A dinâmica oculta da transição de energia

O que é comumente referido como o Transição de energia Na verdade, consiste em dezenas de transições discretas que abrangem indústrias como geração de energia, transporte e agricultura. Esses vários caminhos para o zero líquido geralmente são fortemente conectados, com cadeias de valor sobrepostas, inovações tecnológicas, taxas de adoção e efeitos de feedback.

Given this complexity, using first-order analysis or toy models to shape Estratégia corporativa , política ou investimentos levarão a pontos cegos perigosos e baixa tomada de decisão. Os líderes não saberão como empilhar ou sequenciar iniciativas críticas, nem serão capazes de identificar riscos e oportunidades ocultos. Uma abordagem de sistemas pode informar a ação criando insights mais profundos e cenários realistas, incluindo:

Instead, leaders must adopt a holistic, integrated systems lens. A systems approach can inform action by creating deeper insights and realistic scenarios, including:

• A view that goes beyond the silos of any one industry, technology, value chain, or geography and considers the many stakeholders and factors at play.
• The ability to understand and assess the intricate interconnections of supply chains, materials, production capacities, labor, capital, and regulation, among other factors—which in turn allows us to identify potential synergies, avoid unintended consequences, and gain perspective on where technological innovations and substitutions are likely or essential.
• Guidance on predicting how energy and industrial systems may change over time due to their cascading impacts—and an understanding of the conditions under which certain transition pathways are economically feasible and can deliver a more sustainable, adaptable, and resilient future.

BCG’s proprietary Systems Workbench for Insight on Transition Change–Green Transformation (SWITCH-GT) enables such an approach by allowing us to examine the dynamics of various energy transition pathways across sectors. (See the sidebar “Modeling the Complexity and Dynamics of the Energy Transition.”) To illustrate the value of this high-fidelity computational workbench, we’ve used it to explore how companies in one sector—wind turbine OEMs—can apply a systems lens to their business.

Embora nosso exemplo de OEM eólico se concentre em uma pequena fatia da transição geral de energia, ressalta a importância vital da abordagem de sistemas. Como líderes corporativos, formuladores de políticas e investidores reformulam empresas, indústrias e economias para evitar os piores efeitos de Mudança climática , esta lente de sistemas oferece a eles a visão mais ampla possível da dinâmica de transição energética - que, por sua vez, os ajudará a tomar melhores decisões para as empresas e para o planeta.

Breaking Out of Silos

Many companies begin their descarbonização Viagem olhando dentro dos limites imediatos de seus próprios negócios - suas operações, desenvolvimento de produtos, cadeia de suprimentos e, às vezes, o ecossistema de seu setor. Essa visão específica do setor perde as possíveis interconexões e dinâmicas entre os setores que podem afetar os planos e retornos de uma empresa ao longo do tempo. (Veja Anexo 1.) Nossa comparação usa um cenário base alinhado com uma projeção de aquecimento de 2 ° C no cenário de promessas anunciadas de 2022 da AIE (APS) e assume a implantação de requisito de várias tecnologias para atender a esse alvo. Tomando uma visão entre indústria-integração da demanda de indústrias como energia solar, armazenamento, automóvel, edifícios e aviação-compõe a imagem. Praseodymium e Terbium-FACKE SCASTIDADE até 2030 sob a análise entre indústrias. Embora a escassez potencial de alguns desses materiais (particularmente os elementos de terras raras) seja bem reconhecida e tenha sido identificada como um obstáculo potencial ao ritmo da transição energética, a possível dinâmica de suprimento para outros materiais é menos conhecida.

To demonstrate the risk of this limited perspective, we compared a sector-based view of demand for 18 materials used in wind turbine manufacturing to a broader cross-industry view. (See Exhibit 1.) Our comparison uses a base scenario roughly aligned with a 2°C warming projection under the IEA’s 2022 Announced Pledges Scenario (APS) and assumes the requisite deployment of various technologies to meet that target.

Looking only at demand from the wind industry, it is unclear which, if any, of the materials face supply constraints in this decade. Taking a cross-industry view—integrating demand from industries such as solar, storage, auto, buildings, and aviation—completes the picture.

At least 13 key materials used in wind turbine manufacturing—including carbon fiber, copper, cobalt, neodymium, dysprosium, praseodymium, and terbium—face scarcity by 2030 under the cross-industry analysis. While potential shortages of some of these materials (particularly the rare earth elements) are well recognized and have been identified as a potential obstacle to the pace of the energy transition, possible supply dynamics for other materials are less well known.

The real-world Implicações das escassezes são significativas , seja aumentando os preços das matérias -primas, contribuindo para atrasos no projeto ou mesmo forçando o reprojetado operacional ou técnico. Na indústria eólica, por exemplo, a escassez gera maiores custos de entrega de projetos; Nos piores casos, faz com que os desenvolvedores estacionassem seus projetos em um momento em que o mundo precisa desesperadamente de mais capacidade. Os desenvolvimentos geopolíticos, por exemplo, podem exacerbar a escassez, com os países lutando para garantir suprimentos em uma economia global, onde o controle da mineração e do processamento está cada vez mais concentrado. Além disso, a demanda por materiais mudará dependendo de como as inúmeras transições discretas que estão em andamento acima ou abaixo da tendência do APS em nosso caso base. Uma trajetória de implantação diferente para as principais tecnologias de transição, como VEs, energia eólica, energia solar e melhorias na eficiência do edifício, moldariam substancialmente a escassez de vários materiais.

These constraints can be further shaped by several factors. Geopolitical developments, for example, can exacerbate shortages, with countries scrambling to secure supplies in a global economy where control of mining and processing is increasingly concentrated. Moreover, the demand for materials will change depending on how the numerous discrete transitions that are underway track above or below the APS trend in our base case. A different deployment trajectory for major transition technologies, such as EVs, wind power, solar power, and building efficiency improvements, would substantially shape the scarcity of various materials.

Compreendendo os drivers subjacentes

For the wind industry in our case study, the potential shortage in carbon fiber shown in Exhibit 1 is not widely recognized, and thus worthy of deeper investigation.

Carbon-fiber-reinforced polymer is replacing glass-fiber-reinforced polymer (fiberglass) as the dominant composite material used in the spar cap, which spans the length of a turbine blade and serves as a structural support. While carbon fiber is more expensive than glass fiber for wind applications, at more than ten times the cost, using a higher share of carbon-fiber-reinforced polymer in the spar cap creates lighter and stronger blades. As a result, wind OEMs can build longer blades capable of producing energy more efficiently—a particularly important factor in the offshore wind sector. The upshot: a potential shortage of carbon fiber could delay technology-based efficiency improvements in the wind industry.

Em nosso caso base, espera -se que a demanda por fibra de carbono cresça a uma taxa anual composta de cerca de 20% a 2030 (consulte a barra lateral “suposições em nosso caso base”), isso criará uma lacuna considerável entre oferta e demanda, mesmo considerando as expansões de produção em andamento ou planejado até o momento. De fato, atender à demanda projetada de fibras de carbono em nosso caso base exigiria a criação de novas capacidade em aproximadamente três vezes a taxa histórica. (Consulte o Anexo 2.)

Se olharmos para cenários de demanda ainda mais otimista no setor eólico e para outras tecnologias, como os EVs, a lacuna prevista de fornecimento é mais ampla. Por exemplo, com base nas projeções da AIE para a demanda de vento e EV alinhadas com um cenário zero líquido de 2050, a demanda total das fibras de carbono aumenta a uma taxa de crescimento anual composta de 28% até 2030.

Awaring Demand contribuiu para uma produção de fibra de 15% nos preços de fibra de carbono desde 2019 e, de forma crítica, o planejamento de fibra de fibra é um dos preços de fibra de carbono e, de forma crítica, e a expansão e a expansão dos fibros de fibra de fibra de carbono. Por exemplo, a obtenção de licenças leva mais tempo e a navegação nos regulamentos de segurança no local de trabalho é mais difícil devido à toxicidade de certos materiais precursores para fibra de carbono, causando atrasos que impedem a expansão. Pode levar dois ou mais anos para construir uma nova instalação de produção de fibra de carbono.

Além disso, 77% da produção de fibra de carbono ocorre na região de cooperação econômica da Ásia-Pacífico; Essa concentração geográfica de produção complica ainda mais a dinâmica do fornecimento, pois expõe cadeias de suprimentos a possíveis interrupções geopolíticas. O fornecimento de fibras atende à demanda?

Looking at the forecast above, wind OEMs will likely ask the following questions:

• First, is a pathway that relies heavily on carbon fiber in wind turbine manufacturing really feasible?
• If so, under which scenarios would carbon fiber supply meet demand?
• Quais fatores precisamos considerar melhor informar melhor nossa tomada de decisão? Por exemplo, como pesamos as trocas nas opções de design que afetarão a demanda de fibra de carbono? E para quais indústrias a fibra de carbono pode ser facilmente substituída por uma alternativa? Isso pode incluir a alteração da composição da lâmina ou o atraso da implantação de turbinas maiores. Se essas opções forem adotadas em todo o setor, isso alterará a demanda por fibra de carbono em toda a indústria eólica e o momento dessa demanda. (Consulte o Anexo 3). Da mesma forma, até que ponto os fabricantes de fibras de carbono expandem a produção diante dessa previsão de alta, moldará ainda mais o risco de escassez. O fabricante de turbinas eólicas em nosso estudo de caso deve considerar diferentes cenários para a demanda de fibras de carbono, incluindo aqueles de outras indústrias, bem como cenários para a possível expansão do suprimento de fibra de carbono e, em seguida, mapearem como essas mudanças afetariam a economia subjacente de seus negócios. Isso os ajudará a selecionar a melhor estratégia para garantir um crescimento lucrativo. Como alternativa, a empresa pode mudar sua mistura de material em direção a fibra de vidro sobre fibra de carbono quando viável. De fato, alguns fabricantes ainda usam projetos de fibra de vidro para lâminas de turbinas com mais de 100 metros de comprimento. Para responder a essa pergunta, um bom ponto de partida é criar um diagrama de sistemas. (Consulte o Anexo 4.)

In the face of potential carbon fiber shortages, wind OEMs will likely search for ways to limit future supply chain disruptions. This may include changing blade composition or delaying the deployment of larger turbines. If these choices are adopted industry-wide, that will alter both the demand for carbon fiber across the wind industry and the timing of that demand. (See Exhibit 3).

Beyond wind OEMs, automakers and aviation OEMs will also make engineering and sourcing decisions that will shape carbon fiber demand. Similarly, the extent to which carbon fiber manufacturers expand production in the face of this bullish forecast will further shape the risk of scarcity. The wind turbine manufacturer in our case study must consider different scenarios for carbon fiber demand, including those from other industries, as well as scenarios for the possible expansion of carbon fiber supply, and then map out how these changes would affect the underlying economics of their business. That will help them select the best strategy to assure profitable growth.

If a wind turbine manufacturer concludes that using carbon fiber is too risky without further action, then it may aggressively commit to pursuing long-term production contracts, strategic coinvestments, or even acquisition and further corporate development. Alternatively, the company may shift its material mix toward fiberglass over carbon fiber where feasible. In fact, some manufacturers still use fiberglass designs for turbine blades greater than 100 meters in length.

Examining Cascading Effects

So, what are the implications of a decision by the wind turbine OEM in our example to rely more on fiberglass for its blades? To answer this question, a good starting point is to create a systems diagram. (See Exhibit 4.)

Mesmo esta versão simplificada ilustra as interconexões entre a demanda por fibra de carbono, fibra de vidro e outras tecnologias e materiais na transição de energia. Também incluímos o boro aqui como um exemplo dos materiais aproximadamente a dúzia de fibra de vidro para adaptar suas propriedades do material. Cada bolha no diagrama tem sua própria dinâmica que pode ser modelada. Que intervenções na indústria eólica poderiam levar o mercado de fibras de carbono a um equilíbrio mais estável de suprimento de demanda. A partir de nossas projeções de casos básicos, aumentamos gradualmente a parcela de pequenas e médias turbinas usando tampas de fibra de fibra de vidro no cenário 1. No cenário 2, aplicamos as mesmas condições que no cenário 1 e em camadas em uma implantação mais lenta de fibra de fibra de carbono, como as turmas maiores. A linha azul mostra o suprimento de caixa base para cada material, com a área sombreada indicando uma faixa razoável no lado alto e baixo. O que era um mercado quase equilibrado para fibra de vidro mostrado no Anexo 1 agora está com restrição de oferta. As previsões de suprimentos da indústria normalmente dependem da projeção de tendências passadas no futuro, usando as regras da indústria, geralmente construídas ao longo de anos de crescimento previsível. Isso significa que as empresas podem perder uma grande mudança estrutural na demanda, neste caso impulsionada pela confluência de várias transições verdes - que podem criar riscos para as empresas que procuram garantir materiais escassos e oportunidades para aqueles que podem intervir para atender à demanda.

This systems map helps identify relationships the wind turbine OEM in our example should explore, including what actions could potentially prevent a supply crunch in carbon fiber and the ramifications these actions would have for closely connected materials like fiberglass and boron.

To bring these dynamics to life, we crafted two scenarios to examine what interventions in the wind industry could bring the carbon fiber market to a more stable supply-demand equilibrium. Starting from our base-case projections, we gradually increased the share of small and medium turbines using fiberglass spar caps in Scenario 1. In Scenario 2, we applied the same conditions as in Scenario 1 and layered in a slower deployment of carbon-fiber-intensive larger turbines.

In Exhibit 5, we show how each scenario plays out for carbon fiber, glass fiber, and boron. The blue line shows the base-case supply for each material, with the shaded area indicating a reasonable range on the high and low side.

If demand shifts away from carbon fiber, the knock-on effects for fiberglass producers will be immediately apparent. What was a nearly balanced market for glass fiber shown in Exhibit 1 is now supply-constrained.

The mismatch between glass fiber supply and demand reveals a weakness in the way companies often assess supply constraints. Industry supply forecasts typically rely on projecting past trends into the future using industry rules of thumb, often built over years of predictable growth. That means that companies may miss a large structural change in demand, in this case driven by the confluence of multiple green transitions—which can create risk for those companies looking to secure scarce materials and opportunity for those that can step in to meet demand.

Vamos supor que os produtores de fibra de vidro sejam capazes de expandir rapidamente a capacidade, garantindo licenças, engenharia e construções com fornos e refratários e obtendo a licença para operar dentro de dois anos. Afinal, a história demonstrou um mercado de fibra de vidro bastante resiliente, dada sua produção geograficamente dispersa e suas variadas aplicações finais. Mesmo neste caso, a reverter para mais fibra de vidro cria diferentes efeitos em cascata e outro desafio surge: um aumento na demanda por boro, um material já escasso que é um aditivo na produção da formulação mais comum de fibra de vidro. Isso inclui usos industriais bem estabelecidos em produtos como detergentes, fertilizantes e isolamento, bem como usos de energia limpa mais recentes, como ímãs de neodímio para turbinas eólicas de tração direta e motores de eVeis, aço de boro, a aço solar e a rali e os absorvedores de nêutrons, que podem ser usados ​​em um rali de aço.

Boron is required for the manufacture of more than 300 products. This includes well-established industrial uses in products such as detergents, fertilizers, and insulation as well as newer clean energy uses, such as neodymium magnets for direct-drive wind turbines and select EV motors, boron steel, solar applications, and neutron absorbers in nuclear power plants.

já, os preços do boro dobraram desde 2020. Nossas projeções no Anexo 1 sugerem que a demanda de boro pode exceder a oferta em aproximadamente 20% até 2030 - e isso não representa a potencial volalidade da oferta e demanda nesse meio tempo. No lado da oferta, a mineração e o processamento de boro estão concentrados geograficamente, e os maiores depósitos conhecidos do mundo já estão sendo extraídos hoje. A abertura de uma nova mina de Boron assumiu historicamente mais de 20 anos. O aumento da dependência da fibra de vidro pode, portanto, aumentar a exposição de um produtor a picos de preços potenciais e fornecer gargalos para o boro. Por exemplo, podemos ver substituição, com produtores intermediários de fibra de vidro trocando boro por outro material - ou dois ou três - dependendo de quão bem os outros materiais podem imitar a contribuição química de Boron para o produto. Essas novas formulações de fibra de vidro poderiam ondular pelo mercado, com implicações para a utilização da produção, atrasos no tempo e preços. Por sua vez, isso causaria uma cascata diferente além do vento, estendendo-se a outras aplicações de fibra de vidro de valor agregado, como automotivo e aviação. Uma lente holística de sistemas integrados não apenas consideraria toda a gama de entradas materiais, mas também avalia outros fatores, como:

Certainly, innovation could help mitigate the impact of boron scarcity. For example, we may see substitution, with intermediate glass fiber producers swapping out boron for another material—or two, or three—depending on how well the other material(s) can mimic boron’s chemical contribution to the product. These new glass fiber formulations could ripple through the market, with implications for production utilization, time lags, and prices. This in turn would cause a different cascade beyond wind, extending to other value-added fiberglass applications like automotive and aviation.

Integrating Systems Thinking into Green Transition Strategy

This exercise examines the uncertainty, complexity, and cascading effects surrounding just a few factors affecting raw materials for a wind OEM. A holistic, integrated systems lens would not only consider the full range of material inputs but also assess other factors such as:

• O trabalho necessário para fabricar e montar as turbinas eólicas
• Custos e externalidades de expansão da mineração, recorda e fabricação || Turbinas
• Infrastructure and logistics limitations for scaling bigger turbines
• Políticas e impactos da regulamentação
• Fluxos comerciais e vulnerabilidades geopolíticas
• Adoção e integração Taxas de grade

A transição para líquido zero é o desafio do tempo. Estamos lutando para promover a descarbonização com rapidez suficiente para evitar os impactos mais terríveis das mudanças climáticas; Um motivo primário é a escala pura do empreendimento e o fato de não podemos descarbonizar tudo em todos os lugares simultaneamente. Através de plataformas como Switch-GT, os líderes de negócios e governamentais podem aproveitar essas ferramentas para moldar uma abordagem de sistemas para a transição energética. Não há tempo a desperdiçar. Além disso, gostaríamos de agradecer a Jens Gjerrild e Lars Holm por suas contribuições como especialistas em energia eólica. Inscreva -se

The good news is that we now have the tools—including extensive data, advanced analytics, AI, and systems-dynamics and agent-based models—to meet that complexity head-on. Through platforms such as SWITCH-GT, business and government leaders can leverage these tools to shape a systems approach to the energy transition. There is no time to waste.

The authors would like to acknowledge Marek Davis, Joshua Chakravarty, and Sandra Starkey for their outsized contributions to the development of SWITCH-GT. Additionally, we would like to thank Jens Gjerrild and Lars Holm for their contributions as experts on wind energy.