Redigerer Fornybar energi (avsnitt)

== Integrering av fornybare energikilder i energisystemene ==
I mange land har [[infrastruktur]] for energiforsyning utviklet seg over mange år, slik at elektrisk kraft, gass, varme og drivstoff skal kunne distribueres på en kostnadsoptimal måte. En overgang til samfunn med lave utslipp av klimagasser kan bety at det må gjøres omfattende investeringer ikke bare i fornybare energikilder, men også i infrastruktur. Mer fleksible elektriske kraftsystemer ([[smart strømnett]]), utbygging av [[fjernvarme]]- og kjøleanlegganlegg, nye systemer for å distribuere fornybar gass og drivstoff er eksempler på dette. Nye anlegg for energilagring og utvikling av nye kollektive transportmidler, samt systemer for energidistribusjon og kontroll i bygninger, er andre mulige konsekvenser.{{sfn|Arvizu|2012|p=103–107}}

Forskjellene mellom de ulike fornybare energikildene, kan i noen tilfeller gjøre innfasing av fornybare energikilder vanskelig og kostbart. Tilgang til sol- og havenergi finnes mange steder i verden, mens andre kilder som vannkraft, er geografisk ujevnt fordelt. Noen er høyst variable og ikke lette å predikere, mens andre igjen har lavere energiinnhold enn fossile kilder som kull, olje og gass.{{sfn|Arvizu|2012|p=103–107}}

Dagens sentraliserte energisystemer drives oftest av fossile energikilder, og har blitt utviklet for å gi kostnadseffektiv energiforsyning ved hjelp av [[energibærer]]e i fast form, væskeform, gassform, elektrisitet og varme. Med større anvendelse av fornybare energikilder i den eksisterende energiforsyningen må tekniske, økonomiske, miljømessige og sosiale barrierer brytes ned. I mange land og regioner vil overgang til elektriske kraftsystemer bli det mest passende for energioverføring, for eksempel ved bruk av elektrisitet til oppvarming og i transportsektoren.{{sfn|Arvizu|2012|p=103–107}}

Det er to egenskaper med flere av de fornybare energikilder som gjør storskala energiutnyttelse komplisert: den varierende effekten som er tilgjengelig (intermitterende produksjon) og lav energitetthet. For eksempel vil sol og vind varierer i løpet av døgnet, i tillegg til å være væravhengig. En har to løsninger på dette problemet om energien omgjøres til elektrisk kraft – energioverføring over lange avstander med [[kraftledning]]er og energilagring. Med kraftledninger kan energien overføres mellom regioner med overskudd til områder der det er underskudd.{{sfn|Smil|2017|p=3–11}} Enda en utfordring med disse energikildene er at de må utvikles og integreres i de energisystemene som allerede finnes. Dermed kan det hende at de beste systemene i fremtiden, med mye høyere produksjon fra fornybare energikilder, er helt annerledes enn de en har ved inngangen i det 21. århundre.{{sfn|Arvizu|2012|p=158}}

=== Elektrisk energilagring ===
[[Fil:Pompe Veytaux 2.jpg|mini|Generator, turbin og pumpe i et [[pumpekraftverk]] i Sveits. {{byline|Brisk-o-Cube}}]]

For å gjøre fornybar energi tilgjengelig, pålitelig og attraktiv, er det helt vesentlig at teknologi for [[energilagring]] blir utviklet. Dette trengs både for energilagring av elektrisitet og for å ha energibærere for transportsystemer. Energiproduksjon ved hjelp av vind- og solkraft som overføres via kraftnettet er blitt mer og mer vanlig, men tilgangen på billige systemer for lagring av store energimengder setter begrensinger for utnyttelsen av disse energikildene. På samme måte utgjør manglende energilagring begrensinger for transportsektoren. Store tekniske fremskritt må gjøres for å kunne utnytte fornybare energikilder i det omfanget som er ønskelig.{{sfn|Goswami og Kreith|2016|p=940–941}}

Energi kan lagres som [[mekanisk energi]], i form av legemer eller substanser som roterer, er komprimert eller plassert på en høyde, som [[termisk energi|termisk]] eller [[elektrisk energi]] som blir frigjort via kjemiske prosesser eller på andre måter. Elektrisk og mekanisk energi anses for å være [[Høyverdig energiform|høykvalitetsenergi]], fordi disse enkelt kan konverteres til en av disse formene. Lagret varmeenergi derimot blir i de fleste sammenhenger ansett som lavkvalitetsenergi, fordi nytteverdien avhenger av temperatur og fordi den ikke kan omformes til elektrisk eller mekanisk energi i en prosess med høy [[virkningsgrad]]. Elektrisk energi har størst universell nytteverdi, fordi elektrisitet kan omformes til mekanisk- eller varmeenergi med høy virkningsgrad, noe som ikke er tilfelle for andre energiformer. I tillegg produserer de mest lovende fornybare energikildene (vind- og solkraft) elektrisitet avhengig av vind og vær, ikke nødvendigvis når behovet er størst.{{sfn|Goswami og Kreith|2016|p=940–941}}

[[Pumpekraftverk]] har blitt benyttet for energilagring helt siden 1890-årene.{{sfn|Smil|2017|p=223–238}} Slike anlegg finnes med størrelser opp til 1000 MW. Typisk transporteres vann med [[pumpe]]r opp fra ett reservoar til ett som ligger høyere opp. Pumpene tar imot overskudd av elektrisk energi i kraftsystemet og drives av en elektrisk motor. Den elektriske motoren kan også gå som generator og er da tilknyttet en vannturbin drevet av vannet når det strømmer tilbake til det laveste reservoaret. Det finnes også slike anlegg i nedlagte gruver, der forskjellige nivåer i undergrunnen benyttes som vannreservoarer. Nye slike anlegg har en virkningsgrad på rundt 80 %.{{sfn|Goswami og Kreith|2016|p=953–954}}

Andre tekniske prinsipper går ut på å lagre energi i form av komprimert luft i store tanker, [[svinghjul]] (roterende masse) og systemer for termisk energilagring.{{sfn|Goswami og Kreith|2016|p=955–960}} Biomasse, etanol, biogass og biodiesel er også eksempler på energilagring, disse er i tillegg energibærere som kan tas med i kjøretøy.{{sfn|Goswami og Kreith|2016|p=961–964}}

I forbindelse med vindkraft har en vurdert forskjellige typer energilagring i kraftsystemet. En ser for seg at anvendelse av elektriske biler i stor skala kan by på en fordel, ved at batteriladning kan styres ut fra behov i kraftsystemet. Dermed kan kontrollert batteriladning gjøre at variabel energiproduksjon fra vindkraft kan dempes ut. Andre muligheter er at overskudd fra vindkraft brukes til drivstoffproduksjon eller oppvarming lokalt (for eksempel romoppvarming).{{sfn|Arvizu|2012|p=98–99}}

=== Energioverføring og energibærere ===
[[Fil:Power Cable (215870263).jpeg|mini|Elektriske høyspentlinjer for overføring av store energimengder over lange avstander. Energiforsyning fra mange forskjellige fornybare energikilder fordrer at energien kan overføres med lave tap over store avstander. {{byline|Claudio Saraceno}}]]
[[Fil:2005-08-30-district-heating-pipeline.jpg|mini|Rørledninger for fjernvarme i Tübingen i Tyskland.{{byline|Björn Appel}}]]

Om en hadde tilgjengelig teknologi for elektrisk energilagring med høy kapasitet, ville en enklere kunne utnytte vind og solenergi i stor skala, selv om disse energikildene har svært variabel produksjon. Når slike energilagre ikke er tilgjengelige må en heller satse på flere forskjellige og regulerbare energikilder, som vannkraft, bioenergi, geotermisk energi, samt et omfattende kraftoverføringsnett med høy kapasitet.{{sfn|Smil|2017|p=223–238}}{{sfn|Arvizu|2012|p=107–109}}

Utnyttelse av fornybare energikilder i stor skala utfordrer de eksisterende kraftsystemene. Disse er bygget for å foredle høykvalitetsenergi i svært store kvanta fra noen få noder (knutepunkter), men må endres slik at de kan håndtere energi med lav kvalitet i små kvanta, fra mange steder og transporteres over store avstander. Disse energimengdene skal så konsentreres og distribueres i sentra med stor befolkning og tilsvarende stort energiuttak.{{sfn|Smil|2017|p=223–238}}

[[Fjernvarme]]systemer forventes å være gunstige for overgang til flere forskjellige fornybare energikilder, som avfallsforbrenning, fyrkjeler for biomasse, solenergi og geovarme, samt spillvarme fra industri. Mange slike energikilder er billige og flere kan kobles inn på samme system. Mange land på høyere [[breddegrad]]er har allerede utbygd slike systemer, der {{nowrap|30–50 %}} av markedet er dekket (2012). Systemer for fjernvarme kan bygges ut videre med varmelagre som magasinerer varme til spesielle perioder på døgnet eller året, enten fordi varmebehovet- eller produksjonen er variabel. Sike vannbårne systemer kan også distribuerer kaldt vann for nedkjøling i varme strøk.{{sfn|Arvizu|2012|p=110–111}}

Siden 1960-årene har det blitt bygget ut [[Gassverk|gassrørledninger]] i mange deler av verden. Disse nettverkene forsyner husholdninger og industri med [[naturgass|gass]] for oppvarmingsformål. Disse kan brukes til å frakte fornybare gasstyper ([[biogass]]) istedenfor naturgass. Det er da snakk om gasser som [[metan]], [[syntesegass]] og [[hydrogen]]. Rundt omkring i verden blir slike gassverk modifisert for å distribuere biogass.{{sfn|Arvizu|2012|p=111–112}}

=== Innføring av nye typer energi ===
Bioenergi i flytende form forventes å kunne være et velegnet drivstoff i transportsektoren. Typisk blir det mange steder i verden blandet inn 5–25 % etanol i bensinen, dessuten blandes biodiesel inn i diesel. Det er flere utfordringer med en overgang til drivstoff kun bestående av flytende bioenergi. En må utvide infrastrukturen med større tanker og rør, samt med større drivstofftanker i bilene, for å overføre samme energimengde. Årsaken er at for eksempel etanol bare har 2/3 så høyt energiinnhold som bensin.{{sfn|Arvizu|2012|p=112–113}}

Elektrifisering av flest mulig sektorer og energisystemer blir sett på som avgjørende for en overgang til fornybare energikilder og redusert avhengighet av fossile energikilder. For noen industrisektorer anses elektrifisering som vanskelig, dette gjelder særlig produksjon av [[stål]], [[sement]] og i deler av kjemisk industri. Det samme gjelder fly, der en trenger energibærere med svært høy energitetthet. Innenfor en del sektorer har en derfor stor tro på hydrogen som energibærer. Hydrogen danner ved forbrenning vann, og produseres tradisjonelt ved hjelp av kull eller naturgass. Dermed må det forskning og utvikling til for få en verdikjede basert på fornybar energi. Likeledes trengs en infrastruktur for transport av hydrogen og utvikling av prosesser der hydrogen erstatter fossile energikilder. Et eksempel på bruk er i biler der hydrogen og oksygen blandes i brenselceller og gir elektrisitet som driver en [[elektrisk motor]]. Det gjøres også forskning på hydrogendrevne jetmotorer i fly. En ulempe med hydrogen er at det er en svært [[Kjemisk reaksjon|reaktiv gass]], slik at beskyttelse mot eksplosjoner er viktig.{{sfn|Samset|2021|p=305–308}}

=== Energiøkonomisering ===
[[Effektiv energibruk|Energiøkonomisering]], i betydning energieffektivisering og energisparing, vil bety mye for fremtidige strategier for energibruk. Dette behøver ikke gå ut over velstanden blant folk. Et eksempel som trekkes frem er USAs høye energiforbruk [[per capita]], som er opptil tre ganger høyere enn sammenlignbare land med samme velstandsnivå ([[Human Development Index]]). Med forbedringer innenfor energieffektivisering og endringer av infrastruktur, kan USA komme ned på samme energiforbruk som de europeiske [[OECD|OECD-landene]].{{sfn|Goswami og Kreith|2016|p=24–29}} De rike samfunnene i Nord-Amerika, Europa og Asia har et årlig forbruk av energi på mer enn 300 GJ/capita, og i noen tilfeller mer enn 500 GJ/capita.{{sfn|Smil|2017|p=2}}

Bare 37 % av verdens primærenergi går til nyttig energibruk, resten går tapt, for det meste som varme. I rapporten ''World Energy Assessment 2000'' sies det at verden fra 2020 til 2040 sannsynligvis vil gjennomgå en energieffektivisering på 25–35 % i de fleste industriland og en forbedring på mer enn 40 % i utviklingslandene. Siden 1970-årene har sammenhengen mellom energibruk og økonomisk vekst i OECD-landene enten blitt svakere eller opphevet. Skatter og avgifter, energilovgivning og internasjonal handel med CO<sub>2</sub>-kvoter kan være med på å stimulere til energiøkonomisering, det samme kan harmonisering av internasjonale reguleringer for eksportprodukter.<ref name="World Energy Assessment 2000">{{Kilde bok | forfatter= Brown, Mark Malloch | tittel= World Energy Assessment 2000 | artikkel= | utgivelsesår= 2000 | sted = New York, USA | forlag= United Nations Development Programme, United Nations Department of Economic and Social Affairs | isbn= 92-1-126126-0 | url= https://sustainabledevelopment.un.org/content/documents/2423World_Energy_Assessment_2000.pdf }}</ref>

En rapport fra konsulentfirmaet [[McKinsey & Company|McKinsey]] i 2010 sa at energieffektivisering utgjør rundt 40 % av potensialet for reduksjon av klimagassutslipp. Forbedringen av energisystemene vil også gi økonomiske besparelser.{{sfn|Smil|2017|p=215–221}}

=== Materialbruk ===
Produksjon av stål, sement, [[ammoniakk]] og plastikk førte til utslipp av 1,9 [[Giga|G]][[tonn|t]] karbon i 2015, noe som utgjorde rundt 20 % av de totale utslippene. Økende behov for disse materialene forventes å gi økt energibehov, fortrinnsvis med fossile energikilder, siden disse inngår delvis som energikilde og er del av den kjemiske prosessen. Spesielt forventes det stor økning i Asia og Afrika både på grunn av befolkningsvekst og økt levestandard.{{sfn|Smil|2017|p=186–192}} På grunn av de moderne industrisamfunnenes avhengighet av disse energiintensive materialene og utfordringer med andre produksjonsmåter, er det nødvendig å redusere bruken. Det kan skje ved redusert materialbruk i nye produkter, forbedring av virkningsgrad, økt gjenbruk og reduksjon av antall produkter basert på disse materialene.{{sfn|Smil|2017|p=183–185}} En ser for seg en fremtidig økonomi der en bruker materialer på en mer effektiv måte, og at det fremstilles mer holdbare varer, som i tillegg kan repareres og gjenbrukes. Slike tiltak er kjent som [[sirkulær økonomi]].{{sfn|Samset|2021|p=309–311}}

Overgang til fornybare energikilder vil også påvirke produksjon og avhengighet av fossile energikilder. Et eksempel er at om vindturbiner skal forsyne 25 % av verdens energibehov i 2030, så vil nye installasjoner med en samlet ytelse på {{nowrap|2,5 TW}} kreve 250 millioner tonn stål (stål til tårn og kraftledninger utelatt i overslaget). Dette stålet vil trenge 600 millioner tonn kull for å bli produsert. Produksjon av plast for selve turbinbladene vil ytterligere kreve 90 millioner tonn råolje.{{sfn|Smil|2017|p=186–192}}

Storstilt utbygging av fornybare energikilder vil øke behovet for [[sjeldne jordarter]] og metaller som kobber og aluminium. Solcelleanlegg, vindturbiner og elektriske biler krever generelt mer mineraler enn tilsvarende enheter basert på fossil energi. En typisk elbil krever seks ganger så mye mineraler som en konvensjonell bil og et vindkraftverk på land krever ni ganger mer mineralressurser enn et gassfyrt anlegg. Det er særlig mineralene litium, nikkel, kobolt, mangan og grafitt, som trengs i store mengder.<ref>{{Kilde www | forfatter= | url= https://www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions | tittel= The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions | besøksdato= 16. november 2021 | utgiver= IEA, Paris | arkiv_url= | dato = 2021 }}</ref>

=== Sluttbrukere av energi ===
Utvikling av fornybare energikilder har ført til at disse er tatt i bruk innen industri, transport, bygninger og i andre næringer. For å utnytte dette videre i større grad, står ulike bransjer ovenfor en rekke ulike utfordringer som må løses.{{sfn|Arvizu|2012|p=113}}

==== Industrisektorens energibruk ====
Industrisektoren er den største sluttbrukeren av energi, både når det gjelder energibehov og utslipp av klimagasser. I 2014 stod stål- og metallfremstilling, kjemikalie-, mineral-, pulp- og papirindustrien for omtrent 66 % av sluttbruken av energi og 72 % av industrisektorens klimagassutslipp. Det anbefales at industrisektorens begrensninger skjer ved redusert ressursbehov, energieffektivisering, økt elektrifisering, redusert bruk av fossile energikilder og ved utvikling av nye teknologier. I tillegg bør det anvendes [[karbonfangst og -lagring]]. For å oppnå målene kan en søke mot mer optimal ressursbruk, øke produktenes levetid og kvalitet og få til en større grad av gjenbruk.<ref name="IPCC Special Report" />{{Rp|129–148}}

==== Bygninger ====
Bygningssektoren stod for 31 % av den totale sluttbruken av energi i 2014, 54 % av sluttbruken av elektrisitet og 8 % av klimagassutslippene. Overgang til elektrisitet og energisparing for redusert behov for oppvarming og nedkjøling anses viktig, noe som i stor grad kan oppnås med forbedret isolasjon i bygninger, samt utstyr med større effektivitet. Andre viktige tiltak er installasjon av [[varmepumpe]]r og lysdioder. Forbrukernes valg og oppførsel, samt administrasjon av bygninger spiller også inn.<ref name="IPCC Special Report" />{{Rp|129–148}}{{sfn|Arvizu|2012|p=117}}

==== Transport ====
[[Fil:Autobuses_eléctricos_BYD_en_Bogotá.jpg|thumb|[[Elbuss|Elektriske busser]] i [[Bogotá]] i Colombia. {{byline|BYD Colombia}}]]
Transportsektoren har et stort energibehov og i 2013 var forbruket på 20 % av all primærenergi. Sektoren står for en stor del av utslippene av karbondioksid, i tillegg til andre luftbårne forurensninger. Hele 95 % av all energi til transport er oljebasert (2010).{{sfn|Goswami og Kreith|2016|p=8–10}} Det er forventet at fra 2008 til 2050 vil antallet motoriserte kjøretøyer i verden tredobles, samme økning forventes for luftfart.{{sfn|Arvizu|2012|p=113–117}} Fordi verdens oljeproduksjon antas å nå en topp rundt 2050, er det stort fokus på andre energikilder enn bensin og diesel for transport. Biler drevet av [[biodrivstoff]] eller elektrisitet ([[elbil]]er), samt [[hybridbil]]er, har oppnådd stor utbredelse noen steder i verden (2016).{{sfn|Goswami og Kreith|2016|p=8–10}}

For å redusere klimagassutslipp er reduksjon av fossile energikilder i transportsektoren blitt sett på som helt avgjørende. I tillegg kan reisebehovet reduseres, kjøretøyene kan gjøres mer effektive, og en kan gå over til mindre energikrevende transportformer.{{sfn|Arvizu|2012|p=113–117}}

Forbruket av bensin til biltransport reduseres år for år i OECD-landene og maksimalt forbruk oppstod sannsynligvis i 2005. Årsaken til denne reduksjonen er økonomisk aktivitet som ikke etterspør transport, lav økonomisk vekst og større effektivitet innenfor transportsektoren. Derimot forventes det økt etterspørsel i land som Kina og India.<ref name="IEA Market Report: Oil 2021">{{Kilde bok | forfatter= | tittel= Oil 2021 – Analysis and forecast to 2026 | utgivelsesår= 2021 | forlag= [[IEA]] | isbn= | url= https://www.iea.org/reports/oil-2021 }}</ref>