Energietransitie via elektrificatie – een belangrijke factor voor een netto-nulwereld

Elektrificatie is het veranderen van technologieën en -processen die afhankelijk waren van niet-elektrische energiebronnen, zoals fossiele brandstoffen, naar technologieën en -processen die worden aangedreven door elektriciteit, bij voorkeur opgewekt door hernieuwbare bronnen zoals zon-, wind- en waterkracht. Het grootste voordeel is de lagere emissie van broeikasgas (BKG).

Voor het bereiken van de nettonuldoelstellingen voor 2050 binnen de energiesector moeten alle mogelijke maatregelen voor het verlagen van kooldioxide-emissies worden toegepast. Elektrificatie is van essentieel belang, omdat het wordt gezien als de meest ingrijpende koolstofreductie-mitigatiemaatregel binnen de sector tussen 2030 en 2050, en de op één na belangrijkste is na wind- en fotovoltaïsche (PV) zonne-energie tussen 2022 en 2030. Ook moet het klimaatakkoord van Parijs worden nageleefd, waarbij de temperatuur met 1,5 °C moet dalen vóór het eind van de 21^e eeuw.

De meeste emissiereductie bij de elektrificatie wordt bereikt door de overstap van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare energiebronnen - en meestal op basis van technologieën die al beschikbaar en schaalbaar zijn.

Om koolstofneutraliteit te bereiken, moeten alle industriële sectoren diverse mogelijkheden naast elkaar verkennen, waaronder efficiëntieverbetering, koolstofafvang en -opslag (CCS) en de overstap naar waterstof.

Voor het realiseren van wereldwijd gestelde en regionaal uitgevoerde netto-nuldoelstellingen moeten de GHG-emissies in het vervoer alsmede in de verwarmings- en industriële sectoren, waar nu fossiele brandstoffen worden gebruikt, worden verminderd - en deze koolstofreductie zal niet makkelijk of goedkoop zijn. In de volgende paragrafen worden industrie-specifieke kansen voor de energietransitie behandeld.

Exacte percentages variëren per regio, maar de vervoerssector is voor een groot deel verantwoordelijk voor de emissie van broeikasgas door het wijdverbreide gebruik van fossiele brandstoffen. Hoewel de elektrificatie verder toeneemt voor elektrische lichte bedrijfsvoertuigen, is dit minder dan één procent voor het totale energieverbruik van de sector, waardoor er nog groeipotentieel is bij de lichte, middelzware en zware bedrijfsvoertuigen.

China, Europa en de Verenigde Staten hebben momenteel de grootste markt voor voertuigen en EV's (elektrische voertuigen), terwijl China de hoogste verkoopcijfers voor EV's van alle landen heeft als gevolg van het strenge overheidsbeleid en het ontbreken van de eigen olievoorraden.

EV's hebben een aantal negatieve externe effecten, zoals de beperkingen door het beperkte aantal oplaadpunten en hoge aanschafkosten - laatsgenoemde voornamelijk door de hoge kosten van de batterij. Terwijl het aantal elektrische voertuigen groeit, kunnen ze een hoge belasting vormen voor het plaatselijke elektriciteitsnetwerk door de toename van de gevraagde elektriciteit. Dit kan enigszins worden gecompenseerd door de netwerkcapaciteit strategisch te vergroten door plaatselijk elektriciteit op te wekken met zonnecellen.

Bij zware bedrijfsvoertuigen zijn er nog andere problemen. Door het hoge gewicht van trucks zijn de batterijen voor een elektrische uitvoering ook zeer zwaar. Bovendien leggen vrachtwagens voor langeafstandsverkeer vaak honderden of duizenden kilometers per dag af, wat niet mogelijk is als er vaak en lang moet worden opgeladen in een beperkte infrastructuur. Zonder innovaties voor het verkorten van oplaadtijden en het verbeteren van de energie-gewichtsverhouding van de batterij beperken deze problemen de mogelijkheid om de fossiele brandstoftrucks te vervangen door zware bedrijfs-EV's. De totale cost of ownership speelt ook een rol: hoewel de bedrijfskosten van elektrische lager liggen, kunnen de aanschafkosten voor transporteurs een drempel vormen.

Elektrificatie komt niet in aanmerking voor de luchtvaartindustrie door het immens gewicht dat batterijen zouden moeten hebben voor voldoende aandrijving over een productieve afstand. In plaats hiervan onderzoekt de industrie duurzame luchtvaart-biofuel en operationele optimalisatie om de emissies aan te pakken.

In gebouwen wordt al gebruikgemaakt van elektriciteit voor de ruimtekoeling alsmede koel-, verlichtings- en computerapparatuur, maar er zijn nog mogelijkheden bij ruimte- en waterverwarmingssystemen, die vaak werken op propaan, aardgas of diesel.

Elektrische verwarmingspompen worden al jaren gebruikt voor het efficiënt verwarmen en koelen van gebouwen in gematigde-klimaatzones, maar ze worden minder effectief als de temperaturen onder nul komen. Door recente innovaties - zoals compressortechnologie met variabele-snelheidomvormer - worden de prestaties van de systemen onder -12 °C (10,4 °F) beter.

Hoewel de efficiëntie van grondwarmtepompen ongeëvenaard is, kunnen de investeringskosten voor het overschakelen van aardgasapparatuur een obstakel vormen. Nieuwbouw is vaak de beste mogelijkheid om te elektrificeren, omdat er toch al grote investeringen worden gedaan. Bovendien kunnen operationele kostenbesparingen op termijn alsmede een kleinere CO2-voetafdruk in deze situaties een prikkel zijn voor extra investeringen.

Al met al is elektrificatie van gebouwen met behulp van warmtepomptechnologie in combinatie met schonere opwekking van elektriciteit een belangrijke manier bij het bereiken van de klimaatdoelen.

Er is nog een groot onbenut potentieel voor de industrie voor het elektrificeren van veel assets bij het verminderen van de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen als dit wordt gekoppeld aan netto-nulenergie. De grootste mogelijkheid voor elektrificatie zit in de lage-temperatuurverwarmingsprocessen, zoals het drogen van voedsel, de frisdrankproductie, papierverwerking en lichte productie. Dit omvat processen die nodig zijn voor het produceren van warmte tot ca. 400 °C (752 °F).

Frisdrankmarkten kunnen processen elektrificeren die eerst op aardgas en stookolie draaiden. Productieprocessen die afhankelijk waren van fossiele brandstoffen voor het verwarmen van water en stoom kunnen gebruikmaken van speciale apparatuur, waaronder mechanische dampcompressieverdampers, stoomdrogers en elektrische boilers. Deskundigen schatten dat meer dan 50 procent van alle fossiele brandstof die wordt verbruikt door producenten voor processen kan worden vervangen door elektriciteit, wat helpt bij de energietransitie.

De snelheid van de elektrificatie voor industriële processen waarvoor veel warmte nodig is, 1000 °C (1832 °F) en hoger, is afhankelijk van de ontwikkeling van nieuwe elektrische technologieën voor het mogelijk vervangen van apparatuur met een lange levensduur in industrieën zoals de staal- en cementproductie. Zo worden er elektrische vlamboogovens ontwikkeld die de traditionele hoogovens kunnen vervangen, met een veel geringere uitstoot.

De industriële sector in zijn geheel stoot broeikasgas op verschillende complexe manieren uit. Er zijn indirecte - via elektriciteit opgewekt met fossiele brandstof - en directe emissies, door de on-site verbranding en elektriciteitsopwekking van fossiele brandstof, alsmede bijproducten en lekkage van broeikasgas. Elektrificatie kan de uitstoot van al deze bronnen verminderen, hoewel de aanschafkosten en bedrijfskosten vaak hoger zijn.

Elke discussie over elektrificatie moet ook gaan over batterijen en batterijtechnologie. Batterijen zijn een essentieel onderdeel van de energietransitie, met name met betrekking tot geëlektrificeerd mobiel transport en opslag van elektriciteit als aanvulling op de voorziening van fluctuerende energiebronnen, zoals zon en wind. Batterijen kunnen ook worden gebruikt voor mobiele elektriciteitsvoorziening voor apparaten en systemen, waarbij ze kleine generatoren en statische fabrieks- en mobiele apparatuur.

Er zijn verschillende nieuwe batterijen en recente vorderingen op het gebied van materiaalkunde die zorgen voor betere chemische eigenschappen en efficiëntie van de batterij. In het algemeen wordt de voorkeur gegeven aan lithium-ion-batterijen vanwege hun hoge energie-efficiëntie en lange levensduur vergeleken met andere materialen. Deze batterijen profiteren van schaalvoordelen en ze zijn momenteel de leidende batterijtechnologie voor de opslag van elektriciteit.

Een batterij bestaat uit een anode, kathode, separator, elektrolyt en twee stroomcollectoren - positief en negatief. De anode en kathode bevatten het lithium, terwijl de elektrolyt de positief geladen lithium-ionen van de anode naar de kathode, en vice versa, via de separator verplaatst. De beweging van de lithium-ionen zorgt voor vrije elektronen in de anode, waardoor de positieve stroomcollector wordt geladen. De elektrische stroom loopt dan van de stroomcollector via het gevoede apparaat naar de negatieve stroomcollector. De separator blokkeert de stroom elektronen in de batterij, terwijl lithium-ionen kunnen passeren.

Het belangrijkste voordeel voor EV- en stationaire batterijen is het vermogen om elektriciteit te accepteren, op te slaan en op verzoek af te geven, vergelijkbaar met opgepompte opgeslagen hydro-elektriciteit. 

Het benutten van de voordelen van batterijen voor elektrificatie zorgt voor nieuwe uitdagingen met betrekking tot de grondstoffen die nodig zijn voor de productie van de batterijen. Het verantwoord delven van batterijmineralen is een belangrijk thema op de mondiale duurzaamheidsagenda, dus het verkrijgen van deze materialen moet worden uitgevoerd met een betrouwbare partner voor batterij-oplossingen. 

Zoals de meeste batterijen bevatten EV-batterijen hoofdzakelijk energietransitie-mineralen (ETM's), soms ook wel “kritieke mineralen” genoemd. Momenteel zijn de meeste EV-batterijen lithium-ion-batterijen, die diverse hoeveelheden ETM's bevatten, waaronder lithium, kobalt, nikkel en grafiet. Veel van deze materialen kunnen worden hergebruikt en gerecycled in de circulaire economie, wat niet het geval is bij benzinevoertuigen, die afhankelijk zijn van het doorlopend onttrekken en verbranden van fossiele brandstoffen. Er zijn andere zeldzame aardelementen nodig in EV-elektromotoren en in de permanente magneten voor windturbines, zoals koper.

Duurzame toeleveringsketens moeten de traceerbaarheid van deze materialen continu verbeteren. Batterijproducenten kunnen gebruikmaken van de grote expertise van bedrijven zoals Endress+Hauser voor de instrumentatie-audit en certificeringsinitiatieven.

Voldoende informatie en transparante vergelijkingen met betrekking tot kosten, technologische haalbaarheid en milieu-effecten zijn van belang bij het nemen van beslissingen over elektrificatie. Helaas zijn deze elementen te vaak niet compleet of ontbreken ze. In veel industrieën zijn klanten gewoonweg niet op de hoogte of verkeerd geïnformeerd over deze implicaties, zoals ook bij stimuleringsregelingen van de overheid, waar tussen conventionele en geëlektrificeerde oplossingen moet worden gekozen.

Gelukkig raken elektrificatie en andere koolstofarme technologieën steeds meer ingeburgerd en minder duur op zowel de industriële als de cosumentenmarkt, waarbij verbeteringen en schaalvoordelen deze trend ondersteunen. Voor het bereiken van netto-nuldoelstellingen, moeten bedrijven en overheden duurzaamheidsbeloften blijven doen en ondersteunen, gebruikmaken van elektrificatie en andere methoden voor het reduceren van kooldioxide-emissies in de vervoers-, verwarmings- en industriële sectoren.