I forlængelse af artiklen i går af Willis Eschenbach kommer her et forsøg på at beregne, hvor meget vindenergi, der skulle installeres i Danmark for at eliminere vores CO2-udslip totalt. Her er man naturligvis nødt til at foretage en lang række antagelser og beslutninger om fremtiden, men de bliver lagt åbent frem, og i virkeligheden vil mange af dem ikke have den helt store indflydelse på resultatet. Størrelsesordenen af tallene vil ikke ændres.
Udgangspunktet
Som udgangspunkt tages Danmarks energiforbrug fra 2019 ifølge Energistyrelsens statistik, se tabel 1.
I dag er elektricitetsforbruget i gennemsnit ca. 4 gigawatt, hvilket dækker over betydelige udsving mellem sommer/vinter og over døgnet.
Under ”Vedvarende energi” er der et stort forbrug af biomasse, fordelt på 115.000 TJ af lokal oprindelse og 80.000 TJ importeret (primært træpiller).
Den valgte løsning
Vi antager her, at energiforbruget i 2050 vil være det samme. Det dækker over, at vi på den ene side får en energieffektivisering men på den anden side også formentligt en yderligere tilvækst i befolkningen.
Jeg har valgt at se bort fra solceller. De giver om muligt en endnu mere ustabil forsyning end vindmøller og forværrer altid ubalancerne i systemet. Så for nemheds skyld regner vi med, at al energi i Danmark skal komme fra hhv. vindmøller og biomasse. Dermed er den CO2-neutral, på papiret i hvert fald.
Der ses også bort fra udskilning og deponering af CO2, bortset fra opsugning i forbindelse med produktion af elektrobrændsel. Bortskaffelse og deponering er jo rene udgifter med ingen nyttevirkning.
Biomasseforbruget begrænses til vores hjemlige produktion, så enhver import ophører. Derved kommer vi tættere på et forbrug (men ikke helt), der svarer til global bæredygtighed (2).
Resten af energibehovet skal opfyldes af vindmøller. Her har vi selvfølgeligt to udfordringer. Dels skal vi dække behovet for strøm i vindstille perioder, og dels skal vi producere flydende brændstof til alle de anvendelser, der ikke umiddelbart kan elektrificeres (tung transport, fly, skibe, landbrug & byggeri osv.).
Her forudsættes det, at der benyttes elektrobrændsel (Power to X) som løsning generelt. Man kunne også vælge brint, men der er så mange tekniske udfordringer med brinten i forbindelse med håndtering og lagring – samt sikkerhed, så det må siges at være mere fornuftigt at gå skridtet videre og omdanne brinten til flydende brændstoffer.
Ambitionen er en betydelig elektrificering af samfundet (industri, transport og opvarmning af bygninger) og det forudsættes, at elektricitetsforbruget stiger til et gennemsnit på 10 GW, og de øvrige anvendelser begrænses tilsvarende.
Der er et betydeligt tab af varme ved Power-to-X processen og dette forudses at kunne dække det nuværende fjernvarmebehov på ca. 90.000 TJ.
Energiforbruget vil da være fordelt som vist i tabel 2:
Elproduktionen
Der er tidligere opstillet en model for en forsyning baseret på vindenergi (3). I dagens Danmark håndterer vi ubalancerne mellem produktion og forbrug ved storstilet import og eksport til nabolandene, hvor vi drager nytte af deres vand-, atom- og kulkraft. Med et større antal møller installeret og et højere forbrug bliver behovet for denne udveksling med naboerne endnu større. I vores 2050 scenario bør vi imidlertid lade Danmark være isoleret, således at vores elforsyning hviler i sig selv. Det har jo vist sig, at vindstille ofte rammer hele Nordeuropa samtidigt, så hvis vi ikke får noget strøm fra vores vindmøller, gør naboerne det heller ikke fra deres. Derfor vil udveksling i fremtiden ikke være en holdbar løsning.
Fig. 1 viser situationen, hvor vi ønsker 10 GW forsyning, og lader import og eksport af strøm klare de ubalancer, der kommer fra vindens omskiftelighed. Man ser, hvordan installation af flere og flere møller giver en voldsom stigning i behovet for eksport, mens importbehovet aldrig kommer ned på nul, af den simple årsag, at der i vindstille perioder slet ikke produceres noget, uanset antallet af møller.
Der blev tidligere gennemført en beregning af behovet for vindmøller, hvis man ville bruge brint som backup (4). Tanken var således, at hver gang der er overskud af vindmøllestrøm, bliver denne brugt til fremstilling af brint, der lagres. I perioder med vindstille eller nedsat vind vil brinten så blive konverteret tilbage til strøm. Det er en proces der giver over 60 % i energitab. Resultatet af beregningen viste, at hvis man vil have 5 GW konstant elforsyning, skal der installeres omkring 14 GW vindmøller. Men som nævnt er brint problematisk, og man kan let ende med endnu større tab. Derfor synes det at være en bedre idé at omdanne overskudsstrømmen til flydende brændstoffer. Her er der godt nok et endnu større energitab, op i mod 80 % (5), men en del af tabet er i form af varme, der så ville kunne udnyttes til at opfylde behovet for fjernvarme.
Konceptet ville således være, at man havde vindmøllerne stående til havs og via omformere (ikke ”energiøer”) på platforme trak strømmen i land, hvor der var opstillet Power-to-X anlæg, gerne i tilknytning til biomassefyrede anlæg. Her ville der være installeret tankanlæg til brændstoffet og kraftværker til omdannelse af en del af brændslerne til elektricitet som backup for møllerne.
Figur 2 viser situationen her. Der er et mål om at få en konstant leverance på 10 GW. Kurverne for import og eksport er de samme som på fig. 1. Men nu vil man bruge overskudsstrømmen til fremstilling af elektrobrændsel i stedet for at eksportere den. Når brændslet så bruges til fremstilling af strøm, falder behovet for import (den blå kurve). Man ser, at ved ca. 34 GW installerede møller er importbehovet faldet til nul, og dermed kan vores system nu i princippet forestå en stabil elforsyning på egen hånd.
Flydende brændstoffer
De 230.000 TJ, vi har brug for som flydende brændstoffer, svarer til ca. 64.000 GWh (gigawatt-timer). Med energitabet på 80 % betyder det, at vi skal installere ca. 37 GW havvindmøller.
Den nødvendige kapacitet af Power-to-X anlæggene er vanskeligere at regne ud. Da vi ikke kan lagre strømmen overhovedet, og kun i begrænset omfang lagre brint – som jo er mellemproduktet til brændstoffet – skal vores anlæg være dimensioneret til at klare den fulde produktion fra møllerne i stærk blæst. Den er jo ca. det dobbelte af det årlige gennemsnit. Det betyder så, at vores anlæg bliver kraftigt overdimensionerede og i gennemsnit kun vil producere halvdelen af deres kapacitet. En alternativ løsning kunne selvfølgeligt være at standse nogle af møllerne i stærk blæst, men så holder ovenstående regnestykker ikke mere, og der må installeres endnu flere møller.
Vi må derfor regne med at skulle investere i den dobbelte kapacitet af Power-to-X. Vi skal jo ved siden af bygge anlæggene til backup af strømforsyningen. Her har møllerne en samlet kapacitet på 34 GW og trækker man forbruget på 10 GW fra fås 24 GW, der også skal kunne opsuges af brændstofproduktionen. Hvis 37 GW svarer til en årlig kapacitet på 230.000 TJ vil de 24 GW svare til ca. 150.000 TJ.
Så kapaciteten i alt skal være 230.000 x 2 + 150.000 TJ = 610.000 TJ.
Investeringen
Inden 2050 skal vi således have opstillet 71 GW havvind. Med en møllestørrelse på 10 MW, bliver det til 7100 vindmøller. Det svarer til 240 vindmøller pr. år eller 20 pr. måned. Det er dog værre endnu, fordi efter de første 20 år – fra 2040 og fremefter – vil nogle af de først installerede møller med 20 års levetid være udtjente og skal udskiftes. Derved fordobles antallet af møller pr. måned fra 2040 og fremefter.
En vindmøllepark på 1 GW i Nordsøen koster skønsmæssigt ca. 15 milliarder kr. (4). Hvis den skal være på dybere vand, med flydende møller, bliver det væsentligt dyrere. De 71 GW vil med ovennævnte pris koste næsten 1100 milliarder kr., hvilket svarer til en årlig investering på 37 milliarder, der i øvrigt skal fordobles fra 2040, pga. at de første møller har nået enden på deres levetid. Den samlede omkostning frem til 2050 bliver således næsten 1500 milliarder kr.
Hertil kommer investeringerne i konvertering af strømmen, transmissionen til land og modtagelsen her. Der skal også opbygges kraftværkskapacitet, der kan dække hullerne i møllernes forsyning.
Det skal i øvrigt bemærkes, at i Folketingets nylige beslutning vedrørende energiøen, er der tale om en kapacitet på 10 GW til en samlet investering på 210 milliarder kr. (6). 71 GW vil så koste ca. 1500 milliarder kr., men det er inklusive kunstige øer opbygget af sand midt i havet.
Der er opgivet en pris på et Power-to-X anlæg på ca. 4 milliarder kr. for en kapacitet på 450.000 tons metanol/år (7). 450.000 tons metanol har et energiindhold på ca. 10.000 TJ. For at opfylde behovet for flydende brændstof (inkl. backup til elproduktionen) skal vi have en kapacitet opstillet svarende til 610.000 TJ. Det giver så en samlet investering i disse anlæg på ca. 250 milliarder kr., + al infrastruktur osv.
Power-to-X er jo en kemisk proces, og disse er i industriel skala afhængige af at kunne køre så stabilt som muligt. Hyppige stop og start, eller op- og nedregulering af kapaciteten giver ikke noget godt resultat. Det vil typisk give lavere udbytter og mere slitage på udstyret. Nu er vindkraft jo netop karakteriseret ved at være meget svingende, så her ligger der en udfordring, der slet ikke er løst endnu. Hvad den vil medføre af yderligere udgifter, både i penge og energi, kan man kun gisne om.
Alle pengene skal jo i sidste ende betales af os alle sammen, enten i form af offentlig støtte, eller også gennem skyhøje energipriser. Projekterne er jo slet ikke rentable og bliver det heller ikke selvom vore nuværende energipriser steg til det dobbelte. Der skal mere til.
Konklusion
Hvis man ønsker en omstilling til CO2-fri energiforsyning baseret på vedvarende energi, må den nødvendigvis primært bygges op omkring vindmøller. Det er begrænset hvor meget biomasse, vi kan tillade os at bruge, hvis vi vil betragtes som ”bæredygtige”.
Vindmøllerne har det grundlæggende problem med deres ustabilitet, og derfor skal der opstilles faciliteter til at udjævne svingningerne. Det mest lovende – på papiret – synes i øjeblikket at være fremstilling af elektrobrændsel ud fra overskudsstrømmen på vindrige dage. Elektrobrændslet kan så bruges til fremstilling af strøm, når det er vindstille. Der kan også ved siden af være en produktion af flydende brændstof til anvendelser, der ikke kan elektrificeres.
Løsningerne er slet ikke teknologisk modne endnu, og der er mange potentielle vanskeligheder, der skal overvindes. Om det overhovedet kan lade sig gøre er uvist. Men ét er sikkert, det bliver rasende dyrt og vil lede til skyhøje energipriser og en generel forarmelse af samfundet, hvis vi prøver at implementere en CO2-fri løsning inden 2050.
Et alternativ er selvfølgeligt at satse på kernekraft til elforsyningen, her vil investeringerne blive langt lavere, og man kunne jo også bruge kernekraft til Power-to-X fremstilling, hvorved man let kunne få den stabilitet, som processerne kræver.
Referencer
(1): https://ens.dk/service/statistik-data-noegletal-og-kort/maanedlig-og-aarlig-energistatistik
(2): https://klimarealisme.dk/2020/09/19/biomasse-godt-eller-skidt/
(3): https://klimarealisme.dk/2020/08/29/udbygning-af-vindkraft/
(4): S. Hansen: ”Klimaplan 2030”, Vindinge 2020
(6): https://kefm.dk/Media/4/A/faktaark%20om%20Energi%C3%B8.pdf
Danish
Hvis man kan poste milliarder ind i at få lavet 4 SARS-Cov-2 vacciner på recordtid, hvorfor putter man ikke samme kræfter i at få udviklet fusionsreaktorer?
Jeg har foreløbig kun een anke: Din brug af “vedvarende energi” om vindkraft. Såvidt jeg husker fra fysikundervisningen er energimængden i verden konstant, altså vedvarende. Den kan skifte form og egenskaber, men den ender altid som varme. Korrekt?
Derfor generer det mig ganske meget, at man om vind (og sol) altid betegner dem som vedvarende i modsætning til alle andre kilder. For mennesker uden viden om, enten fordi de pjækkede, eller ikke havde en lærer, der kunne undervise i stoffet, er ilde stedte, for dem kan man bilde hvad som helst ind. Vedvarende ….. ohhhh, det er da noget helt specielt og attråværdigt med den vindenergi etc. – Og det er vel ikke sådan helt rigtigt, vel! 🙂
Du har selvfølgeligt helt ret. Udtrykket “vedvarende” kommer ikke af den dybere indsigt i fysik, men er derimod et udtryk for, at når først man har installeret en vindmølle, vil den levere energi, hver gang det blæser. Installerer man en dieselgenerator skal energikilden – dieselolien – hele tiden fornys. En tankfuld diesel er ikke “vedvarende”.
Det var et smukt udtryk, der blev taget i brug for mange år siden – men ret beset er det noget sludder. “Vedvarende energi” er i hvert fald alt andet end “stabil energi”.