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。
由于电气最终用途替代化石燃料的直接燃烧，因此电气化避免了在客户使用时的排放。尽管电气化仍然会导致与发电相关的排放，但采用高效的最终用途并依赖来自清洁电源的能源通常会减少总排放量。
更高能效的电力终端用途与发电机组的清洁化相结合，创造了提高排放效率的潜力。换句话说，由于电力部门的排放量下降，尽管会消耗更多的电力，但消费者现在加热单位体积的水可以产生更少的污染。热水器的热力学效率和排放效率因技术和区域而异，并取决于它们所连接的电力公司电网的特性。
通过确定热水器的效率并考虑其能源供应的碳含量，我们可以估算加热每单位体积水所产生的排放量。如果电力系统燃煤发电超过50％，睿博能源智库可以确定的是，使用热泵会导致比化石燃料替代品更高的碳排放。然而，如果电力系统不比联合循环天然气更耗碳，则热泵比丙烷和天然气热水器的碳强度更低。当电力系统变成低碳（不超过50％的天然气碳强度/ 50％的非碳）时，所有的电气化路线都会产生与天然气和丙烷相同或更低的碳排放。美国的一些地方今天符合这一标准; 将来还会有更多。
将共益电气化用于热水供应
本文阐述了改变我们热水供应的方式将会为消费者，电网和环境效益带来的显著潜力。在最后一节中，我们将讨论鼓励更多部署电热水供应的方法。
新建筑标准
对于现有住房，转换为更高效的电气化热水供应将是一项需要大量投资的长期任务。然而，新建筑的过渡可以更快地发生。在这种情况下，热水供应系统的全部成本是递增的。在许多情况下，更有效的替代品的资本成本与传统的电加热或化石燃料水加热相比具有竞争力。应审查建筑能源法规和其他规则，以确保它们不会对电气化造成障碍。
设备标准
美国目前家用热水器的设备标准是2010年通过，并于2015年4月生效的。美国能源部和美国环保署一直在与利益相关者讨论并网热水供应的未来潜力。
目前尚不清楚能源部将如何以及何时推荐新的热水器设备标准，或环保署将如何阐明自愿能源之星标准。然而，很明显，带有内置控制系统的热水器具有很大的优势 包括Wi-Fi或其他电力公司接口以确保热水器接收电网信号将支持负载转移和需求响应，这些做法可以提高电网可靠性和电热水的经济性。
此外，存在燃料中性（fuel-neutral）设备标准的问题。在审查标准时，例如，考虑与天然气热水器标准相关的能源使用与其他类型的标准相比是值得的。换句话说，为了建立真正捕捉美国市场可获得的能效的标准，专家应该比较所有热水器的相对效率，而不仅仅是那些使用相同燃料的热水器——例如，天然气与天然气对比，或电力与电力相比。
各州能源政策
各州政策对共益电气化的发展既可以帮助作用也可能阻碍其发展，各州需要确保政策反映出与当前技术创新相关的机遇。例如，各州需要考虑能够识别电气化潜力的综合资源计划及其对电力和天然气公司未来发展的诸多影响。目前，仅电力综合资源计划可能无法充分探索系统趋势和投资的影响，尤其是它们对州内天然气公司的影响。同样，仅针对天然气的计划可能无法识别潜在的更清洁和更低成本的电气替代品，从而对消费者和环境带来不利影响。
利用新的现实来平衡电力公司基础设施投资和收购，与调整电力公司规划运营同样重要。例如，电力公司运营的不同之处在于如何支付扩展的天然气基础设施，是通过新客户支付连网费用还是作为所有纳税人承担的社会化成本。如果监管机构正在比较电气化成本与天然气基础设施持续发展的成本，那么认识到任何隐性补贴都很重要。
我们也应该回顾一下国家能效资源标准中使用的指标。这些标准要求的消耗量减少通常以千瓦时（kWh）计算。然而，虽然电气化可以减少总能源使用，但它可能会增加千瓦时的消耗。各州可以通过重新制定指标或在其标准中包括拆分电气化来解决这一冲突。例如，纽约州最近采用了全州累计年度现场节能目标，该目标在英国热量单位中划定，并将激励所有燃料中最具成本效益的效率措施。各州还可以考虑在其可再生能源配额制中纳入分类或“等级”（如佛蒙特州所做的那样），要求电力公司通过实施符合共益电气化标准的项目或活动来履行其部分配额义务。
许多传统的能效项目也全面禁止在电力和天然气服务之间转换客户，或禁止电力公司增加负荷的项目。我们鼓励各州应用三个共益电气化条件来考虑电气化项目，燃料转换和相关负荷增长是否确实符合公共利益，以及这些禁令可能需要如何改变。
最后，与所有能源政策一样，“可负担性”影响着所有客户公平分享电水暖好处的能力。随着各州确定电气化目标并制定部署计划，他们将需要确保低收入客户不会被落后。低收入家庭通常拥有较旧且效率较低的家用电器和较低热效率的房屋，这反过来又会妨碍家电的效率。各州计划可以认识到这些情况并帮助解决可负担性方面的差距。
电价设计
当财务激励有意义时，客户愿意将电力消耗转移到当天更便宜的时间。为了使他们能够这样做，分时定价可以在一天中的不同时间段传达成本差异的信号。这种类型的定价为提供需求灵活性的商业化技术提供了经济激励，从而实现负荷转移和辅助服务的经济利益。
价格决定了消费者使用电网的方式。电网管理人员可以使用不同的价格——特别是与可以自动执行许多决策的技术相结合——激励客户并推动他们促进更有效地利用现有电网投资，避免不必要的新投资。
激励机制和其他项目
电力公司，第三方或政府项目提供的退税、贷款或税收优惠等财政激励措施可以推动电气化。 一些电力公司正在试行对建筑商进行激励，以促进新建筑的电气化。其他公司则向纳税人提供折扣，让他们的热水器进入电网控制项目。
早期的家电退休计划还可以帮助客户做出更加合理的热水器更换决策。客户可以考虑以更周到和合理的方式更换老旧电器，而不必在电器经常发生故障的情况下才做出购买决定。提前退休计划可以识别即将结束其使用寿命的设备，然后在需要紧急购买之前与客户合作更换它们。
热水供应共益电气化为消费者节省成本，更好地管理电网和减少温室气体排放，是一种经济和实用的方法。在本文中，我们应用睿博能源智库的三个共益电气化条件来说明，当前和不久的将来可用的电热水面临的机遇。进一步看，各州和地方政府将会意识到这些机会，以及将带来的经济效益和消费者利益。
