作者：Jeremy Cook
在从化石燃料向可再生能源转变的大目标下，我们的社会正在齐心协力推动一切电气化。电气化的范围从电池驱动的汽车到用电灶取代燃气灶，并辅以基础设施和智能电网技术的更新。特别值得注意的是基于碳化硅 (SiC) 的晶体管等可实现高效开关的设备，以及实现智能能源网的测量设备
。电气化应用
从广义上讲，万物电气化早在几十年前就已开始，与其说是出于对环境的担忧，不如说是出于内在的好处。例如，草坪护理曾一度主要由燃气或人力驱动。如今，消费者可以购买电动割草机，无需加油，而且比燃烧式割草机安静得多。同样的技术让我们可以在不插电的情况下使用电动工具，甚至更先进的机器人割草机也能为我们打理草坪。
就智能手机而言，我们可以认为，万物电气化即使不能实现万物的统一，也能实现多物的统一。智能手机这个一体化套装包括静态照相机、录像机、计算器、GPS 定位器和图书馆，与世界上任何其他产品都不同。总体而言，智能手机和微型计算几乎影响着我们电气化生活的方方面面。
考虑一下电气化影响将不断扩大的以下领域：
应用 1：个人交通
目前，美国约有 400 万辆电动汽车 (EV) 在路上行驶，预计到 2030 年将达到 3300 万辆。我们还看到电动自行车的广泛普及，在许多情况下提供了一种高效的个人交通选择。据美国能源信息署报告，截至 2022 年，美国 27% 的一次能源消耗用于交通。这一领域的进一步电气化可能意味着化石燃料消耗的重大转变
。我们可以看到，从电气化公共汽车到依靠电力运行的高速列车，电气化也在公共部门得到了应用。这些再加上电动自行车的普及，都有助于缓解交通压力，而且与传统汽车相比，每人每英里的总耗电量更低。目前与电气化相关的一个优势是，我们越来越依赖远程办公，这就意味着减少了亲自“到场"的需要。严格来说，这可能不能归类为“电气化交通”，但这确实消除了个人出行的大部分需求，从而产生了同样的效果。
应用 2：楼宇管理
未来几年，楼宇管理将更加电气化，其中最显著的是楼宇供暖。传统的供暖方式是在现场燃烧化石燃料，直接或间接地为某个区域供暖。这可以是烟囱和壁炉、以天然气为燃料的家庭供暖系统或使用蒸汽的整栋建筑散热器装置。
电热输入是一种高效的替代方法。电加热的基本过程是将电加热到电阻器上，电阻器通过发热释放多余的能量。这通常是一种低效和麻烦的做法（计算机等电子设备中的热量则需要散热），但却能达到预期效果。同时，使用电力进行直接电阻加热通常比燃烧天然气或其他化石燃料更加昂贵。
正如本文所详细讨论的，一种更高效的电加热方式是使用热泵。热泵通过压缩循环间接将热量输送到室内，其工作方式与空调相反。虽然这种供暖方式不适合室外温度极低的情况，但在大多数气候条件下，都可以很好地为建筑物供暖。
当然，温度管理并不是保持建筑物最佳状态的唯一方面。消防和安全系统也很重要，机器学习和预测技术也可以帮助进行整体维护。用户界面功能通常可通过标准电脑或智能手机访问，从而有效利用多功能设备的优势，而不是使用专用终端。
应用 3：工业流程
工业供热是电气化面临与楼宇管理方案相同的基本挑战的一个显著应用。目前正在开发针对工业的新技术，例如可以有效地将燃气燃烧器更换为电加热元件的改装套件。在从化石燃料转向电加热的同时，还在努力提高现有加热装置的效率，从而有可能完全缓解某些能源需求。
除供暖外，各行业还可以研究其他工艺能源效率低下的问题，如减少压缩空气的使用或将效率较低的白炽灯泡改用 LED 照明。这些项目可以带来立竿见影且易于衡量的投资回报，这在企业和整体环境层面都是双赢。
实用技术 1：智能电网技术
尽管一切电气化似乎是一个崇高的目标，但事实上，我们的基础设施是为满足当今需求而建造的。进一步电气化意味着电力需求的增加，这就要求供应的稳健性和灵活性。一个创新的概念是“虚拟发电厂”，将可再生资源和电网存储实体结合在一起，并进行精心管理，以妥善利用不同的电力资源。这一概念需要双向计量等功能和复杂的控制结构，以使智能能源网概念发挥最佳功能。
智能电网元件，如碳化硅晶体管、高质量 IGBT 和更传统的硅 MOSFET，可以在能源和能源消费者（其中任何一方都可能根据情况改变角色）之间以最小的损耗进行电力管理。当前的传感技术对于了解智能电网中何时向资源供电或从资源中耗电以及如何根据这些不断变化的情况计费至关重要。
实用技术 2：便携式电池技术的进步
虽然过程加热明显需要插电，但许多电气化“物品”是便携式的，因此需要独立的电源（电池）。最近电池技术的发展，尤其是锂离子 (Li-ion) 和锂聚合物 (Li-Po) 技术的发展，使电动汽车和智能手机等便携式设备成为可能。
从便携式设备的角度来看，锂聚合物/锂离子电池技术以及相关的制造基础设施将得到进一步发展，从而实现更多的电池生产。同时，目前的电池技术也有局限性。我们有可能在不远的将来看到一种全新的电池模式。正如本文所探讨的，研究人员正在尝试利用石墨烯进行电能存储，这将使充放电周期比目前快得多。
未来的进步，进一步电气化
电气化的速度和方法是一个悬而未决的问题。除非出现重大意外情况，否则电气化肯定是大势所趋。从基础设施的角度来看，通过物联网设备在边缘和云端进一步提高计算能力，以及碳化硅和其他相关技术的进步，将有助于推动电气化进程。
无论电气化在未来几十年如何发展，都可能像智能手机的普及一样，不经意间被人们所忽视。到一定时候，这些电动汽车、电动自行车和其他新的电气化技术就会出现在我们面前，被我们默默接受，并（希望）使我们的世界变得更加美好。另一方面，我们还需要做更多的工作，使这些技术切实可行，并实施智能电网基础设施升级，为我们进一步电气化的世界提供动力。
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