Энергетический переход посредством электрификации — ключевой компонент для достижения нулевого баланса выбросов в мире

Электрификация — это переход от технологий и процессов, которые раньше зависели от неэлектрических источников энергии, таких как ископаемое топливо, к технологиям, работающим на электричестве, в идеале генерируемом возобновляемыми источниками, такими как солнце, ветер и гидроэнергия. Основным преимуществом является снижение выбросов парниковых газов (ПГ).

Чтобы достичь цели по снижению выбросов до нуля к 2050 году в энергетическом секторе, необходимо задействовать все имеющиеся меры по сокращению выбросов углекислого газа. Электрификация играет важную роль, поскольку, согласно прогнозам, она станет наиболее эффективной мерой по снижению выбросов углекислого газа в секторе в период с 2030 по 2050 год, а в период с 2022 по 2030 год будет уступать только ветровой и фотоэлектрической (ФЭ) солнечной энергии. Кроме того, это необходимо для поддержания порога в 1,5 °C, установленного Парижским соглашением по климату, до конца 21^-ого века.

Большинство мер по сокращению выбросов, обусловленных электрификацией, связано с переходом от использования ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии, и большинство из этих мер обеспечивается технологиями, которые уже сегодня доступны для применения в широком масштабе.

Чтобы достичь углеродной нейтральности, все промышленные сектора должны будут параллельно изучить несколько путей, включая повышение эффективности, улавливание и хранение углерода (УХУ) и переход на водородное топливо.

Достижение поставленных на глобальном уровне и обязательных на региональном уровне целей углеродной нейтральности потребует сокращения выбросов ПГ в транспортном, отопительном и промышленном секторах, где сегодня используется ископаемое топливо, а эти усилия по сокращению выбросов углерода будут непростыми и недешевыми. В следующих разделах рассматриваются возможности перехода к энергетике в конкретных отраслях.

Точное процентное соотношение зависит от региона, но транспорт неизменно входит в число основных источников выбросов ПГ из-за широкого использования ископаемого топлива. Хотя электрификация легких электромобилей растет, на нее приходится менее одного процента от общего энергопотребления в секторе, что подчеркивает возможности для роста в сфере легких, средних и тяжелых автомобилей.

Китай, Европа и США занимают сегодня крупнейшие рынки автомобилей и электромобилей, при этом Китай демонстрирует самые высокие продажи среди всех стран благодаря сильной государственной политике и поощрениям, а также отсутствию внутренних поставок нефти.

У электромобилей есть несколько негативных внешних факторов, наиболее значительными из которых являются факторы, связанные с ограниченной инфраструктурой зарядки и высокими первоначальными затратами, последние из которых в основном обусловлены стоимостью аккумулятора. По мере роста числа электромобилей они также могут создавать нагрузку на местные электросети, значительно увеличивая потребление электроэнергии, но эту проблему можно несколько снизить, стратегически расширив мощность электросети за счет локальной выработки электроэнергии с помощью солнечных фотоэлектрических микросетей в определенных местах.

Тяжелые автомобили сталкиваются с дополнительными препятствиями. Например, высокие требования к грузоподъемности грузовиков создают проблемы при проектировании электромобилей из-за большого веса аккумуляторов. Кроме того, дальнемагистральным перевозчикам приходится преодолевать сотни и тысячи километров в день, что может быть невозможным из-за необходимости частой и интенсивной подзарядки с использованием ограниченной подключаемый к электросети инфраструктуры. Без инноваций, направленных на сокращение времени зарядки и улучшение соотношения энергии аккумулятора к его весу, эти факторы ограничивают возможность замены тяжелыми электромобилями большинства существующих парков грузовых автомобилей, работающих на ископаемом топливе. Совокупная стоимость владения также играет свою роль, и хотя эксплуатация электрических грузовиков обходится дешевле, высокие первоначальные инвестиции могут стать препятствием для многих перевозчиков.

Для авиационной промышленности электрификация попросту не рассматривается из-за огромного веса аккумуляторов, которые потребуются для приведения в движение на любом продуктивном расстоянии. Вместо этого в отрасли изучают возможности использования экологически чистого авиационного биотоплива и оптимизации эксплуатации для сокращения выбросов.

Для охлаждения помещений, кондиционирования, освещения и вычислительного оборудования в зданиях уже используется электричество, но есть возможности для его использования в системах отопления помещений и водоснабжения, многие из которых работают на пропане, природном газе или дизельном топливе.

Электрические тепловые насосы уже несколько десятилетий используются для эффективного обогрева и охлаждения домов в условиях умеренного климата, но они не могут эффективно работать при отрицательных температурах. Однако последние инновации, такие как использование инверторных компрессоров с регулируемой скоростью вращения, позволяют использовать систему при температуре ниже -12 °C (10,4 °F).

Несмотря на то, что эффективность тепловых насосов с грунтовым источником тепла не имеет аналогов, препятствием могут стать более высокие капитальные затраты на переоборудование газовых установок. Новое строительство часто является наилучшей возможностью для электрификации в этом районе, поскольку, предположительно, уже были сделаны большие предварительные инвестиции. Кроме того, со временем снижение эксплуатационных расходов, а также уменьшение углеродного следа часто оправдывают дополнительные капитальные затраты в таких ситуациях.

В целом, электрификация зданий с использованием технологии тепловых насосов в сочетании с более чистой выработкой электроэнергии является важным путем к достижению целей в области климата.

Существует огромный нереализованный потенциал для электрификации многих объектов, что позволит снизить зависимость от ископаемого топлива в сочетании с нулевой энергией. Наибольшие возможности для электрификации открываются в низкотемпературных тепловых процессах, таких как сушка продуктов питания, производство напитков, обработка бумаги и легкая промышленность. Сюда входят процессы, требующие выделения тепла до температуры около 400 °C (752 °F).

Для рынков по производству напитков можно электрифицировать процессы, ранее работавшие на природном газе и мазуте. Производственные процессы, в которых для нагрева воды и пара использовалось ископаемое топливо, могут использовать специализированное оборудование, включая испарители с механической рекомпрессией пара, паровые сушилки и электрические котлы. По оценкам экспертов, более 50% всего ископаемого топлива, которое производители используют для питания технологических процессов, может быть заменено электричеством, что поможет осуществить энергетический переход.

Темпы электрификации промышленных процессов, где требуется высокая температура — 1000 °C (1832 °F) и выше —, зависят от развития новых электрических технологий, способных заменить оборудование с длительным жизненным циклом в таких отраслях, как производство стали и цемента. Например, разрабатываются электродуговые печи, способные заменить традиционные доменные печи и обеспечивающие значительно меньшие выбросы.

Промышленный сектор в целом выбрасывает парниковые газы множеством сложных путей. Сюда входят косвенные — через электроэнергию, получаемую из ископаемого топлива, — и прямые выбросы, связанные со сжиганием ископаемого топлива и выработкой электроэнергии на месте, а также побочные продукты и утечки ПГ. Электрификация может сократить выбросы из всех этих источников, хотя первоначальные и эксплуатационные расходы зачастую выше.

Любое рассмотрение вопросов по электрификации должно включать в себя вопросы, связанные с аккумуляторами и аккумуляторными технологиями. Аккумуляторы являются жизненно важным компонентом энергетического перехода, особенно для электрифицированного мобильного транспорта и накопителей в масштабах энергосистемы, которые могут выравнивать подачу энергии от непостоянных источников, включая солнечную фотоэлектрическую и ветровую энергию. Кроме того, аккумуляторы могут обеспечить мобильную выработку энергии для устройств и систем, заменяя небольшие генераторы, статические установки и мобильное оборудование.

Существуют различные новые конструкции аккумуляторов и последние достижения в области материаловедения, которые позволяют повысить их химический состав и эффективность. Как правило, литий-ионные аккумуляторы считаются более предпочтительным вариантом в силу их высокой энергоэффективности и длительного срока службы по сравнению с другими материалами. Эти аккумуляторы выгодно выигрывают благодаря удешевлению за счёт массовости, и в настоящее время они являются основной аккумуляторной технологией для хранения данных в масштабах сети.

В состав аккумулятора входят анод, катод, сепаратор, электролит и два токоприемника — положительный и отрицательный. Анод и катод накапливают литий, а электролит через сепаратор переносит положительно заряженные ионы лития от анода к катоду и наоборот. Движение ионов лития создает свободные электроны на аноде, что приводит к появлению заряда на положительном токоприемнике. Затем электрический ток проходит от токоприемника через питаемое устройство к отрицательному токоприемнику. Сепаратор блокирует поток электронов внутри аккумулятора, позволяя ионам лития проходить через него.

Основным преимуществом батарей для электромобилей и электросетей является способность принимать, хранить и передавать электроэнергию по запросу, подобно гидроэлектростанции с насосным накопителем. 

Использование преимуществ аккумуляторов для электрификации создает новые проблемы, связанные с сырьем, необходимым для их производства. Ответственный подход к минералов для аккумуляторов является одним из основных вопросов в глобальной стратегии устойчивого развития, поэтому добыча этих материалов должна осуществляться с помощью надежного партнера по разработке аккумуляторных решений. 

Как и большинство аккумуляторов, аккумуляторы для электромобилей состоят в основном из минералов энергетического перехода (ETM), которые иногда называют «критическими минералами». В настоящее время большинство аккумуляторов для электромобилей представляют собой литий-ионные аккумуляторы, в состав которых входит различное количество минералов энергетического перехода (ETM), включая литий, кобальт, никель и графит. Многие из этих материалов можно использовать повторно и перерабатывать в рамках циркулярной экономики, в отличие от бензиновых автомобилей, которые зависят от постоянной добычи и сжигания ископаемого топлива. Существуют и другие редкоземельные элементы, необходимые для электродвигателей электромобилей и постоянных магнитов ветряных турбин, например, медь.

В рамках устойчивых цепочек поставок необходимо постоянно совершенствовать систему отслеживания этих материалов. Производители аккумуляторов могут воспользоваться богатым опытом таких компаний, как Endress+Hauser, для поддержки инициатив по аудиту и сертификации КИП приборов.

Для принятия решений об электрификации крайне важны наличие достаточной информации и прозрачность сравнительного анализа затрат, технологической целесообразности и последствий для окружающей среды, однако эти элементы слишком часто бывают неполными или вообще отсутствуют. Во многих отраслях при выборе между традиционными и электрифицированными решениями клиенты просто не знают или даже неправильно информированы об этих последствиях, а также о наличии стимулирующих мер со стороны государства.

К счастью, электрификация и другие низкоуглеродные технологии становятся все более распространенными и менее дорогостоящими как на промышленном, так и на потребительском рынках, причем развитию этой тенденции способствуют прогресс и удешевление за счёт массового производства. Для достижения цели нулевого баланса выбросов компании и правительства должны и дальше брать на себя обязательства в области устойчивого развития, и поддерживать их, используя электрификацию и другие методы сокращения выбросов углекислого газа в транспортном, отопительном и промышленном секторах.