En ny linse for det grønne skiftet: Hvordan måler vi energiomstilling?

Energiomstillingen krever nye måter å «telle» energi på. Elektrifisering gjør energisystemet mer effektivt, men en vitenskapsbasert debatt krever et felles språk. Den tradisjonelle mer-av-alt-raskere-tankegangen utfordres når vi borrer dypere ned i materien.

Denne artikkelen utgjør kapittel 6 i boken «Natur og teknologi». Artikkelen uttrykker forfatterens mening.

Forfatteren mener det trengs en ny linse for energiomstilling. (Bilde: DALL-E, med instruksjoner gitt av forfatteren.)

Energistatistikk kan være forvirrende. Figur 1 viser hva to kilder – Energy Institute (EI) og International Energy Agency (IEA) – rapporterer om global energibruk i 2022.[1],[2] Tallene er oppgitt i EJ (exajoule), hvor E = exa = 1018.

Figur 1. Global bruk av primærenergi i 2022, fra Energy Institute (tidligere BP Statistical Review of World Energy) og Det internasjonale energibyrået (IEA). (Bildet er basert på data fra EI og IEA.)

For de største postene – olje, naturgass og kull – er det små avvik mellom de to byråene. For bio­brensler og avfall rapporterer EI ingenting, mens dette er en betydelig post hos IEA. Dette skyldes at EI kun tar med kommersielt omsettelige kilder og brensler, mens IEA også inkluderer tradisjonell og ikke-kommersialisert bruk av biomasse og avfall til energiformål.

Hvis vi zoomer inn på de øvrige kategoriene, ser vi betydelige forskjeller. Kategorien Fornybare hos EI kontra Solkraft, vind, etc. hos IEA er begge markert med grønn farge i figur 1 (nederst i søyle­diagrammene). At de er så forskjellige skyldes delvis at de rommer noe forskjellige kilder. Men det er mest overlapp, og forskjellen burde strengt tatt ikke være så stor som figuren indikerer, der fornybare er mye større hos EI enn hos IEA. Kategorien vannkraft er eksakt den samme i de to statistikkene, og her sier EI 40.6 EJ mens IEA sier 15.7 EJ. For kjernekraft er det et motsatt fenomen. Her er tallet hos EI mindre enn hos IEA, selv om de måler den eksakt samme tingen.

Dette er ikke bagateller, selv om kategoriene tilsynelatende er små i den store sammenhengen. Elektrisk energi fra lavutslippskildene solkraft, vindkraft og kjernekraft blir fremhevet som noe av det viktigste i å løse problemet med utslipp av klimagasser fra energisektoren. Disse kildene skal altså vokse, og etter hvert overta mye av den dominerende rollen som fossile brensler har i dag. For at omstillingen skal kunne skje på ordnet vis, må vi i hvert fall vite hvordan vi måler bidragene fra de forskjellige kildene.

Et viktig grunnlag, og en motgift mot misforståelser og desinformasjon, er at vi lærer oss å telle energi, og dermed også forstår hva forskjellene kommer av. Vi introduserer en ny linse for energiomstilling[3], som fokuserer på den energitjeneste vi ønsker, heller enn hva vi putter inn av råstoff. Så kan vi regne oss tilbake til hva vi da trenger av innsatsfaktorer. Denne måten å tenke på er ikke forfatterens originale, men synes å være lite kjent eller lite brukt i debatten om energiomstilling. Beregningene som gjøres i artikkelen, er å betrakte som «baksiden-av-konvolutt-beregninger,» eller første-ordens overslag. Tallene skal derfor ikke tas som noen fasit, men de peker i riktig retning. Denne artikkelen er et bidrag til å gi dette tankesettet større oppmerksomhet.

Primærenergi og sekundærenergi

I statistikkene i figur 1 refererer EI og IEA til det vi kaller primærenergi. Dette er et uttrykk for den råe energimengden som finnes i en kilde før energien omdannes til et transporterbart energiprodukt. For fossile brensler tilsvarer dette den energien som frigjøres ved forbrenning. Dette er en intuitiv og fysisk korrekt definisjon.

Men råolje kan ikke brukes direkte. Den må raffineres til å bli et energiprodukt, som bensin eller diesel. Da har råoljen blitt til sekundærenergi. Noe energi går tapt i prosessen, men det meste av energiinnholdet er i behold.

Hvis man derimot bruker kull til å lage elektrisitet, så er det elektrisiteten som er sekundærenergi, og i det tilfellet er omtrent bare 40% av energien igjen etter raffineringen til et energiprodukt. (I dette tilfellet består raffineringen i brenning av kull for å lage damp under trykk, som i sin tur driver en turbin, som driver en elektrisk generator, som lager elektrisk energi.)

Har vi laget bensin eller elektrisitet, så har vi ennå ikke brukt den. Bensinen må transporteres til en fyllestasjon og elektrisiteten må overføres via kraftledninger til forbrukerne. Når man fyller bensin på tanken, eller bruker elektrisitet fra stikkontakten hjemme, så kalles det sluttbruk av energi. I kjeden fra sekundærenergi til sluttbruk er det også tap. For bensinens vedkommende er dette eventuell spill eller ubrukte rester, men tankbilenes energibruk i transportetappen inngår ikke. Sistnevnte telles som sluttbruk av energi i transportsektoren. For elektrisitetens vedkommende går det tapt energi i overføringslinjene fra kraftstasjonene til forbrukerne.

For å oppsummere så langt, har vi identifisert tre punkter i verdikjeden hvor vi kan telle energien:

• Primærenergi
• Sekundærenergi
• Sluttbruk

På hvert av disse punktene vil vi telle forskjellige mengder energi på grunn av tap. Hvor mye tap vi har mellom hvert ledd, avhenger av hvilken kjede vi studerer.

Men vi er ikke ferdig. Det vi egentlig er interessert i fra energien, er hva den kan gjøre for oss, energitjenesten, eller hvor mye nyttig energi vi får ut. Bensinen, for eksempel, skal brukes i en forbrenningsmotor i en bil, som skal frakte oss rundt. I denne fasen er bensinen lite effektiv. Hvor effektiv kommer an på motoren, bilen, hvor man kjører, veistandarden, været og hvem som kjører. Effektiviteten vil variere fra kanskje under 20% opp til 30%. Dette er andelen som blir til energi­tjeneste. Vi setter det opp som et fjerde kulepunkt.

Energitjeneste eller nyttig energi[4]

For elektrisitet kan andelen nyttig energi av sluttbruk bli svært høy, opp mot 100% i noen anvendelser.

Intermezzo: tilbake til primærenergi

Ingenting av dette forklarer hvorfor EI og IEA får så vidt forskjellige tall for primærenergi for vannkraft, andre fornybare kilder og kjernekraft. Det er fordi det blir et definisjonsspørsmål hva som skal være primærenergi for disse kildene. Her er det nemlig ikke noen intuitiv og fysisk korrekt primærenergi, sammenlignbar med primærenergien i fossile brensler.

IEA velger metoden for fysisk energiinnhold. Her definerer man primærenergien for ikke-termiske kilder som vind-, sol- og vannkraft til å være lik den genererte elektriske energien. Så når vann­kraftverket eller solkraftverket har produsert en viss menge elektrisk energi, så sier IEA at dette tilsvarer samme mengde primærenergi, per definisjon.

EI velger substitusjonsmetoden hvor primærenergien av ikke-forbrennbare kilder beregnes ved å fastslå hvor mye fossilt brennstoff som ville være nødvendig for å generere samme mengde elektrisitet. Både EI og IEA bruker en substitusjonsmetode for kjernekraft, men de bruker forskjellige omregningsfaktorer, som forklarer hvorfor kjernekraft tilsynelatende er større i IEA sin statistikk.

Valget av metode for telling av energi påvirker energiprognoser i betydelig grad. Hvis substitusjons­metoden for fornybare kilder brukes, vil ikke maksimal energiforsyning nås i prognosene innen overskuelig fremtid. På den annen side, hvis metoden for fysisk energiinnhold brukes, blir den allerede betydelige rollen til fornybar energi i global energiforsyning skjult i tallene. Betydningen av disse kildene står i fare for å bli kraftig undervurdert, noe som i seg selv kan føre til en tregere energitransisjon på grunn av en følelse av håpløshet.[5]

Etter hvert som energisystemet blir mer og mer elektrifisert, og fossile energikilder fases ut, blir forskjellen mellom de to metodene mindre når vi studerer prosentandelene. Forskjellen blir stor i absolutte tall for hver kilde.

For den som ikke henger helt med i disse resonnementene, så kan vi oppsummere det med et enkelt, velkjent ordtak, og et bilde:

Det finnes tre typer løgner: Løgn, forbannet løgn, og (energi)statistikk.

Figur 2. Sammenligner man epler og pærer i energidebatten, eller er det kanskje en eple-pære man studerer? (Bilde: DALL-E, med instruksjoner gitt av forfatteren.)

Flytt fokus fra primærenergi til energitjeneste

En vei ut av komplikasjonene med å telle primærenergi, sekundærenergi eller sluttbruk, er altså å flytte fokuset til energitjeneste – det vi faktisk ønsker oss fra energien. Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) estimerer hvert år hvilken energitjeneste USA får av sin primærenergi.[6] Figur 3 er et forenklet flytdiagram som er basert på LLNL sine tall for år 2022. Til venstre ser man primærenergien fra forskjellige kilder, til sammen 99.9 EJ. Helt til høyre ser man tapt energi (65.6 EJ) og energitjenester (34.3 EJ). Dette fortjener et eget kulepunkt:

Kun 34% av primærenergien ble til energitjeneste i USA i 2022. Resten var tap, i form av varme til omgivelsene.

Dette skyldes i hovedsak den dårlige virkningsgraden fra primærenergi til energitjeneste for den kilden som dominerer energisystemet både i USA og globalt – fossil energi (kull, olje og gass). Dette gjelder enten energien går via forbrenningsmotorer i transportsektoren eller via elektrisitet.

Figur 3. Forenklet energiflytdiagram for USA i 2022. Det man skal merke seg, er hvor lite av primærenergien (til venstre) som blir til energitjenester (til høyre). (Diagrammet er basert på data fra Lawrence Livermore National Laboratory og Department of Energy, USA.)

Det er publisert forbausende lite vitenskapelig litteratur om dette. En studie fra 2012 presenterte et tilsvarende diagram for det globale energisystemet.[7] Denne studien kom til at energitjenesten globalt utgjorde kun 28%. Det er sannsynlig at det globale energisystemet har blitt noe mer effektivt i årene som har gått, men det trengs flere og mer oppdaterte studier. Energibyråene burde fylle gapet, men gjør det ikke. LLNL er et hederlig unntak.

Jeg har selv litt vanskelig for å svelge tallet 28%, for jeg føler at det virker så overdrevent dårlig. Men i vitenskapen må man legge følelsene til side, og de årlige oppdateringene fra USA gjør at jeg heller mot at virkningsgraden fra primærenergi til energitjeneste i det globale energisystemet faktisk kan være stakkarslige 30-35%.

Det er uansett nå grunnlag for å introdusere denne artikkelens første matematiske sammenheng, i form av ligningen under.

Skal vi tro på analysene over, er faktoren . Hvis vi går tilbake til figur 1, finner vi at både EI og IEA anslår total global bruk av primærenergi til å være noe over 600 EJ. La oss si 620 EJ for enkelhets skyld. Med faktoren finner vi da at den energitjenesten vi mottar er om lag 220 EJ. Dette fortjener også et eget kulepunkt.

Vi mottar kun 220 EJ energitjeneste fra verdens 620 EJ med forbrukt primærenergi.

Vi skal ikke erstatte 620 EJ primær energi når vi legger om energisystemet. Derimot skal vi skape 220 EJ energitjeneste på en annen måte, som ikke gir klimagassutslipp. Og så må vi øke energiforbruket derfra for å øke global velstand og rettferdighet.

Hvorfor elektrifisering?

Det er nettopp dette som er poenget med elektrifisering med lavutslippskilder. Det er bare alt det andre man må løse. Den diskusjonen handler om vindkraft, havvind, kjernekraft, solkraft, karbon­fangst- og lagring, hydrogen, ammoniakk, syntetisk drivstoff, biobrensler, arealer og naturinngrep, sjeldne metaller og mineraler, uran, thorium, kostnader, geopolitikk, energi­uavhengighet, kabler, energimarkeder, strømpris, ACER og så videre. Jeg sier ikke at det er lett, men dette er veien som er staket ut, og er noe verdenssamfunnet må gjøre for å bekjempe klima­endringene, samtidig som vi skaper et mer rettferdig, globalt samfunn.

Her skal vi begrense oss, og introdusere denne artikkelens andre matematiske sammenheng, som ligner nokså mye på den første.

Faktoren representerer her virkningsgraden fra produsert elektrisk energi til energitjeneste. Denne faktoren kan i noen anvendelser bli svært høy. Tap i overføringsnett vil man alltid ha, men man kan komme opp mot , selv hensyntatt slike tap, og kanskje enda høyere hvis vi får til overføringer med supraledere i fremtiden. I andre anvendelser er faktoren lavere.

Det er også slik at man ikke nødvendigvis kan elektrifisere alt. Da er løsningen i noen tilfeller å gå via molekyler. Først kan man produsere strøm fra lavutslippskilder som solkraft eller kjernekraft. Denne strømmen brukes for eksempel til å produsere hydrogen via elektrolyse. Så har man hydrogen tilgjengelig for industrielle prosesser og transportformål der man ikke kan basere seg på oppladbare batterier, som i skips- og luftfart og tungtransport. I denne kjeden går det tapt energi, som bringer faktoren nedover. Men man kan hele tiden presse grensene for mer effektiv energiomvandling, og til slutt kanskje nå en global på 80%.

Hvor mye energi vil vi trenge?

I så fall vil vi trenge kun 275 EJ produsert elektrisk energi for 220 EJ energitjeneste. Hvis den globale settes litt mer pessimistisk (eller realistisk, kanskje) til 70%, trenger vi å produsere 315 EJ elektrisk energi. Dette er uansett langt lavere enn dagens 620 EJ primærenergi.

Men verdens befolkning øker. Velstand og energibruk henger tett sammen. Fattige land skal ha sin rettferdige andel. Det betyr at verden i fremtiden vil trenge mer enn 220 EJ energitjeneste, og veksten bør – etter min mening – skje andre steder enn i den delen av verden som i dag har mesteparten av rikdommen.

La oss nå si at verden ender med et behov for å doble energitjenesten, fra dagens 220 EJ til 440 EJ. Klarer vi å presse til 80% vil vi i så fall ha behov for å generere 550 EJ elektrisk energi – fortsatt mindre enn dagens 620 EJ primærenergi som kommer hovedsakelig fra fossile kilder.

Figur 4. Sluttbruk av energi i Norge inneholder mye elektrisk energi. (Bildet er basert på data fra Statistisk sentralbyrå med noen skjønnsmessige tilpasninger av forfatteren.)

Sluttbruk av energi i Norge

Den beste kilden til norsk energibruk er Statistisk sentralbyrå.[8] Figur 4 viser tallene, som representerer det vi tidligere i artikkelen har kalt sluttbruk. For elektrisk energi er tap i overføringer ikke medregnet. For fossil energi er det bruken av energiprodukter som bensin, diesel og kull som kommer frem. Tallene representerer dermed hverken primærenergi eller energitjeneste, men vi skal snart diskutere en antatt energitjeneste fra denne sluttbruken, og derfra estimere hvor mye elektrisk energi Norge trenger for fremtiden.

Vi finner at total sluttbruk av energi i Norge var 284 TWh.[9] Av dette gikk 63 TWh med til produksjon av olje og gass. Dette er svært relevant fordi mange mener at vi etter hvert bør fase ut olje- og gassvirksomheten. Dermed kan man på en måte si at 63 TWh av vår energibruk blir frigjort til andre anvendelser. De resterende 221 TWh kalles innenlandsk forbruk.

I tillegg til det som kommer med i statistikken, brukte vi olje (18), gass (4) og kull (0.5) svarende til 22.5 TWh som råstoff i industri. Dette omfatter i hovedsak innsatsen av petroleumsprodukter i framstilling av kjemiske råvarer og naturgass brukt i metanolproduksjon. (Dette kommer altså ikke med i de 284 TWh.)

18 TWh levert varme fra varmepumper kommer heller ikke med. Dette er energi som kommer «utenfra.» De ca. 8 TWh elektrisk energi som gikk med til å drifte disse varmepumpene kommer derimot med i statistikken som sluttbruk av elektrisk energi.[10]

132 TWh av 284 TWh er fossile brensler, mens resten av sluttbruken var fra fornybar energi (vannkraft, vindkraft, biobrensler og mesteparten av fjernvarmen).

Elektrifisering av Norge

Et enkelt startpunkt for videre elektrifisering av Norge er å tenke «Norge som nå, bare elektrisk.» Så kan man derfra ta diskusjonen om hvor mye mer elektrisk energi vi måtte behøve for forskjellige formål.

Går vi tilbake til energistatistikken ser vi at de 132 TWh fossile brensler fordelte seg som følger.

1. Olje- og gassindustri (54 TWh)
2. Transportsektoren (48 TWh)
3. Industri og «tjenester» (30 TWh)

Dette er det potensialet Norge har for elektrifisering. Tallene illustrerer også den knipe vi er i når det gjelder å oppfylle de internasjonale forpliktelsene om å redusere utslipp fra energisektoren. Sammenlignet med andre land har vi mindre spillerom, siden Norge allerede er sterkt elektrifisert. Den største muligheten for ytterligere elektrifisering ligger i olje- og gassindustrien.

Mange oppfatter det som lite hensiktsmessig å elektrifisere olje- og gassnæringen. På den annen side vil storstilt elektrifisering kanskje også kunne legge grunnlag for Nordsjøen som plattform for grønn omstilling[11], inkludert et kraftnett der ute og flytende havvind.

Uansett, la oss se på de tre sektorene etter tur. Vi bruker den nye linsen for energiomstilling, energitjenesten. For olje- og gassindustrien kan vi estimere at energitjenesten man får av sluttbruk av 54 TWh olje- og gassprodukter i produksjon, tilsvarer – kanskje optimistisk anslått – 40%, eller omtrent 22 TWh.[12] Dermed skal vi erstatte, ikke 54 TWh sluttbruk, men 22 TWh energitjeneste. En del av dette kan antakelig dekkes gjennom mer effektive prosesser, men for enkelhets skyld skal vi anta at alt må dekkes gjennom produksjon av ny elektrisk energi.

For transportsektorens 48 TWh er det rimelig å anta at omtrent 30% blir energitjeneste. Altså trenger vi 14 TWh energitjeneste for denne sektoren. For industri og tjenester antar vi at 80% av 30 TWh sluttbruk blir til nyttig energi.[13] Dermed trenger vi omtrent 24 TWh energitjeneste her.

Slått sammen får vi da et behov for å erstatte 132 TWh sluttbruk av fossile brensler med 60 TWh energitjeneste fremstilt på en ny måte – altså med elektrifisering. Med en antatt på moderate 70% trenger vi i så fall (kun!) å produsere 85 TWh ny elektrisk energi i Norge, for «Norge som nå, bare elektrisk.» Setter vi til pessimistiske 60%, vil vi trenge 100 nye TWh, mens en optimistisk 80% gir behov for 75 nye TWh.

Andre mulige tiltak

Men gjør vi smarte grep, vil vi trenge mindre enn som så. For eksempel er det et stort potensial for energieffektivisering i norske bygg.[14] I FME-forskningssenteret ZEN (Zero Emission Neighbourhoods) fant man at det var et potensial for å spare 42 TWh elektrisk energi innen 2050 ved å gjøre eksisterende og kommende bygg mer energieffektive. Dette inkluderer egenprodusert solkraft (bygningsintegrert) på 12.5 TWh. Også Energikommisjonen pekte i sin rapport Mer av alt raskere[15] på at energieffektivisering er et viktig tiltak.

42 TWh sparing hos sluttbruker betyr at det blir mindre behov for sentralisert kraftproduksjon tilsvarende omtrent 45 TWh når vi tar hensyn til tap i overføringene. Da trenger vi ikke lengre 85 TWh ny elektrisk energi for «Norge som nå, bare elektrisk,» men kun 40 TWh. Dette fortjener også et eget kulepunkt.

Norge trenger kanskje bare å produsere 40 TWh ekstra elektrisk energi for «Norge som nå, bare elektrisk» hvis vi tar ut potensialet i energieffektivisering av bygg, inkludert egen­produsert elektrisk energi bak måleren.

Hvis vi i tillegg skulle vurdere å begrense elektrifiseringen av Nordsjøen, eventuelt som ledd i en plan for gradvis utfasing av olje- og gassutvinning, ville det ytterligere redusere behovet for nyinvesteringer i elektrisk energiproduksjon. Og selvsagt må vi hele tiden innovere og presse grensene for mer effektiv energiomvandling og -bruk, altså øke både og .

Men skulle vi ikke ha mer av alt – raskere?

Diskusjonen over gjaldt «Norge som nå, bare elektrisk.» Så er spørsmålet hvor Norge skal i fremtiden. Hva med befolkningsøkning, økonomisk vekst, nye grønne næringer, datasentre for massiv kunstig intelligens og alt annet som er oppe i energidebatten? Og hva med strømprisene? Hva vil alt dette kreve av merproduksjon av elektrisk energi i vårt land? Disse spørsmålene forsøker ikke denne artikkelen å svare på.

Poenget med artikkelen har ikke vært å tallfeste hvor mye mer av alt Norge trenger, eller fra hvilke kilder. Poenget har vært å introdusere en annen måte å tenke på, en mer kritisk tilnærming, kanskje: en ny linse for energiomstilling. Etter mitt skjønn trenger vi det, både i Norge og i den globale omstillingen.

[1]https://www.iea.org/world/energy-mix

[2]https://www.energyinst.org/statistical-review

[3]https://www.zenon.ngo/en/insights/beyond-primary-energy-the-energy-transition-needs-a-new-lens

[4]I denne artikkelen brukes disse begrepene for det samme, selv om det er noen nyanseforskjeller. Energitjenesten kan man si er den subjektive opplevelsen av nyttig energi. For eksempel kan man tenke seg at to kunder har like mye nyttig energi til oppvarming av sine leiligheter, men den ene har bedre isolasjon og opplever dermed en bedre energitjeneste.

[5]https://www.energiogklima.no/meninger-og-analyse/kommentar/iea-counts-fossil-fuels-threefold-versus-wind-and-solar

[6]https://flowcharts.llnl.gov/

[7] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032115015750

[8] https://www.ssb.no/statbank/table/11561

[9] Tidligere i artikkelen har vi stort sett brukt EJ som energienhet fordi dette er vanlig standard i de globale energistatistikkene. I norsk energidebatt er det ofte den typiske enheten for elektrisk energi som brukes, som er Wh (watt-timer). Prefikset T (=1012) eller k (=103) brukes avhengig av om man ser på de store tallene for nasjonen eller enkeltforbrukere. 1 EJ = 277.78 TWh.

[10] Det er verdt å merke seg at varmepumper representerer et stort potensial i energiomstillingen, ettersom de ekstraherer langt mer varmeenergi fra omgivelsene enn den elektriske energi som kreves for å drifte dem.

[11] https://sintef.brage.unit.no/sintef-xmlui/handle/11250/2832831

[12] Av 54 TWh antas omtrent 10 TWh å være diesel og andre oljebaserte drivstoff til maskiner, transportmidler og nød­aggregater. Omtrent 44 TWh antas å være naturgass som brukes til oppvarming, kraftgenerering, i utvinningsprosessene, og til fakling.

[13] I flere industrielle anvendelser forbrennes fossile brensler ved svært høye temperaturer og hensikten er nettopp å skape varme for metallurgi, sementproduksjon og kjemisk industri. Da blir graden av nyttig energi høy.

[14]https://www.sintef.no/siste-nytt/2023/energisparing-i-bygg-kan-bli-norges-storste-kraftverk/

[15]https://www.regjeringen.no/no/dokumenter/nou-2023-3/id2961311/