Energiomställning genom elektrifiering – nyckeln till en värld med nettonollutsläpp

Elektrifieringen är en ansats att övergå från tekniker och processer som en gång i tiden var beroende av icke-elektriska energikällor, såsom fossila bränslen, till sådana som drivs på el, föredragsvis genererad av förnybara källor som sol-, vind och vattenkraft. Den främsta fördelen är minskade växthusgasutsläpp.

Om vi ska uppnå målen om nettonollutsläpp inom industrin år 2050 krävs det att vi vidtar alla möjliga åtgärder för att reducera koldioxidutsläppen. Elektrifieringen spelar en viktig roll eftersom den spås vara den mest avgörande åtgärden för att kunna reducera koldioxidutsläppen inom industrin mellan 2030 och 2050, och den näst mest avgörande efter vindkraft och solenergi mellan 2022 och 2030. Den kommer också att vara nödvändig för att upprätthålla målet i Parisavtalet på att begränsa den globala uppvärmningen till 1,5 °C innan 2000-talet tarslut.

De flesta elektrifieringsdrivna utsläppsreduceringarna kommer från att beroendet av fossila bränslen skiftar till förnybara energikällor – och de flesta av dessa åtgärder tillhandahålls av teknik som är tillgänglig och skalbar idag.

För att bli koldioxidneutrala måste alla industrisegment utforska flera vägar parallellt, inklusive effektiviseringar, infångning och lagring av koldioxid (CCS) och en övergång till vätgas.

För att nå globalt riktade och regionalt pålagda nettonollmål kommer det att krävas en reducering av växthusgasutsläppen inom transport-, värme- och industrisektorerna där fossila bränslen används idag, och dessa ansträngningar för att reducera koldioxidutsläppen kommer varken att vara lätta eller billiga. Följande avsnitt går igenom industrispecifika möjligheter till energiomställning.

Den exakta procentandelen varierar beroende på region, men transportsektorn rankas återkommande som en stor bov vad gäller växthusgasutsläpp på grund av dess utbredda användning av fossila bränslen. Trots att elektrifieringen ökar i lätta elfordon, står den för mindre än en procent av sektorns totala energianvändning, vilket belyser utrymmet för tillväxt för lätta, medelstora och tunga fordon.

Kina, Europa och USA har de största marknaderna för fossila fordon och elfordon idag, där Kina säljer flest elfordon av alla länder tack vare en stark regeringspolitik och incitament, samt en brist på egna oljetillgångar.

Elfordon har flera negativa externa effekter. De främsta är hinder som skapas på grund av begränsad laddningsinfrastruktur och höga initiala kostnader, av vilka de senare främst kan hänföras till batterikostnader. I takt med att antalet elfordon ökar kan de också belasta de lokala elnäten genom att avsevärt öka efterfrågan på el. Detta kan dock hanteras genom att strategiskt utöka nätkapaciteten med lokal energiproduktion via solcellsbaserade mikronät på vissa platser.

Tunga fordon möter ytterligare hinder. Till exempel innebär lastbilars höga krav på nyttolast utmaningar vid utformningen av elfordonet på grund av batteriernas höga vikt. Dessutom måste transportföretag som ägnar sig åt långdistanstransporter ofta tillryggalägga hundratals eller tusentals kilometer per dag, vilket kanske inte är förenligt med behovet av frekvent och omfattande laddning med begränsad laddningsinfrastruktur. Om vi inte får fram innovationer som förkortar laddningstiderna och förbättrar förhållandet mellan batteriets energikapacitet och vikt kommer dessa problem att begränsa möjligheten att ersätta de flesta av de befintliga fossildrivna lastbilsflottorna idag med ellastbilar. Den totala ägandekostnaden spelar också in, och trots att ellastbilar är billigare i drift, kan den höga initiala kostnaden utgöra ett hinder för transportföretagen.

Elektrifiering är utesluten för flygindustrin på grund av tyngden av det antal batterier som krävs för att driva flygplanet över produktiva avstånd. Istället undersöker industrin hållbara biobränslen och verksamhetsoptimering för att hålla utsläppen på en godtagbar nivå.

Byggnader använder redan elektricitet för luftkonditionering, kylning, belysning och datorutrustning, men det finns möjligheter inom uppvärmningssystem för utrymmen och vatten, av vilka många drivs av propan, naturgas eller diesel.

Elektriska värmepumpar har i decennier använts för att effektivt värma och kyla ner hem i jämnare klimat, men de kan inte drivas särskilt effektivt i minusgrader. Nya innovationer – som växelriktardriven kompressorteknik med variabel hastighet – möjliggör dock systemprestanda i klimat långt under -12 °C (10,4 °F).

Även om markvärmepumpens effektivitet är oöverträffad, kan högre kapitalkostnader för att konvertera naturgasenheter vara ett hinder. Nybyggnation är ofta den bästa möjligheten att elektrifiera på detta område eftersom det förmodligen redan görs stora investeringar. Dessutom kan besparingar av operativa utgifter över tid, tillsammans med ett minskat koldioxidavtryck, ofta motivera ytterligare investeringar i dessa fall.

Överlag är elektrifieringen av byggnader med värmepumpsteknik, i kombination med renare elproduktion, ett viktigt steg för att kunna nå klimatmålen.

Det finns en stor outnyttjad potential att elektrifiera flera områden inom industrin och minska beroendet av fossila bränslen genom att tillämpa energislag med nettonollutsläpp. Den största möjligheten till elektrifiering finns i lågtempererade uppvärmningsprocesser, såsom torkning av livsmedel, dryckesproduktion, papperstillverkning och lättare tillverkning. Detta inkluderar obligatoriska processer för att generera värme upp till ca 400 °C (752 °F).

Dryckesmarknaden kan elektrifiera processer som tidigare drevs av naturgas och olja. Tillverkningsprocesser som mekaniska ångrekompressionsförångare, ångtorkar och elpannor. Experter beräknar att mer än 50 % av de fossila bränslen som förbrukas av tillverkare för att driva olika processer skulle kunna ersättas av elektricitet och därmed bidra till energiomställningen.

Elektrifieringstakten för industriella processer som kräver hög värme, 1 000 °C (1 832 °F) eller mer, är beroende av utvecklingen av ny elteknik för att potentiellt kunna ersätta utrustning med långa livscykler i industrier som stål- och cementproduktion. Till exempel utvecklas ljusbågsugnar som har förmågan att ersätta traditionella masugnar och har betydligt lägre utsläpp.

Industrin i stort släpper ut växthusgaser på flera komplexa nivåer. Detta inkluderar indirekta utsläpp – el härledd från fossila bränslen – och direkta utsläpp, genom förbränning av fossila bränslen på plats och resulterande kraftgenerering, utöver biprodukter från växthusgasprocessen och läckage. Elektrifieringen kan reducera utsläppen från alla dessa källor, men de initiala kostnaderna och driftkostnaderna är ofta högre.

Alla diskussioner om elektrifiering måste inkludera batterier och batteriteknik. Batterier är en avgörande del av energiomställningen, särskilt vad gäller elmobilitet och energilagring i större skala som kan jämna ut tillgången på intermittenta energikällor, inklusive solenergi och vindkraft. Batterier kan även möjliggöra mobil energiproduktion för enheter och system, och därmed ersätta mindre generatorer och statisk anläggningsutrustning och mobil utrustning.

Det finns en mängd olika batteriutföranden och nya framsteg inom materialvetenskap som gör det möjligt att uppnå bättre batterikemi och effektivitet. Generellt sett föredras litiumjonbatterier tack vare deras höga energieffektivitet och långa livscykel jämfört med andra material. Dessa batterier har gynnats av sin skalbarhet och är för närvarande den primära batteritekniken för lagring i större skala.

Ett batteri består av en anod, en katod, en separator, en elektrolyt och två uppsamlingselektroder – en positiv och en negativ. Anoden och katoden lagrar litium medan elektrolyten för över positiva litiumjoner från anoden till katoden, och vice versa, genom separatorn. Förflyttningen av litiumjoner skapar fria elektroner i anoden, vilket genererar en laddning vid den positiva uppsamlingselektroden. Den elektriska strömmen flödar sedan från uppsamlingselektroden, genom den enhet som drivs, till den negativa uppsamlingselektroden. Separatorn blockerar flödet av elektroner inuti batteriet, samtidigt som litiumjonerna tillåts passera.

Den främsta fördelen för såväl elfordonsbatterier och batterier för lagring i större skala är förmågan att ta emot, lagra och släppa ifrån sig energi beroende på efterfrågan, i likhet med lagrad vattenkraft. 

När vi utnyttjar fördelarna med batterier för elektrifiering skapas nya utmaningar relaterade till de råvaror som behövs för batteriproduktion. Ansvarsfull anskaffning av batterimineraler är ett stort problem på den globala hållbarhetsagendan. Därmed bör dessa material utvinnas i samarbete med en betrodd batteritillverkare. 

I likhet med de flesta andra batterier består elfordonsbatterier i huvudsak av energiomställningsmineraler, vilka ibland kallas ”kritiska mineraler”. För tillfället är de flesta elfordonsbatterier litiumjonbatterier som innehåller energiomställningsmineraler i varierande mängd, inklusive litium, kobolt, nickel och grafit. Många av dessa material kan återanvändas och återvinnas i den cirkulära ekonomin, till skillnad från bensinfordon som är beroende av kontinuerlig utvinning och förbränning av fossila bränslen. Det finns andra sällsynta jordartsmetaller som behövs till elfordonens elmotorer och till permanentmagneter för vindkraftverk, såsom koppar.

Hållbara försörjningskedjor måste hela tiden förbättra spårbarheten för dessa material. Batteritillverkare kan använda sig av den omfattande expertis som finns hos företag som Endress+Hauser för att stötta instrumenteringsrevisioner och certifieringsinitiativ.

Adekvat information och transparenta jämförelser avseende kostnader, teknisk bärkraft och miljöpåverkan är avgörande för att fatta beslut om elektrifiering, men dessa delar är alltför ofta ofullständiga eller saknas. Inom många industrier är kunderna helt enkelt inte medvetna om dessa konsekvenser, har fått missvisande information, eller känner inte till statligt sponsrade incitament när de väljer mellan konventionella och elektrifierade lösningar.

Lyckligtvis blir elektrifiering och annan teknik med låga koldioxidutsläpp allt mer utbredd och billigare både inom industrin och hos konsumenter, med framsteg och skalbarhet som hjälper till att driva denna trend. För att uppnå nettonollmålen måste företag och regeringar fortsätta att stå bakom hållbarhetsmål samt främja elektrifiering och andra metoder för att reducera koldioxidutsläppen inom transportsektorn, uppvärmningssektorn och industrin.