2 Oversikt over produksjonsteknologier og barrierer

Innspill fra Energi21

Dette vedlegget gir en oversikt over ulike teknologier for energiproduksjon og hvilke barrierer umodne teknologier må overvinne for å øke sin betydning i energisystemet både i Norge og globalt.

Analysen bygger på en gjennomgang av relevant fagdokumentasjon, intervju og informasjonsinnhenting fra sentrale norske aktører. I forbindelse med identifisering av teknologiske barrierer er det hovedsakelig innhentet informasjon fra kilder med industriell og forskningsrelatert forankring.

Den relevante fagdokumentasjonen bygger på rapporter utarbeidet i forbindelse med revidert Energi21-strategi. Som grunnlag for Energi21-strategien ble det utarbeidet 12 fagrapporter innenfor strategiområdene; Fornybar kraft, Energisystem, Energieffektivisering i industrien, Fornybar termisk energi, Karbonfangst og -lagring, samt Rammevilkår, politikk og marked. Rapportene bygger på et flerfaglig samarbeid mellom representanter fra industri-, forsknings- og utdanningsmiljøer og andre relevante organisasjoner. Flere senterledere fra Forskningssentrene for miljøvennlig energi (FME-ene) har deltatt i arbeidet. Samlet dekker fagrapportene eksisterende og framtidige teknologier som har og vil ha betydning for energisystemet på kort, mellomlang, og lang sikt. Rapportene synliggjør industrielle ambisjoner og tilhørende forskningsutfordringer, det siste knyttet opp mot teknologiske barrierer.

I tillegg til strategisk grunnlagsmateriale fra Energi21 har utvalgte ressurspersoner innenfor aktuelle fagområder bidratt med kunnskap og kvalitetssikring. Fusjonsenergi, havenergi og hydrogen ble ikke behandlet ved revisjonen av Energi21-strategien. Status og vurderinger for disse teknologiene er utarbeidet av ressurspersoner innenfor de respektive fagområdene.

Bioenergi

Bruk av biomasse til energiformål representerer en verdikjede fra ressurs til energi og tjenester, som er svært heterogen og som blant annet inkluderer skog- og jordbruk, transport, foredling og omforming til varme og eventuelt elektrisitet.

Bioenergi kan bidra til forsyningssikkerheten i framtidens energisystem. I Norge er det store uutnyttede biomasseressurser. Biomasseressursene kan substituere fossile brensler som olje og gass, spesielt til industrianvendelse.

Bioressurser til kombinert kraft- og varmeproduksjon og punktoppvarming er sentrale framtidige bioenergianvendelser. Viktige biomasseressurser i Norge er:

• Heltre (skog).

• Lavverdig biomasse (GROT (grener og topper)), stubber, tynnings- og rydningsvirke, halm og annet jordbruksavfall).

• Biologisk avfall fra industri, landbruk og andre prosesser, for eksempel kloakkslam.

Aktuelle teknologier

For utnyttelse av biomasseressurser til energiproduksjon er følgende teknologier aktuelle:

• BioCCS: Kraftproduksjon basert på biomasse med karbonfangst og -lagring.

• Innovative og energieffektive nærvarmekonsepter (lokale energisentraler).

• Hybride punktoppvarmingssystemer (kombinasjon av flere teknologier): Punktoppvarming med varmedistribusjon, for eksempel bioenergi og sol.

• Innovative og energieffektive småskala CHP- teknologier (kombinert kraft- og varmeproduksjon).

• Punktoppvarming tilpasset lavenergi- og pluss-hus (lav effekt og høy virkningsgrad tilpasset godt isolerte hus).

Teknologiske barrierer

Hovedmålsettingen med framtidens bioenergianlegg er kostnadseffektivitet og bærekraftig utnyttelse av ressursene. Ulike løsninger for bruk av bioenergi eksisterer i markedet i dag, og konseptene bygger på moden teknologi. Framtidens bioenergianlegg vil med stor sannsynlighet bli mer avanserte, og vektlegge integrasjon av ulike produksjonsteknologier som framstilling av 2. generasjons biodrivstoff, varme til oppvarming og elkraft. Kostnadseffektiv og bærekraftig utnyttelse av framtidige biomasseressurser krever ytterligere teknologisk utvikling rettet mot blant andre disse barrierene:

• Gassifisering for BioCCS og CHP-løsninger.

• Styring og kontroll for nærvarmekonsepter og CHP-anlegg.

• Høsting og logistikk for mer kostnadseffektiv håndtering av ulike biomasseråstoffer, eksempelvis skogsavfall eller rydningsvirke.

• Prosesser for kostnadseffektiv produksjon av framtidens brensler, (f. eks. biokull og torrifisert brensel).

• Effektive punktoppvarmingssystemer.

• Utslippsreduserende løsninger (partikler og NO_x).

Elektrisk solenergi

Kostnadsnivået for strømproduksjon fra solcellepaneler er den viktigste barrieren for bruk av solstrøm i Norge. Imidlertid er prisene for solcellepaneler sterkt fallende, og det blir stadig flere aktuelle bruksområder for solcellepaneler. Dette gjelder primært anvendelser i isolerte områder utenfor strømnettet, som hytter, fyrlykter, antenner osv.

Dersom prisen på solcellepaneler reduseres ytterligere, noe alle veikart tyder på, vil solcellepaneler etter hvert bli aktuelle som distribuert energiproduksjon integrert i nettet. Installasjonskostnaden er en reell barriere, og et element som kan utkonkurrere solstrøm i forhold til andre produksjonskilder. Dette er spesielt relevant for større solkraftanlegg. Imidlertid kan bygningsintegrerte solceller bli aktuelle, da installasjonskostnadene forbundet med dette trolig ikke blir mye større enn for bygningselementene i seg selv.

Innen 2050 er det svært sannsynlig at det vil finnes en rekke solenergiprodukter som er relevante for strømproduksjon i Norge. Dersom prisutviklingen fortsetter, kan dette bli en av de billigste og i tillegg mest tilgjengelige energiformene.

Aktuelle teknologier

I solcellepaneler basert på moduler av fotovoltaiske solceller konverteres energien i solens stråling direkte til elektrisitet ved hjelp av den fotovoltaiske effekten. Solceller benevnes derfor ofte PV etter engelsk PhotoVoltaics.

Den klart mest utbredte av solcelleteknologiene i dag er waferbaserte solceller laget av silisium. Monokrystallinske solceller er bygget opp av et silisiumkrystall, og overflaten er derfor homogen og helst også svart, noe som innebærer at alt lyset absorberes i solcellen. Multikrystallinske solceller består av flere krystallkorn som gir det karakteristiske fargespillet i overflaten. Solcellepaneleffektiviteten er 12-20 prosent.

For konsentrert solenergi, CSP (Concentrated Solar Power), er følgende teknologier aktuelle:

• Konsentrerende i soltårn: Sollys treffer et parabolisk anlegg med speil som samler lyset i én stråle mot et tårn som gir varme for en termisk generator.

• Konsentrerende parabolisk traudesign: Sollys treffer en trauformet parabol, som konsentrerer varme til et horisontalt rør hvor varmen bæres bort av en krets med væske.

Kraftproduksjonen fra kraftverk av denne typen er svært avhengig av direkte kontinuerlig solinnstråling, og egner seg best for områder med stabilt solrikt klima. Denne type solkraftanlegg er derfor lite relevant for anvendelse i Norge. CSP- anlegg er mest utbredt i områdene langs ekvator og rundt Middelhavet. Paneleffektiviteten ligger rundt 20-40 prosent.

Teknologiske barrierer

Teknologiutvikling er nødvendig for å oppnå tilstrekkelige kostnadsreduksjoner og høyere virkningsgrader for solcellepaneler og større solkraftanlegg. For alle typer solceller er det svært utfordrende å skalere opp produksjonen til industrielle volumer og samtidig ivareta de høye virkningsgradene som er oppnådd i laboratoriet. Teknologiske barrierer for utnyttelse av solenergi til elektrisitet omfatter både materialteknologiske og produksjonstekniske utfordringer:

Produksjonstekniske utfordringer

• Kostnadseffektiv framstilling og foredling av silisium med solcellekvalitet.

• Optimaliseringer og forbedringer av alle steg i framstillingskjeden for solceller basert på krystallinsk silisium.

Materialteknologiske utfordringer

• Helt nye materialer og konsepter for konvertering av sollys med sterkt forbedret kostnadseffektivitet og virkningsgrad, «neste generasjon solceller». Helt sentralt i dette står ny nanoteknologi.

• Materialer for tynnfilmløsninger som kan integreres mer effektivt i bygninger og andre installasjoner.

Termisk solenergi

Termisk solenergi benyttes som kilde til å generere varme i et flytende medium, som sirkuleres i rørsløyfesystemer for oppvarming av tappevann og rom. Både aktiv og passiv solvarme er et reelt alternativ og bidrag til å redusere behov for tilført energi til bygningsmassen i Norge.

Aktuelle teknologier

• Aktiv solvarme: Termiske solvarmepaneler med enten plane absorbatorer eller med vakuumrør.

• Passiv solvarme: Bevisst design og bruk av energieffektive materialer og konstruksjonsløsninger for å fange og utnytte/lagre solinnstråling. Passiv solvarme benyttes som en del av oppvarmingsløsningen i boliger.

Teknologiske barrierer

Det er ingen spesielle kritiske teknologiske barrierer knyttet til solvarmeanlegg. Aktiv utnyttelse av termisk solenergi bygger på relativt moden teknologi, som har blitt anvendt gjennom flere tiår. Utfordringer i dag er hovedsakelig knyttet til kompetanse og interesse i byggenæringen og blant installatører (rørleggere) for denne type anlegg.

Landbasert vindenergi

Landbasert vindkraft bygger på moden teknologi. Det er mange turbinleverandører i markedet. Den store internasjonale satsingen og investeringene i vindkraftanlegg har bidratt til serieproduksjon og kommersialisering av de ulike teknologielementene. En viktig drivkraft for vindkraftforskningen er utvikling av større og mer robuste enheter som skal bidra til kostnadsreduksjoner ved utbygging og drift. Norske forhold tilsier i enkelte tilfeller behov for tilpasning av turbiner til høyere vindpotensial og større ekstremlaster. Slike optimaliseringer vil bedre økonomien i norske vindkraftutbygginger og muliggjøre framtidig utnyttelse av norske landbaserte vindkraftressurser uten støtteordninger som el sertifikatordningen.

Aktuelle teknologier

Horisontalakslede vindturbiner med tre blader er den dominerende teknologien i verden i dag. Teknologiutviklingen her går i retning av større turbiner med bedre kapasitet og energiproduksjon. Turbinstørrelsen har økt fra 75 kW til 7 MW på 20 år, dvs. en faktor 100. Vertikalakslede vindturbiner er i liten grad benyttet, og vurderes som lite aktuelle løsninger i framtidige turbiner.

Teknologiske barrierer

Selv om landbasert vindkraftteknologi bygger på moden teknologi, er det fortsatt behov for ytterligere teknologiutvikling knyttet til kostnadseffektivitet og energiproduksjon.

• Vindturbinteknologi: Større og mer robuste enheter tilpasset norske forhold.

• Meteorologiske prognoser og beregning av forventet energiproduksjon: Mer nøyaktige prognosemodeller og metoder for beregning av forventet energiproduksjon fra et vindkraftanlegg.

• Effektive metoder og konsepter for design og drift av vindkraftanlegg for å maksimere energiproduksjonen og redusere perioder med driftsstans.

• Nettintegrasjon: Bedre metoder for tilkobling og drift av vindkraftanlegg i svake nett, for eksempel konsept og kontrollsystem for økt utnyttelse av nettkapasitet.

• Tilstandsbasert vedlikeholdssystem for økt driftssikkerhet: Bedre metoder for planlegging og gjennomføring av drift og vedlikehold.

Havvind

Offshore vindkraft representerer en ny satsning med et relativt umodent marked og teknologi. Industriaktører, akademia og store deler av offentlig virkemiddelapparat har en klar oppfatning om at Norge har gode industrielle muligheter innen offshore vindkraft, med bakgrunn i vår teknologi- og kompetansebase fra olje-, gass- og maritim virksomhet.

I 2009 var det globalt installert litt over 2000 MW vindkraft til havs, hvorav 1900 MW i Europa. Markedet for offshore vindkraft ventes å vokse kraftig framover. Offshore vindkraft utgjør kun en prosent av installert vindkraftkapasitet i verden, og det er få land i Nord- Europa som har etablert aktivitet innenfor dette feltet.

Aktuelle teknologier

Flere ulike konsepter for flytende vindturbinkonsepter er på forsknings- og demonstrasjonsstadiet i Norge og internasjonalt. Teknologiløsningene som vurderes omfatter blant annet ulike tårndesign, flyterløsninger, forankringsløsninger, løsninger for opptak av krefter og konsepter for installasjon.

Teknologiske barrierer

Kostnadsnivået for offshore bunnfaste vindkraftanlegg er høyt i forhold til energiproduksjon fra konvensjonelle energikilder. Et viktig mål for teknologiutviklingen er å redusere kostnadene gjennom hele levetiden til et vindkraftanlegg, fra design, installasjon, drift og fram til nedmontering. Utvikling av større vindturbiner med bedre kapasitet, lavere vekt og høyere pålitelighet er av de viktigste faktorene for å få kostnadene ned.

• Bedret vindturbinteknologi (for bunnfaste- og flytende konstruksjoner):

  • Større og mer robuste vindturbiner offshore med bedre lønnsomhet og pålitelighet.

  • Vindturbiner med færre anleggskomponenter, redusert vekt og drifts- og vedlikeholdsbehov.

  • Utvikling av bedre designverktøy og standarder for offshore vindkraftanlegg.

• Nye kostnadsbesparende konsepter for installasjon av bunnfaste turbiner.

• Drift og vedlikehold (tilstandsbasert vedlikehold): Bedre metoder for planlegging og gjennomføring av drift og vedlikehold for økt driftssikkerhet og energiproduksjon.

• Nettilkobling: Nye konsepter for nettilkobling av offshore vindparker, herunder også utforming av vindpark internett, HVDC og tilkobling til offshore olje- og gassanlegg.

• Flytende konsepter: Utvikling av nye eller forbedrede flytende konsepter, både for mellomdypt og dypt vann. Dette inkluderer innovative turbinløsninger designet for bruk i store offshore vindkraftanlegg, flytere og forankringssystem.

• Fundamentløsninger og forankringssystemer.

Saltkraft

Saltkraft er produksjon av elektrisitet ved å mikse saltvann med ferskvann. Alle områder i verden hvor det er rikelig tilgang på både fersk- og saltvann kan være aktuelle for etablering av saltkraftverk.

Statkraft har et pilotanlegg for saltkraft på Tofte i Hurum. Dette er verdens første prototyp for saltkraft. Den er dimensjonert for 10 kW, men i den første tiden vil det ligge på 2-4 kW, nok til å drive en kaffetrakter.

Elektrisitetsproduksjonen bygger på osmoseprinsippet, naturens egen drivkraft for å etablere likevekt mellom væsker med ulik tetthet. Osmose er transport (diffusjon) av vann fra et område med høy vannkonsentrasjon, gjennom en semipermeabel (delvis gjennomtrengelig) membran, til et område med lavere vannkonsentrasjon.

I saltkraftverket føres ferskvann og sjøvann inn i hvert sitt kammer, atskilt med en kunstig membran. Saltmolekylene i sjøvannet trekker ferskvannet gjennom membranen, slik at trykket på sjøvannssiden øker. Trykket tilsvarer en vannsøyle på 120 meter (tilsvarer 12 bar), eller en betydelig foss. Vannsøylen og den potensielle energien utnyttes ved å føre vannet gjennom en turbin som driver en generator, og som igjen produserer strøm. Ved et trykk på 11-14 bar og tilstrekkelig saltkonsentrasjon, kan man produsere 1 MW per m³/sekund ferskvann.

Aktuell teknologi

Trykkretardert osmose har blitt identifisert som den mest lovende teknologiske metoden for saltkraft. Effektive membraner for trykkretardert osmose (PRO) og membranmoduler er en forutsetning for å kunne realisere prosessen for lønnsom kraftproduksjon.

Teknologiske barrierer

Membranen er kjernekomponenten i et saltkraftverk. Den største teknologiske barrieren relaterer seg til utvikling av membraner med størst mulig ytelse. En målsetning er å utvikle membraner som kan ha en ytelse på 5W/m². Dagens membraner har en ytelse på 3W/m². Barrierene er først og fremst knyttet til:

• Membranmoduler: I et saltkraftverk blandes ferskvann og sjøvann i moduler der ferskvann strømmer gjennom tettpakkede membraner over til sjøvann. Membranmodulen skal sikre god kontakt mellom membranene og strømmende vannmasser, lavt strømningstap og gi muligheter for effektivt membranvedlikehold (vaskeprosesser). Valg av modultype og optimalisering av moduldesign er derfor en sentral utviklingsoppgave. Dagens moduldesign er lite kostnadseffektiv og gir stort trykkfall.

• Vannrenseteknologi: Både saltvannet og ferskvannet må renses før det benyttes i kraftproduksjonen. Forurenset vann kan medføre algevekst og begroing av membraner og utstyr. Effektive renseteknologier er nødvendig. Det er behov for å utvikle mer kostnads- og energieffektive renseteknologier.

• Energigjenvinning: Teknologier for energigjenvinning og trykkforsterkning i osmose-prosessen (ER Technology).

Bølge- og tidevannsenergi

Det eksisterer mange ulike konsepter for utnyttelse av bølge- og tidevannsenergi. De fleste konseptene er pre-kommersielle og teknisk umodne med behov for forskning, utvikling og demonstrasjonsaktiviteter. Det er fortsatt en rekke avgjørende teknologiske barrierer som må overkommes før kommersialisering av bølge- og tidevannsteknologi.

Teknologiutvikling er viktig for å oppnå best mulig overlevelsesevne. Konstruksjon av anlegg som tåler store påkjenninger i sjøen, som er billig å produsere og gir lave produksjonskostnader, er meget utfordrende. Bølge- og tidevannskraft har noen felles utfordringer knyttet til følgende forhold:

• Pålitelighet: Anlegget og komponenter må tåle å stå lenge i sjøen uten å ødelegges. Korrosjon, groing, vanntette elektriske komponenter inngår her.

• Økonomisk lønnsomhet: Utvikle anlegg med lave produksjonskostnader ved bruk av nye materialer, generell engineering o.l.

• Produserbarhet: Utvikle enkle og kostnadseffektive komponenter og konsepter som egner seg for serieproduksjon.

• Installerbarhet: Installasjon av bølge- og tidevannsanlegg er krevende. Det er viktig å utvikle gode, sikre og rimelige installasjonsløsninger. Installasjonsløsninger omfatter dedikerte fartøyer, installasjonsmetoder, offshore kabelteknologi, forankring og fortøyningssystemer

• Kostnadseffektiv drift og vedlikehold: Drift- og vedlikeholdsaktiviteter er kostnadsdrivende faktorer. Viktige elementer for effektiv drift er styring og regulering av anlegg, kraftelektronikk for å levere riktig strømkvalitet, minimal korrosjon og groing, erosjon rundt fundamenter og forankring.

Bølge- og tidevannskraftverk bygger imidlertid på ulike teknologiske konsepter. Videre følger en beskrivelse av teknologiene for utnyttelse av henholdsvis bølge- og tidevannsenergi.

Bølgekraft

Omformingen av energi i et bølgekraftverk skjer primært ved at bølgene vekselvirker med et mekanisk svingesystem, slik at man får utnyttet bølgenes potensielle energi- og bevegelsesenergi. Det er mange virkemåter og tekniske løsninger blant konseptene for bølgekraft. Dagens forskningsaktivitet vektlegger hovedsakelig utnyttelse av bølgeenergi til elektrisitetsproduksjon.

Anleggenes evne til å overleve under eksponering av store bølger er og har vært et problem for mange pilot- og demonstrasjonsanlegg. For bølgekonsepter kan store stormer gi opptil 100 ganger så stor belastning på konstruksjonen som normale forhold. En annen teknisk utfordring for bølgekraft er store variasjoner av påtrykt effekt over kort tid, noe som medfører ekstremt variabel kraftproduksjon og problematisk nettintegrasjon. Det er derfor behov for konsepter med integrert energilager for å glatte effektkurvene og bidra til jevn energiproduksjonen.

Aktuelle teknologier for bølgekraft

Anlegg som produserer elektrisk kraft fra bølgeenergi kan deles inn etter følgende egenskaper:

• Flytende anlegg: En flytende konstruksjon som er utstyrt med innretninger (hengslede elementer, flottører osv.) som reagerer på vannflatens bevegelser. Flytende anlegg ligger i åpent vann der energirike dønninger er tilgjengelige.

• Bøye for punktabsorpsjon: En bøye som er fiksert til bunnen og beveger seg vertikalt (eventuelt også horisontalt) i takt med bølgene. Anlegget opererer i vannskorpen eller under denne.

• Hengslede bunnfaste innretninger: Et konsept som er beregnet for relativt grunt vann. En klaff er plassert på bunnen og kan følge vannets vertikale bevegelse.

• Svingende vannsøyle: Konseptet består av et kammer i kontakt med havet nede og med atmosfæren oppe. Luftstrømmen i toppen driver en turbin som genererer kraft. Anlegget installeres i vannkanten, noe som medfører utfordringer med tidevannsvariasjoner.

• Høydemagasin: Vann samles i et magasin som ligger høyere enn vannflaten. Energi produseres ved at vannet renner tilbake til havet gjennom en turbin. Konstruksjonen er stor og tidevann kan være en utfordring.

Teknologiske barrierer for bølgekraft

De spesifikke teknologiske barrierer relaterer seg til de ulike konseptene. De mer generelle barrierene er følgende:

• Konstruksjon og materialer: Sterke nok konstruksjoner til å tåle krefter fra bølger og havstrømmer.

• Korrosjonsbeskyttelse: Metoder for korrosjonsbeskyttelse og korrosjonssikre materialer.

• Vanntette elektriske komponenter.

• Styrings- og kontrollsystemer.

• Prognosemodeller og beregningsmodeller for energiproduksjon, meteorologiske og oseanografiske forhold, og amplitude- og faseprognosering.

• Standardisering av konsepter for serieproduksjon og kostnadsreduksjon.

• Offshore kabelteknologi, forankring og fortøyningssystemer.

• Kraftelektronikk for elektrisitetsproduksjon med tilstrekkelig leveringskvalitet.

Tidevannskraft

Tidevannskraft skiller seg fra bølgekraft ved at den er forutsigbar. Tidevannskraften er resultatet av månens og solens påvirkning på havet. Høydeforskjellene mellom flo og fjære skaper tidevannsstrømmer i kystområdene, og disse strømmene kan være sterke nok til å drive turbiner. Den store tettheten i vannet, nesten 1 000 ganger større enn i luft, gjør at det er mye energi å hente ut av tidevannsstrømmer selv om hastigheten er lav.

Konseptene for utnyttelse av tidevannsenergi er mer ensartede enn for bølgekraft. Konseptene varierer i forhold til strukturvariasjoner og maskintekniske variasjoner. Flere konsepter er demonstrert. For tiden utvikles mange ulike konsepter for utnyttelse av tidevann. Disse kan grovt deles inn i to kategorier; de som opererer i grunt vann langs kysten, og de som opererer i dype kanaler der tidevannet beveger seg med stor hastighet. De fleste løsningene som nærmer seg kommersialisering finner man i den siste kategorien. I tillegg kan kreftene i tidevannet utnyttes i tidevannsdemninger. Dette konseptet er basert på store demninger der vannet sluses inn når det er flo, og slippes ut gjennom store turbiner når det er fjære.

Aktuelle teknologier for tidevannskraft

Tidevannskonsepter kan grupperes etter følgende karakteristiske egenskaper:

• Horisontal aksel og bunnmontert anlegg – en horisontalakslet bunnfast turbin under vannoverflaten.

• Horisontal aksel og overflatepenetrerende anlegg – en horisontalakslet bunnfast turbin hvor deler av anlegget er synlig.

• Horisontal aksel og flytende anlegg – en flytende innretning med påmonterte turbiner.

• Vertikal aksel – flytende eller bunnfast konsept med vertikalakslede turbiner.

Teknologiske barrierer for tidevannskraft

Spesifikke teknologiske barrierer relaterer seg til de ulike konseptene. De mer generelle barrierene er sammenfallende med barrierer for bølgekraftverk.

Naturgass – gasskraft med CO₂-håndtering (CCS: Karbonfangst og -lagring)

CO₂-håndtering er ifølge det internasjonale energibyrået (IEA) et sentralt og nødvendig tiltak for å redusere utslipp av CO₂ til atmosfæren. Utvikling og kommersialisering av teknologi for CO₂-håndtering er derfor en forutsetning for å møte klimautfordringen på en kostnadseffektiv måte. Satsingen på CO₂-håndtering fra norsk side har hatt ulike begrunnelser. Prioritering av forskning på dette feltet er fra Energi21 begrunnet blant annet med følgende:

• Reduserte utslipp av CO₂ til atmosfæren: IEA har etablert et scenario for hvordan globale CO₂-utslipp kan halveres innen 2050 (IEA Blue Map Scenario). CO₂-håndtering utgjør her 19 prosent av utslippskuttene.

• Kraftproduksjon: I internasjonal sammenheng blir CO₂-håndtering pekt på som et viktig virkemiddel for å sikre en framtidig energiforsyning med akseptable klimagassutslipp. Kraftproduksjon fra naturgass kan få en viktig rolle internasjonalt ved å erstatte kull, og ved å balansere svingninger i et framtidig kraftnett med stort innslag av fornybar kraft fra kilder med varierende produksjon. IEA forventer økt langsiktig betydning av gasskraft, og understreker derfor at gasskraftverk også bør ha CO₂-håndtering.

• Verdiskaping og verdisikring nasjonalt: CO₂-håndtering kan sikre nasjonale verdier innenfor industrier som i dag har omfattende CO₂-utslipp, og som vil bli påvirket av strengere krav til utslippsreduksjoner fra nye internasjonale klimaavtaler. I tillegg kan en slik satsing sikre verdien av framtidige norske naturgassressurser gjennom teknologi for utnyttelse uten utslipp av CO₂.

Aktuelle teknologier for fangst av CO₂

• Post-combustion CO₂-fangst: Røykgassrensing kan ettermonteres på eksisterende gass- eller kullkraftverk, og renser CO₂ fra røykgassen etter forbrenning.

• Oxyfuel: Her foregår forbrenningen i rent oksygen framfor i luft, og røykgassen består nesten utelukkende av CO₂ og vanndamp. Vanndampen fjernes ved kondensasjon og da står man igjen med en relativt ren CO₂-strøm som lett kan fanges og håndteres.

• Pre-combustion CO₂-fangst: Her skjer fangsten ved at karbonet fjernes fra brenselet før forbrenningen, og det produseres hydrogen. Hydrogenet kan brukes som et karbonfritt brensel, for eksempel i turbiner.

Teknologiske barrierer

• Kostnadseffektive fangstprosesser med lav energi- og miljøbelastning

  Barriere 1: Manglende realisering i fullskala. EU har planer om å realisere 10-12 store CO₂-håndteringsanlegg innen utgangen av 2015. Dette medfører lav interesse fra teknologileverandører samt begrensede muligheter til å bestemme reelle kostnader, og miljøbelastninger.

  Barriere 2: Det er per i dag ingen klar «teknologivinner» innen CO₂-fangst som kan gi vesentlig kostnadsreduksjon.

• Sikker og kostnadseffektiv transport av CO₂

  Barriere 1: CO₂-transport på land og med skip er kjent teknologi. Hovedutfordringene er kostnadseffektiv og sikker tilpasning for rørtransport offshore samt oppskalering av skipsløsninger.

  Barriere 2: En kostnadseffektiv løsning for transport av CO₂ må baseres på en infrastruktur som omfatter mange kilder.

• Utvikle kunnskap og verifisere teknologi for sikker og kostnadseffektiv lagring og overvåkning av CO₂

  Barriere 1: CO₂-lagring i akviferer gjennomføres i dag i flere prosjekter i forbindelse med naturgassproduksjon og LNG. Det er behov for dedikerte pilot- og fullskala CO₂-injeksjonsprosjekter der man kan teste ut og validere overvåkningsmetoder som kan bidra til å demonstrere at CO₂-lagring er et sikkert klimatiltak.

  Barriere 2: CO₂-lagring er gjennomførbart med de metoder og verktøy man har tilgjengelig i oljeindustrien. Økt kostnadseffektivitet kan oppnås gjennom FoU innsats rettet mot bedre forståelse av grunnleggende prosesser og utvikling av nye verktøy knyttet til injeksjon i akviferer, samt metoder for å bygge ut og drive et lager.

Fusjonsenergi

Fusjonsenergi har et uendelig potensial og kan dekke hele verdens energibehov i all framtid. Det er store teknologiske barrierer, og kommersiell energiproduksjon kan først bli aktuelt i 2050. Forskning på fusjonsenergi dreier seg først og fremst om forskning innenfor plasmafysikk.

Fusjonskraft er kraft generert av fusjon. To hydrogenkjerner smelter sammen til en heliumkjerne og frigir energi. Denne energien frigis som varme som igjen brukes til å varme opp vann som igjen driver en turbin som igjen produserer elektrisk energi. Å produsere varme av reaksjonen og drive en turbin, er samme prinsipp som en vanlig fisjonsreaktor produserer energi på. Det beste eksempelet på en fungerende fusjonsreaktor er solen. På solen fusjonerer hydrogenatomer. I reaktorer her på jorden benyttes to hydrogenvarianter (isotoper); deuterium og tritium. Begge er isotoper av hydrogen og lar seg lettere fusjonere enn hydrogenatomet.

Varme og tetthet er viktig for å få fusjonsprosessen i gang. Temperaturen ved fusjonsreaksjonen er flere titalls millioner grader. Ved en slik temperatur vil alle gasser gå over i plasmaform, og atomstrukturen går i oppløsning. Dermed frigjøres elektronene fra atomene, og svever fritt rundt. Først i en slik tilstand kan fusjoneringen av hydrogenkjernene skje, ved at de kolliderer og smelter sammen. Selve hjertet i fusjonsreaktoren er derfor selve beholderen med det ufattelige varme gassplasmaet. Den mest effektive utformingen av beholderen er omtrent som en smultring, reaktoren kalles en tokamak (avledet fra russisk forkortelse). Det forskes på to hovedtyper fusjon: Magnetisk innesperringsfusjon og treghetsinnesperringsfusjon.

Aktuelle teknologier

• Magnetisk innesperringsfusjon: Man benytter magnetfelt for å begrense fusjonsbrennstoffet i et plasma. Denne metoden er mest utviklet og blir betraktet som mest lovende innen produksjon av energi.

• Treghetsinnesperringsfusjon: Det ytre laget av fusjonsbrennstoffet varmes opp til eksplosjon, og sjokkbølger sendes inn til sentrum av brennstoffet. Fusjonsreaksjon skjer i sentrum av brennstoffet og brer seg utover. Denne metoden er ikke så utbredt.

Teknologiske barrierer

Det er krevende teknologiske utfordringer som må løses for å oppnå stabil energiproduksjon fra fusjonsreaksjoner. De største barrierene relaterer seg til håndtering av varme, opprettholdelse av stabilt plasma, og materialer i reaktoren.

• Varme: Fusjonsprosesser genererer ekstrem varme. En viktig teknologisk utfordring er håndtering av varmeproduksjonen i forhold til anleggsdesign og materialvalg.

• Stabilt plasma og opprettholde en kontinuerlig fusjonsprosess: En vesentlig utfordring og teknologisk barriere er å opprettholde og vedlikeholde kraftproduksjonen fra fusjonsreaksjonen. Det er en utfordring å få plasmaet stabilt over tid og å holde det sammen lenge nok, slik at fusjonsprosessene opprettholdes for stabil energiproduksjon. Dagens reaktorer klarer bare å holde fusjonsprosessen gående i noen tiendels sekunder før plasmaet blir ustabilt og fusjonsprosessen stopper opp. En av målsetningene med dagens forskning innenfor fusjon er å få fusjonsprosesser til å vare i inntil 50 minutter av gangen – og på sikt til å vare dag ut og dag inn årevis.

• Materialer: Et annen viktig problemstilling er hvordan stålet som skal oppta og magasinere energien fra fusjonsreaktoren vil klare seg. Dette har aldri blitt testet ut i full skala, og enkelte teoretiske modeller tyder på at stålet ikke vil tåle den vedvarende nøytronstrålingen. Stålet kan bli tørt, sprøtt, og krakelere. Ingen faste materialer tåler temperaturer opp mot flere titalls millioner grader. Plasmaet må derfor holdes svevende inne i reaktoren ved hjelp av et kraftig magnetfelt. Magnetfeltet har sylindrisk form, og fusjonsprosessen finner sted i kjernen av denne. Kollisjon fra partiklene mot reaktorveggen vil medføre nedsmelting på grunn av høye temperaturer.

Kostnadsintensiv forskningsaktivitet

Forskning innen fusjon er blant verdens dyreste forskningsaktiviteter. Dagens forskningsaktiviteter innenfor fusjonsenergi bygger på internasjonalt samarbeid. I Frankrike er man i ferd med å konstruere og bygge en fusjonsreaktor på 500 MW. Dette er et samarbeidsprosjekt mellom blant andre EU, Kina, USA, Russland, Sør-Korea, India og Japan. Anlegget skal etter planen står ferdig i 2018. Prosjektet har et budsjett på 50 milliarder kroner. Reaktoren blir meget viktig for å teste og verifisere teknologiske løsninger knyttet til utnyttelse av fusjonsenergi.

Geotermisk energi

Geotermisk energi er varme som ligger lagret i jordskorpen. Varmen som er lagret nær overflaten i jord, fjell og grunnvann, kan hovedsakelig betraktes som magasinert solenergi, og utnyttes i dag kommersielt ved hjelp av grunne brønner og varmepumper til oppvarming av hus og næringseiendommer.

De store energimengdene i form av varme i de dypere deler av jordskorpen stammer dels fra jordens indre, og dels fra en kontinuerlig nedbrytning av radioaktive isotoper i jordskorpen.

I de fleste områdene stiger temperaturen gjennomsnittlig med 20–30 °C per km dybde. Denne formen for geotermisk energi er geografisk ulikt fordelt, siden temperaturen stiger raskere med dybden i områder på grensen mellom jordskorpeplatene (for eksempel på Island). Fram til i dag har dyp geotermisk energi først og fremst vært utnyttet i slike naturgitte varme områder, der varmt vann og/eller damp kan produseres fra varme grunnvannskilder. I de senere år har det for forskningsformål blitt boret brønner ned til flere kilometers dyp for å ta ut energi i områder med lite naturlig tilstedeværelse av vann. Varmeuttaket skjer ved å sirkulere vann som varmes opp i undergrunnen i naturlige eller konstruerte systemer. Lykkes en med dette har en frigjort et stort potensial for fornybar, miljøvennlig energi som er tilgjengelig på varierende dybde rundt hele jordkloden. Dyp geotermisk energi utgjør derfor i dag en relativt ny, men betydelig del av satsingen innen fornybar energi, der blant annet USA, EU og Australia har bevilget midler for å fremme utviklingen innen dette området.

Aktuelle teknologier

Grunne geotermiske systemer (GGS) er enten lukkede energibrønner i løsmasser eller fast fjell, eller naturlige sirkulasjonssystemer basert på grunnvannskilder. GGS benyttes til uthenting av grunn geotermisk energi og anvendes hovedsakelig med varmepumper til oppvarmings- og kjølingsformål. Dybde for systemene er i dag ned til 250 m, men økning i dybde til 500–1000 meter (mellomdype geotermiske systemer) er aktuelt, spesielt i urbane områder med plassbegrensninger for anleggene. Ressurstypen betegnes også som grunnvarme, jordvarme og geotermisk varme.

Naturlige hydrotermiske systemer (NHS) er varme grunnvannskilder til 3000 meters dyp. NHS benyttes i dag direkte til oppvarmingsformål, og, der temperaturene er høye nok, til kraftproduksjon.

Konstruerte geotermiske systemer er systemer som må bearbeides for å utnytte geotermisk energi i dype, krystallinske bergarter som ikke har naturlige strømningsveier. Denne formen for geotermisk energiutnyttelse er i dag på eksperiment-/demonstrasjonsstadiet. For å oppnå tilstrekkelig temperatur til storskala oppvarmingsformål, må en dypere enn om lag 3000 meter, mens geotermisk energi til elektrisk kraftproduksjon ofte krever dyp på 5000 meter eller mer.

Teknologiske barrierer

• Bore- og brønnteknologi: Boring utgjør en stor andel av de samlede kostnadene. Forbedret boreteknologi vil redusere kostnadene og konkurransekraften til slike anlegg.

• Boring i hardt fjell er en spesiell barriere for utnyttelse av dyp geotermisk energi, og anses som en helt avgjørende teknologisk barriere som må løses for å kunne ta i bruk dyp geotermisk energi.

• Kartlegging av geotermisk ressurspotensial er kun gjort i begrenset grad i Norge. Kartlegging er nødvendig for vurdering av geotermisk energi som et alternativ i Norge.

• Reservoar

  • Utvikling av metoder for etablering av strømningsveier med tilstrekkelig konnektivitet og overflate for optimalt varmeuttak.

  • Videreutvikle metoder for å oppnå tilstrekkelig strømningsrate og begrense vanntap.

  • Optimalisering av varmeuttak fra undergrunnen.

  • Energiutnyttelse.

  • Optimalisering av uttak av termisk energi for oppvarming og kjøling av bygg (via varmepumper).

  • Optimalisering av uttak av geotermisk energi for prosessvarme og for produksjon av elektrisk kraft (dype konstruerte geotermiske systemer).

  • Optimalisering av energikonverteringen generelt.

Vannkraft

Det norske vannkraftsystemet har i dag (2012) en kapasitet på om lag 30 000 MW og en midlere årsproduksjon på 125 TWh. En økende del av vannkraftsystemet har behov for større oppgraderinger, siden om lag 50 prosent av produksjonsapparatet er over 40 år gammelt. Utfordringene ved sikkerhetskritiske komponenter som dammer, tunneler, sjakter og transformatorer øker. Tiltak på eksisterende dammer krever store økonomiske ressurser og spisskompetanse. Hendelser de siste årene, med ras i tunneler og skade på høytrykkssjakt, viser at det er nødvendig med forskning på disse mekanismene da potensielle hendelser kan ha store konsekvenser for mennesker, miljø og økonomi.

En annen stor utfordring ligger i å vurdere virkninger av og tilpasninger til de klimaendringer som forventes å komme. Norge har alene omtrent 50 prosent av den totale magasinkapasiteten i Vest-Europa. Imidlertid er Norges vannkraft primært bygd ut for å dekke det norske behovet for energi, ikke for å levere fleksibilitet. Ved en eventuell effektleveranse for balansering av variabel kraftproduksjon i Norge og Europa, som f.eks. vind og sol, er det behov for teknologiske, og i tillegg miljø- og markedsmessige, tilpasninger.

Aktuelle teknologier

Vannkraftteknologi er en moden teknologi, men det er fortsatt behov for forsknings- og utviklingsaktiviteter på området. Utfordringene og kunnskapsbehovet er noe annerledes enn for nye teknologier. Teknisk-økonomisk er det svært utfordrende å finne optimale løsninger for samspillet mellom nye og eksisterende anlegg, samtidig som produksjonstapet skal minimaliseres. For vannkraft vil særlig miljøvirkningene og vannressurskonflikter være bestemmende for om nye utbygginger kan tillates, og om eksisterende anlegg kan bygges om for økt effektleveranse.

Teknologiske barrierer

Det eksisterer ingen reelle teknologiske barrierer for utnyttelse av vannenergi i vannkraftanlegg. Teknologien er moden, og har vært i markedet i over 100 år. Framtidens krav til drift og utbytte fra vannkraftanleggene medfører behov for ytterligere teknologiutvikling og teknologiforbedring.

• Pumpekraftteknologi for hurtige effektleveranser og bidrag av balansetjenester.

• Markedsløsninger for kort- og langtids balansekraft.

• Utvikling av verktøy og metoder for helhetlig miljøvennlig planlegging og drift av vannkraft.

• Hydrologiske beregningsmetoder for umålte felt (hydrologi og tilsig).

• Boreteknologi for miljøvennlige vannveier uten synlige inngrep.

• Modulbaserte og standardiserte småkraftverk «Plug and Play»: Standardisert modul for småkraftverk som gir effektiv installasjon og drift.

• Metoder og teknologier for å vedlikeholde og effektivisere eksisterende kraftverk som også møter endrede krav til HMS, prosess, og risikoforståelse, tilgjengelighet, damsikkerhet, miljø, og endret klima og kjøremønster.

Lavtemperatur energi til elektrisitet

Utnyttelse av lavtemperatur varme til strømproduksjon representerer et stort potensial på tvers av bransjer. Utfordringen i Norge er relativt store punktutslipp av lavtemperatur varme uten at et tilsvarende behov for lavtemperatur varme finnes lokalt. Gjenvunnet energi må derfor konverteres til elektrisitet for å kunne utnyttes. Norge ligger langt framme på høytemperatur konvertering. Denne kompetansen bør brukes til å utvikle et konkurransefortrinn også på lavere temperaturnivåer.

Behovet for konvertering av lavtemperatur varme til elektrisitet er i første omgang drevet fram av ambisjonen om å utnytte lavtemperatur spillvarme i industrien. I tillegg vil også gode løsninger for slik konvertering finne anvendelse innenfor andre termiske kilder som f.eks. solvarme eller geotermisk energi.

Aktuelle teknologier

• Termoelektrisitet: Direkte omdanning av varme til elektrisitet ved hjelp av spesielt egnede materialer. Omdanningen skjer inne i materialene ved hjelp av Seebeck-effekten, uten krav til bevegelige deler eller utvikling av skadelige gasser/væsker.

• Organic Rankine Cycle (ORC): Mye brukt teknologi som konverterer spillvarme til kraft ved en syklus med varmeveksler/fordamper, turbin og re kondensering. Konvensjonell teknologi som kan benyttes ned mot relativt lave temperaturer. Når temperaturdifferensen avtar, reduseres også virkningsgraden.

• Stirlingmotor: Dette er en stempelbasert motor der arbeidsmediet er utenfor selve stempelmotoren, men varmes vekselvis opp på den ene og den andre siden og strømmer gjennom stempelet og driver en generator. Dette er en teknologi som kan benyttes med relativt lave temperaturdifferenser.

Teknologiske barrierer

Materialene som inngår i termoelektriske moduler er ennå ikke gode nok. Materialene er for dyre, de er lite effektive, og de består til dels av giftige grunnstoffer. Det pågår en utvikling av dette internasjonalt og i Norge, og det er håp om at dagens teknologi vil bli erstattet ved hjelp av nye, billige materialer som ikke er giftige. Samtidig kan effektiviteten økes.

Forbedringer og nyvinninger innenfor enkeltkomponenter for elektrisitetsproduksjon fra varme innenfor Stirling eller ORC: Nye løsninger som reduserer tapet i disse syklusene vil bidra til å forbedre virkningsgraden og muligheten for utnyttelse av enda lavere temperaturer.

Hydrogen

Hydrogen er en energibærer som kan anvendes både innenfor stasjonær sektor og transportsektoren. De viktigste drivkreftene for innfasing av hydrogen har så langt vært behovet for et karbonfritt drivstoff i transportsektoren. Hydrogen kan konverteres til strøm i en brenselcelle uten utslipp av annet enn vann. Anvendt i en bil med elektrisk framdrift gir dette mulighet for nær utslippsfri transport. Troen på og innsatsen knyttet til hydrogen for transportformål har gått i bølger de siste 30 årene, men nå er en rekke bilprodusenter klare for leveranser av hydrogenbiler med brenselcelleteknologi.

Biler med forbrenningsmotorer som bruker hydrogen slipper heller ikke ut annet enn vann, men her vil blant annet virkningsgraden være betydelig dårligere, slik at dette ikke er noen god langsiktig løsning. Biler med forbrenningsmotor har imidlertid vært benyttet for å få i gang en infrastruktur for hydrogen.

Hydrogen for stasjonær sektor er mindre utbredt, og driverne for denne anvendelsen er ikke like sterke som for transportsektoren. Likevel er dette muligheter som det jobbes med, spesielt i Europa. Den mest nærliggende anvendelsen av hydrogen for stasjonær sektor er som energilager for varierende fornybar kraftproduksjon. Den store utfordringen med for eksempel sol- og vindkraft, er at denne kraften må benyttes når den produseres og balanseres ut med alternative løsninger når produksjonen stopper opp. Dette er trukket frem som den store utfordringen knyttet til større innfasing av fornybar kraft. Danmark, som har mål om 50 prosent elektrisitetsproduksjon fra vindkraft innen 2020, ser på bruk av elektrolyse, lagring av hydrogen i store kvanta, og re-elektrifisering som en del av den nasjonale, langsiktige strategien for elsystemet.

Aktuelle teknologier

Elektrolyse av vann til hydrogen er en utslippsfri framstillingsmåte for hydrogen basert på elektrisitet.

Lagring skjer enten under høyt trykk (700 bar i transport), nedkjølt til flytende form (for langtransport av store volumer), i faste stoffer (f.eks. i metallhydrider eller metallorganiske forbindelser) eller bundet i kjemiske forbindelser (f.eks. metanol). I transport er trykksatt hydrogengass den klart foretrukne lagringsformen, og de første 700 bars trykktankene ble godkjent i 2003. For stasjonær sektor er lagring i faste stoffer også aktuelt.

Konvertering til(bake) til strøm skjer mest effektivt gjennom en brenselcelle. Her finnes det en rekke teknologier, i hovedsak karakterisert ved ulike geometriske konfigurasjoner og det materialet som benyttes i elektrolytten (kjernekomponent i elektrolysecellen). Brenselceller kan også konvertere andre drivstoffer enn hydrogen, som f.eks. naturgass og metanol, men da med tilhørende CO₂-utslipp.

Teknologiske barrierer

Hydrogenproduksjon ved elektrolyse er en konvensjonell teknologi, men det er fortsatt et potensial for forbedringer i virkningsgrad og behov for å redusere kostnader. De siste års teknologiutvikling har gitt elektrolyseceller som har evne til å variere produksjonen etter etterspørsel. Slik dynamisk drift er ansett som avgjørende for teknologiens suksess, og dermed er en viktig milepæl nådd.

De teknologiske målene er nådd for hydrogenlagring i transportsektoren. Kostnadene for slike trykktanker er imidlertid høye. For stasjonær bruk er lagring i faste stoffer aktuelt, men her gjenstår det betydelige utfordringer knyttet til å finne materialer med egenskaper som forener lav vekt og høy tetthet av hydrogen, rask og energieffektiv absorbsjon og desorpsjon (opptak og frigjøring) og lav kostnad.

Konvertering til elektrisitet for stasjonære formål vil mest hensiktsmessig skje gjennom en brenselcelle. Her jobbes det kontinuerlig med forbedring av de ulike teknologiene. Kritiske barrierer er levetid for de ulike komponentene i brenselcellen, virkningsgrad og kostnader for framstilling. For å adressere disse barrierene står materialteknologi sentralt, og her har Norge høy kompetanse.