到21世纪40年代，电力可以为美国的大多数应用提供能源，但根据美国经济与经济委员会(ACEEE)的一项分析，它可能无法满足某些领域的所有需求，特别是高温工业过程和长途飞机。该分析估计了七种应用对替代燃料来源的需求．
随着美国经济走向脱碳，这些替代燃料将需要实现净零碳排放。例子包括来自生物质的燃料，零排放电力产生的氢气(例如，可再生能源，核能)，以及合成燃料．下面是我们的分析我们之前的观点电气化在三个领域的巨大机遇，进一步讨论全面脱碳美国所有能源使用的战略。
我们新的分析到2040年，美国对燃料的需求约为9千万亿英热单位(quads)，不到美国当前能源使用总量的10%。我们的估计是高度近似的，并在下面的图表中加以说明，并在本文的末尾详细说明。欧宝体育ios版
基于预计2040年能源消耗的完全电气化的美国经济所需燃料的分配。来源:这篇博文底部描述了美国经济与环境委员会的分析。欧宝体育ios版
能源效率的作用欧宝娱乐线上登录入口
对于大多数燃料的使用，电动汽车和热泵比传统的汽车和供暖系统更高效。因此，电气化，如果处理得当，是一种能源效率的形式。欧宝娱乐线上登录入口效率在减少我们所需的能源方面起着很大的作用。它可以包括一系列广泛的措施，从需要更少热量的耐候性更好的建筑到更好优化的工业流程。
我们对燃料需求的分析是基于美国能源情报署(EIA)参考案例中对2040年美国能源使用的预测。年度能源展望，其中只包含了适度的效率。在下面的部分中，我们将讨论饼图中所示的每个行业的燃料需求，并指出能源效率的额外机会。欧宝娱乐线上登录入口
工业过程
工业用热来熔化、干燥和辅助化学转化。热泵可以提供大部分的热量，但它们不能处理需要特别高的温度的应用。Zuhldorf发现工业热泵可能能够服务于温度高达280°C(526华氏度)的过程，但是麦克米伦据估计，大约30%的工业供暖需求超过了这个数字。
在EIA参考案例中，到2040年，这些高温负荷将需要大约3.3千万亿英热单位的能量(“quads”)。可以通过实施效率措施来减少对燃料的需求，这些措施包括减少蒸汽泄漏，改进不使用或较少使用高温蒸汽的工业流程(例如，红外加热，紫外线固化)，以及改用需要较少热量的产品(例如，尽可能用工程木材代替钢材)。
工业通常集中在一起;在许多情况下，所需的燃料可以由区域氢气网络提供。目前，这样的网络存在在路易斯安那州和德克萨斯州，扩张已经开始提出了休斯顿。然而，从长远来看，这种氢目前是由天然气生产的。这在很大程度上需要转化为使用无碳电力的电解。
这一讨论只涉及燃烧的燃料，不包括用作生产塑料和许多化学品等商品的原材料的碳氢化合物，因为在这些其他应用中，碳通常被纳入产品中，而不是释放到空气中。
飞机
航空旅行是一种主要的能源消耗，而且预计将继续增长。电动飞机正在开发中，也许可以覆盖大约500英里的行程。除此之外，电池的重量在很大程度上限制了负载的大小，尽管电动机可以继续用作混合动力/燃料飞机的一部分在这里)．数据来自运输统计局表明在2021年头两个月，美国87%的飞行里程都超过了500英里。
在EIA的参考案例中，2040年，这些长途飞行将需要大约3.2夸德的能量。更高效的发动机和机身，操作的改进，以及旅行方式的改变可以进一步减少这种情况;Greene和Plotkin估计到2035年可能节省32%。从长远来看，剩余的能源可能来自氢(例如，空中客车公司是发展中几架氢燃料飞机)。从近期来看，生物燃料和合成燃料可能会用到。
船只
船经常航行很远的距离。虽然电力可以用于短途旅行(例如，一艘电动集装箱船现在正在挪威运营)，但与飞机一样，电池的重量会影响可以携带的货物数量。Smil讨论涉及的一些问题。我们估计，90%的航运可能需要燃料，到2040年，美国国内航运加上美国港口为国际航运提供的燃料，将需要约0.9夸德的能源。同样，效率可以提高;国际海事组织(International Maritime Organization)现在要求新船在设计时满足这一要求欧宝娱乐线上登录入口能效设计指标要求该机构同时关注能源消耗和碳排放。为了提供这种能量，人们正在探索替代燃料,包括生物柴油、乙醇、甲醇、氢和合成燃料。
长途卡车
最近的一个ACEEE报告发现电动卡车可以满足大多数卡车运输需求。唯一的例外是超过500英里的长跑。超过500英里，额外电池的成本和重量通常会使燃料电池卡车成为更好的选择。电动卡车和公共汽车已经可供购买;充一次电就能跑很长一段距离的牵引式拖车计划在今年晚些时候上市(其中包括一款续航里程为500英里的拖车)。为了最大限度地提高行驶里程，各种效率改进都被包括在内;操作上的改进，例如由信息和通信技术实现的改进，可以进一步提高效率(正如即将发布的美国经济与经济委员会白皮书所显示的那样)。使用氢气的燃料电池卡车也正在开发中。人口普查数据表明重型卡车大约13%的里程是在500英里或以上的行程中。如果这些行程使用氢气，到2040年将需要约0.7夸脱的燃料。
建筑物在非常寒冷的日子
美国节能经济委员会前研究发现寒冷气候热泵可以在非常寒冷的天气(低至约5°F [-15 C]，有时更低)提供热量。新型高效住宅可以使用最小的备用电阻热。例如，Efficiency Vermont一直在研究项目只需一个小的电热线圈，就能在零下25华氏度下工作。
然而，很难让现有的房子如此高效。能源与环境中心的实地研究发现在明尼阿波利斯市区，寒冷气候下的热泵平均可以减少65%的冬季能源消耗，剩余的能源来自备用煤气炉。虽然可以使用备用电阻热，但在寒冷的气候条件下，这通常需要广泛而昂贵的电网升级;备用燃料加热也许是一个更好的选择．
环境影响评价的住宅能源消耗调查据估计，美国60%的住宅供暖都在寒冷地区(如下图所示)。如果我们假设在寒冷气候下的现有家庭需要某种类型的燃料备份，占其供暖需求的20%(考虑到明尼苏达州比寒冷气候的平均水平更冷)，那么住宅供暖将需要0.5 quads的燃料。虽然一些家庭可能需要燃料用于水加热和其他最终用途，但节能家居升级可以大幅减少空间供暖所需的燃料量。欧宝娱乐线上登录入口
气候地区。来源:美国能源部．
为了满足这些燃料需求，天然气行业称之为可再生天然气(RNG- - - - - -与天然气类似的生物燃料)也许是最有可能的解决方案，但氢是另一种选择。在城市等人口密集的地区，这些燃料通常可以通过天然气分配网络提供，要么是现有的RNG网络，要么是新的氢气网络(因为目前的网络通常泄漏太大，无法容纳氢气)。这种燃料只能在一年中最冷的日子里使用，因此，需要对维持天然气分销网络只在寒冷的日子里使用的经济性进行更多的分析。在无法维护分销网络的地区，可以使用瓶装压缩RNG;因为这种燃料很少使用，所以油箱可能只需要每年补充一次。
同样，在商业领域，几个使用大型热泵的项目说明了在寒冷天气中备用燃料的有用性。最近的一个ACEEE研究关于商业建筑的电气化，我们注意到几个项目的例子，其中热泵提供了大约90%的热量，其余来自天然气。如果我们假设这10%平均适用于美国商业空间供暖(加上一些其他用途，减去效率节省)，大约需要0.2夸脱的燃料。这种燃料的供应方式将与住宅部门类似，但较大的商业建筑更可能使用管道天然气。
铁路
美国的一些铁路已经电气化，但大多数还没有。一个分析据估计，美国15-30%的铁路线可以实现低成本的电气化。如果我们取这个范围的中点，并将其应用于环评参考案例中的铁路能源使用，我们将需要大约0.4四夸德的燃料。Greene和Plotkin讨论各种减少火车能源使用的方法，包括更高效的发动机，混合动力发动机(类似于混合动力汽车)，再生制动，减少轨道车辆的质量，以及改进操作和维护。脱碳燃料服务于剩余负载可能包括氢(例如，通用汽车和Wabtec机车只是宣布燃料电池发动机合作伙伴)以及上面讨论的许多燃料选择。
结论
在这篇博客文章中讨论的数字是非常接近的-我们欢迎反馈。欧宝体育ios版最终，电力可以满足大部分负荷，但也需要一些燃料。欧宝娱乐线上登录入口能源效率可以减少所需的燃料和电力。开发无碳燃料最需要关注的最终用途是高温工业过程、飞机、船舶和长途卡车。
分析细节
我们的分析细节如下图所示。在讨论中提供的超链接中注明了来源。
| 项 | 年能源使用量(四单位) | %需要燃料 | 解释 | 年耗油量(四单位) | 占总数的% | 笔记 |
| 工业高温工艺 | 11.0 | 30% | 温度超过280℃ | 3.29 | 36% | 280c来自Zuhldorf等人。麦克米伦等人发现27%的工艺热需要在300℃及以上，因此我们估计30%在280℃。 |
| 长途飞机 | 3.6 | 87％ | 超过500英里 | 3.16 | 35% | 来自交通统计局 |
| 船只 | 1．0 | 90％ | 粗略的猜测 | 0.86 | 11% | 短途航运可以电气化，但大多数不能——参见Smil 2019 |
| 长途汽车运输 | 5.3 | 13% | 超过500英里 | 0.68 | 8％ | 人口普查的7级和8级为13%。这还不包括3-6级的少量额外使用，但这可能会被区域运输的增加和长途运输占总量的百分比下降所抵消。 |
| 居住空间采暖 | 3.8 | 12％ | 寒冷气候每RECS * 20% | 0.47 | 5% | 根据RECS, 60%的天然气、石油和丙烷供暖能源用于指定的“寒冷气候”地区。在明尼阿波利斯市区，寒冷气候下热泵平均减少了65%的冬季能源消耗，我们将其提高到80%，因为明尼阿波利斯比寒冷气候地区的平均水平更冷 |
| 铁路 | 0．5 | 78％ | Blaze估计的中间值为15-30% | 0.38 | 5% | |
| 商业空间供暖 | 2．0 | 10％ | 根据Nadel & Perry的案例研究 | 0.20 | 2% | |
| 总计 | 9.05 | 100% |
作者
