Vår framtida energimix

Att förutse framtidens energisystem

Få frågor är lika komplexa och viktiga som samhällets framtida energimix. Vissa anser att beroendet av fossila bränslen är omöjligt att bryta, medan andra tror att förnybara källor kommer att ta över snabbt. Verkligheten är mer sammansatt, och energins framtid är svår att förutse.

Den här artikeln från 2023 granskar dåtidens situation, möjliga framtidsscenarier och de ekonomiska eller tekniska förändringar som kan göra ett scenario mer sannolikt än ett annat.

Utgångsläget

Ett historiskt mönster i den växande energianvändningen är att nya källor ofta läggs till i energimixen, snarare än att helt ersätta tidigare källor.

Vi använder fortfarande stora mängder biomassa, främst ved, och mer energi än på 1800-talet. Även den absoluta kolanvändningen har ökat kraftigt på lång sikt. Olja, gas, vattenkraft, kärnkraft och andra förnybara källor har till stor del lagts ovanpå. Mönstret utesluter inte att källor ersätter varandra i enskilda länder eller perioder.

Källa: OurWorldInData

Det kan verka överraskande med tanke på framstegen för förnybar elproduktion. Flera faktorer bidrar:

• Kina ledde utbyggnaden av förnybar kapacitet och övergången till elbilar, men också byggandet av nya kolkraftverk.
• El är bara en del av energianvändningen. Transporter, uppvärmning och industri använder också bränslen direkt, exempelvis för stål och petrokemikalier till gödsel, plast, läkemedel och andra kemikalier. Primärenergi och slutligt använd el är olika storheter.
• Befolkningstillväxt och att miljarder människor lämnat extrem fattigdom har ökat energibehovet. Kol har ofta varit ett billigt tillgängligt alternativ. Mer köttkonsumtion, luftkonditionering, biltrafik och flygresor bidrar också.
• En globaliserad ekonomi kräver fler godstransporter, inklusive upprepade förflyttningar av råvaror, halvfabrikat och färdiga produkter.
• Industrialiseringen av jordbruket höjer avkastningen och minskar arbetskraftsbehovet, men ökar samtidigt användningen av fossila bränslen och gödselmedel.

För den som oroar sig för klimatförändringar och koldioxidutsläpp kan detta verka dystert: fossila bränslen har en stark ställning i den globala energimixen. Men det är inte hela bilden.

Den pågående förändringen

Elbilar fanns kommersiellt redan 2016. Försäljningen växte sedan snabbt: enligt IEA såldes över tio miljoner elbilar 2022, cirka 14 procent av den globala nybilsförsäljningen. Siffran omfattar batterielbilar och laddhybrider. Kina och Europa ledde utvecklingen.

Källa: IEA

Andelen förnybar energi från vatten, sol, vind och geotermi växer också. Vissa länder, exempelvis Norge, Brasilien och Kanada, har länge haft en hög andel tack vare stora vattenkraftsresurser. Sol och vind driver mycket av den nyare förändringen.

Källa: Our World In Data

De visade landsserierna pekar på tydlig tillväxt från omkring 2010, med stora ökningar under de följande åren. I exempelvis Kina och Australien bidrog främst sol- och vindkraft. Det betyder inte att andelen fördubblades enbart under 2010.

Källa: OurWorldInData

Källa: OurWorldInData

En viktig drivkraft har varit lägre kostnader genom tekniska framsteg och större industriell produktion. IRENA visade 2023 att många nya projekt för förnybar el var billigare än fossila alternativ, enligt organisationens kostnadsdata (International Renewable Energy Agency). Det gäller produktionskostnader, inte automatiskt alla kostnader i ett helt elsystem.

Källa: IRENA

Utmaningarna

Under åren före artikeln hade snabbt fallande kostnader fått många att tro att fossila bränslen snart skulle bli lika ovanliga som den utdöda dronten.

Källa: Twitter/X

Energikrisen kring kriget i Ukraina ökade trycket på priser och försörjning. Tyskland använde tillfälligt mer kolkraftskapacitet för att minska beroendet av rysk gas. Det innebar inte att hela energiomställningen återkallades.

Inflation, finansieringskostnader och problem i leveranskedjorna försämrade lönsamheten i planerade förnybara projekt 2023. Stora havsvindprojekt ställdes in och aktiekurser i sol- och vindkraftsbolag föll. Läs mer i artikeln ”Nedgången för förnybar energi 2023”.

Även tidsplanen för elbilsomställningen pressades av uppskjutna eller ändrade projekt och samarbeten hos tillverkare som GM, Ford och Honda. Det innebar inte att samtliga elbilsstrategier eller den globala försäljningstillväxten hade upphört.

Vind- och solkraftens varierande produktion

Vind- och solkraft är väderberoende och producerar inte alltid när efterfrågan finns. Elnätet måste hela tiden balansera produktion och förbrukning. Lagring är ett verktyg, tillsammans med nätförbindelser, flexibel efterfrågan och reglerbar produktion.

Vissa lagringsmetoder, som pumpkraft, är väletablerade. Andra former av långtidslagring var fortfarande begränsat utbyggda. Utan tillräcklig flexibilitet kan det uppstå både överskott och underskott, beroende på klimat, energimix och elnät.

Problemet går att hantera, men kräver samordnad politik och större investeringar i elnäten.

En jämförelse mellan energisystem måste även ta med lagring, nätutbyggnad och andra integrationskostnader. De blir särskilt viktiga vid stora andelar varierande vind- och solproduktion. Om ett system är billigare än ett fossilt alternativ beror på lokala förhållanden, inte bara produktionskostnaden.

Begränsningar för batterier

Elbilarnas fortsatta spridning påverkas av inköpspris, räckvidd och laddtid. Tidiga köpare kan ha accepterat kompromisser som andra inte vill göra. Tillgången på litium och dåtidens prispress väckte också oro.

Natriumjonbatterier och batterier med fast elektrolyt är exempel på teknik under utveckling. Beroende på konstruktion kan de förbättra kostnad, räckvidd, laddning eller säkerhet. De undanröjer inte automatiskt alla frågor om räckvidd och brandrisk.

Användningsområden som är svåra att ställa om

Vissa användningsområden är svåra att frigöra från fossila bränslen. Exempelvis behöver långväga sjöfart praktiska bränslen med tillräcklig energitäthet. Även flyget ställer höga krav på energitäthet, framför allt på långa sträckor där dåtidens batterier blev för tunga. Många plaster använder olja som råvara, kvävegödsel ofta naturgas och traditionell masugnsbaserad ståltillverkning kokskol.

Alternativ finns också här, men många var ännu under utveckling och långt ifrån globalt införda.

Teknik som kan förändra energisystemet

Mer sannolika tekniska förändringar

Flera lösningar är redan tillgängliga för att stödja tillväxten inom förnybar och annan koldioxidsnål teknik.

Kärnenergiinnovation

Kärnkraft är omdiskuterad men en koldioxidsnål teknik som kan bidra till övergången mot en mer förnybar energiförsörjning.

Även små modulära reaktorer, SMR, mötte 2023 motgångar till följd av stigande projektkostnader. Samtidigt utvecklades nya konstruktioner, bland annat SMR och mikroreaktorer, samt bränslecykler med exempelvis torium. År 2023 hade Kina 24 reaktorer under byggnation, och det rapporterades om långsiktiga planer på upp till 150 reaktorer.

Bättre förnybara energikällor

Solkraft kan gynnas av nya material och produktionsmetoder. Exempel är tunnfilmsceller, bland annat av amorft kisel, och framväxande celltyper med organiska material eller perovskiter. Amorft kisel tillhör inte samma materialkategori som de senare alternativen.

Storskalig batterilagring kan stödja nätet. EIA-prognosen från december 2022 gällde USA: från cirka 9,2 GW förväntad effekt vid slutet av 2022 till 30 GW vid slutet av 2025, mer än en tredubbling. Det var en bedömning utifrån projektplaner, inte ett fastställt globalt utfall.

Källa: EIA

Batterier med fast elektrolyt

Batterier med fast elektrolyt kan ge viktiga förbättringar. År 2023 diskuterades det breda intervallet 2026–2029 för olika utvecklare, inte en gemensam garanterad lansering. Artikeln nämner QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) och Samsung SDI (006400.KS). Toyota siktade då exempelvis på 2027–2028. Tesla (TSLA ) (TSLA) diskuterades i den länkade publikationen för en annan väg till batteriförbättringar; länken bekräftar inte i sig en kommersiell produkt med fast elektrolyt.

Mer spekulativa tekniska förändringar

Andra tekniker var mindre mogna men kunde få stor betydelse på längre sikt. Deras bidrag till energimixen 2040–2050 är osäkert.

Bridreaktorer och återvinning av kärnbränsle

Bridreaktorer kan skapa nytt klyvbart bränsle ur fertilt material. Den länkade beskrivningen av bridreaktorer förklarar principen. Vissa snabba reaktorer kan med upparbetning även återanvända aktinider i använt kärnbränsle. Det kan förbättra resursutnyttjandet och minska vissa avfallsströmmar, men tar inte bort allt avfall eller gör bränslet obegränsat. Frankrike hade sådan erfarenhet, bland annat av Superphénix, som stängdes 1997. Utöver politik återstår frågor om teknik, kostnader, upparbetning och avfallshantering.

Rymdbaserad solenergi

Solenergi från omloppsbana kan minska påverkan av moln och vissa dygns- och säsongsvariationer. Det löser inte automatiskt alla problem: omloppsbana, förmörkelser, byggande, kostnader och säker energiöverföring till jorden måste hanteras. Starlink visar att stora satellitnät går att bygga, men bevisar inte att energiöverföring från rymden är ekonomiskt gångbar.

Vi granskar frågan vidare i artikeln ”Från science fiction till omloppsbana: är solpaneler i rymden en bra idé?”.

Geotermisk energi

Geotermisk energi kan på lämpliga platser ge kontinuerlig värme och el. Företag inom området är Vulcan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA ) (ORA) och Eavor. Branschen använder borrkunskap som bland annat utvecklats i olje- och gasindustrin, men alla använder inte hydraulisk spräckning. Eavor arbetar till exempel med slutna slingor. (Vi beskriver Ormat i den här artikeln och Vulcan i den andra.)

Syntetiska bränslen

El från förnybara källor eller kärnkraft kan användas för att framställa gasformiga eller flytande energibärare, exempelvis vätgas, ammoniak, syntesgas eller syntetiska bränslen.

Biologiska alternativ omfattar mikroalger för biobränslen, som vi tar upp i ”Algbränsle: nästa energirevolution?”, samt biologiska processer som framställer biogas och biometan ur organiskt avfall.

Sådana bränslen kan användas i flyg, fartyg och processer som kräver stor energitäthet eller höga temperaturer, exempelvis ståltillverkning.

Fusion

Fusion frigör energi när lätta atomkärnor förenas. Solen får sin energi genom fusion, även om reaktionerna och förhållandena i jordiska försök skiljer sig. Att hantera temperaturer på miljoner eller hundratals miljoner grader är en enorm teknisk utmaning.

Fusion avger inte koldioxid från förbränning under själva reaktionen. Radioaktivt avfall kan ändå uppstå när neutroner aktiverar konstruktionsmaterial, och tritium är radioaktivt. Deuterium-tritiumfusion kräver särskilda väteisotoper; att producera tritium ur litium är en viktig utmaning. Vanligt väte är alltså inte ett obegränsat, direkt användbart bränsle.

Ett viktigt forskningsprojekt är ITER. Även många unga företag utvecklar fusionsteknik, däribland Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TAE Technologies, ZAP Energy och NEO Fusion (med finansiering bland annat från den kinesiska elbilstillverkaren Nio). ITER är en forskningsanläggning, inte ett kommersiellt elkraftverk.

Möjliga framtida energimixar

Trots möjligheterna på lång sikt utgår följande scenarier fram mot omkring 2040 främst från att de mer spekulativa genombrotten ännu inte har slagit igenom.

Amerikanska Energy Information Administration, EIA, publicerade i International Energy Outlook 2023 ett referensfall och sex alternativ med olika antaganden om ekonomisk tillväxt, bränslepriser och teknikkostnader. De följande berättelserna är artikelns egen indelning, inte EIA:s officiella scenarionamn.

I många EIA-fall fortsätter energianvändningen att växa och fossila bränslen har en stor andel även 2050. Resultaten beror på antaganden och då gällande politik. De är villkorade beräkningar, inte säkra förutsägelser.

Källa: EIA

Fortsatt som vanligt

För den som följer klimatförändringarna är detta ett dystert alternativ. Det antar att kol, gas och olja dominerar energisystemet under de följande två årtiondena och står för merparten av energin.

Tysklands tillfälliga extra kolkraft under energikrisen visade spänningen mellan försörjningstrygghet och klimatmål. Det innebar inte en fullständig återgång till enbart fossila energikällor.

Den högteknologiska vägen

Ett annat alternativ är att samhället satsar på teknisk omställning inom energi: både förnybart och en omfattande utbyggnad av kärnkraft, med konventionella och mindre reaktorer.

I detta scenario konkurreras fossil elproduktion ut av bättre alternativ eller begränsas och förbjuds genom lagstiftning.

Elbilar fortsätter också att spridas snabbt i scenariot, möjligen med stöd av bättre batteriteknik.

Kärnkraft ger i detta scenario reglerbar koldioxidsnål produktion även vintertid. Överskott av förnybar el kan användas för bränslen som minskar utsläpp från flyg, sjöfart och tung industri. Det kräver lämpliga processer och tillräckligt billig el.

Vägen mot lägre förbrukning

Med tanke på det växande energibehovet i Kina, Sydamerika, Afrika, Indien och Indonesien bedömer artikeln att detta alternativ är mindre sannolikt.

Det skulle innebära ett medvetet val att minska produktionen och enligt artikelns bedömning sannolikt lägre genomsnittlig levnadsstandard. Resor och internationell handel minskar, jordbruket blir delvis mindre industrialiserat och ekonomierna mer lokala.

Artikeln kopplar ett sådant plötsligt fall i ekonomisk aktivitet till möjlig internationell spänning, krig eller global depression. Författaren bedömer att frivillig produktionsminskning är politiskt osannolik i både demokratiska och auktoritära länder.

Scenariot med gradvis anpassning

Här sker flera utvecklingar samtidigt. Fossila bränslen minskar något men försvinner inte. Kol fasas ut mer än olja och gas. Vissa länder satsar på kärnkraft, andra på förnybart och andra fortsätter på tidigare kurs.

Elektrifiering och utsläppsminskningar går långsammare än önskat. Koldioxidutsläppen ligger tydligt över de nettonollbanor som IPCC undersöker för att begränsa uppvärmningen.

Det liknar på vissa sätt EIA-fallen ovan. Senare kan koldioxidinfångning minska nya utsläpp, medan avskiljning ur atmosfären kan bidra till att avlägsna tidigare utsläppt koldioxid.

Genombrottsscenariot

I detta scenario sker ett genombrott som ger riklig energitillgång och snabbt kan införas över hela världen.

Ett exempel är kraftigt lägre kostnader för solenergiinfrastruktur i omloppsbana genom konkurrens mellan SpaceX (SPCX ) och kinesiska företag. Det är kostnaderna, inte mängden infrastruktur, som skulle minska.

Ett annat exempel är ett stort vetenskapligt genombrott vid ITER. Starten omkring 2025–2026 som nämndes 2023 hörde till en äldre projektplan och innebar inte kommersiell elproduktion. Planen ändrades senare, så den gamla tidpunkten är inte ett aktuellt startmål.

Eller så kommer genombrottet genom nya konstruktioner för solceller och batterier.

Sådana förändringar är till sin natur nästan omöjliga att förutse eller kvantifiera. De bör ändå inte uteslutas helt.