PWh) de l'approvisionnement en énergie primaire produisent du travail ou de la chaleur économiquement utile. L'analyse du Lawrence Livermore National Lab montre des niveaux similaires d'inefficacité dans l'approvisionnement énergétique mondial et américain .

plan d'élimination des combustibles fossiles

Dans une économie électrifiée basée sur la production durable, la plupart des pertes en amont associées à l'extraction, au raffinage et à la combustion d'énergie pour produire de l'électricité sont éliminées, ainsi que les pertes en aval des utilisations finales non électriques. Certains procédés industriels nécessitent plus d'énergie (par exemple la production d'hydrogène vert), et certaines activités d'extraction et de purification doivent augmenter (métaux utilisés pour fabriquer des batteries, des panneaux solaires, des éoliennes, etc.).

Les 6 étapes suivantes illustrent les actions nécessaires pour électrifier complètement l'économie et éliminer l'utilisation des combustibles fossiles. Ces six étapes détaillent les hypothèses sur la demande d'électricité dans une économie énergétique durable et conduisent à une courbe de demande d'électricité modélisée.

Ce modèle utilise des données haute fidélité fournies par l'Energy Information Administration (EIA) des États-Unis de 2019 à 2022 pour analyser l'économie énergétique américaine, et effectue un calcul de 6 fois basé sur le coefficient de rapport de la consommation d'énergie entre les États-Unis et le monde en 2019 dans le bilan énergétique de l'AIE Échelle pour estimer les actions nécessaires à l'économie mondiale. Il s'agit d'une simplification importante et pourrait constituer un domaine d'intérêt pour une analyse future, car la demande énergétique mondiale est composée différemment de celle des États-Unis et devrait augmenter avec le temps. En raison de la disponibilité actuelle de ces données disponibles, cette analyse concerne les États-Unis.

Le plan considère l'éolien terrestre/offshore, le solaire, le nucléaire existant et l'hydroélectricité comme des sources durables de production d'électricité, et considère la biomasse existante comme durable également, bien qu'elle puisse être progressivement supprimée. De plus, le plan n'envisage pas d'absorber des éléments tels que le dioxyde de carbone émis par la combustion de combustibles fossiles au cours du siècle dernier, à l'exception de la capture directe de l'air nécessaire à la production de combustible synthétique ; toute mise en œuvre future de ces technologies augmenterait probablement la demande énergétique mondiale.

01 Rééquiper le réseau existant en énergie renouvelable

La demande horaire d'électricité existante aux États-Unis est modélisée comme une demande de référence inflexible de l'EIA. Pour quatre sous-régions américaines (Texas, Pacifique, Midwest et Est), une modélisation a été effectuée pour tenir compte des variations régionales, de la disponibilité des ressources renouvelables, des conditions météorologiques et des contraintes de transmission du réseau. Cette demande d'électricité existante est la charge de base qui doit être soutenue par une production et un stockage durables.

Le monde fournit 65 PWh d'énergie primaire par an au secteur de l'électricité, dont 46 PWh par an de combustibles fossiles ; cependant, seulement 26 PWh par an d'électricité sont générés en raison de l'inefficacité de la conversion des combustibles fossiles en électricité. Si le réseau devait être alimenté par des énergies renouvelables, seulement 26PWh de production durable par an seraient nécessaires pour répondre aux exigences .

02 Passer aux véhicules électriques

En raison de l'efficacité supérieure du groupe motopropulseur, de la capacité de freinage régénératif et de la conception optimisée de la plate-forme, les véhicules électriques sont environ 4 fois plus efficaces que les véhicules à moteur à combustion interne. Comme le montre le tableau 1, ce ratio est correct pour les voitures de tourisme, les camions légers et les semi-remorques de classe 8.

A titre d'exemple concret, le Model 3 de Tesla consomme 131MPGe, tandis que la Toyota Corolla consomme 34MPG, soit une différence de 3,9 fois, et ce rapport augmente lorsque l'on tient compte des pertes en amont telles que la consommation d'énergie associée à l'extraction et au raffinage du carburant (voir Fig. 4) .

Pour déterminer la demande d'électricité pour le secteur des transports électrifiés, l'utilisation mensuelle historique de pétrole de transport américain (à l'exclusion du transport aérien et maritime) dans chaque sous-région sera mise à l'échelle par le facteur d'efficacité des véhicules électriques ci-dessus (4x). La flotte Tesla est divisée toutes les heures en segments non réglementés et réglementés et est supposée être le profil de charge de recharge des véhicules électriques dans le secteur des transports 100 % électrifiés. La suralimentation, la recharge des véhicules utilitaires et les véhicules dont l'état est inférieur à 50 % SOC sont considérés comme une demande non régulée. La recharge AC à domicile et sur le lieu de travail est une demande ajustable et est modélisée avec un modèle de contrainte de conservation d'énergie de 72 heures, qui reflète la flexibilité dont disposent la plupart des conducteurs pour recharger lorsque les ressources renouvelables sont abondantes. En moyenne, les conducteurs de Tesla chargent de 60 % de SOC à 90 % de SOC tous les 1,7 jour, donc par rapport au kilométrage quotidien typique, le VE a une autonomie suffisante pour optimiser son utilisation de l'énergie renouvelable, à condition qu'il y ait une infrastructure de recharge à la maison et au travail.

L'électrification du secteur mondial des transports élimine 28 PWh d'utilisation annuelle de combustibles fossiles et applique un facteur d'efficacité de 4x EV pour créer une demande d'électricité supplémentaire d'environ 7 PWh par an.

03 Passage aux thermopompes dans les secteurs résidentiel, commercial et industriel

Les pompes à chaleur déplacent la chaleur de la source vers le puits en comprimant/détendant un réfrigérant intermédiaire. Avec une sélection appropriée de réfrigérants, la technologie des pompes à chaleur peut être appliquée dans le chauffage des locaux, le chauffage de l'eau et les machines à laver dans les bâtiments résidentiels et commerciaux, ainsi que dans de nombreux processus industriels.

Les thermopompes à air sont la technologie la mieux adaptée pour moderniser les fournaises au gaz dans les maisons existantes, fournissant 2,8 unités de chaleur par unité d'énergie consommée, sur la base d'une cote d'efficacité typique de 9,5 Btu/Wh avec un facteur de rendement saisonnier de chauffage (HSPF). Les fournaises au gaz brûlent du gaz naturel pour produire de la chaleur. Ils ont un taux d'utilisation annuel (AFUE) d'environ 90 %. Ainsi, la pompe à chaleur aérothermique consomme moins d'énergie (2,8/0,9) par rapport à 3 fois moins que la chaudière au gaz naturel.

zones résidentielles et commerciales

L'EIA fournit l'utilisation mensuelle historique du gaz naturel aux États-Unis pour les secteurs résidentiel et commercial de chaque sous-région. Un facteur d'efficacité de la pompe à chaleur 3x réduira la demande d'énergie si tous les appareils à gaz sont électrifiés. Le facteur de charge horaire de la demande d'électricité de référence est appliqué pour estimer le changement horaire de la demande d'électricité de la pompe à chaleur, attribuant ainsi la demande de chauffage aux périodes pendant lesquelles la maison chauffe ou refroidit activement. En été, la demande résidentielle/commerciale culmine pendant le pic de l'après-midi, lorsque les charges de refroidissement sont les plus élevées, et en hiver, la demande suit la proverbiale « courbe du canard », avec un pic le matin et le soir.

Globalement, 18PWh de combustibles fossiles peuvent être économisés annuellement et 6PWh de demande d'électricité supplémentaire créée grâce à l'électrification des équipements résidentiels et commerciaux avec des pompes à chaleur.

fabrication industrielle

Les processus industriels peuvent bénéficier d'une efficacité accrue des pompes à chaleur jusqu'à une température maximale d'environ 200°C, comme les industries alimentaires, du papier, du textile et du bois. Cependant, à mesure que la différence de température augmente, l'efficacité de la pompe à chaleur diminue. L'intégration de la pompe à chaleur est délicate et l'efficacité exacte dépend fortement de la température de la source de chaleur absorbée par le système (la température est l'un des facteurs déterminant l'efficacité de la pompe à chaleur), donc une hypothèse simplificatrice de plage de COP réalisable est utilisée :

Selon la composition en température de la chaleur industrielle fournie par l'AIE et l'efficacité supposée de la pompe à chaleur dans le tableau 2, le coefficient d'efficacité modélisé pondéré de la pompe à chaleur industrielle est de 2,2.

L'EIA fournit l'utilisation mensuelle historique des combustibles fossiles par le secteur industriel pour chaque sous-région8. Toutes les utilisations industrielles de combustibles fossiles, à l'exclusion des combustibles fossiles incorporés dans les produits (caoutchouc, huile de lubrification, autres), sont supposées être destinées au chauffage des procédés. Selon l'Agence internationale de l'énergie, 45 % de la chaleur de procédé est inférieure à 200 °C et, lorsqu'elle est électrifiée avec des pompes à chaleur, nécessite 2,2 fois plus d'énergie d'entrée. L'augmentation de la demande d'électricité des pompes à chaleur industrielles est modélisée comme une demande horaire fixe et inflexible.

À l'échelle mondiale, l'électrification de la chaleur des procédés industriels en dessous de 200 °C avec des pompes à chaleur pourrait éliminer 12 PWh de combustibles fossiles par an et créer 5 PWh de demande d'électricité supplémentaire.

04 Électrification du transfert de chaleur à haute température et de la production d'hydrogène

Électrification des procédés industriels à haute température

Les procédés industriels nécessitant des températures élevées (> 200 °C), qui représentent les 55 % restants de l'utilisation des combustibles fossiles, nécessitent une attention particulière. Cela comprend la production d'acier, de produits chimiques, d'engrais et de ciment, entre autres.

Ces processus industriels à haute température peuvent être desservis directement par un chauffage par résistance, des fours à arc électrique ou tamponnés par un stockage thermique pour tirer parti d'une énergie renouvelable à faible coût lorsqu'il y a un surplus d'énergie renouvelable. Le stockage thermique sur site pourrait être utile pour accélérer de manière rentable l'électrification industrielle (par exemple, l'utilisation directe de supports de stockage thermique et d'éléments chauffants rayonnants).

Le chauffage par résistance et les fours à arc électrique ont des rendements similaires au chauffage des hauts fourneaux et nécessiteront donc des apports d'énergie primaire renouvelable similaires. Ces processus à haute température sont modélisés comme une demande inflexible et plate.

Le stockage de chaleur est modélisé comme un tampon énergétique pour la chaleur de procédé à haute température dans le secteur industriel avec une efficacité thermique aller-retour de 95 %. Dans les zones à forte capacité solaire installée, le stockage thermique aura tendance à se charger à midi et à se décharger la nuit pour répondre à la demande de chaleur industrielle continue 24h/24. La figure 9 montre des caloporteurs possibles et illustre plusieurs matériaux qui sont candidats pour fournir une chaleur de procédé > 1 500 °C.

L'électrification de la chaleur industrielle mondiale > 200 °C pourrait éliminer 9 PWh de combustibles fossiles par an et créer 9 PWh de demande d'électricité supplémentaire, en supposant des efficacités de transfert de chaleur égales.

Production durable d'hydrogène pour l'acier et les engrais

Aujourd'hui, l'hydrogène est produit à partir de charbon, de pétrole et de gaz naturel et est utilisé pour raffiner les combustibles fossiles (en particulier le diesel) et pour diverses applications industrielles (dont la production d'acier et d'engrais).

L'hydrogène vert peut être produit par électrolyse de l'eau (haute intensité énergétique, aucun produit à base de carbone n'est consommé/produit) ou par pyrolyse du méthane (faible intensité énergétique, un sous-produit solide de noir de carbone est produit, qui peut être converti en carbone utile). produits à base).

Pour estimer prudemment la demande d'électricité en hydrogène vert, les hypothèses sont les suivantes :

– Le futur raffinage des combustibles fossiles ne nécessitera pas d'hydrogène
– La production d'acier sera convertie au procédé de réduction directe du fer, nécessitant de l'hydrogène comme intrant. La demande en hydrogène pour la réduction du minerai de fer (supposé être Fe3O4) est basée sur la réaction de réduction suivante :

Réduction à l'hydrogène :

• Fe3O4+H2=3FeO+H2O
• FeO+H2=Fe+H2O

– Toute la production d'hydrogène dans le monde provient de l'électrolyse.

Ces hypothèses simplificatrices pour la demande industrielle conduisent à une demande mondiale d'hydrogène vert de 150 Mt/an, ce qui est estimé nécessiter environ 7,2 PWh d'électricité durable par an à partir de l'électrolyse.

La demande d'électricité pour la production d'hydrogène est modélisée comme une charge flexible avec des contraintes de production annuelles, et le potentiel de stockage d'hydrogène est modélisé comme une installation souterraine de stockage de gaz (comme le gaz naturel stocké aujourd'hui) avec des contraintes de ressources maximales. Les installations de stockage souterraines de gaz utilisées aujourd'hui pour stocker le gaz naturel pourraient être converties pour stocker de l'hydrogène ; le stockage d'hydrogène simulé aux États-Unis nécessiterait environ 30 % des installations de stockage souterraines de gaz existantes aux États-Unis. Sachez que certaines installations de stockage, telles que les cavernes de sel, ne sont pas uniformément réparties géographiquement, ce qui peut présenter des défis, et qu'il peut y avoir de meilleures options de stockage alternatives.

L'hydrogène vert durable mondial pourrait éliminer 6PWh de consommation d'énergie fossile et 2PWh de consommation non énergétique par an . Le combustible fossile est remplacé pour une demande d'électricité supplémentaire de 7PWh.

05 Carburant durable pour avions et navires

Le transport maritime continental et intercontinental pourrait être électrifié en concevant des vitesses et des itinéraires de manière optimale afin que les batteries plus petites puissent être chargées plus fréquemment sur de longs trajets. Selon l'Agence internationale de l'énergie, le transport maritime mondial consomme 3,2 wattheures par an. En appliquant l'avantage d'efficacité de l'électrification de 1,5x, une flotte mondiale entièrement électrifiée consommerait 2,1PWh d'électricité par an.

Avec les densités d'énergie des batteries d'aujourd'hui, les vols à courte distance peuvent également être électrifiés en optimisant la conception des avions et les trajectoires de vol. Les vols longue distance, qui représentent environ 80 % de la consommation d'énergie des voyages en avion (85 milliards de gallons de carburéacteur sont consommés chaque année dans le monde), peuvent être synthétisés à partir d'un excès d'électricité renouvelable en utilisant le processus de synthèse Fischer-Tropsch, qui utilise du monoxyde de carbone. (CO) et de l'hydrogène (H2) pour synthétiser une variété d'hydrocarbures liquides, et s'est avéré être une voie viable pour la synthèse du carburéacteur. Cela nécessite un supplément de 5PWh d'électricité par an, composé de :

• Hydrogène produit par électrolyse
• Dioxyde de carbone capté par capture directe dans l'air
• Monoxyde de carbone produit par électrolyse du dioxyde de carbone

Le carbone et l'hydrogène des carburants synthétiques peuvent également être obtenus à partir de la biomasse. Des méthodes plus efficaces et rentables de production de carburants synthétiques pourraient émerger avec le temps, et des batteries à densité d'énergie plus élevée électrifieraient les avions les plus longs, réduisant ainsi le besoin de carburants synthétiques.

La demande d'électricité pour la production de carburant synthétique est modélisée comme une demande flexible avec des contraintes énergétiques annuelles. Les carburants synthétiques peuvent être stockés en utilisant des techniques de stockage de carburant conventionnelles, en supposant un rapport volumique de 1:1. La demande d'électricité pour le transport maritime est modélisée comme une demande horaire constante.

Les carburants synthétiques durables à l'échelle mondiale et l'électricité pour les navires et les avions pourraient éliminer 7PWh de combustibles fossiles et créer 7PWh de demande mondiale d'électricité supplémentaire par an .

06 Créer une économie énergétique durable

La combinaison de la production et du stockage (panneaux solaires, éoliennes et batteries) nécessaire pour construire une économie énergétique durable nécessite de l'électricité supplémentaire. Cette demande d'électricité est modélisée comme un incrément, et dans le secteur industriel, cette demande d'électricité est modélisée comme une demande horaire incrémentale, non ajustable et plate dans le secteur industriel. Voir l'annexe : Construire une économie énergétique durable – Densité énergétique pour plus de détails.

Construire un modèle d'économie énergétique entièrement durable

Ces 6 étapes établissent une demande d'électricité aux États-Unis qui peut être satisfaite grâce à la production et au stockage durables. À cette fin, un mix de production et de stockage est construit à l'aide d'un modèle d'extension et de répartition de capacité intégré à coût horaire optimal. Le modèle est divisé entre quatre sous-régions des États-Unis, modélise les limites de transmission entre les régions et est exécuté sur quatre années météorologiques (2019-2022) pour refléter une gamme de conditions météorologiques sk. Les limites de transmission interrégionales sont des limites de transmission interrégionales estimées basées sur les capacités de ligne actuelles sur les principales routes de transmission émises par les entités régionales du North American Electric Reliability Council (NERC) (SERC, WECC, ERCOT). La figure 11 montre les besoins énergétiques d'une économie entièrement électrifiée aux États-Unis.

Les ressources éoliennes et solaires de chaque région ont été modélisées avec leurs facteurs de capacité horaire respectifs (c'est-à-dire la quantité d'électricité produite par heure par mégawatt de capacité installée), leurs coûts d'interconnexion et la capacité maximale pour laquelle le modèle pourrait être construit. Les facteurs de capacité horaire éolienne et solaire pour chaque région ont été estimés à l'aide de la production éolienne/solaire historique de l'EIA de chaque région afin de saisir les différences de potentiel de ressources dues aux conditions météorologiques régionales. Les facteurs de capacité sont mis à l'échelle pour représenter les tendances prospectives basées sur la récente étude Princeton U.S. Net Zero Emissions. La figure 11 montre les facteurs de capacité horaire pour l'éolien et le solaire aux États-Unis en fonction du temps. Le tableau 3 montre les facteurs de capacité moyens et la demande par région aux États-Unis.

Le modèle établit la production et le stockage en fonction des attributs de coût et de performance de ressources spécifiques, avec l'objectif global de minimiser le coût actualisé de l'énergie. Le modèle suppose une capacité de transfert interrégionale accrue.

Pour fournir une énergie fiable toute l'année, il est économiquement optimal de déployer une capacité solaire et éolienne excédentaire, ce qui entraîne une réduction. quand:

1. Lorsque la production d'énergie solaire et/ou éolienne est supérieure à la demande d'électricité d'une région ;
2. Le stockage est plein ;
3. Des réductions se produisent lorsqu'il n'y a pas de capacité de transmission disponible pour transmettre la production excédentaire à d'autres régions.

Il existe des compromis économiques entre la construction d'une capacité de production d'énergie renouvelable excédentaire et la construction d'un réseau de stockage ou l'expansion de la capacité de transmission. Ce compromis peut changer à mesure que les technologies de stockage en réseau mûrissent, mais sur la base d'hypothèses de modélisation, la combinaison optimale de production et de stockage entraîne une réduction de 32 %.

Pour le contexte, les marchés à forte pénétration des énergies renouvelables se rétrécissent déjà. 19 % de la production éolienne en Écosse a été réduite en 2020 et 6 % de la production solaire en Californie (CAISO) en 2022 a été réduite en raison de contraintes opérationnelles, telles que des générateurs thermiques incapables de réduire à des niveaux de fonctionnement minimaux, ou une congestion localisée sur le système de transmission.

Une économie énergétique durable fournira aux consommateurs une énergie abondante et bon marché, ce qui affectera la manière et le moment où l'énergie est utilisée. Dans la figure 12 ci-dessous, la distribution horaire dans l'échantillon d'automne est illustrée, montrant le rôle de chaque ressource de production et de stockage dans l'équilibre entre l'offre et la demande et la concentration des réductions économiques pendant les heures ensoleillées de la journée.

Dans la figure 14, le stockage d'hydrogène est généralement rempli au printemps et en automne, lorsque la demande d'électricité est faible en raison de la fin des saisons de chauffage et de refroidissement et d'une production d'énergie solaire et éolienne relativement plus importante. De même, à mesure que la production excédentaire en été et en hiver est réduite, le stockage d'hydrogène est réduit, fournissant un stockage d'hydrogène à travers les saisons.

Évaluation de la technologie de stockage d'énergie

Pour les applications stationnaires, nous considérons les technologies de stockage d'énergie du tableau 4 ci-dessous, qui sont actuellement déployées à grande échelle. Li-ion fait référence à une batterie lithium-ion lithium-phosphate de fer/graphite. Compte tenu de la volatilité des prix des matières premières (en particulier du lithium), une fourchette de coûts installés futurs conservateurs pour le lithium-ion est répertoriée. Bien qu'il existe d'autres technologies émergentes telles que métal-air (Fe <-> Fe2O3 redox) et Na-ion, celles-ci ne sont pas déployées commercialement et ne sont donc pas envisagées.

Évaluation de la technologie de production d'énergie

Le tableau ci-dessous détaille toutes les technologies de production d'électricité envisagées dans une économie énergétique durable. Les coûts d'installation sont tirés des études 2030-2040 du NREL et de l'étude Princeton US Net Zero.

Résultats du modèle

Résultats du modèle pour les États-Unis uniquement – Répondre aux nouvelles demandes d'électrification

Pour les États-Unis, la combinaison optimale de production et de stockage pour répondre à la demande horaire d'électricité, pour les années modélisées, est présentée dans le tableau ci-dessous.

De plus, 1,2 TWh de batteries stationnaires distribuées ont été ajoutées sur la base du déploiement progressif du stockage stationnaire distribué aux côtés de l'énergie solaire sur les toits des bâtiments résidentiels et commerciaux. Cela comprend des déploiements de stockage d'énergie solaire sur les toits de 15 millions de maisons unifamiliales, un stockage industriel associé à 43 GW d'énergie solaire commerciale sur les toits et un stockage remplaçant au moins 200 GW de capacité de générateur de secours existante. Étant donné que le déploiement du stockage distribué est piloté par des facteurs qui ne sont pas entièrement reflétés dans le cadre du modèle à coût minimum, notamment la résilience et l'autosuffisance de l'utilisateur final, le déploiement du stockage distribué est une variable exogène au-delà de la sortie du modèle.

Résultats du modèle mondial – Répondre aux nouvelles demandes d'électrification

En appliquant les 6 étapes au flux énergétique mondial, 125PWh de combustibles fossiles nécessaires à l'énergie peuvent être laissés chaque année et remplacés par 66PWh de production d'électricité durable. 4PWh supplémentaires de nouvelle industrie sont nécessaires chaque année pour fabriquer les batteries, les panneaux solaires et les éoliennes nécessaires.

Le mix mondial de production et de stockage pour répondre à la demande d'électricité est calculé en échelonnant le mix de ressources aux États-Unis par un facteur de six. Comme indiqué ci-dessus, il s'agit d'une simplification importante et pourrait être un domaine à améliorer dans les analyses futures, car la demande mondiale d'énergie est composée différemment de celle des États-Unis et devrait augmenter avec le temps. L'analyse a été effectuée pour les États-Unis en raison de la disponibilité de données horaires de haute fidélité.

piles pour le transport

voiture

Selon l'OICA, il y a aujourd'hui 1,4 milliard de voitures dans le monde, avec une production annuelle d'environ 85 millions de voitures particulières. Sur la base des hypothèses de taille des blocs-batteries, la flotte aurait besoin de 112 TWh de batteries. La technologie de conduite autonome a le potentiel de réduire la flotte mondiale et la production annuelle en améliorant l'utilisation des véhicules.

Les véhicules à gamme standard peuvent utiliser des produits chimiques à faible densité d'énergie (LFP), tandis que les véhicules à plus longue portée nécessitent des produits chimiques à plus haute densité d'énergie (haute teneur en nickel). Le tableau suivant répertorie la distribution cathodique dans le domaine automobile. Le nickel élevé fait référence aux cathodes nickel-manganèse à faible teneur en cobalt actuellement en production qui sont développées chez Tesla, les fournisseurs de Tesla et les groupes de recherche.

Une flotte mondiale de véhicules électriques

navires et avions

Sur la base d'une demande annuelle de 2,1 PWh, si les navires sont chargés en moyenne environ 70 fois par an à 75 % de leur capacité à chaque fois, alors 40 TWh de batteries seraient nécessaires pour électrifier la flotte océanique. Supposons que 33 % de la flotte nécessite des cathodes à base de nickel et de manganèse à haute densité et que 67 % de la flotte nécessite uniquement des cathodes LFP à faible densité énergétique. Pour l'industrie aéronautique, si 20 % des quelque 15 000 avions à fuselage étroit étaient électrifiés avec une batterie de 7 MWh, une batterie de 0,02 TWh serait nécessaire.
Ces estimations sont prudentes et nécessiteront probablement moins de piles.

Résultats du modèle mondial – Batteries d'électrification et de transport

Le tableau 9 résume la combinaison de production et de stockage pour répondre à la demande mondiale d'électricité et aux besoins de stockage pour le transport en fonction des hypothèses relatives aux véhicules, aux navires et aux aéronefs. Une explication de la façon dont la combinaison de la production et du stockage est allouée aux utilisateurs finaux peut être trouvée dans l'Annexe : Allocation de la production et du stockage aux utilisations finales.

investissement requis

Les investissements énumérés ici comprennent les installations de fabrication, les opérations d'extraction et de raffinage et l'installation de cavernes de sel pour le stockage de l'hydrogène. Les installations de fabrication sont dimensionnées en fonction du taux de remplacement de chaque actif, et les opérations en amont (telles que l'exploitation minière) sont dimensionnées en conséquence. Les matériaux nécessitant une croissance de capacité significative sont :

1. Pour l'exploitation minière : nickel, lithium, graphite et cuivre ;
2. Pour le raffinage : nickel, lithium, graphite, cobalt, cuivre, fer de qualité batterie et manganèse.

Le tableau 9 résume la combinaison de production et de stockage pour répondre à la demande mondiale d'électricité et aux besoins de stockage pour le transport en fonction des hypothèses relatives aux véhicules, aux navires et aux aéronefs. a Une explication de la façon dont la combinaison de la production et du stockage est allouée aux utilisateurs finaux peut être trouvée dans l'annexe : Allocation de la production et du stockage aux utilisations finales.

En plus des dépenses initiales, des dépenses d'entretien de 5% par an pendant 20 ans sont incluses dans le devis d'investissement. Sur la base de ces hypothèses, la construction de l'infrastructure de fabrication dans une économie énergétique durable coûterait 10 000 milliards de dollars, par rapport aux dépenses prévues en énergie fossile de 14 000 milliards de dollars sur 20 ans au rythme d'investissement de 2022.

Le tableau ci-dessous fournit plus de détails sur l'exploitation minière, le raffinage, les usines automobiles, les usines de batteries et les hypothèses de recyclage. Les hypothèses d'extraction et de raffinage sont des estimations internes des moyennes de l'industrie basées sur des rapports publiés par l'industrie :

industrie minière

raffinerie

Usines de véhicules et de batteries

recycler et réutiliser

superficie de terrain requise

Superficie terrestre requise Les exigences en matière de superficie terrestre solaire sont estimées sur la base de l'évaluation empirique de projets réels du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) aux États-Unis, qui a trouvé une densité de puissance médiane de 2,8 pour les panneaux solaires fixes installés en 2011-2019 Acres/MWdc . La conversion de MWdc en MWac en utilisant un taux de conversion de 1,4 donne environ 3,9 acres/MWac. Par conséquent, une flotte mondiale de 18,3 TW de panneaux solaires nécessiterait environ 71,4 millions d'acres de terres, soit 0,19 % du total mondial de 36,8 milliards d'acres . Les besoins en superficie des terres pour le vent sont estimés sur la base de recherches menées par le National Renewable Energy Laboratory (NREL), qui a trouvé une utilisation directe des terres de 0,75 acres par mégawatt. Par conséquent, un parc mondial d'éoliennes de 12,2 TW nécessiterait environ 9,2 millions d'acres de terres, soit 0,02 % de la superficie totale des terres.

les matériaux nécessaires

supposer

Le total des matériaux requis pour les panneaux solaires, les éoliennes et les kilomètres de circuit est calculé sur la base d'hypothèses de résistance des matériaux de tiers. La résistance du matériau de la batterie est basée sur des estimations internes. Les hypothèses de densité de matériaux pour les panneaux solaires et les éoliennes proviennent des rapports de la Commission européenne. Les tranches de silicium cristallin sont utilisées pour les cellules solaires, tandis que les minéraux de terres rares sont exclus des éoliennes à mesure que des progrès ont été réalisés dans le développement de la technologie.

Selon l'étude 2050 Net Zero Pathway de l'Agence internationale de l'énergie, le monde devra ajouter ou reconstruire environ 60 millions de kilomètres de circuits électriques pour parvenir à une économie mondiale électrifiée entièrement durable. La capacité de distribution sera augmentée principalement par le réacheminement des lignes existantes et l'expansion de la capacité des sous-stations pour répondre aux augmentations substantielles de la demande de pointe et moyenne des utilisateurs finaux. La transmission à haute tension étendra principalement la couverture géographique, reliant la capacité de production éolienne et solaire à grande échelle aux zones densément peuplées. Pour estimer les besoins en matériaux, 90 % des 60 millions de kilomètres de circuit seraient le recâblage des systèmes de distribution basse tension existants et 10 % seraient de nouveaux kilomètres de circuit à partir de la transmission à haute tension, ce qui correspond au rapport actuel entre la transmission à haute tension et la basse tension. distribution de tension aux États-Unis.

Sur la base des hypothèses ci-dessus, le poids total de 12,815 milliards de tonnes (444 millions de tonnes par an) représentera 30 térawatts de production d'électricité et 240 térawatts de stockage d'énergie par batterie, ainsi que les besoins de 60 millions de kilomètres de transmission.

extraction de matière

Le flux de matériaux (c'est-à-dire la quantité de terrain déplacé) associé à ces matériaux dépend de la qualité du minerai et du rendement du processus global. À l'aide d'estimations internes des moyennes de l'industrie compilées à partir de rapports publiés par l'industrie (voir le tableau 19), le débit massique annuel requis est estimé à 3,3 gigatonnes (Gt). Si le cuivre (1 % de minerai) est remplacé par de l'aluminium (50 % de minerai), le débit massique peut être réduit, ce qui est possible dans de nombreux cas d'utilisation. En supposant que 50 % du lithium est extrait de la saumure à 100 % de minerai, si ce n'était pas le cas, le débit massique associé au lithium augmenterait de 0,8 Gt.

Selon le Circularity Gap Report 2023, 68Gt de matériaux, hors biomasse, sont extraits de la terre chaque année, dont 15,5Gt de combustibles fossiles. Dans une économie énergétique durable, l'extraction de matériaux serait réduite de 10,8 Gt – la majorité de l'extraction de combustibles fossiles étant remplacée par 3,3 Gt d'extraction de matériaux renouvelables. En supposant que l'extraction continue de combustibles fossiles associée à des utilisations finales non énergétiques (c'est-à-dire les plastiques et autres produits chimiques), représente environ 9 % de l'approvisionnement en combustibles fossiles selon l'AIE.

disponibilité matérielle

Le matériel total extrait dans le tableau 18 a été évalué par rapport à la ressource USGS 2023 pour évaluer la faisabilité. Pour l'argent, l'USGS ne publie pas d'estimations des ressources, les réserves sont donc utilisées. L'analyse montre que les panneaux solaires auront besoin de 13% des réserves d'argent de l'USGS en 2023, mais l'argent pourrait être remplacé par du cuivre, qui est moins cher et plus abondant. La demande de graphite peut être satisfaite avec du graphite naturel et artificiel – le premier est extrait et raffiné, le second est dérivé du coke de pétrole. Par conséquent, la base de ressources en graphite a été augmentée pour tenir compte de la production de graphite synthétique à partir de produits pétroliers. Si seule une petite partie des ressources pétrolières mondiales est utilisée pour la production de graphite artificiel, alors les ressources en graphite ne seront pas un facteur limitant. Les travaux de développement en cours visent à évaluer d'autres produits carbonés comme matières premières pour la production de graphite artificiel, y compris le dioxyde de carbone et diverses formes de biomasse.

En conclusion, il n'y a pas de contraintes matérielles fondamentales lors de l'évaluation par rapport aux ressources estimées de l'USGS en 2023. De plus, les ressources et les réserves ont historiquement augmenté – c'est-à-dire que lorsqu'un minéral est en demande, il y a plus d'incitations à le trouver, et donc plus de minéraux à découvrir. L'extraction, la concentration et le raffinage annuels des minerais métalliques associés doivent croître pour répondre aux exigences d'une économie d'énergie renouvelable, les contraintes fondamentales étant le capital humain et le calendrier d'octroi des licences/réglementations. Selon les estimations du ministère (voir tableau 19), le débit massique annuel requis est estimé à 3,3 gigatonnes (Gt). Si le cuivre (1 % de minerai) est remplacé par de l'aluminium (50 % de minerai), le débit massique peut être réduit, ce qui est possible dans de nombreux cas d'utilisation. En supposant que 50 % du lithium est extrait de la saumure à 100 % de minerai, si ce n'était pas le cas, le débit massique associé au lithium augmenterait de 0,8 Gt.

Selon le Circularity Gap Report 2023, 68Gt de matériaux, hors biomasse, sont extraits de la terre chaque année, dont 15,5Gt de combustibles fossiles. Dans une économie énergétique durable, l'extraction de matériaux serait réduite de 10,8 Gt – la majorité de l'extraction de combustibles fossiles étant remplacée par 3,3 Gt d'extraction de matériaux renouvelables. En supposant que l'extraction continue de combustibles fossiles associée à des utilisations finales non énergétiques (c'est-à-dire les plastiques et autres produits chimiques), représente environ 9 % de l'approvisionnement en combustibles fossiles selon l'AIE.

recycler et réutiliser

Pour soutenir ce plan, une croissance substantielle de la demande de matières premières est nécessaire pour faciliter la fabrication pour une économie énergétique durable, qui se stabilisera une fois que les installations de fabrication seront renforcées. En 2040, le recyclage commencera à réduire de manière significative la demande de matières premières à mesure que les batteries, les panneaux solaires et les éoliennes atteindront la fin de leur durée de vie utile et que des matériaux précieux seront récupérés. Alors que la demande minière diminuera, la capacité de raffinage ne le sera pas.

en conclusion

Une économie entièrement électrifiée et durable est réalisable grâce aux actions de ce document :

• Réalimenter le réseau existant avec des énergies renouvelables
• passer aux véhicules électriques
• Conversion aux pompes à chaleur dans les zones résidentielles, commerciales et industrielles
• Électrification du chauffage à haute température et de la production d'hydrogène
• Carburant durable pour avions et navires
• Créer une économie énergétique durable

Les modèles montrent qu'un avenir électrifié et durable est techniquement réalisable et nécessite beaucoup moins d'argent et de matériaux que la poursuite de l'économie énergétique non durable d'aujourd'hui.

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