Energiasiirtymä sähköistämällä – avain nollapäästöjen maailmaan

Sähköistämisellä tarkoitetaan sellaisten teknologioiden ja prosessien siirtämistä, jotka aiemmin olivat riippuvaisia muista kuin sähköenergialähteistä, kuten fossiilisista polttoaineista, sähkökäyttöisiksi, joita tuotetaan mieluiten uusiutuvista energialähteistä, kuten aurinko-, tuuli- ja vesivoimasta. Tärkein hyöty on kasvihuonepäästöjen väheneminen.

Nollapäästötavoitteiden saavuttaminen vuoteen 2050 mennessä energia-alalla edellyttää kaikkien käytettävissä olevien toimien hyödyntämistä hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. Sähköistämisellä on keskeinen rooli, koska sen ennustetaan olevan alalla tehokkain hiilidioksidipäästöjen vähentämistoimenpide vuosina 2030–2050 ja se on toiseksi tehokkain tuulivoiman ja aurinkosähkön jälkeen vuosina 2022–2030. Se on myös tarpeen, jotta Pariisin ilmastosopimuksessa asetettu 1,5 °C:n raja-arvo voidaan säilyttää ennen 2000-luvun loppua.

Suurin osa sähköistämiseen liittyvistä päästövähennyksistä jsaadaan siirtämällä riippuvuutta fossiilisista polttoaineista uusiutuviin energialähteisiin - ja suurin osa näistä toimenpiteistä toteutetaan nykyisin saatavilla olevilla ja skaalattavissa olevilla teknologioilla.

Hiilineutraaliuden saavuttamiseksi kaikkien teollisuudenalojen on tutkittava useita eri menetelmiä rinnakkain, mukaan lukien tehokkuuden parantaminen, hiilen talteenotto ja varastointi (CCS) ja polttoaineen vaihtaminen vetyyn.

Maailmanlaajuisesti asetettujen ja alueellisesti määrättyjen nollapäästötavoitteiden saavuttaminen edellyttää kasvihuonekaasupäästöjen vähentämistä liikenteessä, lämmityksessä ja teollisuudessa, joissa fossiilisia polttoaineita käytetään nykyisin, eivätkä nämä hiilidioksidipäästöjen vähentämistoimet ole helppoja tai edullisia. Seuraavissa osioissa tuodaan esiin alakohtaisia mahdollisuuksia energiamurroksessa.

Tarkat prosenttiosuudet vaihtelevat alueittain, mutta liikenne on jatkuvasti merkittävä kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttaja fossiilisten polttoaineiden laajan käytön vuoksi. Vaikka sähköistyminen on lisääntymässä kevyissä sähköajoneuvoissa, sen osuus alan kokonaisenergiankäytöstä on alle yksi prosentti, mikä korostaa kasvun mahdollisuuksia kevyissä, keskiraskaissa ja raskaissa ajoneuvoissa.

Kiinalla, Euroopalla ja Yhdysvalloissa on nykyään suurimmat ajoneuvojen ja sähköajoneuvojen markkinat, ja Kiinassa sähköajoneuvojen myynti on kaikista maista suurinta hallituksen vahvan politiikan ja kannustimien sekä kotimaisten öljytoimitusten puutteen vuoksi.

Sähköautoilla on useita negatiivisia markkinoiden ulkoisvaikutuksia, joista merkittävimmät ovat rajallisen latausinfrastruktuurin ja korkeiden alkukustannusten asettamat esteet, joista jälkimmäiset johtuvat ensisijaisesti akkukustannuksista. Sähköajoneuvojen määrän kasvaessa ne voivat myös rasittaa paikallisia sähköverkkoja lisäämällä huomattavasti sähkön kysyntää, mutta tätä voidaan lieventää jonkin verran laajentamalla verkon kapasiteettia strategisesti paikallisen sähköntuotannon avulla aurinkosähköä tuottavien mikroverkkojen avulla tietyissä paikoissa.

Raskaat ajoneuvot kohtaavat lisäesteitä. Esimerkiksi kuorma-autojen suuret hyötykuormavaatimukset asettavat haasteita sähköautojen suunnitteluun akkujen painavuuden vuoksi. Lisäksi kaukoliikenteen harjoittajien on usein ajettava satoja tai tuhansia kilometrejä päivässä, mikä ei välttämättä ole mahdollista, koska latausta tarvitaan usein ja latausinfrastruktuuri ei ole vielä riittävän kehittynyt. Ilman innovaatioita, joilla lyhennetään latausaikoja ja parannetaan akkujen energian ja painon välistä suhdetta, nämä ongelmat rajoittavat raskaiden sähköajoneuvojen mahdollisuuksia korvata suurin osa nykyisistä fossiilisia polttoaineita käyttävistä kuorma-autokannoista. Myös omistamisen kokonaiskustannuksilla on merkitystä, ja vaikka sähkökuorma-autojen käyttö maksaa vähemmän, vaadittava kallis alkuinvestointi voi olla este kuljetusyrityksille.

Lentoliikenteessä sähköistäminen ei yksinkertaisesti ole vaihtoehto, koska koneen liikuttamiseen tarvittava akkujen määrä ja paino olisi valtava. Sen sijaan teollisuus tutkii kestävää lentobiopolttoainetta ja toiminnan optimointia päästöjen hillitsemiseksi.

Rakennukset käyttävät jo nyt sähköä tilojen viilentämiseen, jäähdyttämiseen, valaistukseen ja tietokonelaitteisiin, mutta tilojen ja veden lämmitysjärjestelmissä on mahdollisuuksia, joista monet toimivat propaanilla, maakaasulla tai dieselillä.

Sähköllä toimivia lämpöpumppuja on käytetty vuosikymmeniä kotien tehokkaaseen lämmittämiseen ja viilentämiseen lauhkeassa ilmastossa, mutta niiden tehokas toiminta on pakkasella vaikeaa. Viimeaikaiset innovaatiot, kuten taajuusmuuttajakäyttöinen kompressoritekniikka, mahdollistavat kuitenkin järjestelmän toimivuuden ilmastoissa, joiden lämpötila laskee selvästi alle -12 °C:n (10,4 °F).

Vaikka maalämpöpumpun hyötysuhde on vertaansa vailla, korkeammat pääomakustannukset maakaasuyksiköiden muuntamiseksi voivat olla esteenä. Uudisrakentaminen on usein paras mahdollisuus sähköistää tätä aluetta, koska alkuinvestoinnit ovat oletettavasti suuria joka tapauksessa. Lisäksi ajan mittaan saatavat käyttökustannusten säästöt ja hiilijalanjäljen pienentyminen voivat usein oikeuttaa lisäinvestointeja.

Kaiken kaikkiaan rakennusten sähköistäminen lämpöpumpputeknologialla yhdistettynä puhtaampaan sähköntuotantoon on tärkeä reitti kohti ilmastotavoitteiden saavuttamista.

Teollisuudella on suurelta osin realisoimatonta potentiaalia sähköistää monia laitekantoja, mikä vähentää riippuvuutta fossiilisista polttoaineista, kun ne yhdistetään nollaenergian kanssa. Suurin mahdollisuus sähköistämiseen on matalan lämpötilan lämpöprosesseissa, kuten elintarvikkeiden kuivaamisessa, juomien valmistuksessa, paperinjalostuksessa ja kevyessä teollisuudessa. Tämä sisältää prosessit, joiden on tuotettava lämpöä noin 400 °C:seen (752 °F).

Juomien valmistuksen markkinoilla voidaan sähköistää aikaisempia maakaasu- ja polttoöljykäyttöisiä prosesseja. Valmistusprosesseissa, joissa veden ja höyryn lämmittämiseen on käytetty fossiilisia polttoaineita, voidaan nyt käyttää erikoislaitteita, mukaan lukien mekaaniset höyryn rekompressiohaihduttimet, höyrykuivaimet ja sähkökattilat. Asiantuntijat arvioivat, että yli 50 prosenttia kaikista valmistajien prosessien tehostamiseen kuluttamasta fossiilisesta polttoaineesta voitaisiin korvata sähköllä, mikä edistäisi energiasiirtymää.

Korkeaa lämpötilaa 1 000 °C (1 832 °F) tai yli vaativien teollisten prosessien sähköistysvauhti riippuu uusien sähköteknologioiden kehityksestä, joilla voidaan mahdollisesti korvata laitteita, joilla on pitkä elinkaari teollisuudessa, kuten teräksen ja sementin tuotannossa. Esimerkiksi kehitteillä on valokaariuuneja, jotka pystyvät korvaamaan perinteiset masuunit, jolloin päästöt ovat huomattavasti pienemmät.

Teollisuussektori kokonaisuudessaan tuottaa kasvihuonekaasupäästöjä useiden monimutkaisten reittien kautta. Tämä sisältää epäsuorat - fossiilisista polttoaineista johdetun sähkön kautta - ja suorat päästöt, fossiilisten polttoaineiden polton ja sähköntuotannon paikan päällä, kasvihuonekaasuprosessin sivutuotteiden ja vuotojen lisäksi. Sähköistys voi vähentää päästöjä kaikista näistä lähteistä, vaikka alku- ja käyttökustannukset ovat usein korkeammat.

Sähköistämiseen liittyvissä keskusteluissa on huomioitava akut ja akkutekniikka. Akut ovat elintärkeä osa energiasiirtymää, erityisesti sähköistettyjen mobiilikuljetusten ja verkkoenergianvarastoinnin osalta. Ne voivat tasoittaa ajoittaisten virtalähteiden, mukaan lukien aurinkoenergian ja tuulivoiman, tarjontaa. Akut voivat myös mahdollistaa mobiilin sähköntuotannon laitteisiin ja järjestelmiin, jotka korvaavat pieniä generaattoreita ja staattisia laitos- ja mobiililaitteita.

Uusia akkumalleja on olemassa ja viimeaikoina on saavutettu ​​materiaalitieteen edistysaskeleita, jotka mahdollistavat paremman akkukemian ja tehokkuuden. Yleensä litiumioniakkuja suositaan korkean energiatehokkuuden ja pitkän käyttöiän vuoksi muihin materiaaleihin verrattuna. Nämä akut ovat hyötyneet mittakaavaeduista, ja kyseinen tekniikka ovat tällä hetkellä ensisijainen verkkoenergian varastoinnissa.

Akku koostuu anodista, katodista, erottimesta, elektrolyytistä ja kahdesta virrankerääjästä - positiivisesta ja negatiivisesta. Anodi ja katodi varastoivat litiumia, kun taas elektrolyytti kuljettaa positiivisesti varautuneita litiumioneja anodista katodille ja päinvastoin erottimen kautta. Litiumionien liike synnyttää anodiin vapaita elektroneja, mikä aikaansaa varauksen positiivisessa virrankerääjässä. Sähkövirta kulkee sitten virrankerääjästä virtalähteenä olevan laitteen kautta negatiiviseen virrankerääjään. Erotin estää elektronien virtauksen akun sisällä ja päästää litiumionit läpi.

Sekä ajoneuvoakkujen että verkkomittakaavan akkujen ensisijainen etu on kyky vastaanottaa, varastoida ja vapauttaa sähköä tarpeen mukaan, samalla tavalla kuin pumppuvoimalaitoksessa. 

Akkujen etujen hyödyntäminen sähköistämisessä luo uusia haasteita akkutuotannon raaka-aineiden osalta. Vastuullinen akkumineraalien hankinta on tärkeä maailmanlaajuisen kestävän kehityksen kysymys, joten näiden materiaalien louhinta tulisi suorittaa luotettavan akkukumppanin kanssa. 

Kuten useimmat akut, ajoneuvoakut koostuvat pääasiassa energian siirtymämineraaleista (ETM), joita joskus kutsutaan "kriittisiksi mineraaleiksi". Tällä hetkellä useimmat ajoneuvoakut ovat litiumioniakkuja, jotka sisältävät vaihtelevia määriä ETM:itä, mukaan lukien litiumia, kobolttia, nikkeliä ja grafiittia. Monia näistä materiaaleista voidaan käyttää uudelleen ja kierrättää kiertotaloudessa, toisin kuin bensiinikäyttöisiä ajoneuvoja, jotka perustuvat jatkuvaan fossiilisten polttoaineiden talteenottoon ja polttamiseen. Sähköajoneuvojen sähkömoottoreissa ja tuuliturbiinien kestomagneeteissa tarvitaan muitakin harvinaisia ​​maametallielementtejä, kuten kuparia.

Kestävien toimitusketjujen on jatkuvasti parannettava näiden materiaalien jäljitettävyyttä. Akkujen valmistajat voivat hyödyntää Endress+Hauserin kaltaisten yritysten perusteellista asiantuntemusta mittalaitteiden auditointi- ja sertifiointialoitteiden tukemisessa.

Riittävät tiedot ja avoimet vertailut kustannuksista, teknologioiden kannattavuudesta ja ympäristövaikutuksista ovat ratkaisevan tärkeitä sähköistämispäätöksiä tehtäessä, mutta liian usein nämä seikat ovat puutteellisia. Monilla toimialoilla asiakkaat eivät yksinkertaisesti ole tietoisia tai heillä on jopa vääriä tietoja seurauksista ja valtion tukemien kannustimien saatavuudesta, kun he valitsevat perinteisten ja sähköisten ratkaisujen välillä.

Onneksi sähköistäminen ja muut vähähiiliset teknologiat ovat yleistymässä ja halvempia sekä teollisuus- että kuluttajamarkkinoilla. Myös edistysaskeleet ja mittakaavaedut edistävät tätä suuntausta. Nettonollatavoitteiden saavuttamiseksi yritysten ja hallitusten on jatkettava kestävän kehityksen lupauksiin sitoutumista ja niiden takana seisomista hyödyntäen sähköistämistä ja muita menetelmiä hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi liikenteen, lämmityksen ja teollisuuden aloilla.