执行摘要 技术进步，无论是发电效率还是最终使用燃料，都为共益电气化提供了机会。热水供应就是这些机会之一。热水供应占住宅能源帐单的近20％ 左右——而且简单地说，今天用电加热1加仑水所需的能源，远远少于直接用化石燃料加热。 在本文中，我们探索可用于热水供应电气化有益的策略，这意味着它将满足我们的共益电气化标准中的至少一个，且同时不会对另外两个产生不利影响： 从长期看可以为消费者省钱； 促进电网的更好管理； 减少对环境的消极影响。 我们得出结论，电热水可以为消费者节省费用，可以作为电网运营商的一种资源，并减少空气污染物的排放。 报告原文为英文（可点击下载），此文为执行摘要。 将技术与热水供应需求匹配 本文探讨了热水供应电气化的两种技术选择：电阻（ER）热水器和空气源热泵（HP）热水器。传统的电阻加热器基本上是包含一个或多个浸没式电加热元件的装备。空气源热泵热水器是带有直接连接到热泵的罐。 虽然这两种技术路线具有不同的成本和操作特性，但都可能在未来促进电气化方面占有一席之地。目前，电热水供应在美国各地分布不均匀——在东南部占主导地位，在西北地区很常见，而在中西部和新英格兰比较少。在这些地区内，各州之间以及农村和城市地区之间也存在差异。 具体哪种方案效果最佳，也取决于住房类型（单户住宅，公寓或移动式住房），提供热水供应服务的设备数量和住宅年龄等因素。例如，在每个单元具有单独的电阻热水器的公寓建筑物中，最佳选择可以是通过电网使这些单元可控。 对于带有中央热水的多单元住宅，热泵系统可以高效运行。新建筑可以为家庭提供全电气化服务的机会，包括热泵热水器，避免了延伸天然气管网的成本。 实现共益电气化的条件 消费者经济性 确定电气化是否会带来消费者经济利益，满足共益电气化的第一个条件，是受若干因素影响的具体情况计算。 这些包括： 住房类型 安装热水供应的成本（特别是高于替代品的增量成本） 运行热水器的能源成本; 和 在安装供暖和制冷的同时安装热水供应的潜在共同效益。 2018年，美国能效经济委员会（ACEEE）发布了一项研究，分析了在石油和丙烷热水器故障时更换的全生命周期成本。该研究的结论是，与石油和丙烷替代品相比，热泵热水器的成本更低。 在本文中，我们通过用热泵模型替换故障的天然气热水器来简单计算当前的消费者利益。睿博能源智库发现，热泵热水器目前的安装成本估算值比天然气热水器高出50美元至1,000美元左右。依靠固定电费，替换的简单投资回收期为1至20年。然而，在分时电价下，安装热泵模型将具有0至6年的简单投资回收期。 美国国家可再生能源实验室于2017年进行了一项研究，根据现有文献和成本数据预测了各种电气化方案。即使在最不利的情况下，在2020年，住宅热泵热水器相比天然气热水器也具有成本竞争力。 这表明热泵热水器的效率可以在相对近期内提高，它还表明住宅热泵热水器的资本成本虽然较高，但可以通过长期燃料节省来抵消。转换为受控热泵模型可望产生最高的经济回报，但受控的电阻热水器也可在易于安装的住宅类型为其产生可观的节能量。 电网管理 实现更好的电网管理是有益电气化的第二个条件。电阻和热泵热水器都可以通过控制系统并到电网中，控制系统允许最终用户，电网运营商，负荷集成商或其机构监控“充电”状态（即水温） 并控制充电。这可以实现诸如需求响应和负载转移等功能。由于电热水负荷是可控的，它可以增加电网的灵活性，并作为电网运营商的工具。尽管有这种潜力，但只有2％的电热水器目前正在参与电力公司的需求响应项目，电力公司对利用这种灵活性资源很有兴趣，而且兴趣持续增长。 电热水供应可以为解决电力公司面临的电网管理挑战做出重大贡献。 需求转移：波动性可再生能源在电网中的份额越来越大，意味着系统运营商越来越需要关注满足净负荷——预测负荷与间歇性资源满足的负荷量之间的差异。受控热水供应负荷可以从系统峰值转移到电费更便宜的时段。它也可以移动到波动性能源充足的时间。这可减少弃电并为消费者节省开支，同时仍然确保他们在需要时有热水。 辅助服务：智能电子和完善的通信正在创建一种新型响应设备，可以通过提供辅助服务来帮助电网运营商。电阻热水器特别适用于快速响应类型的控制，使其特别适合于提供电压支持和频率响应。 与屋顶光伏发电等可变能源直接合作：在美国的一些地区，安装人员开始部署光伏太阳能热水器，直流太阳能电池板与电阻热水器连接，无需中间逆变器（不必增加成本或减少交付电力）。 将这些资源与电网控制项目相协调是电力公司的一个机会，特别是在太阳能需求强劲的地区。 能源和排放效率 减少环境的负面影响是有益电气化的第三个条件。在整个经济体中持续使用化石燃料——无论使用效率如何——都无法减少温室气体排放以实现气候目标。然而，这些目标是可以通过尽可能多的提高能效，使电力部门脱碳，增加最终用途的电气化以及依靠更清洁的电网为其提供燃料来实现的。… View Summary +

执行摘要 睿博能源智库认为，有效益的电气化，或者说实现社会利益最大化的电气化，需要达到以下一个或多个条件，且对另外两个条件不产生反作用： 从长期看可以为消费者省钱； 促进电网的更好管理； 减少对环境的消极影响。 由于供暖在普通美国家庭的能耗中占据了相当大比例，因此它是共益电气化（beneficial electrification,简称BE）工作的关键。电供暖，尤其是利用新的热泵技术，通常会满足上述一个或多个条件。大多数家庭供暖目前依赖于化石燃料，例如家用燃油，丙烷和天然气。供暖的共益电气化将带来多种机遇：消费者可以通过切换到更有效的供热技术来节省总能源费用（取决于房屋类型和区域，报告正文将做详细探讨）;电力公司和电网运营商可以增加宝贵的电网管理效益; 此外，还可以大幅减少温室气体排放。 本文探讨了供暖电气化的多种技术选择，考虑了它们在各种环境中的应用，列举了适用于供暖的共益电气化条件，并提供了实现这些效益的策略。报告原文为英文（可点击下载），此文为执行摘要。 供暖电气化的应用考虑 为了说明共益电气化面临的机遇，我们研究了目前可用于供暖电气化的四种基本技术选择：空气源热泵，空气源热泵联合其他热源，地源热泵和电阻加热器供暖。所有这些技术都有可能在未来电气化中占有一席之地。 空气源热泵是美国各地常用的技术。在采暖季节，他们将热量从室外传递到室内空间; 在制冷季节，则将热量从室内传递到室外。它们可以是管道式或无管道式，可以设计用于较温和的环境或较冷的气候。管道式系统依靠管道将空气均匀地移动到较大的房屋周围，因此通常安装在管道系统已经就位的地方。无管道系统需要较少的结构，并且通常具有两个主要部件：室外冷凝器和室内通过导管连接的空调箱。 地源热泵将地热移入和移出陆地浅层（在地表以下几米处，温度相对恒定）。大多数地源热泵通过水平铺设的塑料管循环液体，并依靠热交换器将地下温度转移到生活空间。 电阻加热器，已经应用了几十年，最常见的情况是装在陶瓷蓄热体中。然而，在美国，通常应用在具有低成本非高峰用电的农村地区。这些加热技术可以在电网供电的边际资源碳排放较低时，或者这些设备可以集中在非用电高峰时段的时候，提供有益的电气化，电价低于平均电价。 适当的供暖选择因地而异。随着室外温度下降和供暖需求增加，空气源热泵的加热能力和效率降低，不过新系统已经提高了在较冷气候下的效率。在较温暖的地区，电阻加热器加热不具优势，因其不如热泵那样还可以提供空气调节的作用。 另一个考虑因素是房屋类型。需要综合考虑提供供暖服务的设备数量，住宅单元的年份和建筑类型（单户，公寓，移动房屋）等，才有助于确定哪种类型的空间供暖效果最佳。 供暖的共益电气化条件 消费者经济性 如上所述，电气化是否会使消费者在经济上受益取决于若干因素，包括区域气候变化和建筑类型。其他经济因素包括是否也同步安装了制冷设施，电器本身的安装成本，以及与化石燃料相比的相关电力成本。美国能源效率经济委员会（ACEEE）发布了一项研究，计算将现有燃油和丙烷炉和锅炉转换为高效热泵的能源，带来的财务和排放影响。该研究的结论是，在美国大部分地区，屋主可以在更换炉子时，用空气源热泵替换掉油或丙烷炉来节省全生命周期成本。美国可再生能源实验室预计，在全国平均的基础上，最晚到2050年，在替换设备时空气源热泵技术（包括寒冷气候热泵）与燃气炉相比具有成本竞争力。落基山研究所针对供暖和热水电气化组合的分析发现，对于四个案例研究地点，基于15年的净现值可以得出，空气源热泵对新建筑更具成本效益。在较冷的气候条件下，热泵可以通过提高建筑效率，依靠补充热源或增加储能系统来成为更经济的选择。 电网管理 因为每天和每季的电力需求都有所不同，电网需要一定的灵活性。将越来越多的可再生能源并入电网也需要更大的电网灵活性。电网运营商现在认识到，需求侧管理可以帮助实现电力平衡，共益电气化提供了一些优化负荷曲线的最佳方法。 温暖地区的电网运营商能够利用空气源热泵的电网管理优势。在较冷的地区，客户更有可能使用电阻加热器或带有辅助加热的热泵，电网运营商可以从这些技术提供的管理方案中受益。 电阻加热器可以为电网运营商提供服务，因为它可以满足需求（在容易获得时或低价时吸收能量）和供应（在系统存在用电压力和高电价成本时释放储存的能量）。 它还为风力资源丰富的地区提供了非常实际的经济机会。可以在每秒钟或者每分钟的基础上控制电阻加热器的加热元件，使其可以向电网提供辅助服务，例如频率调节和电压支持。智能技术还可以让电网运营商使用电阻加热器来帮助调节系统高峰负荷。 由于热泵产生大量的暖热，而不是少量的高温，因此它们通常不太适合于夜间充电和接下来在白天使用。然而，当与智能恒温器连接时，热泵可以通过在下午预供暖或预制冷，并在傍晚早高峰时段减少运行来帮助调节系统需求。 能源与排放效率 供暖电气化是否对环境有益取决于电力技术的排放效率和化石燃料选择 – 即单位能量的排放。通过将终端设备的效率与其能源供应的碳含量相结合，我们可以将电气化的排放效率与化石燃料替代品进行比较。本报告正文中第44-45页所示的计算表明，只有当电力系统有大量的燃煤发电时，热泵才会产生更高的碳排放。在所有其他系统中，热泵比化石燃料的同类产品更具排放效率。而且由于电网可能会在今后变得更加清洁，电子技术在其使用寿命期间也将变得更加清洁。 共益电气化三大条件的互相影响作用 按照我们对共益电气化的定义，只需要满足三个条件中的一个，且不会对另外两个产生不利影响就属于共益电气化。但是，每种条件的实现将根据具体情况而变化。这些情况以及这三个条件之间的相互作用意味着，决策者如果希望推动实现政策目标或获得预期成果，就需要制定并实施相应策略。例如，如果州内有减少排放的目标，那么在现有技术尚未为消费者提供经济利益的情况下，可能需要政策干预 – 例如通过退费项目来降低新投资热泵的前期成本。 潜在的电网管理效益将因地区和所使用的技术类型而异。在努力减少排放和为客户节约成本的同时，不会自然而然的收获这些利益，可能需要政策制定者和电网运营商的规划和管理。 供暖负荷将与风电很好地结合起来，风电在许多地区的夜间处于过剩状态，太阳能发电则会在夏季和下午达到出力峰值。 在许多情况下，热泵等节能电气技术已经在排放效率的基础上受到优先考虑，但对消费者来说可能还不具备成本效益。此外，即使电网的排放量足够低以创造环境效益，也需要有效管理新的电气化负荷，以降低电网运行成本。随着电加热和储能技术的提高，新的电气化带来的成本下降，发电产生的排放减少，这些问题会变得不那么明显。采用温室气体减排等气候政策的国家，可以通过提高建筑能效和供暖效率来减少排放。 将共益电气化用于供暖 通过改变居民供暖的方式，可以为消费者，电网管理实现显著效益，同时达到减排目的。但是，采用哪种技术和实施方案将取决于上述许多因素，以及辖区的政策优先性。… View Summary +

Some argue that the growth of electric vehicles will be the end of auto dealerships. Car dealers today derive significant revenues by providing parts and service for the internal combustion engine (ICE) vehicles they sell. If EVs, with their… View Summary +