Transformacja energetyczna poprzez elektryfikację

Elektryfikacja oznacza przejście od technologii opartych na paliwach kopalnych do rozwiązań zasilanych energią elektryczną, najlepiej pochodzącą z odnawialnych źródeł, takich jak słońce, wiatr czy hydroenergia. Jej kluczową zaletą jest ograniczanie emisji gazów cieplarnianych (GHG).

Aby osiągnąć neutralność emisyjną w sektorze energetycznym do 2050 roku, niezbędne jest pełne wykorzystanie wszystkich dostępnych sposobów redukcji emisji dwutlenku węgla. Elektryfikacja odgrywa kluczową rolę, ponieważ prognozy wskazują, że w latach 2030–2050 będzie najskuteczniejszym narzędziem redukcji emisji dwutlenku węgla w sektorze energetycznym. W latach 2022–2030 pod tym względem ustępuje jedynie energetyce wiatrowej oraz fotowoltaicznej. Jest również niezbędna do utrzymania progu 1,5 °C, określonego w Porozumieniu Paryskim, przed końcem XXI wieku.

Większość redukcji emisji związanych z elektryfikacją wynika z odejścia od paliw kopalnych na rzecz odnawialnych źródeł energii – a większość niezbędnych do tego rozwiązań bazuje na technologiach, które są już dziś dostępne i skalowalne.

Aby osiągnąć neutralność węglową, wszystkie sektory przemysłowe muszą jednocześnie rozwijać różne ścieżki działania, w tym poprawę efektywności energetycznej, wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla (CCS) oraz przechodzenie na paliwa wodorowe.

Aby sprostać globalnym i regionalnym celom neutralności emisyjnej, konieczne jest ograniczenie emisji gazów cieplarnianych w sektorach transportu, ogrzewania oraz przemyśle, gdzie obecnie wykorzystuje się paliwa kopalne . Działania zmierzające do redukcji emisji dwutlenku węgla będą jednak trudne i kosztowne. W kolejnych częściach przedstawiono możliwości transformacji energetycznej w poszczególnych branżach.

Dokładne wartości procentowe różnią się w zależności od regionu, jednak transport jest niezmiennie jednym z głównych źródeł emisji gazów cieplarnianych, przede wszystkim ze względu na powszechne wykorzystanie paliw kopalnych. Choć elektryfikacja rozwija się w przypadku lekkich pojazdów elektrycznych, stanowi ona wciąż mniej niż jeden procent całkowitego zużycia energii w sektorze transportu, co pokazuje potencjał rozwoju dla pojazdów lekkich, średnich i ciężkich.

Chiny, Europa i Stany Zjednoczone to obecnie największe rynki samochodowe, w tym także pojazdów elektrycznych (EV). W Chinach odnotowuje się najwyższą na świecie sprzedaż EV, napędzaną przez silne wsparcie rządowe i zachęty finansowe, a także ograniczone krajowe zasoby ropy naftowej.

Popularność pojazdów elektryczneych jest jednak hamowana przez czynniki zewnętrzne, spośród których najistotniejsze stanowią ograniczona infrastruktura ładowania i wysokie koszty początkowe przede wszystkim samych akumulatorów. Wraz z rosnącą liczbą pojazdów elektrycznych rosnie także zapotrzebowanie na energię elektryczną, co może obciążać lokalne sieci energetyczne. Można temu częściowo zaradzić, rozbudowując strategicznie moce sieciowe, na przykład poprzez lokalne źródła energii słonecznej i mikrosieci fotowoltaiczne w wybranych obszarach.

W pojazdach ciężkich pojawiają się dodatkowe trudności. Na przykład wysokie wymagania ładowności ciężarówek stanowią wyzwanie konstrukcyjne z powodu dużej masy baterii. Ponadto przewoźnicy dalekobieżni często pokonują setki, a nawet tysiące kilometrów dziennie, co jest trudne do pogodzenia z koniecznością częstego i długiego ładowania akumulatorów przy niewystarczającej infrastrukturze. Bez innowacji skracających czas ładowania i poprawiających stosunek pojemności do masy baterii, możliwości zastąpienia obecnej floty ciężarówek zasilanych paliwami kopalnymi przez pojazdy elektryczne będą ograniczone. Istotna jest także całkowita ekonomika posiadania takiego pojazdu. Choć koszty eksploatacji ciężarówki elektrycznej są niższe, duże koszty początkowe mogą być dla przewoźników istotną barierą.

Jeżeli chodzi o lotnictwo, elektryfikacja jest zasadniczo wykluczona ze względu na ogromną masę baterii, niezbędną do uzyskania odpowiedniego zasięgu. Zamiast tego branża bada zrównoważone biopaliwa lotnicze i optymalizację operacyjną w celu ograniczenia emisji.

Budynki już teraz wykorzystują energię elektryczną między innymi do chłodzenia pomieszczeń, chłodziarek, oświetlenia i sprzętu komputerowego, jednak wciąż istnieją możliwości poprawy w obszarze ogrzewania pomieszczeń i wody. Obecnie wiele systemów grzewczych korzysta z propanu, gazu ziemnego czy oleju napędowego.

Elektryczne pompy ciepła są od dziesięcioleci stosowane do efektywnego ogrzewania i chłodzenia domów w klimacie umiarkowanym, jednak mają ograniczoną skuteczność przy temperaturach poniżej zera. Najnowsze innowacje, takie jak inwerterowe sprężarki o zmiennej prędkości, umożliwiają jednak wydajną pracę urządzeń nawet przy temperaturach znacznie niższych niż –12 °C.

Pomimo że gruntowe pompy ciepła cechują się wyjątkowo wysoką efektywnością, konieczność poniesienia dużych nakładów początkowych przy konwersji urządzeń gazowych może stanowić barierę. Nowe inwestycje budowlane są często najlepszą okazją do elektryfikacji w tym obszarze, ponieważ prawdopodobnie dokonano już wysokich inwestycji początkowych. Ponadto oszczędności wydatków operacyjnych w czasie, wraz ze zmniejszonym śladem węglowym, często mogą uzasadniać dodatkowe nakłady inwestycyjne w takich sytuacjach.

Podsumowując, elektryfikacja budynków z wykorzystaniem pomp ciepła, połączona z czystszą produkcją energii elektrycznej, stanowi ważną ścieżkę na drodze do realizacji celów klimatycznych.

W przemyśle istnieje wciąż w dużej mierze niewykorzystany potencjał elektryfikacji wielu urządzeń i procesów, co – w połączeniu z energią zeroemisyjną – pozwoliłoby ograniczyć zależność od paliw kopalnych. Największe możliwości w tym zakresie dotyczą procesów wymagających niższych temperatur, takich jak suszenie żywności, produkcja napojów, przetwórstwo papieru czy lekka produkcja.. Obejmuje to procesy wymagające generowania ciepła do około 400 °C (752 °F).

Branża napojów może zelektryfikować procesy wcześniej zasilane gazem ziemnym i olejem opałowym. Procesy produkcyjne, które były zależne od paliw kopalnych do ogrzewania wody i wytwarzania pary, mogą wykorzystywać specjalistyczny sprzęt, w tym parowniki z mechaniczną rekompresją pary, suszarki parowe i kotły elektryczne. Eksperci szacują, że ponad połowę paliw kopalnych zużywanych obecnie przez przemysł do celów procesowych da się zastąpić energią elektryczną, co wspiera transformację energetyczną w stronę neutralności klimatycznej.

Tempo elektryfikacji procesów przemysłowych wymagających wysokich temperatur (powyżej 1 000 °C, czyli 1 832 °F) zależy jednak od rozwoju nowych technologii elektrycznych, mogących zastąpić urządzenia o długim cyklu życia – na przykład w hutnictwie stali czy produkcji cementu. Przykładem mogą być elektryczne piece łukowe, które w przyszłości zastąpią tradycyjne wielkie piece, znacznie ograniczając emisje.

Sektor przemysłowy jako całość emituje gazy cieplarniane wieloma złożonymi ścieżkami. Pośrednio poprzez elektryczność wytwarzaną z paliw kopalnych oraz bezpośrednio wskutek spalania paliw na miejscu (w tym wytwarzania energii) czy emisji powstających jako produkty uboczne procesów i wycieki. Elektryfikacja może przyczynić się do ograniczenia emisji ze wszystkich tych źródeł, choć często wiąże się z wysokimi kosztami początkowymi i eksploatacyjnymi.

Każda dyskusja o elektryfikacji musi uwzględniać baterie i technologie bateryjne. Baterie stanowią kluczowy element transformacji energetycznej, zwłaszcza w kontekście elektryfikacji transportu oraz magazynowania energii w skali sieci, gdzie pomagają wyrównywać dostawy z niestabilnych źródeł, takich jak fotowoltaika czy farmy wiatrowe. Umożliwiają też mobilną generację zasilania dla urządzeń i systemów, zastępując niewielkie generatory oraz stacjonarne instalacje i sprzęt mobilny.

Pojawiają się różnorodne nowe konstrukcje baterii i przełomowe odkrycia w dziedzinie nauki o materiałach, które umożliwiają poprawę składu chemicznego oraz efektywności baterii. Na ogół najbardziej pożądane są baterie litowo-jonowe, wyróżniające się wysoką sprawnością energetyczną oraz długą żywotnością w porównaniu z innymi rozwiązaniami. Efekt skali produkcji sprawia, że to one stanowią obecnie główną technologię magazynowania energii w sieciach elektroenergetycznych.

Bateria składa się z anody, katody, separatora, elektrolitu oraz dwóch kolektorów prądu – dodatniego i ujemnego. Anoda i katoda magazynują lit, podczas gdy elektrolit przenosi dodatnio naładowane jony litu z anody do katody i odwrotnie, przez separator. Ruch jonów litu tworzy wolne elektrony w anodzie, co powoduje naładowanie dodatniego kolektora prądu. Następnie prąd elektryczny przepływa z kolektora przez zasilane urządzenie do ujemnego kolektora prądu. Separator blokuje przepływ elektronów wewnątrz baterii, jednocześnie umożliwiając przepływ jonów litu.

Największą zaletą baterii – zarówno w pojazdach elektrycznych (EV), jak i w magazynach energii – jest zdolność do przyjmowania, magazynowania i oddawania energii elektrycznej na żądanie, podobnie jak w elektrowniach szczytowo-pompowych. 

Wykorzystanie zalet baterii w procesie elektryfikacji wiąże się również z nowymi wyzwaniami związanymi z zapotrzebowaniem na surowce niezbędne do ich produkcji. Odpowiedzialne pozyskiwanie minerałów stanowi kluczowy element globalnej agendy zrównoważonego rozwoju, dlatego wydobycie tych materiałów powinno odbywać się we współpracy ze sprawdzonym dostawcą rozwiązań bateryjnych.. 

Podobnie jak większość baterii, akumulatory w pojazdach elektrycznych (EV) składają się głównie z minerałów niezbędnych dla transformacji energetycznej (ETMs), określanych czasem mianem „minerałów krytycznych.” Obecnie większość baterii stosowanych w EV to akumulatory litowo-jonowe, zawierające różne ilości minerałów, w tym lit, kobalt, nikiel oraz grafit. Wiele z tych materiałów można ponownie wykorzystać i poddać recyklingowi w gospodarce o obiegu zamkniętym, w przeciwieństwie do pojazdów benzynowych, które opierają się na ciągłym wydobywaniu i spalaniu paliw kopalnych. W silnikach elektrycznych pojazdów elektrycznych i magnesach trwałych turbin wiatrowych wymagane są również inne pierwiastki ziem rzadkich, takie jak miedź.

Zrównoważone łańcuchy dostaw muszą nieustannie doskonalić systemy śledzenia tych surowców. Producenci baterii mogą korzystać z bogatego doświadczenia firm takich jak Endress+Hauser, aby wspierać inicjatywy związane z audytem i certyfikacją aparatury pomiarowej.

Dostateczne informacje i przejrzyste porównania dotyczące kosztów, wykonalności technologicznej oraz wpływu na środowisko mają kluczowe znaczenie przy podejmowaniu decyzji o elektryfikacji. Niestety, te elementy są często niepełne lub w ogóle niedostępne. W wielu branżach klienci nie zdają sobie sprawy albo są wprowadzeni w błąd co do konsekwencji i korzyści płynących z elektryfikacji, a także możliwości uzyskania zachęt rządowych. Powoduje to trudności przy wyborze pomiędzy tradycyjnymi a zelektryfikowanymi rozwiązaniami.

Na szczęście elektryfikacja oraz inne technologie niskoemisyjne coraz szerzej wkraczają na rynek i stają się tańsze, zarówno w zastosowaniach przemysłowych, jak i konsumenckich. Postęp technologiczny oraz efekty skali dodatkowo przyspieszają ten trend, obniżając koszty i ułatwiając powszechną adopcję. Aby osiągnąć cele neutralności emisyjnej, firmy i rządy muszą w dalszym ciągu składać i realizować zobowiązania z zakresu zrównoważonego rozwoju, wykorzystując elektryfikację oraz inne metody do redukcji emisji dwutlenku węgla w sektorach transportu, ogrzewania i przemysłu.