Elektrifisering – den trojanske hesten i vår tid

KRONIKK: Ny fornybar kraftproduksjon bør brukes til utfasing av kull og ikke til økt elforbruk, skriver Rune Lødeng og Per Eidsvig.

Publisert Sist oppdatert

I denne kronikken viser vi hvorfor elektrifiseringstiltak påvirker bruken av kullkraft og hvordan for mye av det gode virker mot sin hensikt og fører til økte CO2 utslipp. Innholdet bygger bl.a. på vårt faglige notat.

Marginalkraft

Marginalkraften er den dyreste og dermed minst ettertraktede kraften. Det medfører at marginalkraft benyttes til å dekke det forbruket de andre kraftkildene ikke kan dekke. Derfor har også marginalkraften ledig produksjonskapasitet. Når forbruket øker vil produksjonen av marginalkraft øke. Tilsvarende vil produksjonen av marginalkraft reduseres når forbruket reduseres.

Som følge av at marginalkraften endrer seg likt med endring i forbruk av kraft, gir energieffektivisering en meget effektiv reduksjon av CO2 utslipp. Når kull er marginalkraft kan man regne med at 1 kWh reduksjon av elektrisitetsforbruk gir en reduksjon på 1 kg CO2 utslipp. Dessverre er det derfor slik at man også må regne med at 1 kWh økning av forbruket gir et økt utslipp på 1 kg CO2. Elektrifisering gir en økning av forbruket og medfører dermed en økning av CO2 utslippet på 1 kg CO2/kWh når kull er marginalkraft.

I svært mange studier gjøres den feilen at man regner med at det økte kraftforbruket som følge av elektrifisering dekkes likt av alle kraftkildene - den såkalte kraftmiksen. I disse studiene benyttes det gjennomsnittlige CO2 utslippet fra all kraftproduksjon. Det er en logisk brist. Man kan ikke regne med at en økning av forbruk dekkes av alle kraftkildene når kraftkildene uten direkte CO2 utslipp allerede produserer maksimalt, og det kun er marginalkraften som vil påvirkes av det økte forbruket.

En annen vanlig feil er å betrakte Norge isolert. Feilen ved denne betraktningen er at man ser bort fra at det Norske elektrisitetsnettet er fysisk og markedsmessig (ACER) koblet til elektrisitetsnettet i Europa. Å betrakte Norge isolert er derfor en urealistisk øvelse uten rot i virkeligheten.

I et fritt kraftmarked er det normalt slik at det er marginalkraften som øker/minker i takt med for- bruket. Det betyr at CO2 utslippet fra enhver endring av kraftforbruk må regnes som om det benytter marginalkraften.

Normalt betrakter en den dyreste kraften som marginalkraft. Hva som er den dyreste kraften avhenger bl.a. av kvoteprisen. (Priser og salg/kjøp av elkraft er komplisert, men for en makromålestokk som vi opererer med her, gjelder dette.) For øyeblikket er kvoteprisen så høy at kullkraft er marginalkraft. Men dette varierer, derfor må vi se på hva som skjer dersom gasskraft skulle bli dyrere enn kullkraft og dermed bli marginalkraft.

Dersom gasskraft er marginalkraft:

Siden det er store mengder ubrukt, men relativt lett tilgjengelig kullkraft, vil kullkraft raskt øke mens gasskraften vil minke.

Her må vi se på tre mulige alternativer:

  1. Kullkraften kan ikke dekke hele restenergibehovet, (etter full bruk av fornybar energi: Vind-, sol-, vann- og kjernekraft) gasskraften dekker det resterende som marginalkraft.
  2. Kullkraften dekker restenergibehovet slik at man ikke trenger gasskraften. Da blir kullkraft igjen marginalkraft.
  3. Der er tilstrekkelig med gasskraft slik at kullkraft ikke behøves.

For at tilfelle 1 skal inntreffe, kreves det stor økning av elkraftforbruket. Da spiller det liten rolle hva som er marginalkraft - ulykken har allerede skjedd og alle kullkraftverk produserer for fullt.

Det påpekes her at både tilfelle 1 og 2 vil være svært uheldige situasjoner. For begge øker CO2 utslippet kraftig pga. den økte bruken av kullkraft. Av den grunn er det viktig at kvoteprisen holdes så høy at dette ikke skjer, men siden kvoteprisen i prinsippet er styrt av markedet, har man ikke god kontroll på den. Derfor burde kvotene fjernes og erstattes av en CO2 avgift som er høy nok til å sikre at kullkraft alltid er marginalkraft.

Uansett hva som er marginalkraft vil CO2 utslippet øke dersom elforbruket øker - og vice versa. Man MÅ derfor fase ut kullkraft før man øker elforbruket.

Problemkomplekset

De fleste ser uforbeholdent på elektrifisering som løsningen på klimaproblemet. Samtidig som det bygges ut mer fornybarenergi, (sol-vind, ca. 40 TWh/år innen ACER) planlegges det også i Norge en rekke elektrifiseringer (transport, oljepla`ormer, bygg, industri, kryptovaluta datasentre etc.), som vil øke elkraftbehovet formidabelt i kommende år. StatneA antyder en økning i årlig kraftbehov på 30 - 50 TWh rundt 2050.

Fordi kullkraft vil være marginalkraft, vil utslippene øke dersom fornybarkraft bare brukes til elektrifisering og ikke til reduksjon av kullkraft.

Vi har derfor delt inn i 3 faser etter hva som er marginalkraft:

  1. Kullkraft 2020 til ca. 2040
  2. Gasskraft Ca 2040 til ca. 2070
  3. Utslippsfri kraft etter ca. 2070

Hvordan fungerer systemet/ACER

Elektrifisering fremmes sterkt som klimapositiv løsning. Klima er et globalt fenomen. Innenfor et begrenset område som Norge kan effekten synes positiv selv om den globalt er svært negativ. ACER, der Norge deltar, er det naturlige systemet for å evaluere effekten av Norges tiltak. Det Europeiske energimarkedet (ACER) står for ca. 10% av verdens energiforbruk og utslipp. Selv om også ACER er lite, er det globalt relevant. Det er her klimaeffektene påberopes og derfor må etterprøves.

Innen ACER har det liten betydning hvor kraften produseres og hvor den brukes. Alt er i hovedsak uavhengig av geografi. Det spiller ingen rolle om elektrifiseringen skjer i Norge eller i Portugal.

Elektrifisering av transport i Norge skyver konsekvenser og utslipp inn i ACERs system, fordi vi fysisk og markedsmessig er koblet sammen.

I den grad fornybar kraft øremerkes til formål, dvs. at man kjøper seg fri fra det fysiske systemet, fører dette bare til at utslippet flyttes fra en forbruker til andre forbrukere.

Globale forhold tilsier at det ikke er en selvfølge at elektrifisering er klimavennlig. I år med velfungerende global økonomi, som 2018, økte globale CO2 utslipp med 1.7%. To tredjedeler av økningen kom fra kraftproduksjon. I EU sto kullkraft alene for ca. 30% av totalutslippet. Aldri har verden brukt mer kull enn i vår tid.

Utslipp fra kull- og gasskraft

Kraftproduksjon og forbruk balanserer. (Vind/sol/vann-kraft) leverer stort seA ved maksimal kapas- itet. Det betyr at følgende sammenheng gjelder:

Kullkraft = Forbruk – gasskraft – vind-/sol-/vannkraft – kjernekraft

Fig.1. Illustrasjon av marginalkraft.
Fig.1. Illustrasjon av marginalkraft.

Fig. 1 anskueliggjør at marginalkraften kullkraft må øke når forbruket øker fordi alle andre kilder produserer maksimalt.

Men både forbruket og fornybarkraften øker. Da har vi 3 tilfeller:

  1. Fornybarkraft øker mer enn forbruket. Marginalkraften kullkraft reduseres. CO2 utslipp minker.
  2. Fornybarkraft og forbruket øker omtrent like mye. Ingen endring av Kull- og gasskraft. CO2 utslipp uforandret.
  3. Forbruket øker mer enn fornybarkraft. Marginalkraften kullkraft må dekke økningen og CO2 utslippet øker.

Figur 2 viser hvordan dette virker. I tiden frem til tidspunktet x1 øker fornybarkraft mer enn elkraft forbruket. (1) Kullkraftproduksjonen, og dermed CO2 utslippet, reduseres.

Mellom tidspunktene x1 og x2 øker fornybarkraften like mye som elkraftforbruket (2), og kullkraft- produksjonen og CO2 utslippet holder seg konstant.

Fra tidspunktet x2 øker forbruket mer enn fornybarkraften (3), og kullkraften må øke.

Fig. 2. Illustrasjon av virkingen av forholdet mellom økning av fornybarkraft og elkraftforbruk.
Fig. 2. Illustrasjon av virkingen av forholdet mellom økning av fornybarkraft og elkraftforbruk.

Kullkraft er marginalkraft i dag, gasskraft vil overta mer og mer frem til kullkraft fases helt ut, antagelig rundt 2040 dersom en venter med ekspansiv elektrifisering til etter at kullkraften er utfaset. I motsatt fall vil kullkraft forbli marginalkraft mye lenger.

Karbonavtrykket til kullkraft og gasskraft er henholdsvis ca. 1 og 0.4 kg CO2/kWh. Karbonavtrykket fra kull og reelt forbruk på ca. 2.5 kWh/mil til forflytning gir et CO2 utslipp på 2.5 kg CO2/mil for en elbil. For en fossilbil er utslippet rundt det halve! Med naturgass som marginalkraft blir utslippet fra en fossilbil og utslippet fra en elbil ganske likt når en også tar hensyn til batteriproduksjonen. Utslippet fra elektrifisering generelt vil være høyere for en elbil enn for den fossile versjonen fram til kullkraft i hovedsak er faset ut. Når gasskraft blir marginalkraft rundt 2040, vil utslippene være ganske like. Elektrifisering vil derfor i minst 20 år virke mot sin hensikt. Deretter vil vi ha en minst like lang periode hvor elektrifisert og fossil løsning gir nær samme utslipp.

Hydrogen

For bruk som transportenergi er hydrogen synonymt med elektrisitet, dvs. elkraft via H2 som energibærer tilbake til elkraft. For elektrolytisk H2 -produksjon fra vann, inkludert håndtering (kompresjon, flytendegjøring, nærdistribusjon, lagring og fylling), vil med dagenes teknologi ca. 50% av energien gå tapt. Etter omdanning av H2 tilbake til elkraft via brenselceller, har man utnyttet anslagsvis ca. 30% av den opprinnelige energien.

Dermed går det med ca. 3 kWh elkraft for å utnytte 1 kWh via H2. Det er derfor svært viktig å vurdere nøye hvordan det er hensiktsmessig å bruke H2. Nytten må være viktigere enn den tapte energien, siden det er mer effektivt å bruke elkraft direkte enn å gå via H2.

EU har en uttalt strategi om å satse stort på bruk av elektrolytisk H2 for å erstatte fossilt drivstoff og annet. Men, bruk av H2 vil i realiteten generere større CO2 utslipp enn det erstatter, så lenge kull (frem mot 2040) og deretter naturgass (frem mot 2070) er marginalkraft.

Når elektrisiteten kommer fra kull gir produksjon av elkraft via H2 et utslipp på ca. 3.3 kg CO2/kWh. Et hydrogen kjøretøy som forbruker 2 kWh/mil slipper dermed ut ca. 6.6 kg CO2/mil. En tilsvarende dieselbil slipper ut ca. 1,3 kg CO2/mil. CO2 utslippet fra et hydrogenkjøretøy er dermed fem ganger større enn CO2 utslippet fra en dieselbil.

Når elektrisiteten kommer fra gasskraft, gir produksjon av elkraft via H2 et utslipp på ca. 1.3 kg CO2/ kWh. Et hydrogen kjøretøy som forbruker 2 kWh/mil slipper dermed ut ca. 2.6 kg CO2/mil. CO2 utslippet fra et hydrogenkjøretøy forsynt av gasskraft er dermed dobbelt så stort som CO2 utslippet fra en dieselbil.

H2 er ikke egnet for å oppnå reell reduksjon av CO2 utslipp før både kull- og gasskraften er utfaset. Man bør, derimot, bruke tiden fra i dag og frem til ca. 2070 til å utvikle optimale løsninger for hydrogen der det vil være mest egnet, muligens for fly- og skipstransport. Frem til marginalkraften er utslippsfri, bør ressursene brukes til utbygging av vind- sol- og kjerne-kraft samt nødvendig balansekraft.

Kvotesystemet

Kvotesystemet EU-ETS vil trolig redusere klimautslipp, men uten å oppfylle de ekstreme målsetningene. Det inneholder bestemmelser for å sikre nok kvoter til å opprettholde konkurransedyktig industri i EU/ACER: (EU) 2015/1814 market stability reserve

Spesielt i “Article 3 review” står det avslutningsvis: “the Commission shall also look into the impact of the reserve on growth, jobs, the Union's industrial competitiveness and on the risk of carbon leakage”

"Kvotetaket" er derfor ikke bindende, slik mange hevder, men politisk fleksibelt. Økonomi og stabilitet vil opplagt trumfe klima når det strammer seg til. Siden politikere ønsker gjenvalg, er det usannsynlig at kvoter og kraftmangel noen gang vil true europeernes velstandsnivå.

Før kullkraft er utfaset virker elektrifisering og elektrolytisk produksjon av H2 mot sin hensikt fordi premissene for utslippsreduksjon ikke er til stede. Kvotesystemet øker i realiteten utslippene fordi reduksjon av et nasjonalt utslipp forårsaker et langt større globalt utslipp. Systemet motiverer for dette siden enkelte nasjoner (bl.a. Norge) på den måten får registrert redusert utslipp.

Nullutslipp som premiss

Nullutslipp brukes konsekvent i offentlige strategier og utredninger, som f.eks. Klimakur 2030. Når kraftøkningen blir stor og klimarelevant, bryter premisset helt sammen og resultatet blir helt motsatt av det som postuleres.

I følgende uttalelse til Klimakur 2030 påpekes det at bruken av begrepet ́nullutslipp ́ om elektrifisering ikke samsvarer med de fysiske realiteter: Manglende redegjørelse for resulterende CO2 utslipp som følge av elektrifisering i Norge. I denne uttalelsen påpekes det at påstandene som er fremført i Klimakur 2030 ikke er etterprøvbare, slik de skulle ha vært i henhold til utredningsinstruksen med veiledere.

Dessverre har Miljødirektoratet avfeid alle uttalelser til Klimakur 2030 på følgende måte: “Vi har ikke gjort faglige vurderinger eller analyser av uttalelsene, og Miljødirektoratet har ikke svart på eller kommentert innspillene.” Den manglende saksbehandlingen er påklagd til Olje- og energidepartementet og Klima- og miljødepartementet. Så langt foreligger det ikke noe svar på klagene. Det gjenstår å se om departementene tar saken på alvor eller om de fortsetter som de stevner uten å ta saken på alvor og uten å gi et ordentlig svar.

Løsning / konklusjon

Den enkle løsningen for å minimalisere utslipp på veien mot en mer elektrisk fremtid er å forholde seg til de ulike marginalkraftfasene nevnt over når tiltak vurderes. I EU/ACER vil kullkraft fortsette å være marginalkraft i minst 20 år. Økt bevissthet rundt bruk av elkraft er et annet viktig aspekt. For å minimalisere CO2 utslippet, må derfor kullkraften (Fase 1) fases ut først. Dette krever en aktiv styring som sannsynligvis ikke eksisterer i dag. Styringen er nå i stor grad overlatt til markedet via bl.a. klimakvotene.

Elektrifisering kan starte når naturgass endelig er marginalkraft, dvs. i løpet av Fase 2, som i beste fall starter rundt 2040, fordi det da er liten forskjell på utslipp fra elektrifiserte og fossile løsninger. Vi har derfor god tid til å utvikle elektrifiseringer etter 2040. På den måten slipper vi å utvikle elektrifiseringer med dages teknologi som vil være utdatert i 2040. I stedet kan vi starte utviklingen i 2040 med den tidens teknologi. Løsningene kan bli dramatisk mye bedre. Og vi vil unngå å slippe ut enorme mengder CO2 samt å spare enorme utgifter på tiltak som virker mot sin hensikt.

Sett i lys av dagens situasjon vil naturgass være en klimavennlig ressurs i minst 50 år. Ny fornybarkraft, de siste 5 årene typisk 40 TWh/år i EU, må derfor brukes dedikert til utfasing av kull og ikke til økt elforbruk.

Av:
Per Eidsvig, pensjonert teknisk fysiker fra NTH.
Dag Flølo, cand scient fysikk
Rune Lødeng. dr. siv ing kjemi