Energioverføring via elektrifisering – nøkkelen til netto null-utslipp

Elektrifisering er innsatsen for å overføre teknologier og prosesser som tidligere var avhengige av ikke-elektriske energikilder, som fossile brensler, til energikilder som drives av elektrisitet, ideelt sett generert av fornybare kilder som sol, vind og vannkraft. Den viktigste fordelen er reduserte utslipp av klimagasser (GHG).

Å nå målene om netto nullutslipp innen 2050 i energisektoren krever utnyttelse av alle tilgjengelige tiltak for å redusere utslipp av karbondioksid. Elektrifisering spiller en essensiell rolle fordi det er forventet å være det mest innflytelsesrike tiltaket for karbonreduksjon  i sektoren fra 2030 til 2050, og nest etter vind og solcelleanlegg (PV) fra 2022 til 2030. Det vil også være nødvendig for å opprettholde Parisavtalens 1,5 °C terskel før slutten av det 21. århundre.

De fleste utslippsreduksjonene drevet av elektrifisering kommer fra å skifte avhengighet fra fossile brensler til fornybare energikilder - og de fleste av disse tiltakene leveres av teknologier som er tilgjengelige og skalerbare i dag.

For å oppnå karbonnøytralitet må alle industrisektorer igangsette ulike tiltak, som effektivitetsforbedringer, karbonfangst- og lagring (CCS) og overgang til hydrogen som drivstoff.

For å nå de globale og regionale målene om karbonnøytralitet må klimagassutslippene reduseres i transport-, oppvarmings- og industrisektorene, der fossilt brensel brukes i dag. Tiltak for karbonreduksjon vil ikke være enkelt eller billig. I de følgende avsnittene belyses bransjespesifikke muligheter for energiomlegging.

De nøyaktige prosentandelene varierer fra region til region, men transportsektoren er gjennomgående en av de største bidragsyterne til klimagassutslippene på grunn av den utstrakte bruken av fossilt drivstoff. Selv om elektrifiseringen øker innen lette elektriske kjøretøy, står den for mindre enn én prosent av sektorens totale energibruk, noe som understreker at det er rom for vekst innen lette, mellomtunge og tunge kjøretøy.

Kina, Europa og USA har de største markedene for kjøretøy og elbiler i dag, og Kina har det høyeste elbilsalget av alle land på grunn av sterke statlige retningslinjer og insentiver, og mangel på innenlandske oljetilførsler.

Elbiler har flere negative markedseksternaliteter, der de viktigste er barrierer som følge av begrenset ladeinfrastruktur og høye startkostnader, der sistnevnte først og fremst skyldes batterikostnadene. Etter hvert som antallet elbiler øker, kan de også legge press på de lokale strømnettene ved å øke strømforbruket betraktelig, men dette kan til en viss grad avhjelpes ved å utvide nettkapasiteten strategisk ved hjelp av lokal strømproduksjon med mikronettverk med solceller på enkelte steder.

Tunge kjøretøy støter på ytterligere hindringer. For eksempel byr lastebilenes høye nyttelastkrav på utfordringer når det gjelder design av elbiler på grunn av batterienes tunge vekt. I tillegg må langtransportselskaper ofte tilbakelegge hundrevis eller tusenvis av kilometer per dag, noe som kanskje ikke er mulig med tanke på behovet for hyppig og omfattende lading ved hjelp av begrenset plug-in-infrastruktur. Uten innovasjoner som kan redusere ladetiden og forbedre batterienes energi/vekt-forhold, vil disse problemene begrense muligheten for at tunge elbiler kan erstatte de fleste eksisterende flåtene av fossildrevne lastebiler. De totale eierkostnadene spiller også en rolle, og selv om elektriske lastebiler koster mindre i drift, kan den høye startinvesteringen som kreves, være en barriere for transportører.

Elektrifisering er uaktuelt for flyindustrien på grunn av den enorme vekten det ville kreve for å få nok batterier til å drive flyene over en produktiv distanse. I stedet ser bransjen på bærekraftig biodrivstoff og driftsoptimalisering for å redusere utslippene.

Bygninger bruker allerede strøm til kjøling/oppvarming, belysning og datautstyr, men det finnes muligheter innen oppvarmingssystemer, som i mange tilfeller drives av propan, naturgass eller diesel.

Elektriske varmepumper har i flere tiår blitt brukt til effektiv oppvarming og kjøling av boliger i moderate klimaer, men de sliter med å fungere effektivt i minusgrader. Nyere innovasjoner - som inverterdrevet kompressorteknologi med variabel hastighet - gjør det imidlertid mulig å få systemet til å fungere i klimaer godt under -12 °C (10,4 °F).

Selv om effektiviteten til bergvarmepumper er veldig bra, kan høye kostnader ved konvertering av naturgassanlegg være en barriere. Nybygg er ofte den beste muligheten til å elektrifisere på dette området, fordi det sannsynligvis allerede er gjort store forhåndsinvesteringer. I tillegg kan besparelser i driftsutgifter over tid, sammen med et redusert karbonavtrykk, ofte rettferdiggjøre ytterligere utgifter i slike situasjoner.

Samlet sett er elektrifisering av bygninger ved hjelp av varmepumpeteknologi, kombinert med renere elektrisitetsproduksjon, en viktig vei mot å nå klimamålene.

Industrien har et stort sett urealisert potensial for elektrifisering av mange anlegg, noe som kan redusere avhengigheten av fossilt brensel i kombinasjon med netto nullenergi. Den største muligheten for elektrifisering ligger i lavtemperatur varmeprosesser, som tørking av mat, drikkevareproduksjon, papirforedling og lett produksjon. Dette omfatter prosesser som genererer varme opp til ca. 400 °C (752 °F).

Drikkevaremarkedet kan elektrifisere prosesser som tidligere ble drevet av naturgass og fyringsolje. Produksjonsprosesser som tidligere var avhengige av fossilt brensel for å varme opp vann og damp, kan bruke spesialisert utstyr, inkludert mekaniske fordampere med dampkompresjon, damptørkere og elektriske kjeler. Eksperter anslår at mer enn 50 prosent av alt fossilt brensel som produsentene bruker til å drive prosessene sine, kan erstattes med elektrisitet, noe som vil bidra til energiomstillingen.

Tempoet i elektrifiseringen av industriprosesser som krever høy varme, 1 000 °C (1,832 °F) og høyere, avhenger av utviklingen av ny elektrisk teknologi som potensielt kan erstatte utstyr med lang levetid i bransjer som stål- og sementproduksjon. For eksempel utvikles det elektriske lysbueovner som kan erstatte tradisjonelle masovner, med betydelig lavere utslipp.

Industrisektoren som helhet slipper ut klimagasser gjennom flere komplekse utslippsveier. Dette omfatter indirekte utslipp - via elektrisitet fra fossilt brensel - og direkte utslipp, gjennom forbrenning av fossilt brensel og kraftproduksjon på stedet, i tillegg til biprodukter og lekkasje av klimagasser fra prosessene. Elektrifisering kan redusere utslippene fra alle disse kildene, selv om start- og driftskostnadene ofte er høyere.

Enhver diskusjon om elektrifisering må inkludere batterier og batteriteknologi. Batterier er en viktig komponent i energiomstillingen, særlig når det gjelder elektrifisert mobil transport og lagring i nettskala som kan jevne ut tilførselen av intermitterende kraftkilder, inkludert solceller og vind. Batterier kan også muliggjøre mobil strømproduksjon for enheter og systemer, som erstatning for små generatorer og statiske anlegg og mobilt utstyr.

Det finnes en rekke nye batteridesign og nylige fremskritt innen materialvitenskap som muliggjør bedre batterikjemi og -effektivitet. Litium-ion-batterier er generelt foretrukket på grunn av sin høye energieffektivitet og lange sykluslevetid sammenlignet med andre materialer. Disse batteriene har hatt stordriftsfordeler, og de er for tiden den primære batteriteknologien for lagring i nettskala.

Et batteri består av en anode, en katode, en separator, en elektrolytt og to strømsamlere - en positiv og en negativ. Anoden og katoden lagrer litiumet, mens elektrolytten transporterer positivt ladede litiumioner fra anoden til katoden, og omvendt, gjennom separatoren. Litiumionenes bevegelse skaper frie elektroner i anoden, noe som fører til en ladning i den positive strømkollektoren. Den elektriske strømmen flyter deretter fra strømkollektoren gjennom enheten som får strøm, til den negative strømkollektoren. Separatoren blokkerer strømmen av elektroner inne i batteriet, mens litiumionene slipper gjennom.

Den viktigste fordelen for både elbilbatterier og batterier i nettskala er at de kan ta imot, lagre og frigjøre strøm etter behov, på samme måte som vannkraft med pumpelagring.

Utnyttelsen av fordelene med batterier for elektrifisering skaper nye utfordringer knyttet til råmaterialene som trengs for batteriproduksjon. Ansvarlig utvinning av mineraler til bruk i batterier er et viktig tema på den globale bærekraftsagendaen, og derfor bør utvinningen av disse materialene gjøres i samarbeid med en pålitelig partner for batteriløsninger.

I likhet med de fleste batterier består elbilbatterier hovedsakelig av energiovergangsmineraler (ETM-er), også kalt «kritiske mineraler». I dag er de fleste elbilbatterier litium-ion-batterier, som inneholder varierende mengder ETM-er, blant annet litium, kobolt, nikkel og grafitt. Mange av disse materialene kan gjenbrukes og resirkuleres i den sirkulære økonomien, i motsetning til bensinbiler, som er avhengige av kontinuerlig utvinning og forbrenning av fossilt drivstoff. Det finnes også andre sjeldne jordartsmetaller som kreves i elmotorer til elbiler og i permanentmagneter i vindturbiner, for eksempel kobber.

Bærekraftige leverandørkjeder må kontinuerlig forbedre sporbarheten til disse materialene. Batteriprodusenter kan dra nytte av den dype ekspertisen til selskaper som Endress+Hauser for å støtte revisjons- og sertifiseringsinitiativer.

Tilstrekkelig informasjon og transparente sammenligninger av kostnader, teknologisk levedyktighet og miljøkonsekvenser er avgjørende for å kunne ta elektrifiseringsbeslutninger, men disse elementene er altfor ofte ufullstendige eller mangler. I mange bransjer er kundene rett og slett ikke klar over eller til og med feilinformert om disse konsekvensene, sammen med tilgjengeligheten av statsstøttede insentiver, når de skal velge mellom konvensjonelle og elektrifiserte løsninger.

Heldigvis blir elektrifisering og andre lavkarbonteknologier stadig mer utbredt og billigere i både industri- og forbrukermarkedet, og det er fremskritt og stordriftsfordeler som bidrar til å drive denne trenden. For å nå netto nullutslippsmål må selskaper og myndigheter fortsette å avgi og stå bak bærekraftsløfter, og utnytte elektrifisering og andre metoder for å redusere karbondioksidutslippene i transport-, oppvarmings- og industrisektoren.