Tulevaisuuden energiamiksaus

Energiajärjestelmien ennustaminen

Hyvin harvat aiheet ovat yhtä monimutkaisia ja yhtä tärkeitä kuin sivilisaatiomme tulevaisuuden energiamiksaus. Kysymys siitä, keneltä kysytään, riippuvuus fossiilisista polttoaineista on mahdoton ravistaa, tai uusiutuvat energialähteet tulevat valloittamaan salamannopeasti. Todellisuus on tietenkin monimutkainen, ja energian tulevaisuutta on erittäin vaikea ennustaa.

Tässä artikkelissa tarkastelemme nykytilannettamme, katsomme muutamia mahdollisia skenaarioita ja, mikä tärkeintä, mitä taloudellisia tai teknologisia muutoksia tekee jostain skenaariosta todennäköisemmän kuin toinen.

Missä olemme

Jos tähän mennessä on havaittavissa jokin kaava energian kasvavassa kulutuksessamme, se on se, että uudet energialähteet lisätään energiamiksaamme sen sijaan, että ne korvaisivat edelliset.

Esimerkiksi käytämme edelleen yhtä paljon, ellei enemmän, biomassaa (lähinnä puuta) kuin 1800-luvulla, ennen teollista vallankumousta. Samoin hiilen kulutus on pitkälti vain kasvanut ajan myötä, jonka päälle on lisätty öljyä, kaasua ja sitten vesivoimaa, ydinvoimaa ja uusiutuvia energialähteitä.

Lähde: OurWorldInData

Tämä saattaa yllättää, kun otetaan huomioon, kuinka paljon uusiutuvat energialähteet ovat näennäisesti edistyneet sähköntuotannossamme. Tämä johtuu useista syistä:

• Kiina, joka on johtava uusiutuvien energialähteiden kapasiteetin ja sähköautojen siirtymän edelläkävijä, on myös johtava hiilivoimaloiden rakennusmahti.
• Suurin osa ensisijaisesta energiankulutuksesta ei ole sähköntuotantoon käytetty. Sen sijaan suurin osa energiankulutuksestamme tulee liikenteestä, lämmityksestä ja teollisista käyttökohteista kuten teräksen tuotannosta ja petrokemikaaleista (lannoitteiden, muovien, lääkkeiden, kemikaalien tuotanto jne.).
• Väestönkasvu ja miljardien ihmisten nouseminen äärimmäisestä köyhyydestä ovat johtaneet kasvavaan energiankulutukseen, jossa halvin saatavilla oleva vaihtoehto on usein hiili. Samoin lisääntynyt lihankulutus, ilmastointi, autot, lentomatkustaminen jne.
• Talouden globalisaatio, joka johtaa paljon suurempaan tavaroiden kuljetukseen, mukaan lukien moninkertaiset raaka-aineiden, puolivalmistettujen osien ja lopputuotteiden kuljetukset edestakaisin.
• Maatalouden teollistuminen, joka lisää satoja ja vähentää tarvittavaa työvoimaa, mutta myös lisää fossiilisten polttoaineiden ja lannoitteiden kulutusta.

Kenelle tahansa ilmastonmuutoksesta ja hiilidioksidipäästöistä huolestuneelle tämä voi luoda masentavan näkymän, jossa fossiiliset polttoaineet ovat lujasti juurtuneet globaaliin energiamiksaamme. Mutta tämä ei myöskään ole koko kuva.

Käynnissä oleva muutos

Vuodesta 2016, jolloin se oli vain hieno teoria, sähköautot (EV) ovat nyt eksponentiaalisesti kasvava osa maailmanlaajuisista myynneistä, yli 10 miljoonaa sähköautoa myyty vuonna 2022, eli 14 % maailmanlaajuisista myynneistä, ja Kiina sekä Eurooppa johtavat kehitystä.

Lähde: IEA

Uusiutuvan energian osuus (vesivoima + aurinko + tuuli + geoterminen) kasvaa myös nopeasti. Ja vaikka jotkut maat ovat olleet pitkään korkealla listalla massiivisten vesivoimavaroiden (kuten Norja, Brasilia tai Kanada) vuoksi, todellinen muutos tapahtuu aurinko- ja tuulivoimassa.

Lähde: Our World In Data

Maakohtainen tarkastelu osoittaa selkeän käännekohdan vuonna 2010, jolloin uusiutuvat energialähteet usein kaksinkertaistuivat, yleensä täysin aurinko- ja tuulivoiman kasvun johdosta. Esimerkiksi Kiina ja Australia:

Lähde: OurWorldInData

Lähde: OurWorldInData

Uusiutuvan energian kustannusten jyrkkä lasku on ollut merkittävä tämän muutoksen ajuri. Teknologisen innovaation ja teollisen tuotannon mittakaavan kasvun tasapuolinen vaikutus on tehnyt uusiutuvista energialähteistä yhä kilpailukykyisempiä. Vähintään paperilla uusiutuvat energialähteet vaikuttavat nyt halvemmilta kuin fossiiliset polttoaineet (lisää alla), kuten IRENA:n (International Renewable Energy Agency) mukaan on osoitettu.

Lähde: IRENA

Haasteet

Viime vuosina on alkanut ilmetä outo tilanne. Uusiutuvien energialähteiden nopeasti laskevat kustannukset ovat vakuuttaneet melko monia ihmisiä siitä, että fossiiliset polttoaineet katoaisivat pian kuin dodo-linnut.

Lähde: Twitter/X

Mutta viime vuosina muutama makrotaloudellinen shokki ovat asettaneet tämän ajatuksen kyseenalaiseksi. Ukraina-sota aiheutti massiivista inflaatiota ja sai esimerkiksi Saksan palaamaan hiilen käyttöön.

Ja sama inflaatio on vakavasti heikentänyt suunniteltujen uusiutuvien hankkeiden kannattavuutta. Suuria merituulivoimahankkeita on peruutettu, aurinko‑ ja tuuliyhtiöiden osakekurssit ovat romahtaneet – tämä on ollut kivulias kausi. Lue lisää artikkelissamme “The 2023 Renewable Energy Crash“.

Myös sähköautojen myynti on kyseenalaistettu, kun suuret valmistajat, kuten GM, Ford tai Honda, ovat viivästyttäneet tai peruneet EV‑strategiansa.

Uusiutuvien energialähteiden epäsäännöllisyys

Yksi keskeinen ongelma, joka täytyy ratkaista, on energian varastointi. Tuuli‑ ja aurinkotuotanto riippuu säästä ja voi olla ajallisesti erillään kysynnästä. Tämä on ongelma sähköverkossa, joka vaatii “just‑in‑time” -tuotantoa ja välitöntä täydellistä tasapainoa tuotannon ja kysynnän välillä.

Mahdollisia vaihtoehtoja on paljon, mutta teknologiat ovat joko vasta alkamassa tai eivät ole vielä saaneet riittävää mittakaavaa. Tämä johtaa energian ylijäämään päivällä ja/tai kesällä sekä puutteeseen yöllä ja/tai talvella.

Ongelma ei ole ratkaisematon, mutta se vaatii hyvin koordinoituja politiikkoja ja lisää investointeja sähköverkkoihin.

Ja rehellisesti sanottuna on myös myönnettävä, että uusiutuvien “todelliset” kustannukset tulisi sisällyttää energian varastoinnin kustannuksiin. Uusiutuvat eivät välttämättä ole vielä täysin halvempia kuin fossiiliset polttoaineet, ainakin kun ne muodostavat suuren osan maan sähköntuotannosta.

Akkurajoitukset

Huoli siitä, että sähköautojen käyttöönotto pysyy aikataulussa, johtuu samankaltaisista teknologisista rajoituksista. Vaikka varhaiset omaksujat hyväksyivät suuremmat alkuinvestoinnit, lyhyemmän toimintasäteen tai hitaamman latausajan verrattuna polttomoottoriajoneuvoihin, muut ostajat eivät välttämättä ole. Litiumin niukkuus, joka nostaa valkoisen metallin hintaa, aiheutti myös huolia.

Onneksi uusia akkuteknologioita on tulossa pian, kiinalaisista natrium‑ioni‑akuista kiinteän tilan akkuun, joiden odotetaan alentavan sähköautojen hintoja ja poistavan oikeutettuja huolia, kuten toimintasäde‑ahdistusta tai paloriskejä.

Vaikeasti siirrettävä energiakysyntä

Jotkin energiankulutukset ovat yksinkertaisesti vaikeita siirtää pois fossiilisista polttoaineista. Esimerkiksi pitkän matkan laivaliikenne vaatii edelleen erittäin tiheää nestemäistä polttoainetta. Lentäminen vaatii myös erittäin korkean energian tiheyden lähteen, jota akut eivät toistaiseksi pysty tarjoamaan. Suurin osa muovintuotannosta perustuu öljyyn, lannoitteet kaasuun ja teräs koksihiekkaan.

Myös näissä on ratkaisuja, mutta ne ovat vielä kypsymättömiä teknologioita eivätkä ole globaaleja.

Mullistavat teknologiat

Todennäköiset mullistajat

Melko monta ratkaisua on jo käsillä auttamaan uusiutuvien ja vähähiilisten teknologioiden kasvun käynnistämisessä.

Ydinvoiman innovaatiot

Ydinenergia on edelleen kiistanalainen, mutta se on silti vähähiilinen teknologia joka voi olla tarpeen siltaamaan kuilu kohti uusiutuvilla energialla ohjattua tulevaisuutta.

Pienet ydinreaktorit (SMR) ovat toinen sektori, joka on äskettäin kärsinyt huonoista uutisista kustannusten nousun vuoksi, mikä liittyy globaaliin inflaatioon. Joka tapauksessa ydinteknologia on läpimurron äärellä, uusia turvallisempia malleja kehitetään pienempiin reaktoreihin (SMR‑t ja mikroreaktorit), tai jopa uusiin polttoaineisiin kuten toriumiin. Sillä välin Kiina rakentaa 24 uutta suurta ydinreaktoria ja suunnittelee yhteensä jopa 150 reaktoria.

Paremmat uusiutuvat energialähteet

Uusiutuvien kustannusten lasku fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna näyttää pysyvän kestävänä trendinä. Tämä pätee erityisesti aurinkoon, jossa on innovaatioita kuten ohutkalvokennot tai kolmannen sukupolven aurinkokennot (amorfinen pii, orgaaniset polymeerit tai perovskiittikiteet).

Hyötykäyttöön suunnatut akkuprojektit auttavat myös, ja kapasiteetti kolminkertaistuu vuoteen 2025 mennessä.

Lähde: EIA

Kiinteän tilan akut

Kaikki, jotka työskentelevät akkuteknologian parissa, tietävät, että kiinteän tilan akut, jotka eivät vaadi nykyisten litiumakkujen nestemäisiä elektrolyyttejä, tulevat mullistamaan alaa. Monet yritykset puhuvat omien kiinteän tilan akkuversioidensa lanseeraamisesta jo vuosina 2026‑2029. Näihin kuuluvat QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) ja Samsung SDI (006400.KS). Tesla (TSLA) kehittää puolestaan omaansa vaihtoehtoista kiinteän tilan akkua.

Spekulatiivinen mullistaja

Muut teknologiat ovat vähemmän kehittyneitä, mutta vieläkin lupaavampia, ja ne todennäköisesti määrittelevät energiamme vuosina 2040‑2050 ja sen jälkeen.

Ydin‑surgeneraattorit

Suuri huolenaihe ydinvoimaloissa on ydinjätteet. Surgeneraattorit (tai “breeders”) voivat kuluttaa näitä ydinjätteitä ja muuttaa ne takaisin sähköksi ja ydinpolttoaineeksi. Tämä voisi tehdä saatavilla olevasta ydinpolttoaineesta lähes rajattoman ja vähentää merkittävästi ydinjätteiden ongelmaa. Lisäetu on, että teknologia ei ole oikeastaan uusi, koska sitä käytettiin Ranskassa vuoteen 1997 asti, joten se on spekulatiivinen poliittisten vaikeuksien vuoksi.

Avaruuspohjainen aurinkoenergia

Aurinkoenergian tuottaminen kiertoradalla ratkaisisi kerralla kaikki aurinkoenergian ongelmat: ei epäsäännöllisyyttä, ei pilviä, ei tuotannon laskua talvella. Kun avaruusperusteinen internet on äkkiä todellisuutta Starlinkin avulla, tämä ei ole enää niin epätodennäköistä.

Se on aihe, jota tutkittiin tarkemmin artikkelissamme “From Sci‑Fi to Sky‑High: Are Orbiting Solar Panels a Bright Idea?”.

Geoterminen energia

Tähän mennessä enimmäkseen laiminlyötty uusiutuvan energian lähde, joka pystyy tarjoamaan peruskuormituksen 24/7, on geoterminen energia. Tämä on vihdoin muuttumassa, yritysten kuten Vulkan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA) ja Eavor ansiosta. Nämä yritykset, hieman ironisesti, hyödyntävät öljyteollisuuden poraus‑ ja hydraulisen halkeilun edistysaskeleita maapallon lämpölähteiden hyödyntämiseen. (Käsittelimme Ormattässä artikkelissa ja Vulkantässäkin.)

Synteettiset polttoaineet

Uusiutuvista (tai jopa ydin‑) energioista tuotettua sähköä voidaan käyttää kaasujen tai nestemäisten polttoaineiden synteesiin. Tämä sisältää vedyn, ammoniakin, syngasin tai synteettiset polttoaineet.

Toinen vaihtoehto synteettiselle polttoaineelle voisi olla biologian hyödyntäminen ja mikrolevien käyttö bio‑polttoaineiden tuottamiseen (katso “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?”) tai bio‑fermenttoreiden käyttö biokaasun ja biometaanin tuottamiseen jätteellisestä orgaanisesta aineesta.

Nämä polttoaineet voitaisiin sitten käyttää lentokoneissa, laivoissa ja muissa sovelluksissa, jotka vaativat joko erittäin tiiviä polttoainetta tai erittäin korkeita palamislämpötiloja (kuten teräksen valmistus).

Fuusio

Fuusiovoima pyrkii tuottamaan energiaa yhdistämällä kevyitä alkuaineita, kuten vetyä, jäljitellen Maassa aurinkoa itse energian lähteenä. Lämpötilat vaihtelevat miljoonista satoihin miljooniin asteisiin, mikä tekee siitä valtavan teknologisen haasteen.

Se tarjoaisi myös puhdasta energiaa, eikä tuottaisi hiilidioksidia eikä ydinjätteitä, ja sillä olisi “polttoaineen” ääretön määrä, sillä vety on yleisin atomi universumissa.

Suurin fuusiaprojekti on kansainvälinen tutkimusyhteisö ITER, ja useat startup‑yritykset pyrkivät myös toteuttamaan ydinfuusion unelman, mukaan lukien Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy sekä NEO Fusion (kiinalaisen EV‑valmistajan Nion rahoittama).

Tulevaisuuden energiamiksaus(t)

Vaikka pitkällä aikavälillä ne vaikuttavat lupaavilta, tarkastelemme pääasiassa mahdollisia energiamiksausja ilman yllä käsiteltyjä “spekulatiivisia mullistajia”, kun katsomme horisonttia vuoteen 2040.

EIA (Energy Information Administration) on julkaissut useita skenaarioita, riippuen talouskasvusta ja vähähiilisen teknologian omaksumisesta tai sen puutteesta.

Useimmissa tapauksissa energian käyttöä odotetaan kasvavan, ja fossiiliset polttoaineet muodostavat edelleen suurimman osan maailman energiasta vuoteen 2050 mennessä. Tämä on projektiota, jos lakeja ei muuteta ja energiansijoitukset pysyvät nykyisen trendin mukaisina.

Lähde: EIA

Liiketoiminta kuten ennen

Tämä on masentava skenaario kaikille, jotka seuraavat ilmastonmuutosta. Se olettaa, että hiili, kaasu ja öljy pysyvät seuraavan kahden vuosikymmenen ajan energiajärjestelmämme hallitsevana voimana ja tuottavat suurimman osan energiastamme.

Tämä ei ole kaukana mahdottomasta, kuten Saksan äskettäinen paluu hiileen osoittaa, vaikka maa on aiemmin laajalti nähty uusiutuvien energialähteiden ja energiasiirtymän edelläkävijänä.

Korkean teknologian tie

Toinen vaihtoehto on, että yhteiskuntamme omaksuvat teknologisen muutoksen energian alalla. Tämä sisältää uusiutuvat energialähteet, mutta myös massiivisen ydinvoiman, todennäköisesti sekä perinteisiä että pienempiä tyyppejä samanaikaisesti.

Tämä on skenaario, jossa fossiilisten polttoaineiden sähköntuotanto joko hinnoitellaan pois parempien vaihtoehtojen vuoksi tai kielletty kokonaan lailla.

Se on myös skenaario, jossa sähköautot omaksutaan nopeasti, todennäköisesti uusien akkuteknologioiden ansiosta.

Kun ydinvoima tuottaa peruskuormituksen ja talvikaapasit, uusiutuvat voivat hallita ylijäämäntuotantoa nestemäisten polttoaineiden osalta lentämisen, laivaliikenteen ja raskaan teollisuuden hiilineutraaliuden edistämiseksi.

Alhaisen kulutuksen tie

Kun otetaan huomioon kehittyvien maiden, mukaan lukien Kiina, Etelä-Amerikka, Afrikka, Intia ja Indonesia, energian nälkä, tämä skenaario ei vaikuta kovin todennäköiseltä.

Jollain tavalla se edellyttäisi “valintaa” todellista de‑kasvua, ja todennäköisesti keskimääräistä elintason laskua, erityisesti vähemmän matkustamista ja kansainvälistä kauppaa. Maatalous de‑industrialisoi jossain määrin, teollinen toiminta vähenee, ja taloudet muuttuvat paljon paikallisemmiksi.

Tällainen skenaario tulisi todennäköisesti nähdä rinnakkain massiivisten kansainvälisten jännitteiden, sodan tai globaalin laman kanssa, mikä selittää äkillisen taloudellisen toiminnan vähenemisen, sillä vapaaehtoinen tuotannon vähentäminen vaikuttaa epätodennäköiseltä sekä demokraattisissa että autoritaarisissa maissa.

Hämärä läpikulku -skenaario

Tämä on skenaario, jossa kaikki tapahtuu samanaikaisesti. Fossiiliset polttoaineet ovat lievästi vähenemässä, mutta eivät täysin poistuneet. Hiili on yleisesti ottaen poistumassa, mutta öljy ja kaasu eivät niin paljon. Jotkut maat panostavat ydinvoimaan, toiset uusiutuviin, ja jotkut jatkavat liiketoimintaa kuten ennen.

Sähköistäminen ja hiilineutraalius tapahtuvat, mutta hitaammin kuin toivotaan. Hiilidioksidipäästöt pysyvät tässä skenaariossa paljon yli GIEC:n nettonollapäästöjen skenaarion, jonka tavoitteena on pitää globaalit lämpötilat noususta kurissa.

Tämä ei poikkea merkittävästi yllä mainituista EIA‑skenaarioista. Myöhemmin hiilidioksidin talteenottoa voidaan käyttää hiilineutraaliuden nopeuttamiseen ja menneiden päästöjen kääntämiseen.

Läpimurto‑skenaario

Energiantuotannon läpimurto on tapahtunut, mikä mahdollistaa runsaan energian ja ratkaisu voidaan nopeasti ottaa käyttöön kaikkialla maailmassa.

Se voisi olla radikaali lasku kiertoradan aurinkoinfrastruktuurissa uuden avaruuskilvan myötä SpaceX:n ja kiinalaisten yritysten välillä.

Tai massiivinen menestys ITER:lle lanseerauksessa vuosina 2025‑2026.

Tai mullistavat uudet suunnittelut aurinko‑ ja akkuteknologiassa.

Tällaiset muutokset ovat luonteeltaan lähes mahdottomia ennustaa tai kvantifioida. Mutta niitä ei myöskään tulisi täysin sivuuttaa.