Tema: Et integreret energisystem med fokus på tæt samspil mellem el, gas og varme samt udbud og efterspørgsel
1. Resumé
Strategiske investeringer i forskning skal bidrage til udviklingen af konkurrencedygtige, energieffektive og vedvarende energiteknologier og -systemer, der kan bidrage til at imødekomme et globalt stigende energibehov, bidrage til forsyningssikkerhed og begrænse de negative miljøkonsekvenser, der er forbundet med produktion og forbrug af energi.
Indsatsen skal desuden understøtte erhvervslivets muligheder for at udnytte de store fremtidige markedspotentialer på området. Velfungerende energisystemer er fundamentale for moderne samfund. Samtidig er den globale samfundsudfordring med at nå UNFCCC’s 2-graders målsætning blevet yderligere cementeret med Paris-aftalen fra 2015, som danner grundlag for et markant skridt på vejen mod en omstilling til et globalt samfund med væsentligt reducerede CO2-udledninger. Det betyder, at forskning i og omkring energi bliver et væsentligt globalt tema i det 21. århundrede.
Dertil kommer, at prognoser frem mod 2050 peger på et globalt stigende energiforbrug, en stagnerende – og siden faldende – produktion af konventionel olie og gas, samt tiltagende klimaforandringer. I såvel dansk som international sammenhæng vil øget fokus på energieffektivitet være en vigtig forudsætning for en omkostningseffektiv omstilling af energisystemet. Energieffektive bygninger er centrale; frem til 2050 vil der ske en voldsom global urbanisering, og IEA skønner, at bygningers energiforbrug vil stige med 50% i 2050, hvis ikke de bliver mere energieffektive.
Den grønne omstilling af det globale samfund er allerede i gang flere steder, med Danmark og andre lande i en førerposition. Erfaringerne med den grønne omstilling viser, at der opstår nye forskningsbehov, da fx flaskehalse, spidsbelastningerne i elsystemet, identificerede potentialer omkring synergier mellem fx el-, gas- og varme-systemet, etc. giver nye udfordringer men også nye muligheder, som med fordel kan adresseres med samfundsmæssig gevinst.
2. Samfundsudfordringer og/eller muligheder
Ved COP21 i Paris i november 2015 blev der indgået en global klimaaftale (the Paris Agreement), som sætter rammen for det globale klimasamarbejde, og som ventes at få stor betydning for den globale klimaindsats ift. at adressere den globale samfundsudfordring med at nå 2-graders målsætningen. Med aftalen er der skabt en global, juridisk bindende aftale med mere end 150 lande, hvilket svarer til mere end 90 pct. af de globale udledninger. Paris-aftalen er således et markant skridt på vejen mod en omstilling til et globalt samfund med væsentligt reducerede CO2-udledninger. En række lande, herunder Danmark, havde allerede inden Paris-aftalen forpligtet sig til at reducere udledningen af drivhusgasser markant. Det er således en målsætning, at Danmark skal være uafhængig af fossil energi i 2050.
Det globale energiforbrug anslås af IEA at stige med en tredjedel frem mod 2040. IEA anslår også, at el i slutforbruget på globalt plan vil vokse til at udgøre omkring en fjerdedel af det endelige energiforbrug i 2040, hvor el-sektoren fører an i en dekarbonisering af energisystemet. I dansk sammenhæng forudsættes energieffektivisering og elektrificering at levere et betydeligt bidrag til den grønne omstilling (se ’Vores Energi’). Tilsvarende lægger EU-kommissionen stor vægt på energieffektivitet, og behovet for nye og forbedrede løsninger må derfor antages at stige.
De globale energimarkeder har oplevet en række tendenser i de seneste par år, herunder en faldende pris på kul, olie og gas. Samtidig falder priserne på vedvarende energi markant, særligt land-vind og sol, og der ventes yderligere prisfald på disse i de kommende 10-15 år på basis af læringskurve-effekt og forbedrede muligheder for finansiering. Landvind er allerede den billigste form for ny el-kapacitet i Europa, og ventes ifølge Bloomberg at blive billigst ny el-kapacitet globalt inden for de næste 10 år. Der er samtidig tendens til, at der i stigende grad vil være fokus på investeringer i energiteknologier og systemer, som er økonomisk bæredygtige og uafhængige af subsidier.
I takt med at vedvarende energi slår mere igennem globalt i el-systemet vil der blive behov for fleksibel kapacitet, som kan håndtere spidsbelastninger, og som kan rampe op og ned når sol-anlæg aftager i eftermiddagstimerne eller når vinden kommer og går. På samme måde vil der kunne opleves flere ”spidser” i el-kurverne pga. af større efterspørgsel fra husholdninger og den private sektor og mindre udbudt grundlast. På denne måde vil der blive et øget behov for services som demand-response, batteri-lagring, konvertering af energi, flere kabler til udlandet, og kontrolsystemer, som kan matche udbud med efterspørgsel.
Derudover er der behov for at tackle samfundsudfordringer i andre dele af energisystemet, hvor der er behov for teknologiske løsninger som fremmer energieffektivitet, og som ofte kan karakteriseres som værende kommercielt bæredygtige ved at have en relativt hurtig tilbagebetalingstid, og som derudover understøtter den grønne omstilling. Der skal satses på et integreret energisystem med smart-energy og smart-grid-løsninger, som udnytter og sammentænker synergierne mellem forskellige dele af energisektoren. Det gælder for eksempel mellem el- og varme-systemet, mellem el- og gas-systemet, etc. I forhold til transportsektoren er der behov for at udvikle løsninger, som tænkes ind i en større energisystemsammenhæng. Det gælder for eksempel teknologier omkring el- og hybridbiler, som spiller sammen med et i stigende grad el-baseret system, hvor energieffektiviteten er høj, emissionerne lave, og hvor energilagring kan integreres i konceptet. Der ligger også en udfordring i at producere avancerede biobrændstoffer til de dele af transportsystemet, som ikke nemt kan elektrificeres.
I forhold til den danske undergrund er der en række oplagte muligheder med tilknyttede forskningsbehov i form af fx øget olie- og gasudvinding via Enhanced Oil Recovery (EOR) og Enhanced Gas Recovery (EGR), som kan medvirke til at finansiere den grønne omstilling. Undergrunden indeholder derudover en række muligheder i form af geotermiske ressourcer og mulighed for både varmeindvinding og køling, som på sigt kan sikre vedvarende og stabil varme til en væsentlig del af den danske boligmasse, samt til varmekrævende produktioner, drivhuse etc. Den geologiske lagserie i Danmark giver desuden oplagte muligheder for lagring af varme produceret i sommersæsonen (produktionsvarme, solvarme, el-opvarmet vand etc.) og derved kan sæsonudsving i produktion og forbrug balanceres. Undergrundens lag giver også mulighed for stor-skala lagring af brint og biogas i fx salthorste. Sidst men ikke mindst er el-produktion via osmose og saltholdigt geotermisk vand også et potentiale, som kan udnyttes.
Som et tværgående tema vil digitalisering åbne mulighed for at spille en væsentlig rolle i energisektoren og energiforskningen. Det gælder fx muligheden for at opsamle, udveksle og anvende data fra intelligente elmålere og datahubs, og det gælder ift. smart energy-løsninger, hvor man kan udnytte samspil mellem energiformerne og ift. demand-response, og hvor man kan fremme energieffektivitet.
De danske og ikke mindst de globale udfordringer skaber behov for, at eksisterende klimavenlige og miljøeffektive energiteknologier og -systemer videreudvikles og helt nye udvikles med henblik på at levere omkostnings- og energieffektiv, tilstrækkelig, stabil, intelligent og integreret energiservice til en konkurrencedygtig pris og med en minimal påvirkning af klima og det omgivende miljø i øvrigt.
3. Forskningsbehov
Hvis de energimæssige udfordringer skal løses, og danske virksomheder skal være i front i den globale konkurrence på energiområdet, er der brug for en sammenhængende og tværfaglig indsats inden for energiforskning samt udvikling og demonstration af energiteknologier og -systemer med globalt perspektiv, ligesom der skal være adgang til de mest avancerede nationale og internationale forskningsinfrastrukturer. Udvikling af den basale forståelse af de fysiske, kemiske, biologiske og geologiske processer og materialer kan bidrage til at forbedre og effektivisere kendte energiteknologier såvel som til udvikling af kvalitativt nye energiteknologiske løsninger. Samtidig er den anvendelsesorienterede forskning, udvikling og demonstration afgørende for at få omsat ny viden til ny teknologi og komponenter i fremtidens energisystemer.
Der er behov for forskning i – og udvikling af – klimavenlige og miljø-effektive energiteknologier og -systemer, der kan understøtte omstillingen af energisystemet og reducere udslip af drivhusgasser og miljøskadelige stoffer samt mindske afhængigheden af fossile brændstoffer. Men i takt med en øget grøn omstilling, er der i stigende grad behov for løsninger og systemer på efterspørgselssiden, som på en smart måde kan håndtere og anvende den producerede, fluktuerende energi, ligesom der i stigende grad er behov for balancering af energisystemet for at opnå synergi i at få de forskellige dele af energisystemet til at spille bedre sammen. Udfordringen er dermed i en dansk kontekst at få vindenergi, bioenergi, geotermi, jordvarme, energieffektivisering samt intelligente el-systemer og energilagring til at gå op i en højere enhed.
En lang række øvrige teknologier kan dog også vise sig at komme til at spille en rolle i en global sammenhæng, og forskningen skal derfor understøtte udviklingen af omkostningseffektive vedvarende konverteringsteknologier som solenergi og bioenergi til mere avanceret anvendelse, fx biologisk afgasning, men også termisk forgasning af biomasse, som sigter på fx højværdiprodukter som biobrændstoffer til transportsektoren. I forhold til produktion af biobrændstoffer skal der tages et særligt hensyn til de dele af transportsektoren, som ikke på sigt synes at kunne lade sig elektrificere, og hvor alternativerne derfor er begrænsede ud fra en forventning om begrænsede biomasse-ressourcer på lang sigt. Her spiller udvikling af ny og forbedret batteriteknologier også en vigtig rolle, både i forhold til mobile og stationære løsninger. Men også udvikling af teknologier som brændselsceller, bølgeenergi, affaldsudnyttelse, geotermi, m.v. kan komme på tale i de situationer, hvor der er tale om at nedbringe cost-of-energy. Der er en række oplagte forskningsbehov mht. den danske undergrund, og som både vedrører geotermi, men også udnyttelse af samspil mellem varmeproduktion og lagring i undergrunden og indvinding af varme og køling i de øvre jordlag
For at sikre en miljøeffektiv energiforsyning kan forskningen tillige understøtte udviklingen af bæredygtighedskriterier og certificeringssystemer for biomasseproduktion og andre vedvarende energiteknologier. Ikke mindst i forhold til vedvarende energi kan forskningen bidrage til at forbedre effektiviteten, reducere omkostningerne og øge brugen af miljøeffektive teknologier. Udover fastholdelse af energieffektivitet som et forskningstema retter forskningsbehovet sig i stigende grad mod anvendelsen af den producerede energi. Effektiv og intelligent energianvendelse er af afgørende betydning fx i bygninger, i produktionen, på systemniveau og i transportsektoren. Forskningen kan have fokus på fx belysning, lavenergibyggeri, byggematerialer og processer, nedbringelse af energiforbruget i eksisterede bygninger samt analyser af forholdet mellem nedrivning og nybyggeri set fra et bæredygtighedsperspektiv, hvor energiforbrug til produktion indgår.
Hertil kommer forskning i energieffektive, miljøvenlige transportmidler, herunder skibsfart og elektrificering af transport, fx elbiler, samt bedre viden om og metoder til adfærdsregulering, der kan bidrage væsentligt til at reducere energiforbruget. Dette kan fx tilvejebringes via udvikling af nye informations- og kommunikationsteknologi-systemer og -løsninger. På systemniveau kan forskningen fx rette sig mod at udvikle energiinfrastrukturen, herunder integration af de vedvarende energikilder i energisystemet og intelligent udnyttelse af energi samt mod international integration og synergi med andre landes energisystemer, specielt i forhold til el- og naturgassystemerne. I den forbindelse kan fokus fx også være på ”det elektrificerede samfund” med anvendelse og produktion af el på nye måder og på nye områder, fx intelligente byer og intelligente og aktive huse. Den fremtidige, stigende brug af vedvarende energiteknologier, som fx vindkraft og solenergi, betyder, at udsvingene i energiproduktionen øges. Det skaber nye behov for bl.a. forudsigelse af produktion og styring, energilagring – bl.a. i form af batterier eller elektromekaniske mikro- og nanosystemer – og intelligent energianvendelse, som er tilpasset produktionsudsvingene.
Forskningen kan bl.a. rette sig mod styring og intelligent regulering af alle elementerne i energisystemet, herunder såkaldte intelligente elnet, hvor vigtige teknologier blandt andet omfatter varmepumper, brændselsceller og solvarme samt integration af elbiler. Det omfatter også løsninger til stabilisering af energisystemerne bl.a. ved integration af el- og gassystemerne samt forudsigelse af energibehov og produktion på kort og langt sigt bl.a. under inddragelse af aftagerne af energien. I denne sammenhæng vil der også være behov for at forske i at udnytte mulighederne i digitalisering på bedste vis, hvad enten det vil være i form af støtteteknologier, teknologier til håndtering af data eller på anden vis teknologi indenfor IKT-området, som kan være med til at effektivisere og integrere energisystemet.
Forskningen kan også sigte mod brug af biomasse i fx bioraffinaderier, hvor biomasse bruges som råstof for kemisk produktion med samtidig fremstilling af fx fødevarer, transportbrændstoffer, foderstoffer, fibre og kemiske produkter, der derved kan fortrænge kul, olie eller naturgas som energikilde.
Energisystemet kan i fremtiden i højere grad spille sammen med landbrugssektoren, der ud over at være leverandør af restbiomasse til energiproduktion, også er aftager af næringsstoffer og kulstof (biochar), der returneres til landbrugsjorden efter energikonvertering af biomasse i biogasanlæg og termiske forgasningningsprocesser. Der kan dog være visse barrierer, som fx tungmetaller, PAHere eller andre miljøfremmede stoffer, i forhold til at recirkulere næringsstoffer mv. til landbrugsjord. Der er derfor behov for forskning, der undersøger muligheder og fjerner barrierer for et øget samspil mellem energi- og landbrugssektoren.
Forskningsbehovet retter sig også mod udvikling og implementering af teknologier til opsamling, kemisk Binding, udnyttelse og mulig lagring af CO2. Viden om olieefterforskning og øgning af indvindingsgraden kan også være relevant i den forbindelse, og udvikling af teknologier til udskilning og underjordisk lagring af CO2 (Carbon Capture and Storage) er allerede under udvikling i flere lande, men der er stadig et væsentligt forskningsbehov på området, som påpeget af bl.a. IEA og EU.
I tæt relation til teknologiudviklingen er der behov for forskning i regulerings-, adfærds- og markedsmæssige forhold i relation til fremtidens energisystemer, fx viden om forbrugerpræferencer og -adfærd.
Forskningen kan bl.a. inddrage forskelle mellem befolkningsgrupper i forhold til brug af energi fx i forhold til køn, alder, geografisk tilhørsforhold. Det skal bl.a. bidrage til, at de nye energiteknologier og -systemer bringes i anvendelse i samfundet samtidig med, at uønskede virkninger minimeres. Forskningsbehovet knytter sig også til spørgsmål om nye energiinfrastrukturers og forbrugsmønstres betydning for indretning af byer og landskaber mv. Endelig kan forskningen adressere emner som økonomi og rentabilitet ved anvendelse af nye energiteknologier og udfasning af ældre teknologier, sikkerhedsmæssige aspekter af knappe globale energiressourcer eller bæredygtigheds-, sundheds- og miljømæssige konsekvenser af fremtidens energisystemer.
Endelig kan det nævnes, at der er en række forskningsbehov ifm. olie- og gasudvinding (EOR/EGR), og hvor Danmark i forvejen har et stærkt vidensmiljø og teknologiudvikling.
4. Udmøntning
Det er væsentligt at sikre, at forskningen så effektivt som muligt realiserer sit potentiale og omsættes til værdiskabelse i samfundet på mellemlang til lang sigt. Dette sikres bedst gennem et samspil mellem universiteter og andre vidensinstitutioner på den ene side og brugere i form af f.eks. virksomheder eller offentlige institutioner på den anden side. Det er også centralt, at der sikres en rimelig vægtning af forskningen ift. værdikæden med udgangspunkt i de identificerede samfundsudfordringer/muligheder og forskningsbehov.
Der findes allerede et velfungerende setup, som kan udmønte forskning, udvikling og demonstration. EUDP, Innovationsfonden, ForskEL, og ELFORSK dækker både værdikæden, og er med til at sikre samspillet mellem offentlige vidensinstitutioner og virksomhederne. Det er vigtigt, at hver af disse ordninger bidrager til forskellige led i værdikæden – fra anvendt forskning til udvikling og demonstration af nye løsninger – og således bidrager med det de er bedst til, således at der ikke skabes for meget overlap mellem hver ordning.
5. Danske forudsætninger
Danmark har en række styrkepositioner på energiområdet i virksomheder inden for produktion, transmission, Distribution, energiservice og løsninger til energieffektivitet. Det gælder såvel inden for teknologier til effektiv og intelligent energiproduktion og -anvendelse som inden for udvikling og brug af vedvarende energiteknologi. Der er stærke erhvervsmæssige kompetencer i mange led i branchen, fx virksomheder inden for kraftvarme, rør, termostater, pumper, isoleringsløsninger, energivinduer, vind og biobrændsler mv. Som et vidnesbyrd om den danske styrkeposition er den samlede danske eksport af energiteknologi steget fra ca. 5 mia. kr. i starten af 1990’erne til mere end 70 mia. kr. i 2015, hvor den udgør godt 12 % af den samlede vareeksport. IEA anslår, at de globale investeringer i energieffektive løsninger i bygninger til stige til over USD 125 mia. i 2020 som følge af stigende politisk fokus på og implementering af krav om energieffektive bygninger.
Der er en række velkonsoliderede forskningsmiljøer, som vil være i stand til yderligere at løfte markante forskningsinvesteringer inden for området. Danske forskningsmiljøer har bl.a. stærke kompetencer inden for energiproduktion, fx vind, polymersolceller og biobrændsler (biomasse, enzymer, udnyttelse af bistrømme fra biologiske produktionsprocesser og nedbrydning af plantecellevægge, cellulose). Der er også stærke miljøer inden for omsætning, lagring og distribution af energi (fx brintteknologi, katalyse, termoelektriske materialer, fotoelektrokemi, brændselsceller, elsystemer, reguleringsteknologi, energiøkonomi og ”smart grid/energy”).
Der er væsentlige eksisterende såvel som kommende forskningsinfrastrukturer som fx DTU-Vind’s vindtunnel og testcentre som Høvsøre, LORC og det nationale testcenter for vindmøller i Østerild, DTU’s Center for Olie og Gas, ESS, ESRF, Max lab, DTU-CEE(PowerLab), ASTRID-AU, som ud over test har uddannelses- og forskningsmæssige aktiviteter, herunder forskning i nye målemetoder, aerodynamik, meteorologi mv.
De danske styrkepositioner inden for energiforskning har international bevågenhed og er grundlag for, at dansk energiforskning klarer sig godt i forhold til hjemtag af forskningsmidler i EU. Energiforskningen står centralt i EU’s rammeprogram Horizon 2020. Der er en række danske virksomheder, offentlige forskningsinstitutioner og universiteter, der beskæftiger sig med energiteknologi og energisystemer på højt internationalt niveau, og der er en lang tradition for at præstere innovative energiløsninger i global konkurrence. Der er etableret samarbejdsrelationer på flere teknologiområder, men i den videre udvikling er det vigtigt yderligere at styrke det offentlige og private samarbejde inden for forskning, udvikling og demonstration. Den grundlagsskabende og anvendelsesorienterede strategiske energiforskning samt indsatsen inden for udvikling, demonstration og markedsmodning er fordelt på flere offentlige tilskudsordninger, som støtter flere led i værdikæden. Udviklingen af nye energiteknologier kan bl.a. understøttes af Energiteknologisk Udviklings- og Demonstrationsprogram (EUDP), som har til formål at medvirke til, at de nye teknologier og services introduceres på markedet. Der eksisterer også private fonde, som støtter energiforskning.
6. Målsætninger og perspektiver
Perspektiverne i en forskningsindsats er at bidrage til udvikling og implementering af energieffektive og intelligente løsninger samt indpasse en bred vifte af vedvarende og miljøvenlige energiteknologier. Forskningen skal bidrage til en sikker, klima- og miljøvenlig, bæredygtig og omkostningseffektiv energiforsyning og -anvendelse. Væsentlige mål i den forbindelse er at reducere det nuværende energiforbrug og at gøre Danmark uafhængig af fossile brændsler i 2050. Sigtet med en forskningsindsats inden for fremtidens energiteknologier og -systemer er både nationalt og globalt. Målet er at bidrage til udvikling af energiteknologier og -systemer, som er internationalt konkurrencedygtige, og som derved vil kunne bidrage til løsninger på såvel de danske som de globale energiudfordringer og bidrage til at understøtte erhvervsudvikling og beskæftigelse. Den danske energisektor har i dag en størrelse, der gør, at mulighederne for yderligere fremgang på det internationale marked er betydelige, hvis det gribes rigtigt an.
I forhold til de globale energiudfordringer kan dansk udviklede løsninger dels få gennemslagskraft ved stigende efterspørgsel på verdensmarkedet, hvor markedet ventes at vokse i kølvandet på Paris-aftalen. Dels kan der skabes resultater ved målrettet teknologioverførsel og samarbejde i forbindelse med udviklingsbistand, bilateralt energifagligt samarbejde eller globale miljø- og klimatiltag. Endvidere kan danske erfaringer med grøn omstilling fungere som en showcase for andre lande. Det bør i den sammenhæng nævnes, at Danmark med sin deltagelse i Mission Innovation ser styrkede muligheder for at øge innovations-indsatsen på energiområdet, men også at det internationale samarbejde omkring F&U vil blive styrket.
7. Kontaktperson
Jeppe Lundbæk, EUDP/Energistyrelsen.