各領域發起破壞性創新的能源公司：特斯拉(Tesla)發展的分析系列文章 — Master Plan篇
Last update: May 10 2024
Update 1: May 10 2024: 新增篇章架構、目錄
先說結論
Elon Musk的Tesla三階段計畫明確展現將乾淨能源取代化石能源的使命。從電動車開始，延展至電池技術、可再生能源、儲能系統、自動駕駛、共享交通、家用/商用/工業熱泵應用等領域，其目標之大幾乎觸及所有生活層面。若前兩階段目標達成，Tesla市值有望達到無人能及的高峰。
回顧過去，Tesla從電動跑車Roadster開始，以高價定位資助後續研發，並逐步推出Model S/X/3/Y等車款。同時變革電池儲能技術應用，並推動虛擬發電廠概念。並持續致力於滿足各種市場需求，包括Cybertruck、初階車款、商用客車、無人駕駛出租車，並以全自動駕駛(FSD)版本，挑戰傳統車廠和出租車業者。
未來計劃消除化石燃料使用，通過可持續能源供電至電網、電動車、熱泵等技術轉型能源系統、電氣化飛機船舶、電氣化至氫氣等。且Elon Musk可能整合Tesla與旗下公司資源，包括Twitter、SpaceX、Hyper Loop、Boring Company、X.AI、Neuralink等，推動科技革命，實現科幻般的未來科技。
Tesla的發展規劃展現出對可持續未來的堅定信念，並在各個領域挑戰難題，引入新科技前行。期待見證這些大顛覆的實現！
目錄
導言
科普知識
Master Plan, Part 1 (Published: August 2, 2006)
Master Plan, Part 2 (Published: July 20, 2016)
Master Plan, Part 3 (Published: May 5, 2023)
● 現況的能源經濟是過於浪費的(The Current Energy Economy is Wasteful)
● 去除石化燃料的計畫(The Plan to Eliminate Fossil Fuels)
● 可循環經濟模型(Modeling the Fully Sustainable Energy Economy)
● 能源儲存技術評估(Energy Storage Technologies Evaluated)
● 發電技術評估(Generation Technologies Evaluated)
● 美國的模型結果(Model Results)
● 滿足新電力需求的世界模型(World Model Results - Meeting New Electrification Demand)
● 用於運輸交通的電池(Batteries for Transportation)
● 電氣化與用於運輸交通的電池，在世界模型結果World Model Results — Electrification & Transportation Batteries)
● 投資需求(Investment Required)
● 土地需求(Land Area Required)
● 材料需求(Materials Required)
從現階段(2023H2)審視Tesla的過去、現在與展望未來
● 過去
● 現在
● 未來
備註
參考文獻
文章聲明
免責聲明導言
朋友分享他們公司的blog《Questions, shrugs and what comes next: A quarter century of change》，看完後讓我有許多感觸，Google在這25年間，運用搜索跟其衍生的應用改變了我們多少生活模式，像是跟朋友在外要找餐廳，我會很隨口的拿起pixel說:”我來google找找!”。這場景讓我想到以前國小時的家族旅遊，爸爸還需要拿厚實的地圖本找路線，不確定時還要停車問路邊的商家。這20年的科技帶來生活周遭的變革，回想起來真的變化非常巨大。反看現在，不只Google連Tesla也對我家形成不少的生活模式轉變，看到我媽在使用Tesla車輛的操作都非常習慣，連自己家人使用也非常方便的手機(鑰匙)拿著就開動車輛，車輛還會依照不同使用者，自動調整到該使用者的坐姿、冷氣、後視鏡設定等。
如此方便到，身為BMW的車主，評比這兩台車的科技感、加速性、操控性、輔助駕駛智慧性等，都覺得Tesla在許多方面優異程度，這真的會讓更多他廠牌車主想要有不一樣的選擇。
Tesla在這10年中也改變不少我們的生活模式，而今年釋出的Master Plan更是對生活的各方面發起變革，但Elon Musk到底是說說而已，還是真的實踐就讓我非常關注。因為美國大企業大都是引領整個世界潮流走勢，趨勢的時間跨度大都會是5~10年為單位，因此我會特別關注公司的經營者，其想法理念、要解決這社會的痛點問題、想要達成的公司願景。由此像是致股東信、線上會議、發表會、技術報告會等內容是我長期趨勢投資者，最重要關注公司成長力道的底層依據。再根據這底層依據來觀察每季、每年的營運狀況，經營者有沒有符合並一步步達成願景，且經營數據有無在合理區間中。
由此，為了要了解Tesla為何是被我說是” 各領域發起破壞性創新的能源公司”的想法邏輯，要從Elon Musk對外公開的Tesla Master Plan的規劃中細挖。由此才能更加了解Elon Musk到底在想甚麼，及正在做甚麼，並推敲想要做甚麼。
科普知識
在開始進行介紹Master Plan內容前，有兩個物理知識需要先行建立概念，如圖0所示。左邊是科學記號，通常用來表示數字數量級過大時的簡示；右邊是產品運作時，所使用的能量單位(W)，及儲能系統(kWh)的儲存容量。
Elon Musk在經營Tesla時，所提出的偉大願景計畫，在此節錄每階段願景計畫的重點
Master Plan, Part 1 (Published: August 2, 2006)
1. 最初產品是高性能跑車(Tesla Roadster)，而長期規劃是製造各種車型。
2. Elon Musk資助Tesla Motors的最主要目的是，將使用碳氫化合物的化石能源經濟轉向太陽能的電力能源經濟，這是最主要、可持續的解決方案。
3. 為了實現”電力能源經濟”的目標關鍵是，設計生產一台電動車能打敗頂級汽油跑車。
4. 當所有新技術在優化普及前，都是非常高的單位成本，當時的電動車也是。因此，Tesla的戰略是針對高端市場進行發展，高端客戶願意對新奇/稀有/特別產品支付溢價。銷售數量增加後就能快速推動市場降價，以此提高每個車款的銷量和更低價格。
5. 為了與快速發展的科技公司保持一致，所有自由現金流都投入到研發中，以降低成本並儘快將後續產品推向市場。當有人購買Tesla Roadster 跑車時，他們實際上是在幫助支付低成本家用汽車的開發費用。
6. 可持續能源發展
(1. 生產不屬於危險品的鋰離子電池，並可安全回收。且當電池壽命到期時，出售給回收公司，讓電池材料可再進行循環。
(2. 潔淨能源的產出排放，人們可透過多種方式(如，水力、風能、地熱能、核能、太陽能)進行發電，這些方式都無二氧化碳(CO2)的排放。
(3. 道路上行駛的“混合動力” 汽車，只是帶有點電池輔助的汽油動力汽車，或小電池必須通過汽油發動機充電，可簡單視為效率稍高的汽油動力汽車。
(4. 碳氫燃料的二氧化碳(CO2)含量是眾所周知。天然氣含碳 14.4 g/MJ，石油含碳 19.9 g/MJ。將這些碳含量水平應用於車輛效率，包括作為參考的本田天然氣車(Honda CNG)和本田燃料電池車(Honda FCX)，毫無疑問的獲勝者是純電動車，如圖1。
(5. 在此舉例，
I. 美國新建發電廠最受歡迎的燃料是天然氣。計算通用電氣(GE) 的H-System天然氣發電效率43~60%[註1]。其運作模式，初始天然氣採集後回收(效率97.5%)，經處理並運送至發電廠(效率97.5%)，燃燒天然氣讓廢熱產生蒸汽為發電機提供動力(效率60%)，發電後再將電力由電網傳至家用插座(效率92%)的總效率為52.5% (97.5% x 97.5% x 60% x 92% = 52.5%)。
II. Tesla Roadster 的行駛耗能為0.4MJ/km(約為2.53km/MJ)，且全循環的充電效率86%，最終能源效率為1.14 km/MJ (2.53 km/MJ x 86% x 52.5%= 1.14 km/MJ)
III. 從源頭油井到終端汽車的能源效率為[汽油能量(34.3MJ/L) — 精煉和運輸損失(18.3%)] x 每升公里數。Toyota Prius能源效率0.56km/MJ、Toyota Camry能源效率0.28km/MJ
7. 積極推動能源發展
(1. Tesla將與其他公司的可持續能源產品和汽車共同營銷
(2. 將提供Solar City的太陽能板，可安裝在屋頂、車庫
8. 第一階段的總體規劃
(1. 打造跑車
(2. 用這筆錢建造一輛負擔得起的汽車
(3. 用這筆錢建造一輛更便宜的汽車
(4. 提供零排放的太陽能發電選項
Master Plan, Part 2 (Published: July 20, 2016)
1. Tesla如果沒有規模經濟，製造的任何東西都會很昂貴，無論是經濟型轎車還是跑車。有些人願意花高價購買一輛跑車，但沒有人願意花 10 萬美元購買大眾電動車款。
2. “沒有消費者願意負擔高價電動車”是為何在Tesla加速可持續能源的出現，以此來實現適應更大的願景。這對每個人都很重要，必須在某個時刻實現可持續的能源經濟，否則耗盡化石燃料，將導致文明崩潰。鑑於無論如何都必須擺脫化石燃料，且幾乎所有科學家都擔憂溫室氣體影響海平面水平，因此越快實現可持續能源越好。
3. 為了擺脫化石燃料，可採取措施
(1. 整合能源生成和存儲(Integrate Energy Generation and Storage)
I. 能源生成: 以SolarCity 的技術基底來提供高度差異化、集成、美觀的太陽能屋頂產品，使個人能夠作為自己的公用事業，並在在全世界範圍擴展。
II. 能源儲存: 已完成家用儲能產品(Powerwall)的擴展，此系統能與公共電網、太陽能屋頂結合成整套產能與儲能的系統。
III. 監控: 僅利用手機App即可進行實時監控與電能供給分配。
(2. 擴展主要形式的陸地交通(Expand to Cover the Major Forms of Terrestrial Transport)
I. Tesla專注於高端轎車(Model S)和SUV(Model X)的細分市場。但計劃通過 Model 3、未來的緊湊型 SUV(Model Y)和新型皮卡(Cybertruck)來滿足大部分消費市場的需求。
II. 對於加速實現未來可持續能源的主要目的，真正重要的是能夠盡快擴大產量。這就是為何工程部門已經轉變為”重點關注設計製造機器的機器”，將工廠本身變成產品。
III. 以汽車生產的第一性原理(First principle)分析，3.0版本的迭代在大約 2 年的周期內可以實現 5~10倍的改進。第一個 Model 3生產工廠的機器是 0.5 版本，1.0 版本可能會在 2018 年發布。
IV. 致力於消費車輛外，另外還需要重型卡車和高乘客密度的城市交通載具等，兩種類型的電動車，目前皆處於早期開發階段，預計將於明年(2017年)推出重型卡車。相信 Tesla Semi 將大幅降低貨物運輸成本，同時提高安全性並讓操作變得簡潔。
V. 隨著自動駕駛技術的出現，縮小公車的規模並將公車司機的角色轉變為車隊管理者的角色。通過充新設計公車內部配置，以增加乘客乘載量，藉此增加載程效率。
(3. 部署自動駕駛(Autonomous Vehicles)
I. Tesla汽車都將配備具有當故障發生的還可介入操作能力的完全自動駕駛硬件(Hardware)，這意味汽車中的任何系統都可能會損壞，而汽車仍可安全的操控駕駛。
II. 軟體的設計完善、驗證將比安裝攝像鏡頭、感測器(雷達、超聲波)、計算晶片的硬體部屬，所需更長的時間。最終軟體的高度完善，其成效會遠優於普通人類駕駛。在真正的自動駕駛獲得監管機構批准前，仍然存在很大的時間差距。
III. 預計全球監管部門的批准還需要約 60億英哩(100億公里)的哩程訓練。目前的Tesla車隊的自動駕駛學習速度，剛超過 300 萬英哩/天(500 萬公里/天)。
IV. 自動駕駛在使用得當下，已經比一般人類駕駛安全得多。根據2015 年 NHTSA發布報告，汽車死亡人數增加 8%，每 8900 萬英哩就有 1 人死亡。自動駕駛將會超過17.8百萬英哩就可能有 1 人死亡，且系統每天都在變得更好。
V. 禁用Tesla的自動駕駛是沒有意義的，就像禁用飛機上的自動駕駛一樣。因此，Tesla才將自動輔助駕駛系統稱為Autopilot。Autopilot測試版的每個版本在推送到客戶前都會經過廣泛的內部驗證。當 Autopilot 比美國車輛平均安全性大約 達到10 倍的水平，測試版標籤將被刪除。
(4. 共享(Sharing)
I. 當真正的自動駕駛獲得監管機構批准時，這將意味車主能從任何地方召喚Tesla。車主在自動駕駛的車上，就可以在前往目的地的途中睡覺、閱讀或做任何其他事情。
II. 通過Tesla App的設定，就能將自己的車輛添加到Tesla共享車隊中，讓車輛在空閒時也能產生收入，由此抵消/超過成本(貸款、租賃、稅負、停車費、充電費等)。極大的縮減擁有成本，使得幾乎任何人都可以擁有Tesla。
III. 由於大多數車主在每天使用車輛時間只有 5~10%，因此真正的自動駕駛車所帶起的經濟效益是非自動駕駛汽車的數倍，尤其叫車客戶在車輛供不應求的都會城市更是。
IV. Tesla將運營自己的車隊，確保無論您身在何處，都可以隨時從我們那裡叫車。
4. 第二階段的總體規劃
(1. 創建能源系統，整合儲能電池與發電太陽能屋頂
(2. 擴展電動汽車產品線，以滿足所有主要細分市場
(3. 建構比手動駕駛安全 10 倍的自動駕駛功能，並通過大規模車隊學習實際路況處理
(4. 讓車主的汽車在不使用時，為車主賺錢
Master Plan, Part 3 (Published: May 5, 2023)
此規劃提出假設，若全球經濟可實行全電動化生產，將要建置240TWh儲能量與每年使用30TW的再生能源電量，如此的規模需US$10兆美元的生產投資，與2022年相比僅需10%GDP，零碳排放的永續能源，如圖2–1。在此框架下，提出可達成全球可持續能源(Sustainably generated energy)經濟的路徑，如圖2–2。
從電力需求、電力供給、材料可行性使用與製造投資，以推動全球所有能源形式轉型，通過終端電氣化使用、可持續能源生成與儲存的方式達成。正視現況能源使用是相當浪費的，也相當傷害環境，因此計畫如何消除化石能源，並建構可持續能源經濟的模型以此分析，並判讀模型結果及估算需求。
由模型結果進行剖析與規畫投資需求、土地需求、材料需求等，從外圍現況推至核心細節。下述將介紹各章節內容要點。
現況的能源經濟是過於浪費的(The Current Energy Economy is Wasteful)
根據國際能源署(IEA)在2019年世界能源平衡報告，全球一次性能源供應量為165PWh/年，化石燃料(Fossil Fuels)供應總量為133.7 PWh/年，如圖3–1
1. 37% (61.7 PWh) 在能量生成與轉換過程產生耗損，這類耗損到終端使用者前就被消耗掉，如化石燃料行業在開採/精煉過程的消耗、發電過程中的能量轉換損失(橘區)。
2. 27% (44 PWh)當石化原料作用於工業、交通等方面產生能量伴隨的廢熱/廢能耗損，如燃油車內燃機(引擎)、天然氣爐發電、燒煤的火力發電、煉鋼/鐵等(綠區)。
3. 36% (59.5 PWh)實際可用能量替經濟提供效益(藍區)。
4. 若可持續能源(風能、太陽能、核能、水力、地熱、潮汐等)逐步完善發展，將可大幅降低廢熱的耗損，如圖3–2。
去除石化燃料的計畫(The Plan to Eliminate Fossil Fuels)
從圖3–1知曉目前能源耗損，主要來自工業運轉的上游損失(採礦、精煉、燃燒燃料發電等)與非電力最終用途相關的下游損失(引擎產生動能、家電運轉產生的熱能等)。為發展可持續能源經濟，計劃將近岸/離岸風能、太陽能、核能和水力視為可持續發電來源，並將生質能(Biomass)也加入。並提出6步驟展示，欲實現全面電氣化經濟和消除化石燃料使用所需的行動。
- 利用可持續能源為現有電網供電
(1. 電力需求是必須由可持續能源發電和存儲支持的基準。全球電力源的供應約65PWh/年，其中含化石燃料約46PWh/年，化石燃料轉為電能的效率低(26PWh/年)。如果公共電網改用可持續能源供電，則僅需要26PWh/年的可持續能源電力，就可支撐，如圖4–1。
2. 轉換成電動車
(1. 電動車的效率比內燃機汽車高約 4 倍，主要因為電動車的高動力效率總成、運轉動能可轉化為電能、優化平台設計等，如圖4–2。
(2. 舉例，Tesla Model 3能耗131 MPGe[註2]相比Toyota Corolla能耗34MPG(mile/Gallon)高約3.9倍(數值越高越佳)，若在考慮上游損失(如，挖礦、精煉燃料相關能耗)時，該比率會再拉大，如圖4–3。
(3. 根據統計Tesla車主每1.7天會充電一次，從60%電量(State of Charge, SOC)[註3]充電至90% SOC。若家庭和工作場所都有充電設施，電動車已有足夠的每日續航哩程，且適用可持續能源的使用，去除化石燃料的電能產生。
(4. 全球交通運輸行業的電氣化使用，每年消除 28 PWh 的化石燃料使用，以4 倍電動車效率係數來預估，每年可額外創造約 7 PWh 的電力。
3. 在居家、商業、工業上轉換成熱泵產品
(1. 熱泵(Heat Pump)技術應用環境相當廣泛，如許多工業生產過程、住宅和商業建築的空間供暖、熱水和洗衣烘乾機等等。
(2. 空氣源熱泵是最適合改造現有住宅燃氣爐的技術，其運作流程如圖5–1，根據 9.5 Btu/Wh 的季節性性能係數 (Heating Seasonal Performance Factor, HSPF)，典型能源效率等級中，每單位能耗可提供2.8 單位的熱量。
(3. 在傳統煤氣爐通過燃燒天然氣產生熱量，年燃料利用率 (Annual Fuel Utilization Efficiency , AFUE) 約為0.9單位的熱量。
(4. 相比兩者產品皆耗費1單位的能量下，熱泵產生2.8 單位熱量與煤氣爐產生0.9 單位熱量，產生熱量相差約 3 倍 (2.8/0.9)。
(5. 住宅和商業建築(Residential and Commercial Sectors):
I. 當天然氣轉為電氣化後，3倍的熱泵能量效率能減少能量需求，並將夏季、冬季的電力需求負載的時間變化進行條配，如圖5–2，在有效的需求時間供暖和供冷。
II. 全球住宅和商業設備的熱泵電氣化，可每年消除 18 PWh 的化石燃料，並產生 6 PWh 的額外電力。
(6. 工業(Industrial Sector)
I. 工業領域中的使用，加工過程的溫度約 ~200°C，如食品、造紙、紡織、木材工業，此溫度也可運用熱泵來提升效率。
II. 所有工業化石燃料的使用，不包括橡膠、潤滑劑等產品的生產過程都須加熱。根據 IEA 的數據，45%生產過程區間的工作溫度會< 200°C。當使用熱泵供電時，需要的輸入能量與傳統相比會減少 2.2 倍。
III. 通過熱泵實現<200°C 工業過程的熱能電氣化，可消除 12PWh/年 的化石燃料使用，並產生 5PWh/年的額外電力。
IV. 熱泵可在不同溫度區間運作，但發熱效率值(Coefficient of Performance, COP)有差異，且熱泵運作時會隨著溫度差增加，發熱效率下降，如圖5–3。
4. 電氣化高溫熱傳與製氫
(1. 將高溫工業流程電氣化，如圖5–4
I. 工業領域中，部分類別的生產過程需要高溫(>200°C)進行，如煉鋼鐵、化工、化肥、水泥等，這類工業過程佔化石燃料使用量的55%。這類高溫工業的加熱利用電阻、電弧爐、高溫爐(這三種方式有相似效率)進行加熱，並通過蓄熱裝置進行儲熱與熱緩衝。蓄熱裝置(熱存儲)做為工業領域高溫過程的熱能緩衝器，往返熱效率為 95%。
II. 用電力加熱介質、加熱元件產生輻射熱，並使用蓄熱裝置以儲存熱能，因此加速工業電氣化是很有價值。且已有許多材料(二氧化矽、氧化鋁、矽酸鋁質耐火材料、鋼等)都是可乘載>1500°C生產製造過程的熱載體。
III. 若工廠以工業電氣化的方向進行，可在太陽能裝機容量較高的地區，在中午進行充電並蓄熱及在夜間進行放電，以滿足連續 24/7 的工業熱需求。
IV. 全球工業領域在>200°C進行生產製造過程的能量，若改為電氣化生成則可產生18PWh/年，其中9 PWh/年可消除化石燃料所需的供應，另外9 PWh/年則是額外產生的電力。
(2. 為鋼鐵和化肥可持續生產氫氣
I. 現今工業的”氫氣”是由煤炭、石油和天然氣生產，並用化石燃料精煉(柴油)和各種工業應用(包括鋼鐵和化肥生產)。
II. 潔淨氫氣(Green Hydrogen)可通過水電解(高能量強度，氧化還原過程不含碳產品)或通過甲烷熱解(較低能量強度，產生可轉化為有用的碳基固體(炭黑副產品))來產生氫氣。
III. 保守估計潔淨氫氣的電力需求的假設是：未來化石燃料精煉將不再需要氫氣、全球所有氫氣生產都將來自電解、鋼鐵生產將轉為氧化還原工藝。
IV. 全球對氫氣的需求為 150 公噸/年，通過可持續能源進行電解獲取氫氣，估計需要消耗約 7.2PWh/年的能量。
V. 使用可持續能源生產潔淨氫氣，可減少 6 PWh/年的化石燃料能源使用和 2 PWh/年 的非能源使用。且化石燃料可被每年 7PWh /年的額外電力需求所取代。
5. 為飛機和船隻提供可持續燃料
(1. 在當今的電池能量密度下，短距離飛行可通過優化飛機設計實現電氣化；但長途飛行佔航空旅行能源消耗的 80%(全球每年需要 850億加侖的燃料消耗) [註4]，但可利用Fischer-Tropsch (FT)製程[註5]從可持續能源(電力)產生的合成多種液態烴燃料，用來提供動力，此方式已被證明合成噴氣燃料是可行途徑，其方式為電解產生氫氣、通過直接空氣捕獲捕獲二氧化碳、通過電解二氧化碳產生一氧化碳。
(2. 更高效、更具成本效益的合成燃料發電方法可能會出現，更高能量密度的電池將使長途飛機實現電氣化，從而減少對合成燃料的需求。
(3. 目前全球海運的化石燃料能量消耗3.2PWh/年。通過應用約1.5倍的電氣化效率優勢，將全球航運船隊電氣化後，能量消耗將降至2.1PWh/年。若將全球用於船舶和飛機的化石燃料，轉變為以可持續能源(電力)合成燃料，可消除 7PWh/年的化石燃料，並創造 7PWh/年的全球額外電力需求。
6. 打造可持續能源經濟
(1. 為了打造可持續能源經濟所產生的額外的電力，需要構建發電系統(太陽能電池板、風力渦輪機和電力儲能系統的組合。
(2. 在可持續能源經濟中，生產電池、太陽能板組、風力渦輪組供需要4PWh /年的能源支撐。
可循環經濟模型(Modeling the Fully Sustainable Energy Economy)
解析目前美國各項電力需求項目(電力運輸、工/商/住家熱泵使用、工業熱製程、電解氫氣、合成燃料、新產業、現存電力需求等)，如圖6–1。而若採用較廣泛的風力、太陽能的發電，且風能與太陽能呈現互補的情況，太陽能在白天能提供最佳的發電效能，而風能最佳效能則是在晚上。這類可持續能源發電可以滿足需求電力的20~40%的需求容量，如圖6–2。
為了提供全年可靠的電力，部署太陽能和風能設備在經濟上是最佳的，但過剩的部署設備，可能會在部分情況導致限電。如，當太陽能和(或)風力發電高於某個地區的電力需求、電能存儲已滿、無可用的傳輸能力將多餘的發電傳輸到其他地區。
為了使可持續能源能夠更恰當方式提供給消費者使用，需要調整能源的使用方式與時間，如圖6–3的東岸為例。使用太陽能(黃色)與風能(綠色)在發電過程中佔據較大份額，當產出能源大於電力需求(黑線)時，就會進行電池充電、電解氫氣儲存、熱電儲存等，當可持續能源低於電力需求時，則將儲存能量進行釋放(灰色、紅色、橘色)，以補足需求。
電解氫氣儲存通常在春季~夏季進行最佳，主要是日照時間較長(供暖和製冷季節結束)，使得太陽能和風力發電較高，對於可能會過剩的能源進行預削減，將其電解製成氫氣並儲存，提供跨季節儲氫能力，如圖6–4。
能源儲存技術評估(Energy Storage Technologies Evaluated)
Master Plan中預估，若朝向機械能、電化學、氫氣的能源進行儲存，在2030–2040年間需要投資的投資額區間，如圖7。
發電技術評估(Generation Technologies Evaluated)
Master Plan中預估，若朝可持續能源(太陽能、近/離岸風能、氫能、核能、地熱等)的發電方式推進，在2030–2040年間需要投資的投資額區間，如圖8。
美國的模型結果(Model Results)
以美國最佳的發電與儲能組合，來符合電力需求，如圖9。
滿足新電力需求的世界模型(World Model Results — Meeting New Electrification Demand)
將上述6個步驟應用於世界能源流中，將取代125PWh/年的化石燃料使用，並用66PWh/年的可持續發電來取代。另外，需要額外 4PWh/年的能源應用於新產業來製造所需的電池、太陽能電池板和風力渦輪機。滿足全球發電與儲能需求組合，是以美國資源組合擴大 6倍來計算的，如圖3–2。
用於運輸交通的電池(Batteries for Transportation)
1. 車輛
(1. 目前全球汽車總量為14億輛，乘用車年產量約為 8500 萬輛。 根據電池組尺寸估算，車隊將需要 112TWh 的電池，如圖10–1。 通過提高車輛利用率、自主化有可能減少全球車隊數量和所需的年產量，如圖10–2。
(2. 標準續航哩程車輛使用較低能量密度的磷酸鐵鋰/LFP，長程車輛則需要更高能量密度的三元鋰/High Ni。High Ni(高鎳)是指Tesla、供應商和研究團隊目前正在開發、生產的低鈷鎳錳陰極。
2. 船舶與飛機
(1. 對於船舶業，估算船舶需求能量為 2.1PWh/年，若船舶平均每年充電約 70 次，每次充電至 75% 的容量，則需要總量40TWh 的電池來為遠洋船隊提供電力。
(2. 對於航空業，若將15,000 架窄體飛機機隊的 20% 飛機，將其電氣化並使用 7MWh 電池組，需總量0.02TWh的電池。假設 33% 的機隊需要高密度的鎳錳基陰極(三元鋰電池)，67% 的機隊需要低能量密度的 LFP陰極(磷酸鐵鋰電池)。在保守估計的狀況，實際可能需要的電池更少，如圖10–3。
電氣化與用於運輸交通的電池，在世界模型結果World Model Results — Electrification & Transportation Batteries)
滿足全球電力需求的發電和存儲組合，應用於電網供電、電動車輛、熱泵運用、電氣化高溫熱傳、電解製氫氣、以可持續燃料作為機隊與船舶的能源，如圖11。
投資需求(Investment Required)
以2022年的基礎設施投資率而言，除初期資本支出外，將投資估算包括每年 5%及20 年期限的維護資本支出。根據上述假設，以化石燃料作為主要能源供給的支出預計需要 14兆美元；但以可持續能源為主要能源供給的支出預計需要 10兆美元，約下降30%的支出，如圖12–1。
生產過程的各類基礎設施若是對應到”再循環經濟流程”，其可拆分為原料開採、精煉、製造、使用、回收、廢棄物等流程，對於流程品項可再細拆分為各類原物料開採、原物料精煉、工廠設施建置、產品回收等，每年需求量及投資額，如圖12–2。
土地需求(Land Area Required)
根據美國勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)對美國實際項目的實際估算太陽能土地面積需求，評估指出2011~2019年安裝的太陽能發電系統的功率密度為2.8英畝/MWdc(轉換比MWdc x1.4= MWac，約3.9 英畝/MWac)。且全球18.3TW的太陽能電池板將需要大約7140萬英畝的土地，僅佔全球總土地面積368億英畝的0.19%，如圖13。
根據美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)研究估算風能土地面積需求，研究指出直接土地使用量為0.75 英畝/MW。全球 12.2TW 的風力渦輪機群預計需要 920 萬英畝，即總土地面積的 0.02%，如圖13。
材料需求(Materials Required)
1. 假設
(1. 太陽能電池板、風力渦輪機和電路管路所需的總材料是根據第三方材料強度假設計算的。
(2. 電池材料強度基於Tesla內部估計。
(3. 太陽能電池板、風力渦輪機的材料強度假設來自歐盟委員會報告。
(4. 太陽能電池是矽晶體為主的產品，風力渦輪不再使用稀土礦物。
(5. 根據 IEA 的 2050 年淨零排放研究，全球需要增加或重新鋪設約 6000 萬英哩的電路管路，以實現完全可持續能源的全球電氣化經濟。
(6. 根據上述假設，總共需要128.15億噸(4.44 億噸/年)來生產 30 TW的發電量、240TWh的電池存儲和 6,000 萬英哩的電路管路哩程。
2. 材料提取
(1. 使用根據公共行業報告編制的行業平均值的內部估計，每年材料質量流量(Annual Mass Flow)估計為 3.3億噸 (Gt)，如圖14–1。
(2. 如果用鋁(50%礦石品位[註6])取代銅(1% 礦石品位)，則總需求質量水平會減少，在許多可行案例中，如50%的鋰從100%礦石品位的鹽水(brine)中提取的。如果不是這種方式，則與鋰相關的質量流將增加0.8億噸 (Gt)。
(3. 根據《Circularity Gap Report 2023》得知，每年從地球中開採的原物料，若不包括生物質(Biomass)則有68億噸 (Gt)，其中化石燃料佔 15.5億噸 (Gt)。若以可持續能源經濟的方式，原物料開採量將減少至57.2億噸 (Gt)，大部分化石燃料開採量將被 3.3億噸 (Gt)可再生材料開採量所取代。
(4. 根據 IEA 的數據，假設與非能源最終用途(即塑料和其他化學品)相關的化石燃料開採仍在繼續，約佔化石燃料供應的 9%。
3. 材料可用性
(1. 石墨不論是天然(開採與精煉)或人造(石油焦中提取)的特性都能符合所需，且若石油資源的一小部分用於人造石墨生產，則未來石墨資源將不會成為限制。
(2. 相關金屬礦石的年度開採、選礦和精煉必須增長，以滿足可再生能源經濟的需求，其根本限制是人力資本、許可證、監管時間表。
(3. 下圖14–2為建置30TW、240TWh儲能量、6000萬英哩的電線管路的預估所需原料資源。
4. 回收
(1. 為了支撐回收計劃，需要在初期大幅增長初級原物料需求，以提高可持續能源經濟的製造能力，一旦製造設施得到提高，初級原物料需求將趨於平穩，如圖14–3、14–4。
(2. 當到 2040 年代時，隨著電池、太陽能電池板和風力渦輪機達到使用壽命。將有價值的材料進行回收，這將開始顯著減少初級材料的需求。這將使得採礦需求減少，但煉油需求還會維持一定的運作水平，如圖14–4。
第三階段的總體規劃是，運用上述提到的6步驟以消除化石燃料使用，將能源使用轉為可持續能源
1. 利用可持續能源為現有電網供電
2. 轉換成電動車
3. 在居家、商業、工業上轉換成熱泵產品
4. 電氣化高溫熱傳與製氫
5. 為飛機和船隻提供可持續燃料
6. 打造可持續能源經濟
從現階段(2023H2)審視Tesla的過去、現在與展望未來
看完Tesla的三個階段規劃面向，能明確了解到Elon Musk目標將”乾淨可持續能源取代化石能源”的主軸思想，從電動車的點(Part 1)開始，延伸到電動車規模生產、電動車產品線、自動駕駛、共享車輛、電池能量提升、儲能系統、可持續能源發電的線(Part 2)，再建構到儲能系統對電網供電、全面電動車、熱泵等品應用於各領域、電氣化熱傳與製氫氣、為船舶飛機提供可持續燃料的面(Part 3)，將擴及領域越放越大，如此的規劃幾乎已經涵蓋到生活的方方面面。如果Elon Musk在前兩部分都符合目標的推進，當第三部分的目標實現時，將可能將Tesla市值推至無人能及的巨大。
為了解Elon Musk從以前到現在所完成事蹟，由此以過去、現在的時間角度審視各階段規劃狀況，並以現況計畫推估未來的產業發展。
過去
為了實現”電力能源經濟”的目標，進行電動車與電池的研發設計。初期研發資源非常少的情況，與Toyota合作電池組與發動機的開發、與接受Daimler集團(Mercedes-Benz Group AG)的投資，並在2008年開始交付第一個車款Tesla Roadster，當時Tesla預期售價10萬美元，但實際成本達到12萬美元的情況，根據營運考量只接受預訂制及售價11萬美元。而Tesla Roadster電動跑車如Master Plan Part 1規劃的打開以新能源動力(電力)試圖打敗頂及汽油跑車的序章。
隨後，Tesla在2012年推出豪華轎車Model S(US$57,000~87,400)及2015年推出鷹翼門的休旅車 Model X(US$132,000~142,000)，展現著優異的性能表現，及樹立車輛稀缺性的高端的品牌形象。將這兩款車款的昂貴售價用以支付前期的研發投入，額外利潤作為公司第二階段車型(Model 3/Y)的研發費用。初期的經營策略非常明確地將產品做到極致，而非一味擴大產能的以量制價。
當大眾建立Tesla品牌形象後，但也因為車款的稀缺性，悄悄在大眾的意識中埋下擁有這車款的渴望。接著Tesla宣布往中階市場擴展的Model 3車款，與順利克服大規模量產的”生產地獄”難題，並在2017年開始交付Model 3(US$35,000~44,000)，並接著複製快速迭代的生產模式，在2020年開始交付中型休旅Model Y(US$47,000~60,000)。
不只一般乘用車的銷售，在2022年時也開始交付重型貨卡(Semi)。重型貨卡的公開數據雖不多，但與傳統燃油卡車的能耗、動力性能表現非常優異，燃油貨卡與其有非常大的差距。若後續公告Run On Less的卡車運輸業競賽的結果，將是非常重要的評比數據。
Tesla的車款性能表現與能耗表現，完全不會因為是哪種車款而打折扣，不論在主被動安全性、加速性能、能源效率、科技配備的應用等，整體水準比傳統燃油車更優異的表現。這也完全的反映出Model 3/Y大受歡迎的結果，也將Tesla的銷售量與成長推上新的水準，如圖15–1。
Tesla運用自身的電池儲能技術，向外延伸出儲能項目的應用，如家用的Powerwall、商用的Power pack、Mega pack。將傳統電網供電至終端使用的模式，額外增加出將電能進行儲存的方式，許多國家逐步部屬大型儲能系統，如英國、美國、澳洲等地。Tesla獲得多個當時全球最大的儲能設施建置的合約，這也是Tesla由此發展虛擬發電廠(Virtual Power Plant, VPP)的里程碑。在2015 年推出Tesla Energy，通過 Power wall和Power pack設施讓房主、企業主和公用事業公司能夠從可再生能源存儲中受益，並可簡單的由行動裝置進行實時管控。
為了讓能源系統不只是儲能，通過與SolarCity在各種太陽能屋頂合作，SolarCity使用Tesla電池組作為其太陽能項目一部分的案例。在2016年Tesla收購SolarCity，將能源系統進行整合。公用事業單位將太陽能板轉換的電能儲存在Mega pack中，並由電網將電力傳輸至每戶家庭使用、商用工廠/大樓設施、公用設施等，做到「削峰填谷」的電能分配，大幅減緩傳統能源的電網負載壓力。且Tesla家用系統也運用太陽能屋頂發電並儲存在Power wall中，對家用電器供電。若傳統電網突發斷電時，家用的Powerwall、商用的Power pack、Mega pack還可反向供電給自家用電或傳輸至需求區域進行供電，如圖4–1。
現在
從Tesla Master Plan規劃了解到Tesla致力於滿足車輛所有的細分市場，並在圖10–1中知悉未來還有可能出現初階車款、商用客車、公共運輸車款等。近日，著名傳記家弗朗茲·馮·霍爾茲豪森(Franz von Holzhausen)完成Elon Musk自傳時，也揭露Tesla初階車款(Compact/Model 2)和無人駕駛出租車(Robotaxi)的相關細節。這兩款車款都有強烈Cybertruck設計風格並以同一車體平台進行開發，但內部設計初始產生分歧，工程師趨向保留方向盤與踏板的更安全和傳統的選擇；首席設計師則趨向可拆卸踏板與方向盤的選擇；Elon Musk則堅決拿掉踏板、方向盤、後視鏡等，他認為這樣的做法才能強行推動未來的加速到來，因此必須是純粹的無人駕駛風格，並願意承擔任何風險，只有這樣Tesla才會全力以赴的推進無人駕駛，如圖15–2、15–3。
這也是我在總覽篇提到”比iPhone還要快的10倍速發展”，當Tesla將自動駕駛(Full Self-Driving system, FSD)直接提供給所有消費者且還是可負擔的平價車款，這會直接將讓還沒自動/輔助駕駛配備的車廠，直接被推到該產業的生長曲線極限點，且留給這些車廠轉型的時間不多了，短時間沒轉型或直接選擇跟Tesla合作的話，等待這些車廠就是業績雪崩式下跌，如圖15–4。說到與Tesla合作，最近在2023年7月的新聞中提及，Tesla釋出正在與某大車廠洽談授權全自動駕駛(FSD)，且Elon Musk也說” We’re not trying to keep this to ourselves.”，由此可推斷Tesla之後也很有可能將全自動駕駛(FSD)授權來賺取收益。
從現在來看，這兩款產品的推出將會挑戰現有平價車市場與出租車市場，再加上Elon Musk的目標在2030年要每年生產2000萬輛車(2022年總生產130萬輛)，也意謂接續的初階車款(Compact/Model 2)和無人駕駛出租車(Robotaxi)必須要有更高的生產效率，一旦取得成功將會完全顛覆現有傳統車廠、仍推行半自動輔助駕駛的車廠及衝擊Uber、Lyft等的出租車業者。
還有一點是，這些出租車(Robotaxi)將會是車主提供自家車輛，在閒置時間提供給出行需求者使用，這將對車主、Tesla、乘客帶來三贏的局面，也將更加大正向馬太效應。
為了加速全自動駕駛(FSD)版本12的盡快釋出，Tesla在2023Q2的財報告訴大眾，即便降低毛利率也要降價推動銷量，這樣的做法能夠讓更多車輛在道路上測試自動駕駛，一方面可以持續優化V11的人工撰寫的FSD代碼，也能將每台車輛的數據藉由影子模式來訓練並回傳至Tesla資料中心，利用Dojo來提供素材片訓練V12版本。在近期的Tesla官網中，也將FSD功能加上Autosteer on city streets，如圖15–5。這也表示目前FSD的版本已經有符合Master Plan Part 2所提及的” 建構比手動駕駛安全 10 倍的自動駕駛功能，並通過大規模車隊學習實際路況處理”，目前版本已經是有足夠信心、安全的提供給車主使用。實際使用FSD影片可參閱Youtuber上傳的內容。
在Master Plan Part 2中提到的” Tesla工程部門已經轉變為重點關注設計製造機器的機器”，這點讓我非好奇、期待觀察後續更多訊息的釋出。目前從官方釋出的影片中，Tesla AI Day中介紹Tesla Bot(Optimus)的設計細節，尤其是手部的關節、影像視覺，又或是Tesla Bot Update的物件抓取與行走，又或是TESLA Investor Day中，機器人拿取零部件來維修另個機器人等，讓我在猜想是否Tesla Bot(Optimus)後續將會用來工廠的產線裝配使用，且靈活的手部動作完全可仿造人類的生活日常動作，也非常可能投入家用或商用領域。
除了Tesla Bot(Optimus)，Giga Factory對於Tesla而言，也是個很有特色的機器產品，運用一區區的分段結構便於可持續擴建的工廠結構、持續調整產線規劃以增加效率、引入巨型壓鑄機(Giga Press)來將車身壓鑄成形以簡化組裝流程、將工廠使用太陽能發電與Mega pack儲能組件建構潔淨能源系統，讓這個大型機器可以更加有效率、節省成本的生產小機器(車輛、電池、動型卡車、Optimus(?))。
未來
Tesla對於未來的Master Plan是希望運用6個個步驟，來完全消除化石燃料的使用。像是利用可持續能源為現有電網供電、轉換成電動車、在居家、商業、工業上轉換成熱泵產品，都是已經有在進行的項目，但目前僅有電動車突破生長曲線的爆發點，其他項目仍在持續布局中。
Tesla為打造可持續能源經濟也正在持續布局中，不論是硬體設備的逐步建置中，軟體的部分也不馬虎，像是電池管理相關的電池管理平台(Battery Management System, BMS)、電池儲能係統(Battery Energy Storage System, BESS)，或是微電網管控的虛擬發電廠(Virtual Power Plant, VPP)，或是利用機器學習來即時預測與最佳化能源管理的Opticaster或將用戶餘電進行實時交易平台Autobidder。都是在為可持續能源經濟圈的努力。
而熱泵技術在Tesla車款上都有應用，且逐步將熱泵產品優化其架構，如圖15–6。目前也將整個生產轉向自動化，自動化生產可以省掉99%與7秒就可完成部分某一工站的組裝，如圖15–7。當新世代熱泵產品完成後，後續套用到家用、商用將會是非常快設計套用。
至於電氣化高溫熱傳與製氫、為飛機和船隻提供可持續燃料，目前仍無資料文獻可供參考，這部分仍會持續觀察其發展狀況。
Elon Musk在設定目標與完成目標是非常一致，且提到的內容都件件實現。在X(Twitter)看到Elon Musk的回應，讓我開始想未來Elon Musk可能將旗下所有公司資源都整合到一起，如圖15–8。像主軸的Tesla提供能源系統與交通運輸，及即將擴及到的家用/商用/工業領域、把Twitter打造成超級App「X」、SpaceX提供材料科學或超長程運輸技術等、Hyper Loop和Boring Company提供地下的快速交通運輸、X.AI提供AI演化法或機器學習或資料訓練或新技術探索等、Neuralink提供腦機介面的溝通或癱瘓病人運用神經訊號控制外部科技等。
當蒐集Tesla與Elon Musk的資料越多，越加認定他正在加速讓覺得科幻的未來科技實現，且每個規劃領域的面向都是大難題，但這些大難題的變革都是該領域的整個顛覆。使得自己蒐集資料時都還要理解背景知識，希望自己的有生之年可以看到Tesla的Master Plan都實現!!
備註
[註1] 通用電氣(GE) H-System的天然氣發電原理，將天然氣灌入渦輪中並燃燒，由此產生的熱能推動輪葉片進行發電，渦輪中的廢熱再去加熱管線的水，當水變成蒸氣後再去推動第二組的輪葉片進行發電，並將蒸氣水冷卻，為再循環而準備。為了比較不同能源方式的發電，下表1整理不同能源的發電效率、簡圖等。
[註2] 美國環保署(EPA)提出計算單位：MPGe，將電動車能耗轉為燃油車計算單位。 公式的每加侖汽油(3.8 公升)，能量約等於33.7kWh，搭配EPA 續航測試成績，綜合算出MPGe。
[註3] 電池電量狀態 (State of Charge, SOC)，如同電子裝置顯示的電量百分比。SOC公式為(當下可釋放電量 / 充電完後可釋放電量) x100%
[註4]為了解汽車燃油、航空燃油的差異，製作表2供參考。
[註5] Fischer-Tropsch (FT)製程是個化學製程，將一氧化碳與氫氣的混和氣體作為原料，並加入催化劑(鈷、鐵、釕、鎳)後觸發化學反應合成碳氫化合物(hydrocarbon)的過程。這些生成物(柴油、合成蠟、合成潤滑油、其他液體燃料等)作為石油替代品。根據Master Plan Part3提到以水電解或甲烷熱解的方式產生氫氣，再將氫氣用於FT製程產生燃料，此模式能將化石燃料的使用降低。這針對FT製程與石油製程的比較，如表3
[註6] 礦石品位(ore grade)是指自然礦石所包含的有用物質(有價值的礦物或金屬含量)相對於總質量的比例，以百分比形式表示。礦石品位是礦業和材料冶金領域的指標，會直接影響到資源的開採、加工、經濟性。高品位的礦石易開採和處理，但不一定皆可用；低品位的礦石需要複雜的加工過程，才能提取有價值的物質。
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參考文獻
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2. The Secret Tesla Motors Master Plan (just between you and me)，https://www.tesla.com/blog/secret-tesla-motors-master-plan-just-between-you-and-me
3. Master Plan, Part Deux，https://www.tesla.com/blog/master-plan-part-deux
4. Master Plan Part3，https://www.tesla.com/ns_videos/Tesla-Master-Plan-Part-3.pdf
5. How can you use natural gas to generate electricity?，https://www.quora.com/How-can-you-use-natural-gas-to-generate-electricity
6. 水力發電，https://www.zhihu.com/topic/19609110/intro
7. 風力發電，https://www.emsd.gov.hk/energyland/tc/energy/renewable/wind.html
8. 太陽能發電，https://reurl.cc/9REYa8
9. 核能發電，https://reurl.cc/5OlyQG
10. 燃油能量轉換效率，https://technews.tw/2022/09/29/ev-fuel-consumption/
11. 電池電量狀態SOC，https://acdelco.com.tw/posts/battery-soc-soh
12. 內燃發動機(冰)-這是什麼汽車？，https://tostpost.com/zh/cars/43463-the-internal-combustion-engine-ice---what-is-it-in-the-car.html
13. 星型引擎，https://en.wikipedia.org/wiki/Radial_engine
14. 航空發動機 — 燃氣輪機 — 活塞式內燃機，https://kknews.cc/military/4q26mbx.html
15. 《知識》飛機加的是什麼油？航空燃油的種類介紹，https://aerolife123.blogspot.com/2018/05/blog-post_25.html
16. 飛機的燃油真的是汽油，還是？，https://www.how01.com/post_lQMAkmGpYpwRQ.html
17. Fischer-Tropsch process，https://en.wikipedia.org/wiki/Fischer%E2%80%93Tropsch_process
18. 石油，https://en.wikipedia.org/wiki/Petroleum
19. 「全自動輔助駕駛」開放授權？分析：FSD 軟體可為Tesla帶來年營收200億，https://reurl.cc/L6bAmx
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