Forskning och utveckling
13.08.2020

En evig energikälla – närmare än du tror

Chris Stokel-Walker

 

Energi står redan för två tredjedelar av världens koldioxidutsläpp som är skapat av människan. Och efterfrågan fortsätter att öka. Det är en ohållbar ekvation som forskarna försöker lösa genom att hitta svaret på gåtan med outtömlig energi. Här tittar vi närmare på några innovationer som visar att en hållbar energiframtid kanske inte är så långt borta, trots allt.

Här får du veta:

 Att en outtömlig grön energikälla inte längre verkar vara en utopi, hur den kan bli verklighet, och vilka länder som ligger längst fram i utvecklingen.

 Vilka tekniska lösningar som skulle kunna göra det möjligt att lagra den förnybara energin i till exempel sol- och vindkraft.

 Vilka ämnen som forskarna tror kommer att kunna användas för att ersätta den fossila energin.

 När vi kan förvänta oss att de fossila energikällorna ersätts av hållbar energi – och hur den här gigantiska omställningen kommer att påverka världen.

 

Människan har i tusentals år sökt efter två saker som båda verkat vara lika ouppnåeliga. För vissa har längtan efter ett evigt liv stått i fokus. Vetenskapsmän, filosofer och miljardärer har sökt efter ett livselixir, fryst ner kroppar med kryonik i hopp om att kunna återuppliva dem, regenererat mänskliga celler och försökt ladda upp hjärnor i molnet.

Men samtidigt har människan alltid sökt efter en outtömlig och ren källa till energi: ett förnybart, tillförlitligt och ansvarsfullt sätt att värma upp våra hem, driva vår infrastruktur, tillverka våra produkter och hålla igång inte bara våra fordon utan också hela samhället. En oändlig källa till hållbart producerad energi skulle bespara oss all oro över hur dagens energiförbrukning påverkar kommande generationer. Där en människas jakt på ett evigt liv kan tyckas individualistiskt, kan en outtömlig, hållbar energikälla ge ett mycket bättre liv åt oss alla.

Att ha tillgång till en pålitlig energikälla, har varit en fråga om liv eller död för mänskligheten sedan förhistorisk tid. Vi har dock förlitat oss på resurser som kommer att ta slut, samtidigt som de skyndar på planetens förfall.

”Det är en liten planet vi bor på”

”Det är en liten planet vi bor på”, säger Sally Benson, som är en av cheferna för Stanford Universitys Precourt Institute for Energy samt chef för universitetets globala klimat- och energiprojekt. ”Samtidigt är vi många, och vi måste börja tänka på hur vi förvaltar jorden.” Hon anser att vi i dag har lyckats förändra både vårt sätt att tänka på energi och vårt sätt att använda den. ”I stället för att se det som att vi erövrar naturen, tänker vi oss nu en form av partnerskap med naturen för att rädda världen”, säger Benson.

Den här förändringen i synsätt kan komma att drivas på ytterligare under 2020. När ekonomin och transportsektorn börjar återhämta sig efter den globala pandemin får vi en möjlighet att stanna upp och reflektera över vilken sorts energisystem vi ska bygga upp. Ett urskillningslöst virus har påmint oss om vår dödlighet. Då borde vi förhoppningsvis också få en tankeställare om planetens dödlighet, så att vi kan se hur vår exploatering har påverkat planetens hälsa.

”Den här gigantiska omstarten gör det möjligt att lägga fram offensiva, framtidsinriktade och långsiktiga strategier”

I jakten på ett evigt liv har vi insett att om vi inte hittar ett outtömligt och uthålligt sätt att driva våra samhällen, kommer livet på jorden att bli allt annat än evigt. I dag vet vi att olja och gas inte kommer att ta slut lika fort som man fasade för under 1900-talet, samtidigt som behovet av att helt sluta använda jungfruliga fossila resurser aldrig har varit lika akut.

Även om kärnkraften förväntas ingå i vår energiförsörjning också i framtiden kan den inte täcka hela vårt behov. Kärnkraftens problem med höga kostnader, säkerhet, avfallshantering och spridning behöver också lösas. Hela världen måste gå över till förnybar energi, men i nuläget går omställningen inte tillräckligt fort.

”Den här gigantiska omstarten gör det möjligt att lägga fram offensiva, framtidsinriktade och långsiktiga strategier som ger ett diversifierat, säkert och tillförlitligt energisystem”, säger Roberto Bocca, Head of Energy and Materials på World Economic Forum.

Hur kan en oändlig energikälla se ut?

Ända sedan den första moderna oljekällan togs i bruk i Titusville, Pennsylvania, 1859 – ja, faktiskt ända sedan stenåldersmänniskan eldade ved för att få värme och tillaga sin mat – har vi hanterat energi på ett och samma sätt. Vi har tagit den energi som har funnits tillgänglig utan att känna att vi behöver ersätta den i samma takt. Vi har använt fossil energi som om det vore en oändlig resurs som vi kan utvinna och bränna upp utan att behöva bry oss om konsekvenserna.

Dagens sol- och vindkraftverk genererar energimängder som man en gång trodde var en matematisk omöjlighet.

I dag står energianvändning och energiproduktion för två tredjedelar av världens koldioxidutsläpp skapade av människan. Vi vet att efterfrågan på energi kommer att öka med 1 procent per år fram till 2040, men vi vet också att vi inte kan fortsätta att använda oss av samma gamla förorenande energikällor. I stället för att utnyttja kolväten från underjorden arbetar forskare, forskningsinstitut och företag på att utveckla sätt att dra nytta av naturens krafter utan att förbruka dem. Det är det här angreppssättet som är nyckeln till en outtömlig, grön energi.

Dagens sol- och vindkraftverk genererar energimängder som man en gång trodde var en matematisk omöjlighet. Ändå kan de här traditionella metoderna inte regelbundet och på egen hand tillgodose vår växande energikonsumtion. Samhället behöver inte bara använda renare elektricitet, utan också ersätta råoljan inom transportsektorn och där den används som råmaterial till de produkter vi använder. För att kunna sluta använda fossil energi behöver vi en rad revolutionerande teknologier som för oss närmare outtömliga energikällor, där många kommer att vara förnybara och grundas på den cirkulära ekonomins principer.

Hur kan vi använda överskottet av solljus som en outtömlig energikälla?

Det sägs ofta att det solljus som når jorden under två minuter skulle räcka för att täcka hela världens energibehov under ett år. Det här är en hypotes som industrin och forskarvärlden nu vill testa. ”Så länge solen lyser kommer vi att ha tillgång till solenergi, och när den gör det får vi en rad olika solenergiderivat”, säger Sally Benson. ”Vårt mål och den stora utmaningen är att ta reda på hur vi kan utnyttja den här resursen.”

Ordet ”exponentiell” används ofta felaktigt för att beskriva alla former av tillväxt, men är helt rätt i solenergisammanhang. Energiproduktionskapaciteten från fotovoltaiska paneler förväntas enligt IEA växa med 14 procent bara under 2020. Det är en utveckling som också syns i priserna. Under 2020 förväntas det, på samtliga större marknader världen över, bli billigare att bygga nya anläggningar för förnybar energi än att fortsätta driva befintliga kolkraftverk. Detta enligt Forbes. IEA:s prognoser visar också att solkraften förväntas gå förbi gas som världens dominerande energikälla runt 2035.

Samtidigt är solpaneler bara en metod som forskarna vill använda för att dra nytta av solens oändliga energi. Det finns andra transformativa teknologier som för närvarande används i olika småskaliga projekt där solenergin inte bara ska ge elektricitet, utan också ska driva transporter och producera råmaterial. Med tillräcklig finansiering och en hel del tankeverksamhet kan detta bli mer tillförlitliga och storskaliga alternativ. I laboratorier världen över tar man också fram och undersöker olika idéer som har stor potential för att längre fram kunna ingå i arbetet mot klimatförändringarna.

Sverige, Schweiz, Finland, Danmark och Norge är de fem länder som är bäst förberedda för energiövergången.

Petri Lehmus, Vice President för Research and Development på Neste och expert på att leda team som skapar cirkulära lösningar för både ekonomin och samhället, menar att alla de här projekten är viktiga oavsett vilket utvecklingsstadie de befinner sig i. ”Att minska koldioxidutsläppen är en enorm utmaning, och vi behöver flera parallella lösningar för att kunna hantera den”, säger han och förespråkar en stegvis process där mänskligheten vänjer sig av med de mest skadliga energivanorna vi för närvarande har.

Att det behövs olika parallella lösningar visar Lehmus genom ett exempel från transportsektorn, som står för en betydande del av världens koldioxidutsläpp. Under 2018 stod transporter för 28 procent av USA:s utsläpp av växthusgaser. Det räcker inte med elektrifiering för att åtgärda branschens massiva utsläpp i tid. ”Förnybara bränslen, både flytande och i gasform, fortsätter att vara en del av lösningen eftersom de är enkla att börja använda och gör att koldioxidutsläppen kan minska omedelbart, med befintlig infrastruktur”, konstaterar Lehmus. Det viktiga är att företagen både arbetar med lösningar som enkelt kan skalas upp och ger kortsiktiga effekter, och med de mer fulländade lösningar som kommer att bli stora på lång sikt.”

Svein Tveitdal, en tidigare chef på FN som nu driver energikonsultföretaget Klima2020, uppmanar privatägda företag att engagera sig i arbetet: ”Vi har alla lösningar som behövs för att lösa den här enorma utmaningen, men det stora problemet är att marknaden själv inte löser problemet tillräckligt snabbt.”

Vilka energilösningar verkar mest lovande i kampen mot klimatförändringarna?

En av nackdelarna med förnybar el är att den är nyckfull till sin natur. Man får till exempel bara solenergi så länge solen lyser och energin är dessutom svår att lagra. Det fungerar bra dagtid, men vi vill ha energi dygnet runt. Nu verkar lagringsproblemet dock vara löst. ”Litiumjonbatterier kostar allt mindre och mindre, vilket gör att de kan få en viktig roll för att jämna ut solenergin genom att lagra dagens överskott så att det kan användas för åtminstone en del av nattens behov” säger Sally Benson vid Stanford Universitys Precourt Institute for Energy.

Vindkraft, där energin utvinns med hjälp av vindturbiner, kan också lagras i sådana batterier. Forskare vid Karlsruher Institut für Technologie menar att i teorin kan litiumjonbatteriernas kapacitet kan förbättras upp till 30 procent bara genom enkla förändringar av deras funktion.

Power-to-X är en storslagen idé som skulle kunna bli en av de mest gångbara teknologierna i arbetet med klimatförändringarna.

Batterier är dock inte det enda sättet att lagra energi. En av de lösningar som anses vara mest lovande för lagring av enorma mängder förnybar energi är Power-to-X (P2X). Det är en transformativ teknologi som använder sol- eller vindkraft och genom elektrolys delar upp vattenmolekyler till syre och väte, så att slutprodukten blir förnybar och helt utsläppsfri vätgas. Så länge processen drivs med förnybar energi och använder koldioxid som råmaterial, kan P2X hjälpa att omvandla koldioxidproblemet till bränsle, kemikalier och material med lägre koldioxidavtryck än de konventionella alternativen.

De syntetiska bränslen som skapas med P2X-teknologi kan också hjälpa till att jämna ut fluktuationerna i den förnybara energiproduktionen. Samtidigt skulle vi kunna använda dem som mer än enbart ett energiförråd, genom att omvandla dess energi till material som i sin tur kan återvinnas och föras tillbaka in i värdekedjan i ett positivt kretslopp.

Power-to-X är en storslagen idé som skulle kunna bli en av de mest gångbara teknologierna i klimatförändringsarbetet. Sally Benson kallar den för ”inte så långsökt”. ”Den här typen av lösningar är på gång”, menar hon. ”Det kommer att ta ett tag, men ligger inom det möjligas gränser.”

Neste är ett av de företag som utvecklar Power-to-X i energirevolutionens teknologiska  framkant. De satsar också en del forskning på flera andra metoder för att ombilda hållbara råmaterial till energi, med förhoppning om att hitta ett sätt att komma åt energikällor som aldrig tar slut. Företaget använder redan olika former av avfall samt olje- och fettrester som till exempel begagnad matlagningsolja och djurfett, för att tillverka förnybara bränslen och råmaterial till produktionen av polymerer och andra kemikalier. Neste undersöker också hur man kan använda oljerikt avfall, exempelvis fetter, som utvinns ur avloppssystem. ”Vi vill konvertera de här lågkvalitativa fetterna till olika förnybara produkter av hög kvalitet”, säger Petri Lehmus.

Vilka länder ligger längst fram i jakten på en evig energikälla?

Som förväntat sker utvecklingen mot en hållbar energiframtid i den mest utvecklade delen av världen. Enligt World Economic Forum är Sverige, Schweiz, Finland, Danmark och Norge de fem länder som är bäst förberedda inför den här energiövergången. Kina, som i dag är världens starkaste ekonomiska motor och driver olika energiprojekt i en rad utvecklingsländer, kommer på 78:e plats.

Samtidigt måste vi komma ihåg att dagens problem med tillgången till energi och användningen av den inte kan lösas på något enkelt sätt, utan kommer att kräva global samordning. Den stora utmaningen är att övertyga samtliga nationer om behovet av att använda renare alternativ än jungfrulig, fossil olja och gas. Det är inte någon enkel uppgift, eftersom en hållbar energiförsörjning ännu inte ligger högst upp på agendan i världens samtliga ekonomier.

”Man kan inte säga åt världens fattigaste människor att minska sin energiförbrukning för att rädda planeten.”

”Det finns så många fattiga människor i världen”, säger Svein Tveitdal, tidigare chef inom FN. ”Man kan inte säga åt dem att minska sin energiförbrukning för att rädda planeten.” Tveitdal minns hur han under sin tid på FN fick besök av delegationer från olika utvecklingsländer som berättade att de tänkte fortsätta att utnyttja sina naturresurser, ”bli rika och sedan städa upp efteråt – och säg inte åt oss att vi inte får göra det.” Tack och lov ser vi nu att det görs betydande framsteg världen över när det gäller att använda naturens krafter på ett hållbart sätt.

Vilken roll spelar växter, plast och rymden i jakten på en oändlig energikälla?

Biomassa är något som inte bara har lagt grunden för civilisationens framväxt över hela världen, utan också är en värdefull energiresurs – ett förnybart, vegetabiliskt eller animaliskt material som kan användas som råvara i produktionen av energi, bränsle och olika andra material. Traditionellt har biomassa använts mest i länder med svag energiinfrastruktur. Ett exempel är Uganda-baserade Mandulis Energy som sedan 2012 har konverterat risagnar och andra jordbruksbiprodukter till gas, som sedan används via småskaliga elnät och förser lokalsamhällen med elektricitet.

Men nu har innovatörer på världens mest teknologiskt avancerade laboratorier börjat undersöka biomassa ur nya perspektiv. I dag vet vi att vi kan ersätta kolväten från fossil energi med kol från biologiska källor, som alltid växer upp igen, vilket ger betydligt lägre utsläpp av växthusgaser än vid användning av fossila råmaterial.

Användningen av biomassa är egentligen bara en alternativ metod som gör att vi kan använda solenergi på ett cirkulärt sätt.

Neste undersöker inte bara oljor och fetter utan även storskalig användning av exempelvis lignocellulosa och restprodukter från jord- och skogsbruket. ”Där ställs vi inför en lite större utmaning, eftersom sådana råmaterial inte är optimala för de produkter vi tillverkar. Därför behöver vi bearbeta och konvertera dem i högre utsträckning”, säger Lehmus. ”Att använda biomassa, särskilt sådan som anses vara avfall eller en restprodukt, är en av de lösningar som också kan skalas upp, vilket är anledningen till att vi har använt biomassa i mer än ett årtionde och fortsätter att utforska den.”

Användningen av biomassa är egentligen bara en annan sorts metod som gör att vi kan använda solenergi på ett cirkulärt sätt. Den energi som finns i biomassan kommer, precis som energin i olje- och fettavfall, från solen och har lagrats i de olika materialens kolföreningar. Om vi optimerade hela vårt energi- och materialanvändningssystem så att vi kunde använda de här kolföreningarna om och om igen, skulle vi kunna slippa att använda nya fossila kolväten och därmed stoppa de kumulativa utsläppen av koldioxid.

Det är inte bara naturmaterial som kan återvinnas och omvandlas till energi och förse oss som en oändlig, cirkulär energikälla. Polyolefiner, som är bland de vanligaste polymererna i dagens plaster, består av kolväten. ”De är den perfekta råvaran för tillverkning av högkvalitativa råmaterial för nya plaster”, säger Lehmus.

Globalt producerades nästan 360 miljoner ton plast under 2018. Bara i Europa låg produktionen på nära 62 miljoner ton, och av den återvanns ungefär 10 procent, enligt Plastics Europe. Situationen ser ännu värre ut i många andra delar av världen. Neste håller på att undersöka möjligheten att använda plastavfall som råmaterial och planerar att raffinera plastavfall i flytande form till högkvalitativt drop-in-råmaterial i produktionen av ny plast. Företaget tänker ta de ingående kolvätena och transformera dem till byggstenar som sedan ska användas i nya produkter av jungfrulig kvalitet, vilket gör att kolvätena kan cirkulera, om och om igen.

Källan till oändlig energi finns på ett ställe långt, långt borta.

Det går också att tillverka kolväten i laboratoriemiljö genom att först dela upp vatten i dess beståndsdelar för att skapa förnybar vätgas, som sedan kombineras med koldioxid för att tillverka kolväten, till exempel metan. Det är en teknologi som kallas för Power-to-gas.

Enligt Benson är det definitivt troligt att vi kan skapa metan på det här sättet och använda den som energibärare för förnybar energi i stor skala. Så länge den energi som används är förnybar, koldioxiden hämtas från atmosfären och systemet är slutet utan risk för metanläckor, skulle det vara en hållbar process. ”Vi skulle kunna göra det. Det skulle vara dyrt i dag och vi skulle behöva lära oss hur vi får processen att fungera praktiskt och effektivt, men det är definitivt på gång”, säger Benson.

En outtömlig energikälla skulle också kunna hittas på en plats långt, långt borta, nämligen ute i rymden. ”En av de saker vi inte så ofta tänker på är att jorden är varmare än den yttre rymden”, säger Benson. Jorden strålar hela tiden ut energi i rymden. Om vi kan hitta ett material som strålar med exakt samma våglängd som jorden, skulle det stråla ut energi och bli väldigt kallt. När man omger något kallt med varm luft skapas något som kallas för energigradient. ”Genom att ha en varm och en kall ände kan de här apparaterna generera en ström och därmed elektricitet”, förklarar Benson.

Skulle en outtömlig energikälla ge oss en mer jämlik framtid?

Det här är innovativa projekt, som om de blir framgångsrika skulle kunna förändra hela vår existens i grunden.

Med en outtömlig energikälla som görs tillgänglig genom teknologi baserad på cirkularitet, skulle energipriserna teoretiskt sett sjunka kraftigt. Energifattigdomen som hindrar människor och samhällen från att växa genom tillgång till grundläggande saker som internet, ljud och värme skulle minska.

En del av de här projekten kan verka småskaliga, hypotetiska eller som förberedelser inför en energiframtid som just nu verkar avlägsen. Ändå är det viktigt att vi förbereder oss för just den framtiden. ”Allt vi gör inom skalan på människans energisystem kommer att ge effekt”, avslutar Benson.

Även om energibehovet ökar med 1 procent per år verkar det tack och lov som om hastigheten i den tekniska utvecklingen ökar exponentiellt. Genom fokuserade, gemensamma insatser kan vi mycket väl lyckas komma åt hållbara och outtömliga energikällor i tid.

Chris Stokel-Walker är författare, föreläsare och journalist vars arbete har synts i BBC News, The New York Times och WIRED UK.

Share article