Sektorskoppling – Så integreras förnybar energi i full skala del 1/2

(C)IEA

Mer om de viktigaste utmaningarna med förnybar energi och hur vi kan tillämpa den i alla sektorer.

Av Michael Jensen, energijournalist, Köpenhamn

I ett globalt samhälle baserat på fossila bränslen träffas vi av flera faktorer som hindrar den långsiktiga användningen av dem: Vi ökar atmosfärens koldioxidhalt, accelererar globala uppvärmningen och vi kommer så småningom att ta slut dessa fossila bränslen. Slutligen kommer extraktionskostnader samt kostnader från klimatpåverkandet att bli mycket större än det värde vi skapar genom att använda dem.

”Sektorskoppling” är ett koncept och tänkande, som strävar mot att ersätta fossil energiförbrukning genom att tillämpa och använda förnybar energi i full skala i alla samhällssektorer.

 

Utmaningen
I princip är övergången från fossila bränslen till förnybar energi en kamp för att säkra nuvarande levnadssätt och moderna bekvämligheter medan klimatförändringen och negativa påverkan av jordens ekosystem förhoppningsvis kan stoppas.

Människornas relativt bekväma och säkra liv bygger på massiv energianvändning som vi under de senaste århundradena har förvärvat främst genom att utvinna kolväten som kol, olja och gas från jordskorpan (med undantag för biomassa, vatten- och kärnkraft).

Ökande energibehov som möjliggör att vi ständigt förbättrar levnadsstandarden, hälsa och materiella förmögenheter globalt har vi ganska enkelt mött genom att öka utvinningen.
 

bild
Total primär energiförsörjning i kiloton oljeekvivalenter efter källa, världen 1990–2017. (iea 2020)

Klimatförändringarna förändrade allt

Tills för några decennier sedan trodde de flesta av oss att fossila bränslen kunde tjäna våra energibehov för århundraden framöver och trots tidiga varningar från klimatforskning förblev vi skeptiska, att våra massiva CO2-utsläpp verkligen kan förändra klimatet på en hel planet och i slutändan äventyra den som en stabil livsmiljö för det mesta liv som vi känner till det. Idag är det bevisat bortom allt tvivel, att användningen av fossila bränslen inte kan fortsätta och ska fasas ut helt och hållet inom närmaste decennierna.

 

födelsen av förnybara energikällor

bild

 

 

Ursprungligt uppstod storskalig utnyttjande av icke-fossila energikällor från knapphetsbekymmer (skulle det finnas tillräckligt kol, gas och olja?). Dessutom från bekymmer för miljöpåverkan från fossil bränsleutvinning och förbränning, inte så mycket klimateffekterna av dessa. På grund av förbättrade explorations- och extraktionstekniker vet vi, att redan de kända reserverna av fossila bränslen räcker i århundraden mer, så knapphet är egentligen inte frågan längre. Klimatförändringarna är dock, och vi måste som sagt lämna fossila bränslen bakom oss.
 

De (välkända) frågorna om förnybar energi

Under några decennier har vi nu arbetat med att upprätta alternativ till fossila bränslen men fram till nyligen med begränsad framgång, främst på grund av kostnaden för produktion och etablering, svårigheter att skala, intermittenta produktionsmönster och den levererade energiprodukten; främst el. Elen ansluter till en annan svårighet, nämligen lagring för att jämna ut variationer i produktionen på kort sikt och långvarig lagring för senare användning, till exempel under kalla årstider.

 

bild
foto: Pixabay

 

 

bild
Hornsdale power reserve - batterilager, Australien. (foto: arena)

 

Nuvarande status är att vi har övervunnit två av ovanstående hinder; kostnad och skala - men vi kämpar fortfarande med energiprodukten eftersom

det bara finns så mycket el, vi kan integrera i vår nuvarande slutanvändning av energi. Bland energislutanvändningar är transport, uppvärmning, kylning, belysning, industriell bearbetning och tillverkning, mekaniskt arbete såsom byggeri, gruvdrift, jordbruk och så vidare.

Den intermittenta naturen av förnybar energi kan vi tillmötesgå genom att lagra energin, eller när vi är i överskott omdirigera den till andra användningar eller geografier. Vi kämpar fortfarande med tillräcklig lagring för att säkra utökad basbelastningskapacitet när vinden är låg och solen inte skiner. Vattenkraft, kärnkraft och termiska kraftverk spelar fortfarande en viktig roll för att säkerställa basbelastning när sol- och vindproduktion är otillräcklig.

Vi vill ersätta nuvarande förbränning av fossila bränslen i termiska kraftverk med förnybar el genom att ta itu med dess intermittens via lagring och omdirigera det när vi har mer än vi kan använda. I Danmark tx, för att säkra basbelastningskapacitet, och med frånvaron av egen vattenkraft och kärnkraft, har man valt att ”gröna” existerande och nya termiska kraftverk genom att ersätta kol med biomassa, det senare främst i form av flis, pellets och andra skogshärledda biomassaprodukter. Att göra det är inte utan problem och den långsiktiga hållbarheten av denna strategi kritiseras allt mer av experter, som jag kommer att diskutera lite längre ner.

I korthet är vår utmaning i att lämna fossila bränslen: elektrifiering av så många energianvändningar som möjligt, lång och kortsiktig energilagring och hur man försörja oelektrifierbara slutanvändningsområden med CO2-neutrala energibärare, främst brännbara, tillverkat från el eller i hållbar utsträckning från biomassa.

 

Uppvärmning och kylning är 40 procent av den slutliga energiförbrukningen

För att illustrera ett fall av elektrifieringspotential, låt oss titta på byggnadssektorn. Upphettning (inklusive varmvatten), kylning och ljus i byggnader absorberar så mycket som 40% (EU1 2020) av all energislutanvändning och medan kylning och belysning övervägande är elektrifierad idag, är upphettning i ett globalt perspektiv mestadels baserat på någon form av förbränning av fossila bränslen.
Detta kan vara gas, kol eller olja som används i en panna inuti byggnaden, eller värme som överförs via ett fjärrvärmesystem från en central värmekälla som en kombinerad kraft- och värmeanläggning som drivs med kol eller naturgas, förutom naturligtvis kraftverk eldade med biomassa som tidigare nämnts. Dock spelar biomassa i form av ved, pellets och flis fortfarande en roll för rymduppvärmning i många privata hem och vissa kommersiella byggnader som en primär eller kompletterande värmekälla. I Sverige är el den dominerande uppvärmningsform i småhus, medan biomassa finns på en andraplats täckande en tredjedel av all uppvärmning (Energimyndigheten 2017). I Danmark använder ungefär 25% av alla småhus fortfarande en vedspis som en primär eller kompletterande värmekälla (ENS 2017). I EU är mer än 70 miljoner fastbränsle-enheter fortfarande i bruk varav de flesta är vedspisar som används för bostadsuppvärmning. (Deutsche Umwelthilfe 2016).

På globalt och europeisk plan finns en enorm potential för elektrifiering av rums- och vattenuppvärmning med användning av värmepumpar antingen på byggnadsnivå eller via stora fjärrvärmepumpar. I länder som Sverige och i synnerlighet Norge med en stor andel billig CO2-neutral vattenkraft-el har individuella luft- och geotermiska värmepumpar på byggnadsnivå blivit den dominerande formen för rums- och vattenvärme.

I länder som Danmark med stora fjärrvärmenät ser vi nu utrullningen av centrala geotermiska värmepumpar som drivs med el. Den största fördelen med värmepumpar är, att de levererar upp till tre gånger energivärdet för elen som används genom att multiplicera värme som utvunnits från luft, vatten eller marken. Detta gör dem extremt effektiva energiomvandlare. Många av luft-till-luft-värmepumpar som används för rumsuppvärmning i enskilda byggnader kan också vändas till kylning, vilket kan vara bekvämt på sommaren. En annan fördel med värmepumpar är att de inte har några utsläpp i användningskontexten.

Biomassa och avfall

Inom europeiska el och värmesektorn finns en växande trend att ersätta kol med biomassa och i begränsad utsträckning naturgas med biogas. Biobränslen som används i transport ligger omkring 3,5% globalt och förväntas stiga till 10% år 2030 (IEA2 2020). Först och främst kan det totala energibehovet i uppvärmningssektorn eller någon annan större sektor inte fullständigt tillgodoses av biomassa. I de flesta länder det räcker helt enkelt inte till och hållbarheten för biomassa som används i detta syfte är tveksamt när det gäller markanvändning, biodiversitetsfrågor och till och med koldioxidutsläpp sedan förbränning av biomassa faktiskt släpper ut mer koldioxid per levererad energienhet än fossil kol. (Sterman et al, 2018)

bild
Energiproduktion i petajoule från biomassa i Danmark. Mer än 2/3 av all förnybar energiförbrukning i Danmark är biomassabaserat. Mer än 37% (2018) av denna biomassa importeras, primärt från baltiska länderna och Nordamerika. Inte all biomassa används i termiska kraftverk, ungefär 25% används i privata hus och näringslivets byggnader, primärt som ved och pellets. Användningen av biomassa i Danmark kritiseras allt mer av energiexperter som ohållbar. Teckenförklaring: mörkgrön: inhemsk biomassa, ljusgrön: importerad biomassa, orange linje: total inhemsk konsumtion av förnybar energi. Källa: Danmarks statistik (2019)

 

Antagandet bakom användningen av biomassa för energisyften är att det är nära CO2-neutralt eftersom dess kolinnehåll härrör från den atmosfäriska koldioxid som växterna binder under odlingen. När det gäller trä, som är det dominerande biobränslet, är återvinningsperioden innan den utsläppta koldioxiden kompenseras i skogar igen flera årtionden och kan vara upp till århundraden, beroende på vilken typ av ved som används.

 

bild
Energibalansen Sverige 2016 (Energimyndigheten 2018)

En så lång återvinningsperiod kommer inte att fungera, vi måste lösa vårt utsläppsproblem här och nu och har inte råd att upprätthålla eller öka våra klimatförändrande utsläpp oavsett om de härrör från biomassa eller fossila bränslen. Medan biomassa anses vara ett lågutsläpp-bränsle av regeringar och internationella miljöregleringsinstitutioner, bör dess användning begränsas till applikationer som inte kan bli helt elektrifierade, såsom vissa bränslen för förbränningsprocesser inom industrin, vissa transporttillämpningar och framställningen av polymerer i plaster och kompositer.

I Sverige utgör biobränslen med 23% av all slutlig energianvändning ungefär samma andel som fossila petroleumprodukter (Energimyndigheten 2018).