Energiaátmenet elektrifikációval – kulcs a nettó nulla világhoz

Az elektrifikáció a nem elektromos energiaforrásoktól, például a fosszilis tüzelőanyagoktól függő technológiák és folyamatok olyan átalakítására irányuló erőfeszítés, amelyet ideális esetben megújuló forrásokból, például nap-, szél- és vízenergiából állítanak elő.

Ahhoz, hogy 2050-re elérjük a nettó nulla kibocsátási célokat az energiaszektoron belül, minden rendelkezésre álló intézkedést ki kell használni a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésére. Az elektrifikációnak alapvető szerepe lesz, mivel az előrejelzések szerint 2030 és 2050 között ez lesz az ágazaton belül a legnagyobb hatású szén-dioxid-csökkentő intézkedés, 2022 és 2030 között pedig a második a szél- és fotovoltaikus (PV) napenergia mellett. A Párizsi Klímaegyezmény 1,5 °C-os küszöbérték betartásához is elengedhetetlen szereplő lesz, még a 21. század vége előtt.

Az elektrifikáció által vezérelt kibocsátáscsökkentés nagy része a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőség megújuló energiaforrásokra való átállásából származik - és ezen intézkedések többségét ma már elérhető és méretezhető technológiák biztosítják.

A szén-dioxid-semlegesség elérése érdekében minden ipari ágazatnak párhuzamosan több utat kell megvizsgálnia, ideértve a hatékonyságnövelést, szén-dioxid leválasztás és tárolás (CCS) valamint az üzemanyagok hidrogénre való átállását.

A globálisan kitűzött és regionálisan előírt nettó nullás célkitűzések eléréséhez az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentésére lesz szükség a közlekedési, fűtési és ipari ágazatokban, ahol ma fosszilis tüzelőanyagokat használnak, így ezek a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésére irányuló erőfeszítések nem lesznek egyszerűek vagy olcsóak. A következő szakaszok az energiaátalakítás iparágspecifikus lehetőségeit emelik ki.

A pontos százalékok régiónként változnak, de a fosszilis tüzelőanyagok széles körben elterjedt használata miatt a szállítás az üvegházhatást okozó gázok kibocsátásának egyik fő tényezője. Bár a könnyű járművek elektrifikációja egyre nagyobb mértékben terjed, ez az ágazat teljes energiafelhasználásának kevesebb mint egy százalékát teszi ki, ami rávilágít arra, hogy a könnyű, közepes és nehéz tehergépjárművek esetében van még lehetőség a növekedésre.

Kína, Európa és az Egyesült Államok ma a legnagyobb jármű- és EV (elektromos jármű) piac. Az erős kormányzati politika és ösztönzőerők, valamint a hazai olajkészletek hiánya miatt a világon Kínában a legmagasabb az EV eladások száma.

Az elektromos járműveknek számos negatív piaci externáliája van, amelyek közül a legjelentősebbek a korlátozott töltési infrastruktúra és a magas előzetes költségek által támasztott akadályok, amelyek közül az utóbbi elsősorban az akkumulátorköltségeknek tulajdonítható. Az elektromos járművek számának növekedésével a helyi villamosenergia-hálózatokat is megterhelhetik azzal, hogy jelentősen megnövelik a villamosenergia-igényt. Ez némileg enyhíthető a hálózati kapacitás stratégiai bővítésével, helyi áramtermeléssel, illetve napelemes mikrohálózatokkal.

A nehéz tehergépjárművek egyéb akadályokba is ütköznek. Például a teherautók nagy hasznos teherbírási követelményei az akkumulátorok súlya miatt kihívást jelentenek az EV-k tervezésében. Emellett a távolsági fuvarozóknak gyakran több száz vagy ezer kilométert kell megtenniük naponta, ami nem biztos, hogy lehetséges a gyakori és kiterjedt feltöltés igény miatt a korlátozott konnektoros infrastruktúrával. A töltési idő csökkentését és az akkumulátorok energia/tömeg arányának javítását célzó innovációk nélkül ezek a problémák korlátozzák a nagy teherbírású elektromos járművek lehetőségét arra, hogy lecseréljék a legtöbb meglévő fosszilis tüzelésű teherautó-flottát. A teljes tulajdonlási költségnek is fontos a szerepe: bár az elektromos teherautók üzemeltetése kevesebbe kerül, a szükséges magas kezdeti beruházás akadályozhatja a fuvarozókat.

Az elektrifikációt a légiközlekedésben szóba sem kerül, mivel óriási tömegre lenne szükség ahhoz, hogy elegendő akkumulátor meghajtást indukáljon bármilyen produktív távolságon belül. Ehelyett az iparág a fenntartható repülési bioüzemanyagot és a működés optimalizálását vizsgálja a kibocsátás visszaszorítása érdekében.

Az épületek már most is villamos energiát használnak a hűtéshez, a világításhoz és a számítástechnikai berendezések üzemeltetéséhez, lehetőségek a tér- és vízfűtési rendszerekben vannak, amelyek közül jelenleg sok propán, földgáz vagy dízel üzemű.

Az elektromos hőszivattyúkat évtizedek óta használják a mérsékelt éghajlatú otthonok hatékony fűtésére és hűtésére, de fagypont alatti hőmérsékleten ezek nehezen tudnak hatékonyan működni. A legújabb innovációk - például a változó fordulatszámú inverteres kompresszor-technológia - azonban lehetővé teszik a rendszer teljesítményét jóval -12 °C (10,4 °F) alatti éghajlaton is.

Bár a geotermikus hőszivattyú hatékonysága páratlan, a földgázüzemek átalakításának magas tőkeköltsége akadályt jelenthet. Ezen a területen gyakran az új építés jelenti a legjobb lehetőséget az elektrifikációra, mert feltehetően már most is magas előzetes beruházások zajlanak. Ezenfelül a működési kiadások időbeli megtakarítása, valamint a csökkentett karbonlábnyom gyakran indokolttá teszi a további tőkeberuházásokat ezekben a helyzetekben.

Összességében az épületek hőszivattyús technológiával történő elektrifikációja, a tisztább villamosenergia-termeléssel kombinálva, fontos út az éghajlati célok eléréséhez.

Az ipar nagyrészt kihasználatlan potenciállal rendelkezik számos eszköz elektrifikálására, ami csökkentené a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőséget, ha nettó nulla energiával párosul. Az elektrifikáció legnagyobb lehetősége az olyan alacsony hőmérsékletű hőfolyamatokban van, mint például az élelmiszerszárítás, az italgyártás, a papírfeldolgozás és a könnyűgyártás. Ez magában foglalja azokat a folyamatokat, amelyek körülbelül 400 °C-ig (752 °F) történő hőtermeléshez szükségesek.

Az italpiacok elektrifikálhatják a korábban földgázzal és fűtőolajjal működő folyamatokat. Az eddig a víz és gőz fűtéséhez fosszilis tüzelőanyagokra támaszkodó gyártási folyamatok speciális berendezéseket használnak, beleértve a mechanikus gőzkompressziós elpárologtatókat, gőzszárítókat és elektromos kazánokat. Szakértők becslése szerint a gyártók által a folyamatok működtetéséhez felhasznált összes fosszilis tüzelőanyag több mint 50 százalékát villamos energiával lehetne helyettesíteni, ami elősegítené az energetikai átállást.

A nagy hőigényű, 1000 °C-os (1832 °F) vagy annál magasabb hőmérsékletű ipari folyamatok villamosításának üteme az új elektromos technológiák kifejlesztésétől függ, amelyek potenciálisan felváltják a hosszú élettartamú berendezéseket az olyan iparágakban, mint az acél- és cementgyártás (például olyan elektromos ívkemencéket fejlesztésével, amelyek képesek a hagyományos kohók helyettesítésére, jelentősen alacsonyabb kibocsátással).

Az ipari szektor egésze több komplex úton keresztül bocsát ki üvegházhatású gázokat. Ez magában foglalja a közvetett (fosszilis tüzelőanyagból származó villamos energián keresztüli) és a közvetlen kibocsátást (a fosszilis tüzelőanyagok helyszíni elégetése és az energiatermelés révén), valamint az üvegházhatású gázok melléktermékeit és szivárgását is. Az elektrifikáció csökkentheti az összes ilyen forrásból származó kibocsátást, bár a kezdeti és az üzemeltetési költségek gyakran magasabbak.

Az elektrifikációról szóló vitáknak ki kell terjedniük az akkumulátorokra és az akkumlátortechnológiára is. Az akkumulátorok létfontosságú elemei az energiaátállásnak, különösen az elektromos mobil szállítás és a hálózati méretű tárolás terén, amelyek kiegyenlíthetik az időszakos energiaforrások ellátását, beleértve a napelemet és a szélenergiát. Az akkumulátorok lehetővé teszik az eszközök és rendszerek mobil áramtermelését is, helyettesítve a kis generátorokat, valamint a statikus üzemi és mobil berendezéseket.

Számos új akkumulátorkonstrukció és az anyagtudomány legújabb eredményei lehetővé teszik az akkumulátorok jobb kémiai felépítését és hatékonyságát. Általában a lítium-ion akkumulátorokat más anyagokhoz képest magas energiahatékonyságuk és hosszú élettartamuk miatt részesítik előnyben. Ezek az akkumulátorok a méretgazdaságosság előnyeit élvezik, és jelenleg ezek az elsődleges akkumulátortechnológiák a hálózati tárolás terén.

Az akkumulátor egy anódból, katódból, szeparátorból, elektrolitból és két - pozitív és negatív - áramgyűjtőből áll. Az anód és a katód tárolja a lítiumot, míg az elektrolit pozitív töltésű lítiumionokat szállít az anódról a katódra, és fordítva, a szeparátoron keresztül. A lítium-ionok mozgása szabad elektronokat hoz létre az anódban, ami töltést okoz a pozitív áramkollektorban. Az elektromos áram ezután az áramkollektorból a táplált eszközön keresztül a negatív áramkollektorba folyik. A szeparátor blokkolja az elektronok áramlását az akkumulátoron belül, miközben átengedi a lítium-ionokat.

Mind az EV, mind a hálózati méretű akkumulátorok elsődleges előnye az, hogy a szivattyús tárolású vízenergiához hasonlóan képesek a villamos energiát igény szerint befogadni, tárolni és leadni.

Az akkumulátorok előnyeinek kihasználása a villamosításban új kihívásokat teremt az akkumulátorgyártáshoz szükséges nyersanyagokkal kapcsolatban. A felelős akkumulátor-ásványok beszerzése a globális fenntarthatósági napirend egyik fő kérdése, ezért ezen anyagok kitermelését megbízható akkumulátor-megoldásokat kínáló partnerrel kell elvégeztetni.

A legtöbb akkumulátorhoz hasonlóan az EV-akkumulátorok is elsősorban energiaátalakító ásványokból (ETM), más néven „kritikus ásványokból” állnak. Jelenleg a legtöbb EV akkumulátor lítium-ionos, és különböző mennyiségű ETM-et tartalmaz, többek között lítiumot, kobaltot, nikkelt és grafitot. Ezen anyagok közül sok újrafelhasználható és újrahasznosítható a körforgásos gazdaságban, ellentétben a benzinüzemű járművekkel, amelyek a fosszilis tüzelőanyagok folyamatos kitermelésére és elégetésére épülnek. Az elektromos járművek elektromos motorjaiban és a szélturbinák állandó mágneseiben más ritkaföldfémekre is szükség van, mint például a réz.

A fenntartható ellátási lancoknak folyamatosan javítaniuk kell ezen anyagok nyomon követhetőségét. Az akkumulátorgyártók az Endress+Hauserhez hasonló vállalatok mélyreható szakértelmét hasznosíthatják a műszerellenőrzési és tanúsítási kezdeményezések támogatásában.

Az elektrifikációval kapcsolatos döntések meghozatalakor a költségekre, a technológiai megvalósíthatóságra és a környezeti hatásokra vonatkozó megfelelő információk és átlátható összehasonlítások kulcsfontosságúak, de ezek az elemek túl gyakran hiányosak vagy hiányoznak. Sok iparágban az ügyfelek egyszerűen nincsenek tisztában vagy félre vannak tájékoztatva ezekkel, valamint a kormány által támogatott ösztönzők elérhetőségével kapcsolatban, amikor a hagyományos és az elektrifikált megoldások között választanak.

Szerencsére az elektrifikáció és más alacsony szén-dioxid-kibocsátású technológiák egyre szélesebb körben elterjednek és olcsóbbá válnak mind az ipari, mind a fogyasztói piacokon, a fejlesztések és a méretgazdaságossági előnyök pedig tovább segítik ezt a tendenciát. A nettó nullás célok elérése érdekében a vállalatoknak és a kormányoknak továbbra is fenntarthatósági ígéreteket kell tenniük, illetve ki kell állniuk a fenntarthatóság mellett, kihasználva az elektrifikációt és más módszereket a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésére a közlekedési, fűtési és ipari ágazatokban.