科技公司助力能源革命的五种路径

|法律政策 作者:腾讯研究院 2021-04-19

 

作者

万昕玥、崔卓群    腾讯研究院助理研究员
 
应对气候变化是21世纪人类面对的难题,科技公司能在其中发挥何种作用备受关注。 3月25日,国际能源署发表了文章《大型科技公司影响清洁能源转型的五种可能方式(5 ways Big Tech could have big impacts on clean energy transitions)》,介绍了科技公司在清洁能源转型中能发挥的作用。

大型科技公司促进清洁能源转型

大型科技公司可以在应对气候挑战中发挥巨大作用,它们的零排放承诺为整个经济领域树立了榜样。 尽管与公司规模相比,科技公司的直接排放量较少,但是它们在数字化、人工智能和信息系统方面的研究,可能会改变游戏规则,创造实现净零排放所需的更智能、更灵活的能源系统。

(一)与公司规模相比,科技公司的直接排放量相对较小
2019年, 五大科技公司 1 范围一( 直接排放)和范围二(基于市场的电力排放)排放量总计约为1300万吨二氧化碳当量,约占全球能源相关温室气体排放的0.04%; 加上范围三的商务旅行、员工通勤、制造和建筑等排放,总排放量约占全球的0.3%。 与应用于能源系统及其他领域的数字解决方案的巨大潜力相比,这些公司甚至其供应链的脱碳活动对全球碳排放的直接影响并不明显。
(二)大型科技公司促进可再生能源的购买和投资
大型科技公司是可再生能源的主要购买者。 大型科技公司率先签订了可再生能源电力购买协议(PPAs)。 2020年,五大科技公司采购了72亿瓦的可再生能源电量,占所有企业可再生能源PPAs的近30%,约占全球新增可再生能源电量的3.5%。 在美国的大型科技公司中,使用100%可再生能源电力已成为标准。
尽管这些公司的业务遍及全球,但他们可再生能源的购买和投资往往集中在服务器所在的国家(美国和西北欧),大型科技公司可以利用其财务实力在发展中国家和新兴经济体进行可再生能源投资。 未来几十年,新兴经济体的数据需求将快速增长,需要建立新的数据中心。 这是公司将新兴经济体纳入新的气候承诺中的机会。
然而,对科技公司而言,最大的机会是利用自身力量,给整个能源系统带来根本性的变化。 在下列五个方面,他们的能力、规模和承诺相结合可以带来变革。
 

科技公司助力能源革命的五种路径

(一)推动电力行业的数字化转型
虽然汽车或工厂中化石燃料的直接使用仍然占据能源消耗的绝大部分,但是,风能和太阳能光伏正在推动低碳电力供应的增长。 加大对电力、风能和太阳能的应用,是向清洁能源过渡的关键。 但是问题是,风能和太阳能会随天气变化,而社会依赖于不间断的电力供应。
科技公司可以帮助减少用电量。 事实上,大型科技公司正推进它们的零碳承诺,除了风能和太阳能,它们还投资于氢和电池存储,以确保它们的数据中心由清洁电力全天候供电。 大型科技公司可以在电网脱碳方面发挥更大的作用,比如改变工作负载以适应可再生能源发电,或充当需求响应资源。 此外,先进的数字技术可以通过以下几种方式帮助更广泛的电网脱碳:
第一,需求侧具有尚未开发的灵活性潜力。 各种电器可以根据天气变化和可再生能源生产做出反应来调整其消耗。 这需要大量的单个设备进行微小的调整。 因此,需要对来自连接设备的需求响应进行汇总和自动化。 这对于电气化交通尤为重要: 不受控电动汽车充电通常与高峰时段(边际电力来源为 天然气甚至煤炭 2 )同时发生(图1)。 车主即便愿意,也不大可能掌握调整充电所需的信息。 停放的电动汽车需要与系统运营商通信,彼此共享网络容量,并根据可再生模式调整其充电量(图2)。 在我们设想的能源系统中,智能手机应用程序甚至智能扬声器都必须做到这一点。  
图1: 太阳能光伏与不受控的电动汽车充电对净负荷影响
图2: 太阳能光伏与受控的电动汽车充电对净负荷影响
第二,数字化可以补充 物理网络3 容量。 电力使用的增加需要扩展传输和配电网络,但是在许多国家/地区,建设新线路都很困难。 物联网在电力网络上的系统应用可以使运营商更准确地了解线路和电流的状况,从而使他们能够在不增加物理足迹的情况下扩大传输容量。 此外,基于AI的数据密集型技术可以更精确地预测风电、光伏产量,从而在保证能源安全的情况下提高可再生能源的份额。
第三,可再生能源普及率达到较高水平时,将需要其他技术解决方案,例如 智能逆变器4 ,以保持电网稳定性。 这些逆变器将需要非常快速的数据交换和控制,同时保持网络安全标准。
先进的数字化对于优化资产利用和增强灵活性至关重要。 一些公司对可再生能源预测进行了内部研究,并对需求响应技术和其他智能能源技术进行收购和风险投资。 但是,与这些公司致力于扩展其核心业务的资源和承诺相比,它们在智能能源方面的投资仍然很小,而且常常缺乏战略重点。 数字-能源关系中的大多数创新是由初创企业或常规电网运营商的数字化活动推动的。
数字能源领域对新进入者如此开放是件好事,但大型科技公司也需要采取更积极的立场。 就灵活、协调的电动汽车充电而言,该技术本身已经存在,但由于交易成本和关键利益相关者之间缺乏协调而实施受阻。 大型科技公司大规模应用智能解决方案、推动标准统一并降低交易成本的能力可能会发挥重要作用。 电力作为一个世纪前第二次工业革命的变革性技术,对今天的大型科技公司来说也是可以变革的领域。
(二)释放数字化的全部力量,以提高能源效率
毫无疑问,风能和太阳能光伏发电担负重任,但成功实现净零排放还需要其他清洁能源技术的帮助。 能源转型必须包括全面提高能源效率,而数字化可以极大地加快能源效率的提高。
大型科技公司具有重要的经验和技能。 为了减少直接碳足迹,他们认真考虑了自己的运营情况。 近年来,由于计算和基础设施的效率提高,以及云计算和超大规模数据中心的份额增加,数据使用、网路流量和电力使用之间出现了显著的分离。 但是,随着大型科技公司超大规模数据中心的能源使用量迅速增长,需要进一步提高能源使用效率,以限制未来十年能源需求的增长(如图3和图4)。  
图3: 2010-2019年网路流量,数据中心工作量和数据中心能源消耗的全球趋势(2010=1) 
图4: 2010-2022年按数据中心类型划分的全球数据中心能源需求
大型科技公司的这种经验也可以在数据中心之外得到利用。 建筑节能的一个主要挑战是,改造旧建筑既费时又难以扩大规模。 机器学习的应用可以克服这一问题。 从具有200年历史的欧洲歌剧院到加利福尼亚的豪华度假胜地,这些例子都表明,连接器件、传感器的使用、实时测量和微调控制可以节约大量能源。
在运输领域,优化卡车运营和物流的数字解决方案可以将公路货运的能源消耗和排放减少四分之一。 鉴于重型、长途卡车运输仍然依靠柴油发动机,这是一个重要的贡献。 主要的电子商务运作已率先采用优化的物流服务。  
(三)成为重要新技术和新材料的先锋
虽然电气化和增大风能和太阳能发电的份额将是向净零排放过渡的首要主题,但由于难以脱碳的非电气化部门排放大量二氧化碳,整个能源系统仍然很复杂。 大型科技公司在这方面也可以发挥重要作用。
首先,虽然技术是数字化的,但科技公司依旧有很多物理的操作: 生产智能手机的碳足迹从铜矿里的重型机械开始。 而在2020年夏天,当客运航空业因新冠疫情而崩溃时,电子商务使货机依旧保持着从中国生产商飞向欧美消费者的强劲势头。
大型科技公司最近才开始为其产品寻找低碳替代品。 由于能源行业和风险投资公司都在努力创造可行的商业模式以扩大规模,使用低碳技术的材料的开发在十年间处于投资不足状态。 大型科技公司完全有能力介入: 低碳塑料作为无差别商品的价格可能过分高昂,但它们的生产成本只是平板电脑价值的舍入误差。 大型科技公司可以利用其高附加值应用、资产负债表和风险承受能力,在弥合此类产品的 “死亡谷效应”5 方面起主导作用。 最有前途的例子是双管齐下的: 该公司为研发和扩大规模提供风险资本资金,还充当新的低碳产品的固定消费者。 这已应用于智能手机制造的低碳铝工艺和为电子商务运货的电动卡车。
一些大型科技公司现在正将他们的气候承诺扩展到过去的排放量。 除碳补偿外,最近大型科技公司风投的注意力正在转向直接空气碳捕获技术。 鉴于现有能源基础设施的排放和能源系统的惯性,直接空气碳捕获技术极有可能被大规模应用。 大型科技公司可以在帮助开发和早期部署直接空气碳捕获技术和其他碳捕获、利用与封存技术(CCUS)方面发挥重要作用。 它们还可以促进其他关键清洁能源技术的推广,包括绿氢、长期储能、核能和地热能。
(四)充分运用数字工具促进创新
历史上,新能源技术需要数十年才能成熟并取得变革性的影响。 第一个实用的太阳能电池板直到20世纪60年代才出现在太空探索领域,直到现在太阳能光伏才开始改变电力部门。 不幸的是,目前市场上的技术只能让我们达到净零能源系统(net zero energy system)的一半,我们也没有一个世纪的时间来等待技术差距的弥合。 新能源技术的开发和大规模部署必须以前所未有的速度发展,以在2050年前实现全球的净零排放。
大型科技公司能发挥的最具变革性的作用之一,就是加速创新过程本身。 此方面已经有了前途无量的尝试,如利用人工智能模拟新催化剂用于更高效的化学过程和开发新纳米材料来制作更高容量的电池。 自动驾驶汽车是机器学习研究的一个引人注目的应用,但是它们对环境的影响很大程度上取决于它们的使用方式。 可持续性应纳入这一领域的研究。 低碳工业技术、低碳航空燃料化学以及核能的新方法都将受益于机器学习的系统应用。
大型科技公司凭借其财力和对机器学习过程的深刻理解,完全有能力引领一系列新的技术突破。 机器学习的下一个目标应该是克服人类面临的最大技术挑战。 硅谷的一些领军人物已经朝着这个方向发展,要么通过内部研究,要么设立专门的风险资本投资,这些举措的规模还可进一步扩大。
(五)使消费者采取更明智的低碳行动
大型科技公司的产品深入日常生活,重塑消费习惯和社会互动,这些产品可以帮助消费者更主动地降低排放。 国际能源署在《2020年世界能源展望》(World Energy Outlook 2020)中分析了2050年实现净零排放的途径,认为通过减少飞行、稍微提高空调温度、将车停入车库、步行或骑自行车短途旅行等简单的行为,2030年可实现约20亿吨的减排。
大型科技公司的产品可以使减排行为变得舒适甚至很酷,从而极大地促进消费者改变行为。 智能手机应用程序如碳计算器,可以告知消费者步行、骑自行车、乘坐公共交通工具或汽车的“碳成本”。 它们可以促进共享移动与传统公共交通系统的整合。 在家里,智能系统可以在不牺牲舒适度的同时控制能源的使用。 消费者越来越愿意在决策中考虑可持续性。 这一趋势有助于为消费品的清洁创新创造一个可行的商业模式。 大数据可以更精确地跟踪消费品供应链,提供可靠的信息,让消费者做出明智的选择。
更广泛地说,大型科技公司在为社会提供信息方面作用越来越大,因此责任也越来越大。 他们应该确保搜索功能和社交媒体不会让伪科学或危险的谎言长期存在。 应对气候变化需要专家的指导和充分知情的公众的支持,制定深思熟虑、精心设计的公共政策。

结语

气候变化是当代人面临的决定性挑战,实现净零经济需要政府、消费者和私营企业的全方位努力。 数字技术不是应对气候变化的灵丹妙药,但强有力的气候政策和企业行动有助于指导数字技术的适当应用,以加速清洁能源的发展。 如今的大型科技公司完全有能力帮助弥合技术差距,提供解决挑战所需的信息。 凭借其无与伦比的投资能力和创新潜力,大型科技公司可以成为全球清洁能源转型联盟不可或缺的成员。 
注释:

[1]五大科技公司通常指“FAAMG”,即Facebook、苹果、亚马逊、微软及谷歌。

[2]the marginal electricity source,指新增电力主要来源于天然气或煤炭。

[3]物理网络(physical network)是在网络中由各种物理设备(如主机,路由器,交换机等)和介质(光缆,电缆,双绞线等)连接起来形成的网络。

[4] 逆变器是把直流电能转变成定频定压或调频调压交流电的转换器,是光伏系统最核心的部件之一。

[5]死亡谷指高科技企业在创业初期极易死亡的一段时间。 其原因在于在新技术真正改变生活之前,技术的推广和产品孵化是十分困难的。

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