Přechod energie prostřednictvím elektrifikace – klíčová součást světa s nulovou sítí

Elektrifikace je snaha převést technologie a procesy, které kdysi závisely na neelektrických zdrojích energie, jako jsou fosilní paliva, na technologie a procesy poháněné elektřinou, ideálně vyráběnou z obnovitelných zdrojů, jako je slunce, vítr a vodní elektrárny. Hlavním přínosem je snížení emisí skleníkových plynů (GHG).

Splnění cílů nulových čistých emisí do roku 2050 v energetickém sektoru vyžaduje využití všech dostupných opatření ke snížení emisí oxidu uhličitého. Elektrifikace hraje zásadní roli, protože se předpokládá, že bude v letech 2030 až 2050 nejúčinnějším opatřením ke zmírnění snížení emisí uhlíku v tomto odvětví a bude druhým po větrné a fotovoltaické (PV) solární energii v letech 2022 až 2030. Rovněž bude nutné zachovat Prahová hodnota Paris Climate Accord 1,5 °C před koncem 21. století.

Většina snížení emisí způsobená elektrifikací pochází z přesunu závislosti na fosilních palivech na obnovitelné zdroje energie – a většinu těchto opatření zajišťují technologie, které jsou dnes dostupné a škálovatelné.

K dosažení uhlíkové neutrality budou muset všechna průmyslová odvětví paralelně prozkoumat několik cest, včetně zlepšení účinnosti, zachycování a ukládání uhlíku (CCS) a přechodu paliva k uhlíku.

Splnění celosvětově zacílených a regionálně stanovených cílů s nulovou čistotou bude vyžadovat snížení emisí skleníkových plynů v odvětvích dopravy, vytápění a průmyslu, kde se dnes používají fosilní paliva, a toto úsilí o snížení uhlíku nebude snadné ani levné. Následující části zdůrazňují specifické příležitosti pro energetickou transformaci.

Přesná procenta se liší podle regionu, ale doprava se trvale řadí mezi hlavní přispěvatele k emisím skleníkových plynů kvůli jejímu širokému využívání fosilních paliv. Zatímco elektrifikace u lehkých elektrických vozidel roste, představuje méně než jedno procento celkové spotřeby energie v tomto sektoru, což zdůrazňuje prostor pro růst lehkých, středních a těžkých nákladních vozidel.

Čína, Evropa a Spojené státy mají dnes největší trhy s vozidly a EV (elektrická vozidla), přičemž Čína generuje nejvyšší prodeje EV ze všech zemí díky silné vládní politice a pobídkám a nedostatku domácích dodávek ropy.

Elektrická vozidla mají několik negativních tržních externalit, z nichž nejvýznamnější jsou překážky způsobené omezenou infrastrukturou nabíjení a vysokými počátečními náklady, z nichž poslední lze připsat především nákladům na baterie. Jak roste počet elektrických vozidel, mohou také zatěžovat místní energetické sítě podstatným zvýšením množství požadované elektřiny, ale to lze poněkud zmírnit strategickým rozšiřováním kapacity sítě prostřednictvím místní výroby energie pomocí solárních fotovoltaických mikrosítí v určitých lokalitách.

Těžká vozidla narážejí na další překážky. Například požadavky na vysoké užitečné zatížení nákladních vozidel představují kvůli vysoké hmotnosti baterií problémy při návrhu EV. Kromě toho musí dopravci na dlouhé vzdálenosti často urazit stovky nebo tisíce kilometrů za den, což nemusí být možné s potřebou častého a rozsáhlého dobíjení pomocí omezené infrastruktury plug-in. Bez inovací ke zkrácení doby nabíjení a zlepšení poměru energie baterie k hmotnosti tyto problémy omezují schopnost těžkých elektromobilů nahradit většinu stávajících vozových parků nákladních vozidel na fosilní paliva. Roli hrají také celkové náklady na vlastnictví, a přestože provoz elektrických nákladních vozidel stojí méně, vysoká počáteční investice může být pro přepravce překážkou.

Elektrifikace prostě nepřichází v úvahu pro letecký průmysl kvůli obrovské hmotnosti, kterou by vyžadoval dostatek baterií k vyvolání pohonu na jakoukoli produktivní vzdálenost. Místo toho průmysl zkoumá udržitelná letecká biopaliva a provozní optimalizaci s cílem omezit emise.

Budovy již využívají elektřinu pro prostorové chlazení, chlazení, osvětlení a výpočetní techniku, ale existují oblasti příležitostí v systémech vytápění prostoru a vody, z nichž mnohé jsou poháněny propanem, zemním plynem nebo naftou.

Elektrická tepelná čerpadla se po desetiletí používají k efektivnímu vytápění a chlazení domácností v mírných klimatických podmínkách, ale mají potíže s efektivním provozem při teplotách pod bodem mrazu. Nedávné inovace – jako je technologie kompresoru s proměnnou rychlostí invertorového pohonu – však umožňují výkon systému v podnebí hluboko pod -12 °C (10,4 °F).

Přestože účinnost tepelného čerpadla země-voda nemá obdoby, vyšší investiční náklady na přeměnu jednotek na zemní plyn mohou být překážkou. Novostavba je často tou nejlepší příležitostí k elektrifikaci v této oblasti, protože se již pravděpodobně provádí vysoké počáteční investice. Navíc úspory provozních výdajů v průběhu času spolu se sníženou uhlíkovou stopou mohou v těchto situacích často ospravedlnit dodatečné kapitálové výdaje.

Celkově je elektrifikace budov pomocí technologie tepelných čerpadel v kombinaci s čistší výrobou elektřiny důležitou cestou k dosažení klimatických cílů.

Průmysl má z velké části nerealizovaný potenciál elektrifikovat mnoho aktiv a snížit závislost na fosilních palivech ve spojení s nulovou čistou energií. Největší příležitost pro elektrifikaci je v nízkoteplotních tepelných procesech, jako je sušení potravin, výroba nápojů, zpracování papíru a lehká výroba. To zahrnuje procesy potřebné k výrobě tepla až do přibližně 400 °C (752 °F).

Trhy s nápoji mohou elektrifikovat dříve procesy poháněné zemním plynem a topným olejem. Výrobní procesy, které byly pro ohřev vody a páry závislé na fosilních palivech, mohou využívat specializovaná zařízení, včetně mechanických odpařovačů pro rekompresi par, sušiček páry a elektrických kotlů. Odborníci odhadují, že více než 50 procent veškerého fosilního paliva spotřebovaného výrobci k pohonu procesů by mohlo být nahrazeno elektřinou, což napomáhá energetickému přechodu.

Tempo elektrifikace pro průmyslové procesy, které vyžadují vysoké teplo, 1 000 °C (1 832 °F) a vyšší, závisí na vývoji nových elektrických technologií, které mohou potenciálně nahradit zařízení s rozsáhlými životními cykly v průmyslových odvětvích, jako je výroba oceli a cementu. Vyvíjejí se například elektrické obloukové pece se schopností nahradit tradiční vysoké pece, které vypouštějí výrazně nižší emise.

Průmyslový sektor jako celek emituje skleníkové plyny mnoha složitými cestami. To zahrnuje nepřímé – prostřednictvím elektřiny vyrobené z fosilních paliv – a přímé emise prostřednictvím spalování fosilních paliv a výroby energie na místě, kromě vedlejších produktů skleníkových plynů a úniků. Elektrifikace může snížit emise ze všech těchto zdrojů, i když počáteční a provozní náklady jsou často vyšší.

Každá diskuse o elektrifikaci musí zahrnovat baterie a technologie baterií. Baterie jsou důležitou součástí přechodu na novou energetiku, zejména pokud jde o elektrifikovanou mobilní dopravu a skladování energie v rozvodné síti, které může vyrovnávat dodávky z nestálých zdrojů energie, včetně fotovoltaických a větrných. Baterie mohou také umožnit mobilní výrobu energie pro zařízení a systémy, a nahradit tak malé generátory a statické elektrárny a mobilní zařízení.

Existují různé nové konstrukce baterií a nedávné pokroky ve vědě o materiálech, které umožňují lepší chemii a účinnost baterií. Obecně jsou lithium-iontové baterie upřednostňovány pro svou vysokou energetickou účinnost a dlouhou životnost v porovnání s jinými materiály. Tyto baterie těží z úspor z rozsahu a v současné době jsou hlavní bateriovou technologií pro skladování v síťovém měřítku.

Baterie se skládá z anody, katody, separátoru, elektrolytu a dvou sběračů proudu - kladného a záporného. Anoda a katoda uchovávají lithium, zatímco elektrolyt přenáší kladně nabité ionty lithia od anody ke katodě a naopak přes separátor. Pohyb lithiových iontů vytváří v anodě volné elektrony, které způsobují náboj na kladném proudovém kolektoru. Elektrický proud pak teče z proudového kolektoru přes napájené zařízení do záporného proudového kolektoru. Separátor blokuje tok elektronů uvnitř baterie a zároveň umožňuje průchod iontů lithia.

Primární výhodou baterií pro elektromobily a baterie v síťovém měřítku je schopnost přijímat, ukládat a uvolňovat elektřinu na vyžádání, podobně jako u přečerpávací vodní energie.

Využití výhod baterií pro elektrifikaci vytváří nové výzvy související se surovinami potřebnými pro výrobu baterií. Odpovědné získávání nerostných surovin je hlavním problémem globální agendy udržitelnosti, takže těžba těchto materiálů by měla být prováděna s důvěryhodným partnerem pro řešení baterií.

Stejně jako většina baterií jsou baterie EV složeny především z minerálů energetického přechodu (ETM), někdy nazývaných „kritické minerály“. V současné době je většina baterií EV lithium-iontových, obsahujících různá množství ETM, včetně lithia, kobaltu, niklu a grafitu. Mnohé z těchto materiálů lze znovu použít a recyklovat v oběhovém hospodářství, na rozdíl od benzínových vozidel, která spoléhají na nepřetržitou těžbu a spalování fosilních paliv. V elektrických motorech EV a permanentních magnetech větrných turbín jsou vyžadovány další prvky vzácných zemin, jako je měď.

Udržitelné dodavatelské řetězce musí neustále zlepšovat sledovatelnost těchto materiálů. Výrobci baterií mohou využít hluboké odborné znalosti společností, jako je Endress+Hauser, k podpoře auditu přístrojového vybavení a certifikačních iniciativ.

Při rozhodování o elektrifikaci jsou rozhodující adekvátní informace a transparentní srovnání týkající se nákladů, technologické životaschopnosti a dopadů na životní prostředí, ale tyto prvky jsou příliš často neúplné nebo chybí. V mnoha průmyslových odvětvích si zákazníci při výběru mezi konvenčním a elektrifikovaným řešením těchto důsledků spolu s dostupností vládou sponzorovaných pobídek jednoduše neuvědomují nebo jsou o nich dokonce špatně informováni.

Naštěstí se elektrifikace a další nízkouhlíkové technologie stávají stále rozšířenějšími a levnějšími na průmyslových i spotřebitelských trzích, přičemž pokrok a úspory z rozsahu pomáhají tento trend řídit. K dosažení nulových cílů musí společnosti a vlády i nadále plnit závazky udržitelnosti a stát za nimi, využívat elektrifikace a další metody ke snížení emisí oxidu uhličitého v odvětví dopravy, vytápění a průmyslu.