Vores fremtidige energimix

Forudsigelse af energisystemer

Meget få emner er så komplekse og så vigtige som vores civilisations fremtidige energimix. Afhængigt af, hvem du spørger, er afhængighed af fossilt brændstof umulig at ryste af, eller vedvarende energi vil tage over i et hæsblæsende tempo. Virkeligheden er selvfølgelig kompleks, og det er meget svært at forudsige energiens fremtid.

I denne artikel vil vi se på vores nuværende situation, se de få mulige scenarier, og endnu vigtigere, hvilke økonomiske eller teknologiske ændringer vil gøre det ene scenario mere sandsynligt end det andet.

Hvor vi er

Hvis der indtil videre er et mønster for vores voksende energiforbrug, er det, at nye energikilder har en tendens til at blive tilføjet til vores energimix i stedet for at erstatte den tidligere.

For eksempel bruger vi stadig lige så meget, hvis ikke mere, biomasse (for det meste træ) end i 1800-tallet, før den industrielle revolution. Tilsvarende er kulforbruget stort set kun steget over tid, hvortil der kom olie, gas og derefter vandkraft, atomkraft og vedvarende energi.

Kilde: OurWorldInData

Dette kan komme som en overraskelse i betragtning af, hvor store fremskridt der tilsyneladende er gjort i vores elproduktion, vedvarende energi. Dette skyldes flere årsager:

• Kina, der er førende inden for vedvarende energis ny kapacitet og overgangen til elbiler, er også førende inden for opførelse af kulkraftværker.
• Det meste af det primære energiforbrug bruges ikke til at producere elektricitet. I stedet kommer det meste af vores energiforbrug fra mobilitet, opvarmning og industriel anvendelse som stålproduktion og petrokemikalier (produktion af gødning, plastik, lægemidler, kemikalier osv.).
• Befolkningsvækst og milliarder, der forlod ekstrem fattigdom betød stigende energiforbrug, med den billigste tilgængelige løsning ofte kul. Samt mere kødforbrug, aircondition, biler, flyrejser mv.
• Globalisering af økonomien, der fører til meget mere transport af varer, herunder flere frem og tilbage bevægelser af råmaterialer, semi-transformerede dele og færdigvarer.
• Landbrugets industrialisering, øget udbytte og reduktion af den nødvendige arbejdskraft, men også øget forbrug af fossile brændstoffer og gødning.

For enhver, der er bekymret for klimaændringer og kulstofemissioner, kan dette give et deprimerende syn, med fossile brændstoffer solidt forankret i vores globale energimix. Men dette er heller ikke rigtig hele billedet.

Den løbende forandring

Fra en knap så god teori i 2016 er elbiler (EV'er) nu en eksponentielt voksende del af det globale salg, med mere end 10 millioner solgte elbiler i 2022, eller 14% af det globale salg, med Kina og Europa førende.

Kilde: IEA

Andelen af ​​vedvarende energi (hydro + sol + vind + geotermisk energi) vokser også hurtigt. Og mens nogle lande har stået højt på denne liste i lang tid, på grund af massive vandkraftressourcer (som Norge, Brasilien eller Canada), er sol + vind virkelig der, hvor forandringen sker.

Kilde: Vores verden i data

Et kig på landebasis viser det klare omdrejningspunkt i 2010, hvor vedvarende energi ofte mere end fordobledes, normalt helt båret af væksten i sol- og vindproduktionen. For eksempel Kina og Australien:

Kilde: OurWorldInData

Kilde: OurWorldInData

En massiv drivkraft bag denne ændring har været et stejlt fald i omkostningerne til vedvarende energi. Drevet i lige så høj grad af teknologisk innovation og opskalering af industriel produktion har dette gjort vedvarende energi stadig mere konkurrencedygtig. I det mindste på papiret virker vedvarende energi nu billigere end fossile brændstoffer (mere om det nedenfor). som vist af IRENA (International Renewable Energy Agency).

Kilde: IRENA

Udfordringer

I de sidste par år begyndte en mærkelig situation at dukke op. De hurtigt faldende omkostninger ved vedvarende energi har overbevist en del mennesker om, at fossile brændstoffer ville gå dodo-fuglenes vej når som helst snart.

Kilde: Twitter/X

Men i de sidste par år har nogle få makroøkonomiske chok sat spørgsmålstegn ved denne idé. Krigen i Ukraine udløste massiv inflation og skubbede lande som Tyskland til at genoptage deres afhængighed af kul.

Og den samme inflation har voldsomt skadet rentabiliteten af ​​planlagte vedvarende projekter. Massive offshore vindprojekter aflyst, styrtende aktiekurser på sol- og vindselskaber, dette har været en smertefuld periode. Du kan læse mere om, hvad der sker i vores artikel "Krakket med vedvarende energi i 2023".

Selv EV-salg bliver sat i tvivl, efter udsættelse eller annullering af EV-strategi af større producenter, såsom GM, Ford eller Honda.

Vedvarende energikilders intermittens

Et nøgleproblem, der skal løses, er energilagring. Vind- og solenergiproduktion er afhængig af vejret og kan midlertidigt afbrydes fra efterspørgslen. Dette er et problem for et elnet, der kræver "just-in-time" produktion og en øjeblikkelig perfekt balance mellem produktion og efterspørgsel.

Der er masser af mulige alternativer, men teknologierne er enten lige begyndt, eller de er ikke blevet implementeret i massiv skala hurtigt nok. Dette fører til energioverskud om dagen og/eller sommeren og mangel om natten og/eller vinteren.

Problemet er ikke uløseligt, men kræver velkoordinerede politikker og flere investeringer i elnet.

Og ærligt talt også indrømme, at de "rigtige" omkostninger ved vedvarende energi bør omfatte omkostningerne til energilagring. Vedvarende energi er måske endnu ikke helt billigere end fossile brændstoffer, i det mindste når de bliver en stor del af landets elproduktion.

Den L.efterligner af batterier

Bekymringen om, at brugen af ​​elbiler forbliver på sporet, skyldes lignende teknologiske begrænsninger. Mens de tidlige brugere havde det fint med flere forhåndsomkostninger, lavere rækkevidde eller langsommere opladningstid end ICE-køretøjer (Internal Combustion Engine), er andre købere måske ikke det. Manglen på lithium øgede prisen på det hvide metal gav også anledning til nogle bekymringer.

Heldigvis kommer der snart nye batteriteknologier, fra kinesiske natrium-ion-batterier til solid-state-batterier, der skulle hjælpe med at reducere elbilpriserne og annullere legitime bekymringer som rækkeviddeangst eller brandfare.

Svært at skifte energibehov

Og så er noget energiforbrug simpelthen svært at skifte væk fra fossile brændstoffer. For eksempel, langdistance forsendelse kræver stadig et meget tæt og flydende brændstof for at virke. At flyve kræver også en energikilde med meget høj energitæthed, at batterierne ikke er i stand til at levere. Det meste af plastikproduktion er afhængig af olie, gødning på gas og stål på kokskul.

Også her findes løsninger, men er noget umodne teknologier og langt fra at blive udbredt globalt.

Game Changer teknologier

De Sandsynlige Game Changers

En hel del løsninger er allerede klar til at hjælpe med at genstarte væksten af ​​vedvarende energi og lav-kulstofteknologi.

Nuklear innovation

Stadig kontroversiel, nuklear energi er ikke desto mindre en lav-kulstofteknologi det kan være nødvendigt for at bygge bro over kløften mod en fremtid drevet af vedvarende energi.

Små atomreaktorer (SMR'er) er en anden sektor, som for nylig har lidt under dårlige nyheder på grund af stigende omkostninger, knyttet til global inflation. Men under alle omstændigheder gennemgår nuklear teknologi en renæssance, med nye sikrere designs, der ser på mindre reaktorer (SMR'er og mikroreaktorer), eller endda nye brændstoffer som thorium. I mellemtiden, Kina bygger 24 nye store atomreaktorer, og planlægning for i alt lige så mange som 150 reaktorer.

Bedre vedvarende energi

Faldende omkostninger sammenlignet med fossile brændstoffer vil sandsynligvis forblive en varig trend. Dette gælder især for solenergi, med innovationer som f.eks tyndfilmssolceller eller 3. generations solceller (amorft silicium, organiske polymerer eller perovskitkrystaller).

Batteriprojekter i brugsskala vil også hjælpe med mere end tredobling af den nuværende kapacitet i 2025.

Kilde: VVM

Solid-state batterier

Alle, der arbejder med batteriteknologi, ved, at solid-sate-batterier, der ikke kræver de flydende elektrolytter fra det nuværende lithiumbatteri, vil være en game changer. Og mange virksomheder taler om at lancere deres egen version af solid-state batterier allerede i 2026-2029. Dette inkluderer QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS), og Samsung SDI (006400.KS). Mens Tesla (TSLA) arbejder på sit eget alternativ til solid-state batterier.

Den spekulative spilskifter

Nogle andre teknologier er mindre modne, men endnu mere lovende og vil sandsynligvis være, hvordan vi får vores energi i 2040-2050 og frem.

Nukleare surgeneratorer

En stor bekymring med atomkraftværker er atomaffald. Surgeneratorer (eller "opdrættere") kan forbruge dette nukleare affald og omdanne dem tilbage til energi og nukleart brændsel. Dette kunne både gøre det tilgængelige nukleare brændsel praktisk talt ubegrænset og i høj grad reducere spørgsmålet om nukleart affald. En bonus er, at denne teknologi ikke er rigtig ny, som den blev brugt af Frankrig indtil 1997, så det er kun spekulativt på grund af de politiske vanskeligheder omkring atomkraft.

Rumbaseret solenergi

Produktion af solenergi fra rummet ville løse alle solenergiens problemer på én gang: ingen intermittens, ingen skyer, ingen faldende produktion om vinteren. Med rumbaseret internet pludselig en realitet med Starlink, dette er ikke så besynderligt, som det lyder.

Det er noget, vi undersøgte nærmere i vores artikel "Fra Sci-Fi til skyhøjt: Er solpaneler i kredsløb en lys idé?"

Geotermisk

En hidtil mest forsømt kilde til vedvarende energi og i stand til at levere baseload strøm 24/7 er geotermisk energi. Dette er endelig ved at ændre sig, med virksomheder som Vulkan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA), Og Smag. Disse virksomheder, lidt ironisk, genbruger de fremskridt inden for boring og fracking, som olieindustrien har gjort, for at udnytte jordens varmekilder. (Vi dækkede Ormat i denne artikel og Vulkan i denne).

Syntetiske brændstoffer

Strøm genereret fra vedvarende energi (eller endda atomkraft) kan bruges til at syntetisere gas eller flydende brændstoffer. Dette inkluderer Hydrogenering, ammoniak, syngas, or syntetiske brændstoffer.

En anden mulighed for syntetisk brændstof kunne være at udnytte biologien og bruge mikroalger til at generere biobrændstoffer (se "Alger biobrændstof: Den næste energirevolution?”) eller biofermenteringsanlæg til at producere biogas og biometan fra organisk affald.

Disse brændstoffer kan derefter bruges i fly, skibe og andre applikationer, der kræver enten meget tætte brændstoffer eller meget høje forbrændingstemperaturer (som stålfremstilling).

fusion

Fusionsenergi har til formål at skabe energi ved at sammensmelte lette elementer som brint, og genskabe på Jorden den proces, der driver Solen selv. Med temperaturer, der spænder fra millioner til hundreder af millioner af grader, er dette en enorm teknologisk udfordring.

Det ville også give ren energi, der hverken producerer kulstof eller nukleart affald, med en ubegrænset forsyning af "brændstof", da brint er det mest udbredte atom i universet.

Det største fusionsprojekt er internationalt forskningskonsortium ITER, med mange startups også forfølge drømmen om atomfusion, herunder helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TEA teknologier, ZAP energi, og NEO Fusion (finansieret af den kinesiske elbilproducent Nio).

Fremtidens energimix(er)

Selvom det sandsynligvis er lovende i det lange løb, vil vi for det meste undersøge mulige energiblandinger uden nogen af ​​de "spekulative spilskiftere", der er diskuteret ovenfor, når vi ser på horisonten i 2040.

EIA (Energy Information Administration) har frigivet flere scenarier, afhængigt af økonomisk vækst og indførelse eller ej af kulstoffattig teknologi.

I de fleste tilfælde forventes energiforbruget at fortsætte med at stige, hvor fossile brændstoffer stadig vil udgøre størstedelen af ​​verdens energi i 2050. Dette er en prognose, hvis der ikke ændres love, og investeringer i energi forbliver i overensstemmelse med den nuværende tendens.

Kilde: VVM

Arbejde som sædvanlig

Dette er et deprimerende scenarie for alle, der er opmærksomme på klimaændringer. Det antager, at kul, gas og olie vil forblive den dominerende kraft i vores energisystem i de næste 2 årtier, og producere hovedparten af ​​vores energi.

Dette er langt fra umuligt, som illustreret af Tysklands nylige tilbagevenden til kul, på trods af at landet tidligere blev betragtet som en forkæmper for vedvarende energi og energiomstillingen.

High Tech Road

En anden mulighed er, at vores samfund omfavner teknologiske forandringer, når det kommer til energi. Dette inkluderer vedvarende energi, men også massivt nukleare, sandsynligvis både af de konventionelle og mindre typer på én gang.

Dette er et scenarie, hvor produktion af fossilt brændstof fra fossilt brændstof enten prissættes ud af bedre alternativer eller direkte forbudt ved lov.

Det er også et scenario, hvor elbiler bliver ved med at blive vedtaget hurtigt, sandsynligvis takket være nye batteriteknologier.

Mens atomkraft producerer basiskraft og vinterkapacitet, kan vedvarende energi håndtere overskudsproduktion til flydende brændstoffer for at dekarbonisere flyvning, skibsfart og tung industri.

Lavforbrugsvejen

I betragtning af udviklingslandenes hunger efter energi, herunder ikke kun Kina, men Sydamerika, Afrika, Indien og Indonesien, virker dette ikke som et meget sandsynligt scenario.

På en eller anden måde ville det indebære at "vælge" ægte vækst og sandsynligvis i gennemsnit et fald i livsstandarder, med især mindre rejser og international handel. Landbruget afindustrialiseres til en vis grad, industriaktiviteten falder, og overordnede økonomier bliver meget mere lokale.

Et sådant scenario bør højst sandsynligt forestilles parallelt med massive internationale spændinger, krig eller en global depression, hvilket forklarer det pludselige fald i økonomiske aktiviteter, da et frivilligt valg af lavere produktion forekommer usandsynligt i både demokratiske og autokratiske lande.

Det gennemvirrende scenarie

Dette er et scenarie, hvor alt sker på én gang. Fossile brændstoffer er i svag tilbagegang, men er ikke helt udfaset. Kul er overordnet ved at blive udfaset, men olie og gas ikke så meget. Nogle lande satser på atomkraft, andre på vedvarende energi, andre holder business as usual.

Elektrificering og dekarbonisering sker, men i et langsommere tempo end ønsket. Kulstofemissioner forbliver i det scenarie meget over det netto nul-scenarie, som GIEC forestiller sig for at forhindre, at de globale temperaturer stiger for meget.

Dette er ikke meget forskelligt fra de ovennævnte VVM-scenarier. Senere kan kulstoffangst blive indsat for at accelerere dekarboniseringen og vende nogle af de tidligere emissioner.

Gennembrudsscenariet

Der er lavet et energigenereringsgennembrud, der giver mulighed for rigelig energi, og løsningen kan hurtigt implementeres over hele kloden.

Det kan være et drastisk fald i orbital solinfrastruktur gennem et nyt rumkapløb mellem SpaceX og kinesiske firmaer.

Eller en massiv succes for ITER ved lanceringen i 2025-2026.

Eller revolutionerende nyt design inden for sol- og batteriteknologi.

Sådanne ændringer er i sagens natur næsten umulige at forudsige eller kvantificere. Men de skal heller ikke helt afskediges.