Tulevaisuuden energiasekoituksemme

Energiajärjestelmien ennustaminen

Hyvin harvat aiheet ovat niin monimutkaisia ​​ja yhtä tärkeitä kuin sivilisaatiomme tulevaisuuden energiayhdistelmä. Riippuen keneltä kysyt, riippuvuutta fossiilisista polttoaineista on mahdotonta päästä eroon, tai uusiutuvat energialähteet valtaavat vallan huimaa vauhtia. Todellisuus on tietysti monimutkainen, ja energian tulevaisuutta on erittäin vaikea ennustaa.

Tässä artikkelissa tarkastelemme nykyistä tilannettamme, katsomme muutamia mahdollisia skenaarioita ja mikä tärkeintä, mitkä taloudelliset tai teknologiset muutokset saavat yhden skenaarion todennäköisemmin toteutumaan.

Missä olemme

Jos kasvavalle energiankäytöllemme on toistaiseksi olemassa kaava, se johtuu siitä, että uusia energialähteitä yleensä lisätään energiavalikoimaamme sen sijaan, että korvattaisiin aikaisempi.

Käytämme esimerkiksi edelleen yhtä paljon, ellei enemmänkin biomassaa (lähinnä puuta) kuin 1800-luvulla, ennen teollista vallankumousta. Samoin hiilen kulutus on enimmäkseen vain lisääntynyt ajan myötä, johon on lisätty öljyä, kaasua ja sitten vesivoimaa, ydinvoimaa ja uusiutuvaa energiaa.

Lähde: OurWorldInData

Tämä saattaa tulla yllätyksenä, kun ottaa huomioon, kuinka paljon uusiutuvat energialähteet näyttävät edistyneen sähköntuotannossamme. Tämä johtuu useista syistä:

• Kiina, joka on johtava maa uusiutuvan energian uuden kapasiteetin rakentamisessa ja sähköautoihin siirtymisessä, on myös johtava maa hiilivoimaloiden rakentamisessa.
• Suurin osa primäärienergian kulutuksesta ei käytetä sähköntuotantoon. Sen sijaan suurin osa energiankulutuksestamme tulee liikkuvuudesta, lämmityksestä ja teollisesta käytöstä, kuten teräksen tuotannosta ja petrokemian tuotteista (lannoitteiden, muovien, lääkkeiden, kemikaalien jne. tuotanto).
• Väestönkasvu ja miljardit äärimmäisestä köyhyydestä merkitsivät kasvavaa energiankulutusta, ja halvin vaihtoehto oli usein kivihiili. Sekä enemmän lihankulutusta, ilmastointia, autoja, lentomatkoja jne.
• Talouden globalisaatio, joka johtaa paljon enemmän tavaroiden kuljetuksiin, mukaan lukien useat raaka-aineiden, puoliksi muunnettujen osien ja lopputuotteiden edestakaiset siirrot.
• Maatalouden teollistuminen, satojen lisääminen ja työvoiman tarpeen vähentäminen, mutta myös fossiilisten polttoaineiden ja lannoitteiden kulutuksen lisääminen.

Kaikille ilmastonmuutoksesta ja hiilidioksidipäästöistä kiinnostuneille tämä voi antaa masentavia näkymiä, koska fossiiliset polttoaineet ovat lujasti juurtuneet maailmanlaajuiseen energiavalikoimaamme. Mutta tämäkään ei ole varsinainen koko kuva.

Meneillään oleva muutos

Vuoden 2016 tuskin hyvästä teoriasta lähtien sähköautot (EV) ovat nyt eksponentiaalisesti kasvava osa maailmanlaajuista myyntiä. Vuonna 10 myytiin yli 2022 miljoonaa sähköautoa eli 14 % maailmanlaajuisesta myynnistä, ja Kiina ja Eurooppa ovat edelläkävijöitä.

Lähde: IEA

Myös uusiutuvan energian (vesi + aurinko + tuuli + maalämpö) osuus kasvaa nopeasti. Ja vaikka jotkin maat ovat olleet korkealla tällä listalla pitkään, valtavien vesivoimavarojen (kuten Norja, Brasilia tai Kanada) ansiosta aurinko + tuuli on todella muutos tapahtumassa.

Lähde: Maailma tiedoissamme

Maakohtainen tarkastelu osoittaa selkeän käännekohdan vuonna 2010, jolloin uusiutuvat energialähteet usein yli kaksinkertaistuivat, yleensä kokonaan aurinko- ja tuulituotannon kasvun mukana. Esimerkiksi Kiina ja Australia:

Lähde: OurWorldInData

Lähde: OurWorldInData

Tämän muutoksen valtava tekijä on ollut uusiutuvien energialähteiden kustannusten jyrkkä lasku. Yhtä teknologisen innovaation ja teollisuustuotannon kasvattamana tämä on tehnyt uusiutuvista energialähteistä entistä kilpailukykyisempää. Ainakin paperilla uusiutuvat energialähteet näyttävät nyt halvemmilta kuin fossiiliset polttoaineet (sitä lisää alla), kuten IRENA osoittaa (International Renewable Energy Agency).

Lähde: IRENA

Haasteet

Muutaman viime vuoden aikana on alkanut syntyä outo tilanne. Uusiutuvien energialähteiden nopeasti laskevat kustannukset ovat vakuuttaneet monet siitä, että fossiiliset polttoaineet siirtyisivät lähiaikoina dodo-lintujen tielle.

Lähde: Twitter/X

Mutta muutaman viime vuoden aikana muutamat makrotaloudelliset shokit ovat asettaneet tämän ajatuksen kyseenalaiseksi. Ukrainan sota laukaisi valtavan inflaation ja pakotti Saksan kaltaiset maat aloittamaan uudelleen riippuvuuden hiilestä.

Ja sama inflaatio on vahingoittanut pahasti suunniteltujen uusiutuvan energian hankkeiden kannattavuutta. Massiiviset offshore-tuuliprojektit peruttu, aurinko- ja tuuliyhtiöiden osakekurssit romahtivat, tämä on ollut tuskallista aikaa. Voit lukea lisää tapahtumista artikkelistamme "Vuoden 2023 uusiutuvan energian romahdus".

Jopa sähköautojen myynti asetetaan kyseenalaiseksi suurten valmistajien, kuten GM, Ford tai Honda, sähköautostrategian lykkääminen tai peruuttaminen.

Uusiutuvien energialähteiden jaksotus

Yksi avainkysymys, joka on ratkaistava, on energian varastointi. Tuuli- ja aurinkoenergian tuotanto riippuu säästä ja voidaan tilapäisesti irrottaa kysynnästä. Tämä on ongelma sähköverkossa, joka vaatii "just-in-time" -tuotantoa ja hetkellistä täydellistä tasapainoa tuotannon ja kysynnän välillä.

Mahdollisia vaihtoehtoja on paljon, mutta teknologiat ovat joko vasta alkamassa tai niitä ei ole otettu käyttöön massiivisessa mittakaavassa riittävän pian. Tämä johtaa energian ylijäämiseen päivällä ja/tai kesällä ja pulaan yöllä ja/tai talvella.

Ongelma ei ole ratkaisematon, mutta vaatii hyvin koordinoitua politiikkaa ja lisää investointeja sähköverkkoihin.

Ja suoraan sanottuna, myönnetään myös, että uusiutuvien energialähteiden "todellisiin" kustannuksiin pitäisi sisältyä energian varastoinnin kustannukset. Uusiutuvat energialähteet eivät välttämättä ole vielä täysin halvempia kuin fossiiliset polttoaineet, ainakaan kun niistä tulee suuri osa maan sähköntuotannosta.

Lparistojen jäljitelmiä

Huoli sähköautojen käyttöönoton pysymisestä raiteilla johtuu samankaltaisista teknologisista rajoituksista. Vaikka varhaiset käyttäjät pärjäsivät suuremmilla ennakkokustannuksilla, pienemmällä toimintasäteellä tai hitaammalla latausajalla kuin ICE (Internal Combustion Engine) -ajoneuvot, muut ostajat eivät ehkä ole. Myös valkometallin hintaa nostava litiumin puute aiheutti huolta.

Onneksi uusia akkutekniikoita on tulossa pian, kiinalaisista natrium-ioni-akuista solid-state-akkuihin, joiden pitäisi auttaa alentamaan sähköautojen hintoja ja poistamaan oikeutetut huolenaiheet, kuten kantaman ahdistus tai palovaarat.

Vaikeasti vaihdettava energian kysyntä

Ja sitten osa energiankulutuksesta on yksinkertaisesti vaikea vaihtaa pois fossiilisista polttoaineista. Esimerkiksi, pitkän matkan kuljetus vaatii edelleen erittäin tiheää ja nestemäistä polttoainetta toimiakseen. Lentäminen vaatii myös erittäin korkean energiatiheyden energialähteen, että akut eivät toistaiseksi pysty toimittamaan. Suurin osa muovituotannosta perustuu öljyyn, lannoitteet kaasuun ja teräs koksihiileen.

Myös täällä on ratkaisuja, mutta ne ovat hieman kehittymättömiä tekniikoita ja kaukana maailmanlaajuisesti.

Game Changer Technologies

Todennäköiset pelinvaihtajat

Käsillä on jo useita ratkaisuja uusiutuvien energialähteiden ja vähähiilisen teknologian kasvun käynnistämiseksi uudelleen.

Ydininnovaatiot

Edelleen kiistanalainen ydinenergia on kuitenkin vähähiilinen teknologia joita saatetaan tarvita kuilun kuromiseksi kohti uusiutuviin energialähteisiin perustuvaa tulevaisuutta.

Pienet ydinreaktorit (SMR) ovat toinen ala, joka on äskettäin kärsinyt huonoja uutisia maailmanlaajuiseen inflaatioon liittyvien kustannusten nousun vuoksi. Mutta joka tapauksessa ydinteknologia on kokemassa renessanssia, kun uusia turvallisempia malleja tarkastellaan pienempiä reaktoreita (SMR:t ja mikroreaktorit), tai jopa uusia polttoaineita, kuten torium. Samaan aikaan, Kiina rakentaa 24 uutta suurta ydinreaktoria, ja suunnittelee yhteensä yhtä monta 150 reaktorina.

Parempia uusiutuvia

Kustannusten aleneminen verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin jää todennäköisesti kestäväksi trendiksi. Tämä pätee erityisesti aurinkoenergiaan, kuten innovaatioihin ohutkalvoaurinkokennot tai 3. sukupolven aurinkokennot (amorfinen pii, orgaaniset polymeerit tai perovskiittikiteet).

Myös hyötyakkuprojektit auttavat, sillä nykyinen kapasiteetti yli kolminkertaistuu vuoteen 2025 mennessä.

Lähde: EIA

Solid State -akut

Kaikki akkuteknologian parissa työskentelevät tietävät, että solid-sate-akut, jotka eivät vaadi nykyisen litiumakun nestemäisiä elektrolyyttejä, ovat pelin vaihtaja. Ja monet yritykset puhuvat oman versionsa julkaisemisesta puolijohdeakuista heti 2026-2029. Tämä sisältää QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) ja Samsung SDI (006400.KS). Kun Tesla (TSLA) työskentelee oma vaihtoehto solid-state-akuille.

Spekulatiivisen pelin vaihtaja

Jotkut muut tekniikat ovat vähemmän kypsiä, mutta vielä lupaavampia, ja ne ovat todennäköisesti tapa, jolla saamme energiamme vuosina 2040–2050 ja siitä eteenpäin.

Ydingeneraattorit

Suuri huolenaihe ydinvoimaloissa on ydinjätteet. Surgeneraattorit (tai "kasvattajat") voivat kuluttaa nämä ydinjätteet ja muuttaa ne takaisin sähköksi ja ydinpolttoaineeksi. Tämä voisi sekä tehdä käytettävissä olevasta ydinpolttoaineesta lähes rajattoman määrän että vähentää huomattavasti ydinjätteiden määrää. Bonus on, että tämä tekniikka ei ole todella uusi, kuten Ranska käytti sitä vuoteen 1997 asti, joten se on vain spekulaatiota ydinvoimaan liittyvien poliittisten vaikeuksien vuoksi.

Avaruuteen perustuva aurinkoenergia

Aurinkoenergian tuottaminen kiertoradalta ratkaisisi kerralla kaikki aurinkoenergian ongelmat: ei ajoittaisuutta, ei pilviä, ei tuotannon vähenemistä talvella. Avaruudessa sijaitsevan internetin myötä yhtäkkiä... Starlink, tämä ei ole niin outoa kuin miltä se kuulostaa.

Sitä tutkimme tarkemmin artikkelissamme "Sci-Fistä Sky-Highiin: Onko aurinkopaneelien kiertäminen hyvä idea?"

Maalämpö

Toistaiseksi enimmäkseen laiminlyöty uusiutuvan energian lähde, joka pystyy tarjoamaan perusvoimaa 24/7, on geoterminen energia. Tämä on vihdoin muuttumassa, kun Vulkan Energyn kaltaiset yritykset (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA), Ja Eavor. Nämä yritykset, hieman ironisesti, hyödyntävät öljyteollisuuden porauksen ja murtamisen edistymistä maapallon lämmönlähteiden hyödyntämiseksi. (Käsittelimme Ormatin tässä artikkelissa ja Vulkan tässä).

Synteettiset polttoaineet

Uusiutuvista energialähteistä tuotettua sähköä (tai jopa ydinvoimaa) voitaisiin käyttää kaasun tai nestemäisten polttoaineiden syntetisointiin. Tämä sisältää vety, ammoniakki, synteettiset kaasut, or synteettiset polttoaineet.

Toinen vaihtoehto synteettiselle polttoaineelle voisi olla biologian hyödyntäminen ja mikrolevien käyttö biopolttoaineiden tuottamiseen (katso "Leväbiopolttoaine: seuraava energiavallankumous?”) tai biofermentoreita biokaasu ja biometaani jäte orgaanisesta aineesta.

Näitä polttoaineita voitaisiin sitten käyttää lentokoneissa, laivoissa ja muissa sovelluksissa, jotka vaativat joko erittäin tiheitä polttoaineita tai erittäin korkeita palamislämpötiloja (kuten teräksen valmistus).

Fuusiot eli organisaatiomuutokset

Fuusioenergia pyrkii luomaan energiaa sulattamalla yhteen kevyitä elementtejä, kuten vetyä, luomalla maapallolle uudelleen prosessin, joka saa voiman itse aurinkoon. Tämä on valtava teknologinen haaste, koska lämpötilat vaihtelevat miljoonista satoihin miljooniin asteisiin.

Se tarjoaisi myös puhdasta energiaa, joka ei tuota hiiltä eikä ydinjätettä, ja rajattomasti "polttoainetta", koska vety on maailmankaikkeuden runsain atomi.

Suurin fuusioprojekti on kansainvälinen tutkimuskonsortio ITER, kanssa monia startupeja myös toteuttaa unelmaa ydinfuusion, mukaan lukien helion, Yleinen fuusio, Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP energiaja NEO Fusion (Rahoittaja on kiinalainen sähköautovalmistaja Nio).

Tulevaisuuden energiasekoitukset

Vaikka se on todennäköisesti lupaavaa pitkällä aikavälillä, tarkastelemme enimmäkseen mahdollisia energiasekoituksia ilman mitään yllä käsiteltyjä "spekulatiivisia pelin vaihtajia", kun katsomme vuoden 2040 horisonttia.

EIA (Energy Information Administration) on julkaissut useita skenaarioita riippuen talouskasvusta ja vähähiilisen teknologian käyttöönotosta vai ei.

Useimmissa tapauksissa energiankulutuksen odotetaan kasvavan edelleen, ja fossiiliset polttoaineet muodostavat edelleen suurimman osan maailman energiasta vuoteen 2050 mennessä. Tämä on ennuste, jos lait eivät muutu ja energiainvestoinnit pysyvät nykyisen trendin mukaisina.

Lähde: EIA

Toimia normaalisti

Tämä on masentava skenaario kaikille, jotka kiinnittävät huomiota ilmastonmuutokseen. Siinä oletetaan, että hiili, kaasu ja öljy pysyvät energiajärjestelmämme hallitsevina voimina seuraavat 2 vuosikymmentä, ja ne tuottavat suurimman osan energiastamme.

Tämä ei ole suinkaan mahdotonta, kuten Saksan äskettäinen paluu hiilen käyttöön osoittaa, vaikka maata pidettiin aiemmin laajalti uusiutuvien energialähteiden ja energian siirtymisen mestarina.

High Tech Road

Toinen vaihtoehto on, että yhteiskuntimme omaksuvat teknologiset muutokset energian alalla. Tämä sisältää uusiutuvan energian, mutta myös massiivisen ydinvoiman, todennäköisesti sekä perinteisen että pienemmän tyypin kerralla.

Tämä on skenaario, jossa fossiilisten polttoaineiden sähköntuotanto fossiilisista polttoaineista joko hinnoitellaan paremmilla vaihtoehdoilla tai kielletään kokonaan lailla.

Se on myös skenaario, jossa sähköautot otetaan käyttöön nopeasti, todennäköisesti uusien akkutekniikoiden ansiosta.

Ydinvoimalla tuotetaan perusvoimaa ja talvikapasiteettia, kun taas uusiutuvilla energialähteillä voidaan hallita nestemäisten polttoaineiden ylituotantoa lentoliikenteen, merenkulun ja raskaan teollisuuden hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi.

Vähän kulutuksen tie

Kun otetaan huomioon kehitysmaiden, Kiinan lisäksi Etelä-Amerikan, Afrikan, Intian ja Indonesian energiannälkä, tämä ei vaikuta kovin todennäköiseltä skenaariolta.

Jotenkin se edellyttäisi todellisen kasvun "valitsemista" ja luultavasti keskimäärin elintason laskua, erityisesti vähemmän matkustamista ja kansainvälistä kauppaa. Maatalous deindustrialisoituu jossain määrin, teollinen toiminta vähenee ja taloudet muuttuvat paljon paikallisemmiksi.

Sellainen skenaario tulisi mitä todennäköisimmin kuvitella rinnakkain massiivisten kansainvälisten jännitteiden, sodan tai globaalin laman kanssa, mikä selittää taloudellisen toiminnan äkillisen laskun, koska vapaaehtoinen pienemmän tuotannon valinta näyttää epätodennäköiseltä sekä demokraattisissa että autokraattisissa maissa.

Muddle-Through skenaario

Tämä on skenaario, jossa kaikki tapahtuu kerralla. Fossiiliset polttoaineet ovat lievässä laskussa, mutta eivät kokonaan poistumassa. Kivihiilestä luovutaan yleisesti, mutta öljystä ja kaasusta ei niin paljon. Jotkut maat vetoavat ydinvoimaan, toiset uusiutuviin energialähteisiin, toiset jatkavat toimintaansa entiseen tapaan.

Sähköistyminen ja hiilidioksidipäästöt tapahtuvat, mutta toivottua hitaammin. Hiilipäästöt pysyvät tässä skenaariossa paljon GIEC:n suunnitteleman nettonolla-skenaarion yläpuolella, jotta maapallon lämpötilat eivät nouse liikaa.

Tämä ei juurikaan eroa yllä mainituista YVA-skenaarioista. Myöhemmin hiilidioksidin talteenottoa voidaan käyttää nopeuttamaan hiilidioksidin poistamista ja kääntämään osa aiemmista päästöistä.

Läpimurron skenaario

Energiantuotannossa tehdään läpimurto, joka mahdollistaa runsaasti energiaa, ja ratkaisu voidaan ottaa nopeasti käyttöön kaikkialla maailmassa.

Se voi olla kiertoradan aurinkoinfrastruktuurin raju heikkeneminen SpaceX:n ja kiinalaisten yritysten välisen uuden avaruuskilpailun seurauksena.

Tai ITERin valtava menestys lanseerauksessa vuosina 2025–2026.

Tai vallankumouksellisia uusia malleja aurinko- ja akkutekniikassa.

Tällaisia ​​muutoksia on luonnostaan ​​lähes mahdotonta ennustaa tai mitata. Mutta niitäkään ei pidä täysin hylätä.