Energitransition via elektrificering – en hovedkomponent til en nettonul-verden

Elektrificering er indsatsen forbundet med overgang fra teknologier og processer, som tidligere var afhængig af ikke-elektriske energikilder såsom fossile brændstoffer til teknologier og processer, der drives af genanvendelige kilder som sol, vind og hydro. Den største fordel er reduceret drivhusgasemissioner (GHG).

Opfyldelse af nettonulemissionsmål i 2050 indenfor energisektoren kræver udnyttelse af alle tilgængelige metoder til reducering af kuldioxidemissioner. Elektrificering spiller en vigtig rolle, da det estimeres til at være den mest betydningsfulde kulstofsreduktions-afbødningsmetode i sektoren fra 2030 til 2050, kun overgået af vind og fotovoltaisk (PV) sol fra 2022 til 2030. Det vil ligeledes være nødvendigt at bevare Parisklimaaftalens tærskel på 1,5°C før udgangen af det 21^. århundrede.

De fleste elektrificeringsdrevne reduktioner stammer fra skiftende afhængighed af fossile brændstoffer til genanvendelige energikilder - og de fleste af disse metoder leveres af teknologier, som er tilgængelige og skalerbare i dag.

For at opnå kulstofneutralitet skal alle industrielle sektorer parallelt udforske flere forskellige metoder inklusive effektivitetsforbedringer, kulstoffangst og lagring (CCS) og brændstofskift til hydrogen.

Opnåelse af de globalt målrettede og regionalt styrede nettonulmål kræver GHG-emissionsreduktion i transport-, opvarmnings- og den industrielle sektor, hvor fossile brændstoffer på nuværende tidspunkt anvendes, og disse kulstofreduktions-indsatser vil være svære og omkostfulde. De følgende afsnit fremhæver de industrispecifikke muligheder for energitransition.

De præcise procenter varierer fra region til region, men transport udgør en konstant placering som en stor bidragyder til GHG-emissioner på grund af sektorens brede forbrug af fossile brændstoffer. Mens elektrificering er stigende i lette elektriske køretøjer, dækker det over mindre end en procent af sektorens globale energiforbrug, hvilket fremhæver potentialet for vækst af lette, mellem og tunge køretøjer.

Kina, Europa og USA står på de største køretøjs- og EV-markeder (elkøretøj) i dag, mens Kina genererer de største EV-salg af alle nationer takket være effektive statslige politikker og incitamenter samt en mangel på indlandsolieforsyninger.

EV'er har flere negative markedseksternaliteter, hvoraf de vigtigste er barrierer som følge af begrænset opladningsinfrastruktur og høje startomkostninger, hvor den sidste primært er forbundet med batteriomkostninger. Som antallet af elektriske køretøjer stiger, kan de også belaste lokale elnet ved at øge mængden af krævet elektricitet, men dette kan i nogen grad afhjælpes af strategisk udvidet elnetkapacitet gennem lokal strømgenerering med solcellemodul-mikronet i særlige områder.

Tunge køretøjer møder yderligere forhindringer. Lastbilers høje nyttelastkrav stiller som eksempel udfordringer på grund af batterierne tunge vægt. Derudover skal langdistancetransportbærere ofte dække tusindvis af kilometer per daf, som muligvis ikke kan lade sig gøre på grund af behovet for hyppig og omfattende genopladning ved anvendelse af begrænset plugin-infrastruktur. Uden innovationer til reducering af opladningstid og forbedring af batterienergi-til vægt-ratioer, begrænser disse udfordringer muligheden for, at tunge EV'er kan erstatte de fleste eksisterende flåder af fossile brændstoflastbiler. Totalomkostninger spiller også en rolle, og mens elektriske lastbiler koster mindre at betjene, kan den nødvendige høje startinvestering være en forhindring for transportører.

Elektrificering er ganske enkelt ikke del af luftfartsindustriens overvejelser på grund af den enorme vægt, der ville kræves for at have et tilstrækkeligt antal batterier til at frembringe fremdrift over produktive afstande. Industrien undersøger i stedet bæredygtig luftfartsbiobrændstof- og driftsoptimering for at begrænse emissioner.

Bygninger anvender allerede elektricitet til rumkøling, køleskabskøling, belysning og computerudstyr, men der er områder med muligheder i rum- og vandopvarmningssystemer, hvoraf mange drives af propan, naturgas eller diesel.

Elektriske varmepumper er blevet anvendt i årtier til effektiv opvarmning og køling af hjem i moderate klimaer, men de har vanskeligt ved at fungere effektivt i frostgrader. Nye innovationer - såsom variabel hastigheds inverter-drevne kompressorteknologi- muliggør systemydelse i klimaer langt under -12°C (10,4°F).

Selvom grundkildevarmepumpeeffektivitet er uden sidestykke, kan større kapitalomkostninger forbundet med konvertering til naturgasenheder, udgøre en barriere. Ny konstruktion er ofte den bedste mulighed på dette område, da der højst sandsynligt allerede er høje startomkostninger. Derudover kan driftsudgiftsbesparelser, i kombination med et reduceret kulstofaftryk, ofte retfærdiggøre yderligere anlægsudgifter i disse situationer.

Overordnet er elektrificering i bygninger, der anvender varmepumpeteknologi, kombineret med renere elektricitetsgenerering, en vigtig metode til opnåelse af klimamålene.

Der er et stort ikke-realiseret potentiale for industrien til elektrificering af mange aktiver, hvilket mindsker afhængigheden af fossile brændstoffer, når det kombineres med nettonulenergi. Den største elektrificeringsmulighed er lavtemperaturopvarmningsprocesser såsom fødevaretørring, drikkevareproduktion, papirbehandling og let fremstilling. Dette omfatter processer, der kræves til generering af opvarmning op til cirka 400°C (752 °F).

Drikkevaremarkeder kan elektrificere tidligere naturgas- og brændstofoliedrevne processer. Fremstillingsprocesser, som var afhængige af fossile brændstoffer til opvarmning af vand og damp, kan anvende specialudstyr inklusive mekaniske dampkomprimeringsfordampere, damptørrere og elektriske varmtvandsbeholdere. Eksperter estimerer, at mere end 50 procent af alle fossile brændstoffer, der forbruges af producenter til at drive processer, kan erstattes af elektricitet, hvilket hjælper i forbindelse med energitransitionen.

Hastigheden af elektrificering til industrielle processer, som kræver høj varme, 1.000°C (1,832°F) og højere, afhænger af udviklingen af nye elektriske teknologier, der potentielt kan udskifte udstyr med omfattende livscyklusser i industrier såsom stål og cementproduktion. Elektriske lysbueovne udvikles for eksempel med evnen til at erstatte traditionelle højovne, der udleder betydeligt færre emissioner.

Den samlede industrielle sektor udleder GHG'er gennem flere komplekse metoder. Dette inkluderer indirekte- via fossilafledt elektricitet - og direkte emissioner, via fossil brændstofforbrænding på stedet og strømgenerering i kombination med GHG-procesbiprodukter og lækage. Elektrificering kan reducere emissioner fra alle disse kilder, selvom start- og driftsomkostninger ofte er større.

Enhver diskussion vedrørende elektrificering bør omfatte batterier og batteriteknologi. Batterier er en afgørende komponent i energitransitionen særligt i forhold til elektrificeret mobiltransport og grid scale-lagring, som kan udjævne forsyningen af intermitterende strømkilder inklusive solcellemoduler og vind. Batterier kan også gøre mobilstrømgenerering til enheder og systemer mulig og erstatte små generatorer og statiske anlægs- og mobiludstyr.

Der findes mange nye batteridesign og nye fremskridt indenfor materialevidenskab, som muliggør bedre batterikemi og effektivitet. Lithium-ion-batterier foretrækkes generelt på grund af deres høje energieffektivitet og lange cyklusliv sammenlignet med andre materialer. Disse batterier har i stor stil haft en fordel fra økonomien, og de er på nuværende tidspunkt den primære batteriteknologi til grid scale-lagring.

Et batteri består af en anode, katode, separator, elektrolyt og to strømkollektorer - positiv og negativ. Anoden og katoden lagrer litiummet, mens elektrolytten fører positiv ladede lithium-ioner fra anoden til katoden og vice versa via separatoren. Bevægelsen af lithium-ionerne skaber frie elektroner i anoden, som forårsager en ladning ved den positive strømkollektor. Den elektriske strøm løber derefter fra strømkollektoren gennem enheden og drives af den negative strømkollektor. Separatoren blokerer flowet af elektroner i batteriet, mens lithium-ioner tillades gennemstrømning.

Den primære fordel for både EV og grid scale-batterier er evnen til at acceptere, lagre og frigive elektricitet efter behov, tilsvarende pumpet lagerhydro.

Udnyttelse af fordelene ved batterier til elektrificering skaber nye udfordringer forbundet med de nødvendige råmaterialer til batteriproduktion. Ansvarlig batterimineralopsøgning er et stort punkt på den globale bæredygtighedsagenda, og ekstraktion af disse materialer bør derfor løses med en pålidelig batteriløsningspartner. 

Ligesom de fleste batterier består EV-batterier primært af energitransitionsmineraler (ETM'er), der nogle gange betegnes “kritiske mineraler.” På nuværende tidspunkt er de fleste EV-batterier lithium-ion, der indeholder store mængder ETM'er inklusive lithium, kobolt, nikkel og granit. Mange af disse materialer kan genanvendes og genbruges i den cirkulære økonomi modsat benzinkøretøjer, som er afhængige af den kontinuerlige ekstraktion og forbrænding af fossile brændstoffer. Der kræves andre sjældne elementer i EV elektriske motorer og i permanente magneter til vindturbiner såsom kobber.

Bæredygtige forsyningskæder skal kontinuerligt forbedre sporbarheden af disse materialer. Batteriproducenter kan udnytte den store ekspertise fra virksomheder såsom Endress+Hauser til at understøtte instrumenteringsauditering og certificeringsinitiativer.

Tilstrækkelig information og gennemsigtige sammenligninger vedrørende omkostninger, teknologisk levedygtighed og miljømæssige påvirkninger er afgørende i forbindelse med elektrificeringsbeslutninger, men disse elementer er alt for ofte ukomplette eller manglende. I mange industrier er kunderne ganske enkelt ikke oplyste om eller endda misinformeret om disse implikationer, sammen med tilgængeligheden af statslig sponsorerede incitamenter, ved valg mellem konventionelle og elektrificerede løsninger.

Heldigvis bliver elektrificering og andre lavkulstofteknologier i stigende grad mere udbredte og mindre omkostningsfulde både på det industrielle og forbrugermarkedet, og forbedringer og økonomier driver i stor grad denne trend. For at opnå nettonulmål skal virksomheder og regeringer fortsat indgå og støtte bæredygtige løfter, udnytte elektrificering og andre metoder til reducering af kuldioxidemissioner indenfor transport-, opvarmnings- og den industrielle sektor.