Tulevaisuuden energiamiksaus

Energiajärjestelmien ennustaminen

Tulevaisuuden energialähteiden yhdistelmä on poikkeuksellisen monimutkainen ja tärkeä kysymys. Joidenkin mielestä fossiilisista polttoaineista ei voida irtautua, kun taas toiset odottavat uusiutuvien nopeaa läpimurtoa. Todellisuus on monitahoinen, ja energiajärjestelmän kehitystä on vaikea ennustaa.

Tämä vuoden 2023 artikkeli tarkastelee silloista tilannetta, mahdollisia tulevaisuuden skenaarioita ja niitä taloudellisia tai teknologisia muutoksia, jotka voisivat tehdä yhdestä vaihtoehdosta toista todennäköisemmän.

Missä olemme

Energiankulutuksen kasvuun on liittynyt historiallinen kehityskulku: uudet energialähteet ovat usein tulleet aiempien rinnalle eivätkä korvanneet niitä kokonaan.

Maailmassa käytetään yhä suuria määriä biomassaa, etenkin puuta, ja enemmän energiaa kuin 1800-luvulla. Myös kivihiilen kokonaiskulutus on pitkällä aikavälillä kasvanut. Sen rinnalle ovat tulleet öljy, kaasu, vesivoima, ydinvoima ja muut uusiutuvat lähteet. Eri maissa ja ajanjaksoina uusia lähteitä on silti käytetty myös vanhojen korvaamiseen.

Lähde: OurWorldInData

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

• Kiina johti uusiutuvan energiakapasiteetin rakentamista ja sähköautojen yleistymistä, mutta myös uusien hiilivoimaloiden rakentamista.
• Sähkö on vain osa energiankäyttöä. Liikenne, lämmitys ja teollisuus käyttävät myös suoraan polttoaineita esimerkiksi teräksen, lannoitteiden, muovien, lääkkeiden ja muiden kemikaalien tuotannossa. Primäärienergia ja loppukäyttäjälle toimitettu sähkö ovat eri suureita.
• 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

Sähköautot olivat kaupallisesti saatavilla jo vuonna 2016. Niiden myynti kasvoi voimakkaasti: IEA:n mukaan vuonna 2022 myytiin yli kymmenen miljoonaa sähköautoa, noin 14 prosenttia uusien autojen maailmanlaajuisesta myynnistä. Luku sisältää täyssähköautot ja ladattavat hybridit. Kiina ja Eurooppa olivat kehityksen kärjessä.

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

Kuvioissa uusiutuvan energian osuus kasvaa selvästi noin vuodesta 2010 eteenpäin. Esimerkiksi Kiinassa ja Australiassa kehitystä vauhdittivat etenkin aurinko- ja tuulivoima. Kyse ei ole osuuden kaksinkertaistumisesta pelkästään vuoden 2010 aikana.

Lähde: OurWorldInData

Lähde: OurWorldInData

Kustannusten lasku vauhditti uusiutuvan energian kasvua. Teknologinen kehitys ja suurempi tuotantomittakaava paransivat kilpailukykyä. Monet uudet uusiutuvan sähkön hankkeet olivat vuonna 2023 esiteltyjen IRENA:n tietojen mukaan fossiilisia vaihtoehtoja edullisempia. Vertailu koskee tuotantokustannuksia, ei automaattisesti sähköjärjestelmän kaikkia kustannuksia.

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

Ukrainan sotaan liittynyt energiakriisi lisäsi hinta- ja toimituspaineita. Saksa käytti tilapäisesti enemmän hiilivoimakapasiteettia vähentääkseen riippuvuuttaan venäläisestä kaasusta. Tämä ei merkinnyt koko energiasiirtymän peruuttamista.

Inflaatio, rahoituskustannukset ja toimitusketjujen ongelmat heikensivät suunniteltujen uusiutuvan energian hankkeiden kannattavuutta vuonna 2023. Suuria merituulihankkeita peruttiin ja aurinko- sekä tuulivoimayhtiöiden osakekurssit laskivat. Aiheesta kertoo artikkelimme ”Uusiutuvan energian notkahdus vuonna 2023”.

Sähköautoihin siirtymisen aikatauluihin vaikutti myös se, että GM:n, Fordin ja Hondan kaltaiset valmistajat lykkäsivät tai muuttivat hankkeitaan ja yhteistyösuunnitelmiaan. Tämä ei tarkoittanut kaikkien niiden sähköautostrategioiden tai maailmanlaajuisen myynnin kasvun loppumista.

Tuuli- ja aurinkovoiman vaihteleva tuotanto

Tuuli- ja aurinkovoima riippuvat säästä eivätkä aina tuota sähköä silloin, kun kysyntää on. Verkon tuotannon ja kulutuksen on pysyttävä jatkuvasti tasapainossa. Varastointi auttaa, samoin siirtoyhteydet, kysyntäjousto ja säädettävä tuotanto.

Osa varastointitekniikoista, kuten pumppuvoima, on jo vakiintunutta. Muita pitkäkestoisen varastoinnin ratkaisuja oli otettu käyttöön vasta rajallisesti. Ilman riittävää joustoa voi syntyä sekä yli- että alijäämäjaksoja, joiden ajankohta riippuu paikallisesta ilmastosta, tuotannosta ja verkosta.

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

Energiajärjestelmien kustannusvertailuun on sisällytettävä myös varastointi, verkkoinvestoinnit ja muut järjestelmään liittämisen kustannukset. Niiden merkitys kasvaa etenkin silloin, kun vaihtelevan tuuli- ja aurinkotuotannon osuus on suuri. Edullisuus fossiiliseen vaihtoehtoon verrattuna riippuu paikallisista oloista, ei vain tuotantokustannuksesta.

Akkujen rajoitukset

Sähköautojen yleistymiseen liittyi huolia hankintahinnasta, toimintamatkasta ja latausajasta. Varhaiset ostajat saattoivat hyväksyä kompromisseja, joita muut eivät halunneet tehdä. Myös litiumin saatavuus ja silloiset hintapaineet herättivät kysymyksiä.

Natriumioniakut ja kiinteän elektrolyytin akut ovat esimerkkejä kehitettävistä ratkaisuista. Niillä voi rakenteesta riippuen parantaa kustannuksia, toimintamatkaa, latausnopeutta tai turvallisuutta. Ne eivät kuitenkaan automaattisesti poista kaikkia toimintamatkaan tai palovaaraan liittyviä huolia.

Käyttökohteet, joissa fossiilisista polttoaineista on vaikea luopua

Osassa energiankäytöstä fossiilisten korvaaminen on hankalaa. Esimerkiksi pitkän matkan meriliikenne tarvitsee käytännöllisiä polttoaineita, joilla on riittävä energiatiheys. Myös lentoliikenne vaatii suurta energiatiheyttä, erityisesti pitkillä matkoilla, joille silloiset akut olivat liian painavia. Monet muovit perustuvat öljyyn, typpilannoitteet maakaasuun ja perinteinen masuuniteräs koksihiileen.

Vaihtoehtoisia ratkaisuja on olemassa, mutta moni niistä oli vielä kehitysvaiheessa eikä laajassa maailmanlaajuisessa käytössä.

Mullistavat teknologiat

Todennäköiset mullistajat

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

Ydinvoiman innovaatiot

Ydinenergia on kiistanalainen mutta vähähiilinen tuotantomuoto, joka voi tukea siirtymistä kohti uusiutuviin painottuvaa energiajärjestelmää.

Pienet modulaariset reaktorit (SMR) kohtasivat vuonna 2023 hankekustannusten nousuun liittyneitä takaiskuja. Samalla kehitettiin uusia malleja, kuten SMR-reaktoreita ja mikroreaktoreita, sekä polttoainekiertoja, joissa hyödynnetään esimerkiksi toriumia. Vuonna 2023 Kiinassa oli rakenteilla 24 reaktoria, ja julkisuudessa käsiteltiin pitkän aikavälin suunnitelmia jopa 150 reaktorista. Turvallisuus ja toteutettavuus on arvioitava hanke- ja mallikohtaisesti.

Paremmat uusiutuvat energialähteet

Aurinkovoima voi hyötyä uusista materiaaleista ja valmistustavoista. Esimerkkejä ovat ohutkalvokennot, kuten amorfiseen piihin perustuvat kennot, sekä kehittyvät orgaaniset ja perovskiittikennot. Amorfinen pii ei ole sama materiaaliluokka kuin nämä uudemmat vaihtoehdot.

Sähköverkon mittakaavan akkuvarastot voivat tukea järjestelmää. Artikkelin EIA-lähde oli joulukuussa 2022 julkaistu Yhdysvaltoja koskeva ennuste: vuoden 2022 loppuun odotetusta noin 9,2 GW:n tehosta 30 GW:iin vuoden 2025 lopussa, eli yli kolminkertaiseksi. Se perustui hankesuunnitelmiin, ei todettuun maailmanlaajuiseen kasvuun.

Lähde: EIA

Kiinteän elektrolyytin akut

Kiinteän elektrolyytin akut voivat parantaa akkutekniikkaa. Vuonna 2023 eri kehittäjien yhteydessä käsiteltiin laajaa vuosien 2026–2029 aikaväliä, ei kaikkien yhteistä taattua markkinoilletuloa. Artikkelissa mainitaan QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) ja Samsung SDI (006400.KS). Toyota tavoitteli tuolloin esimerkiksi vuosia 2027–2028. Tesla (TSLA ) (TSLA) mainittiin linkitetyssä julkaisussa toisenlaisen akkujen kehitysratkaisun yhteydessä. Linkki ei itsessään vahvista kaupallista kiinteän elektrolyytin tuotetta.

Epävarmemmat teknologiset läpimurrot

Osa teknologioista oli vähemmän kehittyneitä mutta saattoi tarjota merkittävää pitkän aikavälin potentiaalia. Niiden osuus vuosien 2040–2050 energiajärjestelmästä on epävarma.

Hyötöreaktorit ja ydinpolttoaineen kierrätys

Hyötöreaktorit tuottavat lähtöaineesta uutta halkeamiskelpoista polttoainetta. Linkitetty kuvaus hyötöreaktoreista selittää tätä periaatetta. Tietyt nopeat reaktorit voivat jälleenkäsittelyn avulla hyödyntää myös käytetyn polttoaineen aktinideja. Näin voidaan käyttää raaka-aineita tehokkaammin ja pienentää joitakin jätevirtoja, mutta kaikkea jätettä ei poisteta eikä polttoaine ole rajatonta. Ranskalla oli tästä kokemusta esimerkiksi Superphénixissä, jonka toiminta lopetettiin vuonna 1997. Poliittisten kysymysten lisäksi haasteita ovat tekniikka, kustannukset, jälleenkäsittely ja jätehuolto.

Avaruuspohjainen aurinkoenergia

Kiertoradalta tuotettava aurinkoenergia voisi vähentää pilvien ja joidenkin vuorokausi- ja vuodenaikavaihtelujen vaikutusta. Se ei ratkaisisi kaikkia ongelmia: rata, pimennysjaksot, rakentaminen, kustannukset ja turvallinen energiansiirto Maahan ovat yhä tärkeitä. Starlink osoittaa laajojen satelliittiverkkojen olevan mahdollisia, mutta ei todista avaruudesta siirrettävän energian taloudellisuutta.

Aihetta tarkastellaan lisää artikkelissa ”Tieteiskuvitelmasta kiertoradalle: onko avaruuden aurinkopaneeleissa järkeä?”.

Geoterminen energia

Geoterminen energia voi sopivilla alueilla tuottaa jatkuvasti lämpöä ja sähköä. Alan yrityksiä ovat Vulcan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA ) (ORA) ja Eavor. Ala hyödyntää myös öljy- ja kaasuteollisuuden porausosaamista. Kaikki eivät käytä hydraulista murtamista: Eavorin ratkaisu perustuu suljettuihin kiertoihin. (Käsittelemme Ormatia tässä artikkelissa ja Vulcania toisessa artikkelissa.)

Synteettiset polttoaineet

Uusiutuvalla energialla tai ydinvoimalla tuotetun sähkön avulla voidaan valmistaa kaasumaisia tai nestemäisiä energiankantajia, kuten vetyä, ammoniakkia, synteesikaasua tai synteettisiä polttoaineita.

Biologisia vaihtoehtoja ovat mikrolevistä valmistettavat biopolttoaineet, joita käsitellään artikkelissa ”Leväbiopolttoaine: seuraava energiavallankumous?”, sekä biokaasun ja biometaanin tuottaminen orgaanisesta jätteestä mädättämällä.

Näitä polttoaineita voitaisiin käyttää lentokoneissa, laivoissa ja prosesseissa, joissa tarvitaan suurta energiatiheyttä tai korkeita lämpötiloja, kuten teräksen valmistuksessa.

Fuusio

Ydinfuusiossa energiaa vapautuu kevyiden atomiydinten, kuten vedyn isotooppien, yhdistyessä. Aurinkokin saa energiansa fuusiosta, vaikka maallisten kokeiden reaktiot ja olosuhteet eroavat siitä. Miljoonien tai satojen miljoonien asteiden lämpötilojen hallinta on valtava tekninen haaste.

Fuusioreaktio ei tuota polttamiseen liittyviä hiilidioksidipäästöjä, mutta radioaktiivista jätettä voi silti syntyä rakenteiden aktivoituessa. Tritium on radioaktiivista. Deuterium-tritiumfuusio tarvitsee tiettyjä vedyn isotooppeja, ja tritiumin tuottaminen litiumista on keskeinen haaste. Tavallinen vety ei siis ole sellaisenaan rajaton käyttövalmis polttoaine.

Merkittävä tutkimushanke on ITER. Lisäksi monet nuoret yritykset kehittävät fuusiotekniikkaa, muun muassa Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TAE Technologies, ZAP Energy ja NEO Fusion (jonka rahoittajiin kuuluu kiinalainen sähköautovalmistaja Nio). ITER on tutkimuslaitos, ei kaupallinen sähkövoimala.

Mahdolliset tulevaisuuden energialähteiden yhdistelmät

Pitkän aikavälin mahdollisuuksista huolimatta seuraavissa, noin vuoteen 2040 ulottuvissa skenaarioissa ei pääosin oleteta edellä kuvattujen epävarmempien läpimurtojen toteutumista.

Yhdysvaltain Energy Information Administrationin (EIA) International Energy Outlook 2023 sisältää vertailuskenaarion ja kuusi vaihtoehtoa, joissa talouskasvua, polttoaineiden hintoja ja teknologiakustannuksia koskevat oletukset vaihtelevat. Alla olevat kehityskulut ovat tämän artikkelin omaa jäsentelyä, eivät EIA:n virallisia skenaarionimiä.

Monissa EIA:n skenaarioissa maailman energiankulutus kasvaa ja fossiilisten osuus pysyy suurena vuonna 2050. Tulokset riippuvat oletuksista ja tuolloin voimassa olleesta politiikasta. Ne ovat ehdollisia laskelmia, eivät varmoja ennusteita.

Lähde: EIA

Nykyisen suunnan jatkaminen

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.

Saksan tilapäinen hiilivoiman lisäkäyttö energiakriisin aikana kuvasi toimitusvarmuuden ja ilmastotavoitteiden välistä jännitettä. Se ei ollut koko energiajärjestelmän paluu pelkästään fossiilisiin lähteisiin.

Korkean teknologian tie

Tässä vaihtoehdossa yhteiskunnat omaksuvat uutta energiatekniikkaa. Uusiutuvien lisäksi ydinvoimaa lisätään huomattavasti sekä perinteisillä että pienemmillä reaktoreilla.

Tässä skenaariossa fossiilisiin perustuva sähköntuotanto menettää kilpailukykynsä paremmille vaihtoehdoille tai sitä rajoitetaan ja kielletään lainsäädännöllä.

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

Ydinvoima tarjoaa tässä skenaariossa säädettävää vähähiilistä tuotantoa myös talvella. Uusiutuvan sähkön ylijäämää voidaan käyttää polttoaineiden valmistamiseen lentoliikenteen, merenkulun ja raskaan teollisuuden päästöjen vähentämiseksi. Se edellyttää sopivia prosesseja ja riittävän edullista sähköä.

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.

Tällainen kehityskulku tarkoittaisi tuotannon tietoista supistamista ja artikkelin arvion mukaan keskimääräisen elintason laskua. Matkustamista ja kansainvälistä kauppaa olisi vähemmän, maatalous olisi osin vähemmän teollista ja taloudet paikallisempia.

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.

Vähittäisen sopeutumisen skenaario

Tässä skenaariossa kehitys etenee eri suuntiin samanaikaisesti. Fossiilisten käyttö vähenee hieman, mutta ei lopu. Hiilestä luovutaan laajemmin kuin öljystä ja kaasusta. Osa maista panostaa ydinvoimaan, osa uusiutuviin ja osa jatkaa entiseen tapaan.

Sähköistyminen ja päästövähennykset etenevät toivottua hitaammin. Hiilidioksidipäästöt jäävät selvästi IPCC:n tarkastelemien, lämpenemistä rajoittavien nettonollapolkujen yläpuolelle.

Tämä muistuttaa joiltakin osin edellä kuvattuja EIA:n laskelmia. Myöhemmin hiilidioksidin talteenotto voisi auttaa vähentämään uusia päästöjä, ja ilmakehästä poistaminen voisi vähentää aiemmin kertynyttä hiilidioksidia.

Läpimurto‑skenaario

Energiantuotannossa saavutetaan tässä skenaariossa läpimurto, joka mahdollistaa runsaan energiansaannin ja ratkaisun nopean käyttöönoton eri puolilla maailmaa.

Esimerkki olisi kiertoradan aurinkoenergiainfrastruktuurin kustannusten jyrkkä lasku SpaceX:n (SPCX ) ja kiinalaisten yritysten kilpailun seurauksena. Tarkoitus on kustannusten, ei infrastruktuurin määrän väheneminen.

Toinen mahdollisuus olisi suuri tieteellinen edistysaskel ITERissä. Vuoden 2023 artikkelissa mainittu vuosien 2025–2026 aloitus liittyi vanhaan hankeaikatauluun, ei kaupallisen sähköntuotannon käynnistymiseen. Aikataulu muuttui myöhemmin, joten kyse ei ole nykyisestä aloitustavoitteesta.

Tai läpimurto voisi syntyä uudenlaisesta aurinkokenno- tai akkutekniikasta.

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