Kapittel 5: Den billigste kilowattimen

Energieffektiv produksjon har spilt en viktig rolle for norsk industri i utnyttelsen av våre rike ressurser fra vannkraft, mineraler og etter hvert olje og gass fra norsk kontinentalsokkel. Nå er det viktigere enn noen gang å utvikle industrien mot enda mer effektiv bruk av energiressursene, samtidig som man finner løsninger som minimerer utslippene av klimagasser. Dette krever utvikling av ny teknologi og nye løsninger.

Norsk industri representerer de klart største klimagassutslippene, i 2017 totalt 27 millioner tonn CO2eq, fordelt på landbasert industri og bergverk 12,3 og olje og gassutvinning 14,7 mill. tonn CO2eq (Statistisk sentralbyrå, https://www.ssb.no/klimagassn/) . Dette tilsvarer 52 prosent av Norges totale utslipp.

Industrien er også største forbruker av energi, for Fastlands-Norge 66,5 TWh i 2015 (NVE (2017). Energibruk i Fastland-Norge. Historisk utvikling og anslag på utvikling mot 2020 (Rapport nr. 25-2017). Oslo: Norges vassdragsog energidirektorat.) . Legger en til «Energinæringer på fastlandet» med 15,8 TWh og «Offshore kraftproduksjon», med 50 TWh, forbrukes totalt 132,5 TWh, som utgjør 47,5 prosent av det totale energiforbruket.

Tiltak i industrien gir følgelig stort potensial for reduksjoner i energiforbruk og utslipp. Situasjonen i Norge er veldig spesiell, med et meget stort innslag av vannkraft i kraftforbruket. NVE angir en CO2-intensitet for norsk kraft på 12,4 g/kWh, altså meget lavt sammenliknet med EU på om lag 300 g/kWh. Indirekte utslipp som følge av kraft forbrukt fra nettet er følgelig neglisjerbare. Internasjonalt fører energieffektivisering også til lavere utslipp som følge av stort innslag av fossile energikilder (kull, gass etc.) i kraftproduksjonen.

Ifølge oversikter fra International Energy Agency (IEA) (http://www.iea.org/etp/, 2017) er 18 prosent av de globale CO2-utslippene knyttet til industrien. Videre forventer IEA i streben etter å nå 2-gradersmålet at energieffektivisering skal stå for 14 prosent av utslippsreduksjonen fra industri i tiden frem til 2040.

Nasjonalt, på Norges fastland, har energieffektivisering relativt sett større effekt for verdiskapingen basert på energiressursene. Med norsk vannkraft som basis er vi i en unik posisjon til gjennom norsk næringsutvikling både å kunne utvikle produkter med lavt CO2-fotavtrykk, og å bli en viktig leverandør til Europa av utslippsfrie produkter og energi. Her kan også andre CO2- frie energibærere enn elektrisitet, eksempelvis hydrogen, spille en viktig rolle, i tillegg til CO2-håndtering.

Forskning og utvikling må spille en viktig rolle for å realisere potensialet. Energi21 (www.energi21.no, 2018.) publiserte i 2018 en oppdatert strategi som peker på prioriterte områder for forskning og utvikling innen energi. Et viktig satsingsområde er «Klimavennlig energieffektiv industri inklusive CO2-håndtering». Den løftet også frem viktigheten av «Digitaliserte og integrerte energisystemer» som et altomfattende område som omfatter alle energirelaterte infrastrukturer og samspillet mellom disse. Begge disse satsingsområdene er viktige for å oppnå de overordnede mål om verdiskaping, redusert energibruk og klimagassutslipp og konkurransedyktig næringsliv innen energisektoren.

Elementer som del av energi-effektivisering

Skjematisk kan en betrakte viktige elementer i energisystemet til en industribedrift som vist i figur 5.1. Noen viktige tema:

• Energieffektiv prosessering: Redusere energibruken i enhver kjerneprosess for å levere et produkt. Ved å studere prosessene og utvikle løsninger/teknologier som er mer effektive vil disse bedriftene kunne levere «mer produkt for samme energikostnad», altså mer verdiskapning for hver kWh som brukes. Industriprosesser fra Norges viktigste sektorer olje, gass og energi, metallindustri og næringsmiddel/kjemisk industri er alle avhengige av energi-intensive prosesser.
• Utnyttelse av overskuddsvarme: Enhver reell produksjonsprosess med tilførsel av energi genererer tap som gir overskuddsvarme. Varme med høy temperatur, typisk over 300 °C, kan ofte kostnadseffektivt konverteres til kraft, eller utnyttes internt i bedriften. Lavere temperaturnivå, typisk 30–300 °C, krever nye løsninger og utvikling.
• Energilagring: Det å kunne utnytte generert overskuddsvarme når det er behov for energi i andre prosesser krever løsninger for energilagring både med kort og lang tidshorisont. Optimal integrering av slike teknologier og løsninger i energisystemet blir viktig. Det gjelder spesielt prosesser hvor overskuddsvarme er uforutsigbar eller transient (for eksempel støping og tapping i metallindustrien).
• Industriklynger: I tråd med punktene ovenfor blir det viktig å knytte sammen energikilder og energisluk/- brukere, spesielt i områder med mye industri hvor det kan etableres bedre integrering på tvers av sektorer og industriaktører, men også for å skape ny industri hvor et samspill er fordelaktig. Sirkulærøkonomi er også tett knyttet opp mot dette (for eksempel ved å utnytte restprodukter).

Parallelt med ambisiøse mål for redusert energibruk og reduserte utslipp vil det være viktig med fokus på lønnsomheten av tiltakene. Investeringer i energieffektiviseringstiltak vil alltid konkurrere med alternative tiltak, gjerne tiltak som ligger nærmere primæroppgavene til bedriften, eksempelvis å produsere et gitt antall eller kvantum av et bestemt produkt. Lønnsomhet er derfor avgjørende for å sikre bedriftens konkurransedyktighet. I fortsettelsen utdypes temaene over ytterligere, samt noen andre teknologitrender som bidrar til en mer energieffektiv og utslippsgjerrig industri i Norge.

Figur 5.1 Skjematisk fremstilling av viktige elementer for faglig fokus. Illustrasjon: T. Andresen, SINTEF Energi.

Energieffektiv prosessering

Redusert energiforbruk i primærprosessene i en bedrift betyr å redusere forbruk av elektrisitet og andre primærenergikilder som olje og gass. Her er det viktig å bemerke at det er det spesifikke forbruket som søkes redusert, altså reduksjon i antall kWh brukt for å produsere eksempelvis et kilogram aluminium. Med andre ord kan en produsere mer for en gitt innsats av energi. Myndighetene har satt overordnede mål for reduksjon i energiforbruk og utslipp av drivhusgasser. Fremtidig potensial for energieffektivisering innen ulike sektorer er imidlertid veldig ulikt.

For enkelte industrier har man allerede utviklet nye konsepter som kan møte disse målene, og teknologiene er under implementering. Et eksempel er innen meierisektoren (Karoline H. Kvalsvik, https://blogg.sintef.no/sintefenergy-nb/egfekk-to-veker-til-a-gjere-eit-meieri-meir-energieffektivt/, 2017 og Novel Dairy Energy system with HTHP, https://www.sintef.no/ globalassets/project/higheff/case2engtine09_14.pdf, 2017.) , hvor målene ble oppnådd gjennom implementering av innovative kulde- og varmepumpeløsninger og økt integrering internt i prosessen.

For andre industrier og sektorer kan dette være langt mer utfordrende. Flere industrier har arbeidet aktivt over mange år for å redusere spesifikt energiforbruk, ofte fordi energikostnaden har vært en dominerende del av produksjonskostnadene. Videre reduksjoner for dagens teknologi er da svært utfordrende. Et eksempel er produksjon av aluminium ved elektrolyse. Her har det spesifikke energiforbruket blitt redusert med nær 40 prosent de siste femti årene (Energiforbruk oppgitt av Hydro Aluminium relativt til Karmøy). Ytterligere reduksjonsmuligheter i kjerneprosessen for gjeldende teknologi er til stede, men er krevende. Norsk Hydro sin teknologipilot på Karmøy søker å redusere energiforbruket ytterligere. Målet er å produsere 15 prosent mer energieffektivt enn verdenssnittet og med verdens laveste CO2-fotavtrykk.

Det største potensialet for videre reduksjon i netto kraftforbruk finnes trolig i utnyttelse av overskuddsvarme, enten eksternt eller til kraftproduksjon, som igjen kan redusere netto strømforbruk. Alternativt kan en søke helt nye prosesser og teknologi, men ingen åpenbare muligheter har fremkommet så langt.

Aluminiumselektrolyse gir også utslipp av klimagasser, med PFC (perfluorerte forbindelser) og CO2 som de viktigste. Utslipp av PFC har blitt redusert med om lag 80 prosent i løpet av de siste tretti årene på global basis (Kvande. H. & Welch, B.J. (2018). How to Minimize the Carbon Footprint from Aluminum Smelters. Light Metal Age, February 2018, 28–42.). I Norge, hvor det benyttes fornybar elektrisitet fra vannkraft, dannes kun CO2 som slippes ut i elektrolysebadet. Denne fortynnes kraftig ved blanding med luft og lar seg derfor vanskelig fange uten store kostnader. Nye anodematerialer, som biokarbon, eller nye prosesskonsepter synes mest nærliggende om disse utslippene skal reduseres.

Her må det legges til at norsk aluminiumsproduksjon gir veldig lave CO2-utslipp sammenliknet med produksjon i land hvor elektrisiteten er produsert med kull eller andre fossile energikilder. Faktisk er utslippene så lave at disse mer enn kompenseres som følge av mindre utslipp ved bruk av aluminium som alternativ i en rekke bruksområder.

Utnyttelse av overskuddsvarme

En prosess vil alltid være beheftet med tap. Dette betyr at man må tilføre mer energi enn om en hadde en ideell tapsfri prosess. Tapene avgis hovedsakelig som overskuddsvarme, eksempelvis via eksosgassen fra prosessen. Som indikert i figur 5.1 er det prinsipielt tre muligheter for å utnytte denne varmen. Direkte bruk vil oftest være rimeligst om det finnes behov internt eller eksternt ved det temperaturnivået varmen er tilgjengelig ved, eksempelvis til fjernvarme.

Ofte er det imidlertid veldig mye varme tilgjengelig som ikke lar seg utnytte direkte. En mulighet er da å oppgradere varmen til et høyere temperaturnivå hvor det finnes behov for varmen internt i prosessen eller eksternt. Eksempelvis kan varme ved 80 °C utnyttes som varmekilde i en varmepumpe som leverer varme til å produsere damp ved 120 °C. Dette er damp som i dag produseres med fossile brensler eller elektrisitet direkte.

En del slike varmepumpeanlegg har allerede blitt installert. For industrielle varmepumper som kan operere ved høye temperaturer er det imidlertid et utviklingsbehov. Stikkord er utvikling av muliggjørende teknologikonsepter, kostnad, effektivitet, pålitelighet og bruk av arbeidsmedier som ikke bidrar til negative miljøeffekter ved lekkasje til omgivelsene. En viktig mulighet er å benytte medier i gruppen naturlige medier, som forekommer naturlig i biosfærens kretsløp, eksempelvis vann, CO2, ammoniakk og hydrokarboner. Dermed er en sikker på at lekkasjer til omgivelsene ikke vil ha uønskede miljøeffekter på lang sikt, slik KFK- og HFKmediene viste seg å ha.

Ofte er det imidlertid ikke behov for varmen hverken direkte eller i oppgradert form nært der varmen genereres. Kraftkrevende industri eksempelvis, er ofte lokalisert langt fra mulige brukere. Alternativet kan da være å utnytte varmen som varmekilde i en varme-til-kraft-prosess, mest nærliggende i en Rankine-prosess (f.eks. varmegjenvinning til fordamping av et arbeidsmedium ved høyt trykk som så utnyttes i en turbin). Da produseres elektrisitet fra en generator som kobles til turbinen i prosessen. Elektrisitet gir full fleksibilitet til utnyttelse internt i samme industri, eller den kan mates inn på strømnettet. En slik løsning begrenses imidlertid av temperaturnivået varmen er tilgjengelig på, investeringskostnader for anlegget og alternativ elektrisitetspris.

I dag kan anlegg med kapasitet i MW-klassen som utnytter varmekilder med temperaturer over 400 °C gi god økonomi. Veldig store mengder overskuddsvarme i norsk industri er imidlertid tilgjengelig i temperaturområdet 80–250 °C (Nekså, P & Hemmingsen, A.K.T. Kronikk i Dagens Næringsliv 01.04.2016: Spillvarme inn i varmen. Denne ble også gjengitt i Gemini https://gemini.no/2016/04/spillvarme-inn-i-varmen/), ofte også i form av en skitten gass hvor det er problematisk og potensielt kostbart å fange varmen. Utviklingsbehov som da må fokuseres er typisk;

• utvikling av driftssikre og rimelige varmevekslere for å hente ut varmen,
• mer effektive og rimeligere anlegg som benytter naturlige arbeidsmedier,
• alternative og effektive prosessløsninger.

Energilagring i et integrert energisystem

Behovet for energilagring blir større og større ved introduksjon av intermittent fornybar kraft. Stikkord er da gjerne regulerbar vannkraft, batterier og hydrogen. I industrien er termisk energilagring ofte vel så aktuelt. Med termisk lagring kan lagring av energi på ulike temperaturnivå være aktuelt, fra høye temperaturer, kanskje opp til flere hundre grader Celsius, til kuldelager ned til –50 °C, eller til og med ned til temperaturer for flytende luft for større energilagre.

Innen næringsmiddelsektoren er kuldelagring fra 0 til –50 °C veldig aktuelt. Kuldebehovet i en næringsmiddelbedrift varierer ofte mye over døgnet. I dag blir kuldeanlegget ofte dimensjonert for maksimalt behov. Ved å ha et kuldelager som lades når behovet er lite og utnyttes til å tilfredsstille et maks behov, kan en redusere dimensjonerende kuldeytelse for kuldeanlegget. Dette gir lavere investeringskostnader og økt effektivitet for kuldeanlegget ved at dette kan driftes med stabilt høy kapasitet. I nær fremtid er det også aktuelt med differensierte strømpriser over døgnet. Ved bevisst utnyttelse av perioder med lave elektrisitetspriser til å lade kuldelageret kan energikostnadene reduseres. En viktig utfordring for å lykkes med dette er utvikling av kuldelagerløsninger som er effektive og rimelige nok. Her arbeides det med ulike konsepter, som lagring i is fra vann (0 °C) og tørris fra CO2 (–60 °C).

Termiske lager ved høyere temperaturer kan utnyttes på tilsvarende måte, eksempelvis for å fange varme fra intermittente varmekilder som varme fra støpegods eller fra solvarme. Varme fra lageret kan utnyttes for utjevning, som for kuldelagre, eller for å tilfredsstille mer konstante behov, eksempelvis dampproduksjon til en industriprosess eller for kraftproduksjon i en varme-tilkraft-prosess.

Det arbeides med utvikling av nye fluider energilagring, såkalte faseendingsmaterialer (PCM, Phase Change Materials). Energi tilgjengelig lagres med høyere energitetthet i et materiale som endrer fase og hvor energi kan frigjøres når materialet endrer fase tilbake til utgangspunktet. Enkleste eksempel på et slikt materiale er vann som har smelte- og koketemperatur innen områder som er anvendbare for mange industrielle applikasjoner, men det utvikles også mer avanserte materialer som er tilpasset spesifikke anvendelser og temperaturnivå (Alexis Sevault, What are Phase Change Materials? https://blog.sintef.com/sintefenergy/phase-change-materials-pcm/, 2018.).

Industriklynger - integrasjon av energikilder og -sluk på tvers av sektorer

Industriklynger, hvor en eller flere bedrifter utnytter overskuddsvarme eller overskudds materialstrømmer fra andre bedrifter lokalisert i samme område gir mange muligheter. Ved samlokalisering kan en oppnå optimal utnyttelse av energi- og materialstrømmer på tvers av industrielle sektorer, og dermed øke effektiviteten og minimere utslipp fra klyngen. Det finnes allerede noen relevante etablerte industriklynger i Norge. En av disse er Mo Industripark (Mo Industripark web page, http://www.mip.no/) hvor det langsiktige målet er å skape en av verdens grønneste industriparker. I dag gjenvinnes over 400 GWh energi, og det er et mål å øke dette til 620 GWh. I tillegg utnyttes en rekke materialstrømmer mellom ulike bedrifter i klyngen, for dermed å øke den totale verdiskapingen.

Figur 5.2 Mo Industripark. Foto: MIP.

De eksisterende industriklyngene søkes videreutviklet, samtidig som det arbeides med mulige fremtidige klynger som kan gi lovende kombinasjoner av bedrifter for optimal utnyttelse av ressursene.

Å studere etablerte industriklynger er viktig av flere årsaker. Åpenbart er det et viktig aspekt å videreutvikle eksisterende klynger for å oppnå enda bedre ressursutnyttelse, bedre lønnsomheten og å skape flere arbeidsplasser. Minst like viktig kan det være å studere vellykkede etablerte klynger for å lære hva som fungerer og hvilke utfordringer som har oppstått over tid, enten det er teknologiske barrierer eller om det er juridiske eller formelle barrierer. Dette kan dermed brukes som utgangspunkt for å oppnå vellykkede satsinger andre steder.

Fra mange industrier, og kraftkrevende industri i særdeleshet, finnes det store mengder overskuddsvarme som i dag ikke har vært mulig å utnytte i vesentlig grad. En mulighet kan være å etablere en tilgrensende industri som kan utnytte denne varmen. Typiske eksempler som har vært studert og etablert er innen fiske - oppdrett eller algedyrking (Tore Stensvold, Smelteverket bruker restvarmen til å dyrke alger og utnytter eksosvarme til el-produksjon, https://www.tu.no/artikler/smelteverket-bruker-restvarmen-til-a-dyrke-alger-og-utnyttereksosvarme-til-el-produksjon/377858). Finnfjord AS har etablert et industrielt pilot-anlegg for å dyrke alger basert på avgassene fra produksjonen. Målet er at en skal kunne produsere lipider og samtidig rense CO2 fra avgassene.

Et viktig element i videre kartlegging blir hvordan andre naturgitte konkurransefortrinn kan utnyttes i kombinasjon med store mengder tilgjengelig varme, eksempelvis tilgang på mye rent vann, rimelig strøm, nærhet til havn og råstoff fra havet. Videre vil effektive løsninger for energilagring og energibærere kunne utvide industriklynge-begrepet til større avstander, slik at eksisterende kilder og brukere kan knyttes sammen i større områder.

Figur 5.3 FoU ved Finnfjord. Foto: Finnfjord/Tommy Stefussen

Alternative energibærere og karbonfangst

Norsk industri benytter i stor grad fornybare energikilder i sin produksjon. Fossile innsatsfaktorer er imidlertid brukt i en rekke prosesser, eksempelvis som innsatsfaktor i metall- og kjemisk industri eller til kraftproduksjon i offshore-industrien. Et alternativ for å redusere CO2-utslippene som følge av disse innsatsfaktorene vil være å utføre karbonfangst fra røykgassene. Siden disse røykgassene ofte har veldig lav konsentrasjon av CO2 vil det gjerne bli kostbart og energikrevende å fange CO2 fra gassen.

Et alternativ kan i noen tilfeller være å bruke hydrogen som innsatsfaktor fremfor fossile innsatsfaktorer. For-reduksjon av ilmenitt er et eksempel hvor hydrogen vurderes som alternativ av TiZir i Tyssedal. For at dette skal gi reduserte utslipp må hydrogenet være produsert fra fornybare kilder eller fra fossile kilder i kombinasjon med karbonfangst.

CO2-fritt hydrogen kan også benyttes for å redusere utslipp eksempelvis ved amoniakkproduksjon og i raffinerier. Hydrogen kan også benyttes til å tilfredsstille høytemperatur varmebehov, som alternativ til eksempelvis olje eller gass. Videre vil det kunne benyttes som drivstoff i gassturbiner for kraftproduksjon. Potensielt sett kan dette gjøre kraftproduksjon offshore utslippsfri.

Figur 5.4 Utstøping hos TiZir. Foto: TiZir.

I Norge ligger forholdene veldig godt til rette for hydrogenproduksjon med veldig lave CO2-utslipp, både ved elektrolyse basert på fornybar kraft og fra naturgass med karbonfangst og lagring. Mange industriprosesser krever imidlertid karbon i prosessen. Mye alternativ her vil da bli alternative prosesser, bruk av biokarbon, eller karbonfangst fra røykgassen.

Perspektiver for fremtiden

Fokus på energieffektivisering i industrien spiller en avgjørende rolle for å redusere behovet for ny kraft og for å redusere utslipp av drivhusgasser. Samtidig bidrar energieffektivisering til å styrke konkurransekraften for norsk næringsliv, og dermed opprettholde og skape nye arbeidsplasser som kan møte de krav som vil stilles i fremtiden.

I beskrivelsen gjengitt her har aspekter direkte relatert til teknologiutvikling rundt viktige elementer for energieffektivisering blitt beskrevet. Det er viktig å påpeke at kunnskap fra andre teknologiområder også vil være muliggjørende og til dels avgjørende.

Et viktig område er digitalisering. Digitalisering gir eksempelvis helt andre muligheter for innhenting av prosessinformasjon enn kun få år tilbake. Ved analyse og bruk av disse data kan informasjonen benyttes til overvåking og optimal kontroll av prosessene, noe som igjen kan muliggjøre helt nye konsepter for energioptimal prosesskontroll. Energieffektivisering er i seg selv drivende for implementering av gode digitaliserings - løsninger.

Et annet eksempel er utnyttelse av mulighetene 3Dprinting gir, blant annet for desentral produksjon. Nylig annonserte BMW at de hadde produsert sin del nummer 1 million (Marcus Williams, https://automotivelogistics.media/news/bmw-produces-millionth-3d-printed-part#.W_J0RJpkU48.twitter, 2018.). Teknikken kan også benyttes til å skrive ut avanserte modeller for illustrasjon, for i neste steg å produsere funksjonelle prototypkomponenter. Kanskje kan det noe lenger frem tenkes at teknikkene kan konkurrere som produksjonsteknikk også for spesialiserte komponenter, eksempelvis avanserte varmevekslere.

Med de naturgitte forutsetninger, sterke fagmiljøer og kunnskapsrike industrier som finnes i Norge, ligger alt til rette for å kunne videreutvikle norsk industri mot fremtidens lavutslippssamfunn. Forskning, utvikling og utdanning gjennom FME HighEFF (FME HighEFF web page: https://www.sintef.no/projectweb/higheff/) og tilsvarende prosjekter er viktige verktøy for å oppnå dette målet.