Vår framtida energimix

Förutsäga energisystem

Väldigt få ämnen är så komplexa och lika viktiga som vår civilisations framtida energimix. Beroende på vem du frågar är beroendet av fossilt bränsle omöjligt att skaka av sig, eller så kommer förnybara energikällor att ta över i en rasande takt. Verkligheten är naturligtvis komplex, och det är mycket svårt att förutsäga framtiden för energi.

I den här artikeln kommer vi att titta på vår nuvarande situation, se de få möjliga scenarierna och ännu viktigare, vilka ekonomiska eller tekniska förändringar som kommer att göra det ena scenariot mer sannolikt än det andra.

Var vi finns

Om det hittills finns ett mönster för vår växande energianvändning är det att nya energikällor tenderar att läggas till vår energimix, snarare än att ersätta den tidigare.

Till exempel använder vi fortfarande lika mycket, om inte mer, biomassa (mest trä) än på 1800-talet, före den industriella revolutionen. På samma sätt har kolkonsumtionen för det mesta bara ökat över tiden, till vilken tillkommit olja, gas och sedan vattenkraft, kärnkraft och förnybar energi.

Källa: OurWorldInData

Detta kan komma som en överraskning, med tanke på hur stora framsteg i vår elproduktion förnybara energikällor verkar ha gjort. Detta beror på flera orsaker:

• Kina, ledande inom förnybar energis nya kapacitet och övergång till elbilar, är också ledande inom konstruktion av kolkraftverk.
• Merparten av den primära energiförbrukningen används inte för att generera el. Istället kommer det mesta av vår energiförbrukning från mobilitet, uppvärmning och industriell användning som stålproduktion och petrokemikalier (produktion av gödningsmedel, plast, läkemedel, kemikalier, etc.).
• Befolkningsökning och miljarder som lämnade extrem fattigdom innebar ökad energiförbrukning, med det billigaste tillgängliga alternativet ofta kol. Samt mer köttkonsumtion, luftkonditionering, bilar, flygresor mm.
• Globalisering av ekonomin, vilket leder till mycket mer transport av varor, inklusive flera fram och tillbaka rörelser av råvaror, halvtransformerade delar och slutvaror.
• Jordbrukets industrialisering, ökade skördar och minskad arbetskraft, men också ökad förbrukning av fossila bränslen och gödningsmedel.

För alla som berörs av klimatförändringar och koldioxidutsläpp kan detta göra en deprimerande utsikt, med fossila bränslen som är fast förankrade i vår globala energimix. Men detta är inte heller riktigt hela bilden.

Den pågående förändringen

Från en knappt bra teori 2016 är elbilar (EV) nu en exponentiellt växande del av den globala försäljningen, med mer än 10 miljoner elbilar sålda 2022, eller 14 % av den globala försäljningen, med Kina och Europa i spetsen.

Källa: IEA

Andelen förnybar energi (vattenkraft + sol + vind + geotermisk energi) växer också snabbt. Och medan vissa länder har legat högt på den här listan länge, på grund av enorma vattenkraftresurser (som Norge, Brasilien eller Kanada), är sol + vind verkligen där förändringen sker.

Källa: Vår värld i data

En titt på landsbasis visar den tydliga brytpunkten 2010 då förnybar energi ofta mer än fördubblades, vanligtvis helt bärs av tillväxten i sol- och vindproduktion. Till exempel, Kina och Australien:

Källa: OurWorldInData

Källa: OurWorldInData

En massiv drivkraft för denna förändring har varit en kraftig minskning av kostnaderna för förnybar energi. Detta drivs lika mycket av teknisk innovation och uppskalning av industriell produktion, vilket har gjort förnybara energikällor allt mer konkurrenskraftiga. Åtminstone på pappret verkar förnybar energi nu vara billigare än fossila bränslen (mer om det nedan), som visas av IRENA (International Renewable Energy Agency).

Källa: IRENA

Utmaningar

Under de senaste åren har en märklig situation börjat uppstå. De snabbt sjunkande kostnaderna för förnybar energi har övertygat en hel del människor om att fossila bränslen skulle gå dodofåglarnas väg när som helst snart.

Källa: Twitter/X

Men under de senaste åren har några makroekonomiska chocker ifrågasatt denna idé. Kriget i Ukraina utlöste massiv inflation och fick länder som Tyskland att återuppta sitt beroende av kol.

Och samma inflation har allvarligt skadat lönsamheten för planerade förnybara projekt. Massiva havsbaserade vindprojekt inställda, rasande aktiekurser för sol- och vindföretag, detta har varit en smärtsam period. Du kan läsa mer om vad som händer i vår artikel "Kraschen för förnybar energi 2023".

Även försäljningen av elbilar ifrågasätts efteråt skjuta upp eller avbryta elbilsstrategin av stora tillverkare, såsom GM, Ford eller Honda.

Intermittens för förnybara energikällor

En nyckelfråga som kommer att behöva lösas är energilagring. Vind- och solenergiproduktion är beroende av vädret och kan tillfälligt kopplas bort från efterfrågan. Detta är ett problem för ett elnät som kräver "just-in-time" produktion och en omedelbar perfekt balans mellan produktion och efterfrågan.

Det finns många möjliga alternativ, men teknikerna har antingen precis börjat eller så har de inte implementerats i stor skala snart nog. Detta leder till energiöverskott på dagen och/eller sommaren, och brist på natten och/eller vintern.

Problemet är inte olösligt utan kräver en väl samordnad politik och fler investeringar i elnät.

Och ärligt talat, även att erkänna att de "riktiga" kostnaderna för förnybar energi bör inkludera kostnaderna för energilagring. Förnybar energi är kanske inte ännu helt billigare än fossila bränslen, åtminstone när de väl blir en stor del av landets elproduktion.

Limitationer av batterier

Oron för att användningen av elbilar ska fortsätta på rätt spår beror på liknande tekniska begränsningar. Även om de tidiga användarna klarade sig bra med högre kostnader i förväg, lägre räckvidd eller långsammare laddningstid än ICE-fordon (Internal Combustion Engine), kanske andra köpare inte är det. Bristen på litium ökade priset på den vita metallen orsakade också en del oro.

Lyckligtvis kommer ny batteriteknik snart, från kinesiska natriumjonbatterier till solid-state-batterier som borde hjälpa till att sänka elbilspriserna och ta bort legitima problem som räckviddsångest eller brandrisker.

Svårt att växla energibehov

Och sedan är viss energiförbrukning helt enkelt svår att byta bort från fossila bränslen. Till exempel, långväga frakt kräver fortfarande ett mycket tätt och flytande bränsle för att fungera. Att flyga kräver också en energikälla med mycket hög energitäthet, att batterierna för närvarande inte kan leverera. Den mesta plastproduktionen är beroende av olja, gödningsmedel på gas och stål på kokskol.

Även här finns lösningar, men är något omogna teknologier och långt ifrån globalt utplacerade.

Game Changer Technologies

De sannolika spelväxlarna

En hel del lösningar finns redan till hands för att hjälpa till att återuppta tillväxten av förnybar energi och teknik med låga koldioxidutsläpp.

Kärnkraftsinnovation

Fortfarande kontroversiellt, kärnenergi är ändå en teknik med låga koldioxidutsläpp som kan behövas för att överbrygga klyftan mot en framtid som drivs av förnyelse.

Små kärnreaktorer (SMR) är en annan sektor som nyligen drabbats av dåliga nyheter på grund av stigande kostnader, kopplat till global inflation. Men i alla fall genomgår kärntekniken en renässans, med nya säkrare konstruktioner som tittar på mindre reaktorer (SMR och mikroreaktorer), eller till och med nya bränslen som torium. Under tiden, Kina bygger 24 nya stora kärnreaktorer, och planering för totalt lika många som 150 reaktorer.

Bättre förnybar energi

Sjunkande kostnader jämfört med fossila bränslen kommer sannolikt att förbli en varaktig trend. Detta gäller särskilt för solenergi, med innovationer som tunnfilmssolceller eller 3:e generationens solceller (amorft kisel, organiska polymerer eller perovskitkristaller).

Batteriprojekt i nyttoskala kommer också att hjälpa, med mer än tredubbla den nuvarande kapaciteten till 2025.

Källa: EIA

Solid-State batterier

Alla som arbetar med batteriteknik vet att solid-sate-batterier, som inte kräver flytande elektrolyter från det nuvarande litiumbatteriet, kommer att förändras. Och många företag talar om att lansera sin egen version av solid-state-batterier så snart som 2026-2029. Detta inkluderar QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS), och Samsung SDI (006400.KS). Medan Tesla (TSLA) arbetar på sitt eget alternativ till solid state-batterier.

Den spekulativa Game Changer

Vissa andra tekniker är mindre mogna, men ännu mer lovande och kommer sannolikt att vara hur vi får vår energi 2040-2050 och framåt.

Nukleära surgeneratorer

Ett stort problem med kärnkraftverk är kärnavfall. Surgeneratorer (eller "uppfödare") kan konsumera detta kärnavfall och förvandla det tillbaka till kraft och kärnbränsle. Detta skulle både kunna göra det tillgängliga kärnbränslet praktiskt taget obegränsat och avsevärt minska frågan om kärnavfall. En bonus är att denna teknik inte är riktigt ny, eftersom den användes av Frankrike fram till 1997, så det är bara spekulativt på grund av den politiska svårigheten kring kärnkraft.

Rymdbaserad solenergi

Att producera solenergi från omloppsbanan skulle på en gång lösa alla solenergiproblem: inga intermittenser, inga moln, ingen minskande produktion på vintern. Med rymdbaserat internet plötsligt en verklighet med Starlink, det här är inte så konstigt som det låter.

Det är något vi undersökte vidare i vår artikel "Från sci-fi till skyhögt: Är solpaneler i kretslopp en ljus idé?"

Jordvärme

En hittills mestadels försummad källa till förnybar energi och som kan tillhandahålla baskraftkraft 24/7 är geotermisk energi. Detta håller äntligen på att förändras, med företag som Vulkan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA), Och Njuta. Dessa företag, något ironiskt nog, återanvänder framstegen inom borrning och fracking som gjorts av oljeindustrin för att utnyttja jordens värmekällor. (Vi täckte Ormat i den här artikeln och Vulkan i denna).

Syntetiska bränslen

Kraft som genereras från förnybara energikällor (eller till och med kärnkraft) skulle kunna användas för att syntetisera gas eller flytande bränslen. Detta inkluderar Hydrering, ammoniak, syngas, or syntetiska bränslen.

Ett annat alternativ för syntetiskt bränsle kan vara att utnyttja biologin och använda mikroalger för att generera biobränslen (se "Algbiobränsle: nästa energirevolution?”) eller biojäsare att producera biogas och biometan från organiskt avfall.

Dessa bränslen kan sedan användas i flygplan, fartyg och andra applikationer som kräver antingen mycket täta bränslen eller mycket höga förbränningstemperaturer (som ståltillverkning).

fusion

Fusionsenergi syftar till att skapa energi genom att smälta samman lätta element som väte, och återskapa på jorden den process som driver solen själv. Med temperaturer som sträcker sig från miljoner till hundratals miljoner grader är detta en enorm teknisk utmaning.

Det skulle också ge ren energi, som varken producerar kol eller kärnavfall, med en obegränsad tillgång på "bränsle", eftersom väte är den vanligaste atomen i universum.

Det största fusionsprojektet är internationella forskningskonsortiet ITER, med många startups också driva drömmen om kärnfusion, inklusive helion, Allmän fusion, Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP energi, och NEO Fusion (finansierat av den kinesiska elbilstillverkaren Nio).

Framtidens energimix(ar)

Även om det sannolikt är lovande i det långa loppet, kommer vi mest att undersöka möjliga energiblandningar utan någon av de "spekulativa spelförändringarna" som diskuterats ovan, när vi tittar på horisonten 2040.

EIA (Energy Information Administration) har släppt flera scenarier, beroende på ekonomisk tillväxt och antagande eller inte av teknik med låga koldioxidutsläpp.

I de flesta fall förväntas energianvändningen fortsätta att växa, med fossila bränslen som fortfarande gör det mesta av världens energi till 2050. Nu är detta en prognose om inga lagar ändras, och investeringar i energi håller sig i linje med den nuvarande trenden.

Källa: EIA

Affärer som vanligt

Detta är ett deprimerande scenario för alla som uppmärksammar klimatförändringarna. Den antar att kol, gas och olja kommer att förbli den dominerande kraften i vårt energisystem under de kommande 2 decennierna och producera huvuddelen av vår energi.

Detta är långt ifrån omöjligt, vilket illustreras av Tysklands nyliga återgång till kol, trots att landet tidigare allmänt setts som en förkämpe för förnybar energi och energiomställningen.

High Tech Road

Ett annat alternativ är att våra samhällen anammar teknisk förändring när det gäller energi. Detta inkluderar förnybar energi, men också massivt kärnkraft, sannolikt både av den konventionella och mindre typen på en gång.

Detta är ett scenario där kraftproduktion av fossila bränslen från fossila bränslen antingen prissätts med bättre alternativ eller direkt förbjuds enligt lag.

Det är också ett scenario där elbilar fortsätter att antas snabbt, troligen tack vare ny batteriteknik.

Medan kärnkraft producerar baskraft och vinterkapacitet, kan förnybara energikällor hantera överskottsproduktion för flytande bränslen för att minska koldioxidutsläppen inom flyg, sjöfart och tung industri.

Lågkonsumtionsvägen

Med tanke på hungern efter energi i utvecklingsländerna, inklusive inte bara Kina utan Sydamerika, Afrika, Indien och Indonesien, verkar detta inte vara ett särskilt troligt scenario.

På något sätt skulle det innebära att "välja" verklig avväxt, och förmodligen i genomsnitt en nedgång i livsstandard, med särskilt mindre resor och internationell handel. Jordbruket avindustrialiseras i viss utsträckning, industriaktiviteten minskar och övergripande ekonomier blir mycket mer lokala.

Ett sådant scenario bör med största sannolikhet föreställas parallellt med massiva internationella spänningar, krig eller en global depression, vilket förklarar den plötsliga minskningen av ekonomiska aktiviteter, eftersom ett frivilligt val av lägre produktion verkar osannolikt i både demokratiska och autokratiska länder.

Scenariot för rörlighet

Detta är ett scenario där allt händer på en gång. Fossila bränslen är på en svag nedgång, men fasas inte ut helt. Kol håller på att fasas ut, men olja och gas inte så mycket. Vissa länder satsar på kärnkraft, andra på förnybar energi, andra håller på som vanligt.

Elektrifiering och avkolning sker men i en långsammare takt än önskat. Koldioxidutsläppen stannar i det scenariot mycket över nettonollscenariot som GIEC föreställer sig för att förhindra att den globala temperaturen stiger för mycket.

Detta skiljer sig inte särskilt mycket från de MKB-scenarier som nämnts ovan. Senare kan kolavskiljning användas för att påskynda avkolningen och vända några av de tidigare utsläppen.

Genombrottsscenariot

Ett energigenereringsgenombrott har gjorts, vilket möjliggör riklig energi, och lösningen kan snabbt distribueras över hela världen.

Det kan vara en drastisk nedgång av den orbitala solinfrastrukturen genom en ny rymdkapplöpning mellan SpaceX och kinesiska företag.

Eller en enorm framgång för ITER vid lanseringen 2025-2026.

Eller revolutionerande ny design inom sol- och batteriteknik.

Sådana förändringar är till sin natur nästan omöjliga att förutsäga eller kvantifiera. Men de ska inte heller avfärdas helt.