Fra fossil til fornybar energi:  De akselererer omstillingen

Ingenting koker kloden mer: Forbrenning av olje, kull og gass står for 80 prosent av alle menneskeskapte CO₂ -utslipp. Oppvarmingen av landjorda, havet og atmosfæren går fortere enn antatt. Verden må bort fra fossile energikilder og over til nye energiformer for å bremse oppvarmingen – før det er for sent.

Parisavtalen krever drastiske kutt i de globale klimagassutslippene allerede innen 2030. Det betyr en storstilt dreining mot et samfunn basert på solenergi, vannkraft, vindkraft og bølgekraft. Overgangen har begynt, men farten må opp.

– Vi skal utvikle materialer for fornybar energi ti ganger raskere enn i dag

Tungregnemaskiner og kunstig intelligens finner fram til de beste materialene blant et svimlende antall hypotetiske kandidater. 
 

– Molekyler og materialer med nye egenskaper kan gjøre de fornybare teknologiene mer effektive, mer miljøvennlige og langt rimeligere enn i dag. Uheldigvis tar det mange år å utvikle nye og gode kandidater, sier Ole Martin Løvvik, som er professor II på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo og sjefsforsker ved SINTEF. Han viser til at tiden er knapp.

– Vi kan ikke vente femti år til på å få neste generasjon solceller eller batterier som er mye bedre enn i dag. Vi er nødt til å få det til på – ja, la oss si fem år.

Løvvik legger ikke skjul på at det å tidoble hastigheten på å oppdage og utvikle nye materialer, er en formidabel utfordring. – Likevel tror vi at vi får det til, understreker han.

"Maskinen plukker ut kanskje tusen lovende grenseflater blant de hundre milliarder mulighetene (...)"

Men det krever at fagfeltet beveger seg inn i en fantastisk blanding av avanserte modeller, maskinlæring og kunstig intelligens – i tillegg til automatiserte eksperimenter med roboter og intelligent datahåndtering.

– Vi har begynt å bruke slike teknikker i flere forskjellige teknologier og har stor tro på at dette vil føre til viktige gjennombrudd for det grønne skiftet.

Krever lagring

De fleste fornybare kildene krever en lagringsteknologi. Sol og vind er ofte tilgjengelig bare en del av tiden på steder hvor behovet ikke er så stort.  

– Batterier er derfor en av kjerneteknologiene i omstillingen til fornybarsamfunnet, påpeker Løvvik.

Men selv om mye har skjedd med batterier de siste årene, er de fortsatt ikke bra nok.

– Batterier må bli enda mye, mye bedre – kraftigere, mer effektive og pålitelige, understreker han, og legger ikke skjul på at dette er krevende å få til.

Et batteri består av to elektroder – anoden og katoden – og mellom dem er det en elektrolytt og flere membraner. Delene er lagd av mange forskjellige materialer, og alt skal passe sammen.

– For å lage et perfekt batteri må ikke bare alle disse materialene optimeres, men også grenseflaten mellom dem. Det siste er absolutt mest komplisert å få til. Selv om vi finner en super elektrode og elektrolytt, kan det hende at de to reagerer med hverandre og ender opp som et ubrukelig tredje materiale.

Batterienes DNA

Ole Martin Løvvik deltar i det europeiske prosjektet BIG-MAP: Battery Interface Genome – Materials Acceleration Platform. Når forskerne skal akselerere utviklingen av materialer, og i dette tilfellet utviklingen av nye grenseflater i batterier, er det snakk om så store datamengder at de sammenlikner med den enorme mengden informasjon som ligger kodet inne i DNA-et vårt.

– Genomet hos oss mennesker bestemmer egenskapene våre. Litt på samme måten er det med materialer, hvor det er snakk om mange forskjellige atomer med forskjellige atomtall og bindinger mellom hverandre og som – på nesten magisk vis – får en eller annen egenskap som gjør det til en kjempegod solcelle eller et fantastisk bra batteri, framholder materialforskeren.

Vi trenger batterier til så ymse. Noen ganger vil vi at det skal være så lett som mulig, andre ganger så kompakt som mulig eller så billig som mulig. Kanskje vil vi for enhver pris unngå kobolt fordi det er giftig eller litium fordi det er en begrenset ressurs. Genomet til batteriet bestemmer egenskapene.

– Vi kan betrakte genomet som et oppslagsverk, et enormt stort leksikon med alle mulige slags materialer og grenseflater – gode på hver sine måter.

Hundre milliarder muligheter

Så langt har likevel mesteparten av forskningen fokusert på å finne gode enkeltmaterialer, simpelthen på grunn av kompleksiteten som følger av alle kombinasjonsmulighetene.

Det finnes minst hundre tusen potensielle materialer på katodesiden og flere millioner mulige elektrolytter.

– Det gir oss svimlende hundrevis av milliarder hypotetiske grenseflater mellom katode og elektrolytt. Og så skal dette igjen kobles sammen med en anode.

Ut av denne enorme mengden – hvordan er det mulig for forskerne å plukke ut de aller beste?

– Egentlig må de undersøke milliarder med forskjellige kombinasjoner av materialer for å utvikle nye og bedre batterier. Å gjøre dette eksperimentelt er ikke aktuelt. Hvert eksperiment er omfattende og vanskelig, og selv om vi bruker roboter med automatisk syntese og karakterisering, vil vi aldri komme i mål, erkjenner Løvvik.

Da går såkalt atomskalamodellering raskere: Forskerne lager modeller av materialet på atomnivå og regner så ut egenskapene ved hjelp av kvantefysikk.

– Vi kan nå forutsi mange av egenskapene til titusenvis av enkeltmaterialer med ganske god presisjon. Det gjør vi gjennom svært avanserte beregninger som krever mye regnekraft. Men nå har datamaskinene og metodene blitt så ekstremt effektive at det er mulig å få mange resultater på kort tid – så lenge vi har tilgang til store, nasjonale tungregnemaskiner, forteller Løvvik, og legger til at dette fortsatt ikke er nok, men allikevel gir et datagrunnlag som forskerne bruker til neste trinn i prosessen.

Fra ti til ett år

Forskerne analyserer resultatene med maskinlæring – som er en form for kunstig intelligens.

– Algoritmer gjenkjenner og beskriver mønstre som for oss ikke gir mening, men som kan vise seg å gjøre en grenseflate god. Maskinen plukker ut kanskje tusen lovende grenseflater blant de hundre milliarder mulighetene – som vi kan regne på. Ut av de ekstreme mengdene med valgmuligheter kan vi dermed si at disse ti grenseflatene er de aller mest lovende.

Men: våre beregninger er heller ikke fasit. De er mer pålitelige, men til sjuende og sist er det naturen som viser oss om det vi har kommet fram til, er brukbart eller ikke. Først etter hundre timer ser vi kanskje at, nei, litium hoper seg opp på den ene elektroden, så da er materialet ubrukelig likevel, sier forskeren.

Han mener tidkrevende arbeid på laboratoriet fortsatt vil være nødvendig.

– Men vi kan utnytte de nye mulighetene som modellering og eksperimenter, maskinlæring og kunstig intelligens gir oss. Da håper vi snart å kunne redusere tiden i laboratoriet fra ti til ett år fra vi starter å lete til vi finner et energimateriale med de egenskapene vi ønsker oss.

– Vi leter etter vippepunkter som framskynder energiovergangen

Klimaforskere advarer mot vippepunkter – terskler vi ikke kan passere uten å få dype og selvforsterkende endringer. Akkurat det samfunnet trenger for rask omstilling.

Vi vet fra historien at spredningsprosesser for ny teknologi ofte går langsomt. Fra dampmaskinen ble oppfunnet til den ble utbredt, tok det mer enn åtti år.

"Håpet er et snarlig ras av endringer innen teknologi, økonomi, forbruk og sosiale normer."

– Det har vi ikke tid til. Vi må forholde oss til en klima-deadline som rykker stadig nærmere. Nå undersøker vi hvordan omstillingen kan gå raskere, forteller førsteamanuensis Allan Dahl Andersen på TIK – Senter for teknologi, innovasjon og kultur. Han leder en arbeidspakke i NTRANS – The Norwegian Centre for Energy Transition Studies som nettopp studerer hvordan det er mulig å få fart i overgangen til lavutslippssamfunnet.

Vil ha vippepunkter

I boka Verden på vippepunktet gir biologiprofessor Dag O. Hessen skremmende eksempler på at små endringer kan skape omslag i stor skala. Blant de viktigste vippepunktene er issmeltingen i Arktis. Når mindre is reflekterer sollyset, fører det til mer oppvarming – som igjen fører til enda mer intens issmelting.

– Vi ønsker ikke vippepunkter i naturen, men vi ønsker dem i samfunnet. I dag går utviklingen mot fornybarsamfunnet langsomt. Håpet er et snarlig ras av endringer innen teknologi, økonomi, forbruk og sosiale normer, framholder Andersen.

Må rigge et nytt system

Også samfunnsforskerne mener at utviklingen av ny teknologi er svært viktig.

"Om vi skal få til en stor omstilling, må vi rigge et helt nytt system."

– Men teknologiske nyvinninger er likevel bare halvgått løp. For at teknologiene skal spre seg og få et virkelig gjennombrudd i samfunnet, må det skje endringer på svært mange plan, understreker professor Taran Mari Thune på TIK. Hun leder INTRANSIT, et forskningssenter som nettopp forsker på grønn omstilling (se side 30).

Thune viser til at overgangen til fornybar energi krever en lang rekke innovasjoner i samfunnet og blant folk.

– Om vi skal få til en stor omstilling, må vi rigge et helt nytt system. Verden går mot null-utslipp, og det innebærer høyst sannsynlig dype endringer i kultur, teknologi, infrastruktur, organisasjoner, markeder, reguleringer og forbruksmønstre – alt må trekke samme vei.

Grønn omstilling noe for seg selv

Forskerne minner om at det har vært mange store teknologiomstillinger gjennom historien.

Nye teknologiske løsninger har ofte vokst fram nedenfra. De fikk sine gjennombrudd fordi de kunne noe annet enn de eksisterende løsningene, de var billigere, raskere, kraftigere, bedre.

Med grønn teknologiomstilling er det annerledes.

– De fornybare løsningene tilbyr i liten grad brukerne noe ekstra, noe de gamle ikke kan. Tvert imot er de ofte både dyrere og mer kompliserte, påpeker Andersen, og mener at det derfor må komme noen drivere som er annerledes enn før, ikke minst med tanke på at endringene nå må skje så fort.

Politisk vilje til å sette retning

Han understreker hvor viktig det er å forstå hvordan samfunnsaktører og politikken bidrar til endringene.

– For eksempel betyr en vellykket omstilling til fornybarsamfunnet at vi også må bygge ned og fase ut ressurser, teknologi og kunnskap som lenge har tjent oss godt. Omstillingen kan derfor bli både kontroversiell og konfliktfylt.

I et av prosjektene på TIK, Pathways – Conflicting Transition Pathways for Deep Decarbonization, studerer forskerne nettopp spenninger og konflikter i samfunnet.

Andersen viser til at politikken står overfor en trippel utfordring: Markeder og brukere verdsetter ikke i tilstrekkelig grad bærekraft, interessekonflikter om retning og hastighet bremser omstillingen, og det er i seg selv en stor utfordring at omstillingen må skje så raskt.

– Politikken spiller en avgjørende rolle i å finne fram til løsninger og kompromisser. Hvis ikke kan spenninger og konflikter bremse utviklingen og hindre at vi lykkes.

Forskeren minner om at utfordringene er nye, at ingen har alle svarene.

– Derfor er det avgjørende å eksperimentere med politikk, teknologi, nye levemåter, transportsystemer og mye mer. Her spiller forskning en viktig rolle framover.