En vindkraftspark nära Heyuan City i Guangdong, Kina.Foto: Haitong Yu/Getty
I den globala energirankningen är det ett land som sticker ut. Kina är världens hungrigaste energikonsument världen över – och krävde förra året den energimässiga motsvarigheten till nästan 3,3 miljarder ton olja. Sedan 2011 har landet bränt mer kol än alla andra länder tillsammans. Och dess beroende av detta fossila bränsle blir allt större: Kina släpper ut omkring en fjärdedel av världens växthusgaser, den största andelen av alla länder.
Men dessa siffror är bara en del av historien: Kina är också världens mest produktiva producent av vindkraft, med kapacitet att producera mer än dubbelt så mycket som den näst största producenten, USA. Kina har ungefär en tredjedel av världens kapacitet för solenergi och byggde förra året fler system än något annat land.
Den snabba befolknings- och ekonomitillväxten under årtionden, i kombination med en enorm tillverkningsindustri och massinvandring till gatubelysta, centralt uppvärmda städer, har förvandlat Kina till en energikrävande nation. Den kinesiska regeringen har insett denna hunger och den skada som ett långsiktigt beroende av fossila bränslen skulle medföra, och har därför utarbetat planer för att ta itu med landets energibehov. Och vetenskap och teknik – inom områden som batteriteknik, solceller och energihantering – står i centrum för dessa planer.
En minskning av nettoenergiefterfrågan ingår inte i politiken, även om Kinas energimix förändras. Enligt energibolaget BP stod Kina 2018 för 24 procent av den globala energiförbrukningen. Företaget uppskattar att Kina år 2040 fortfarande kommer att ligga i topp och stå för 22 % av den globala förbrukningen.
Landet har gjort massiva investeringar i förnybar energi och deponerade 0,9 % av sin bruttonationalprodukt (BNP) i sektorn 2015 – den tredje högsta summan i världen efter Chile och Sydafrika, som vardera investerade 1,4 % av BNP. Ändå kommer endast 23 procent av den energi som Kina förbrukar från ”rena” källor (inklusive naturgas), medan nästan 58 procent kommer från kol år 2019 – det mest förorenande av de alternativ som fortfarande används i stor skala i världen. (En stor del av resten av Kinas energi kommer från olja och kärnkraft.)
Aktion mot föroreningar
Förbränningen av kol och andra icke förnybara energikällor för att tillfredsställa landets hunger efter energi har blivit ett synligt problem, där stora städer som Peking ofta är insvepta i en tjock smog. Luftföroreningarna blev så allvarliga i delar av Kina 2013 att medierna kallade det för en luftpokalyps, med medborgare som fick utstå partikelnivåer upp till 30 gånger högre än de nivåer som Världshälsoorganisationen anser vara säkra. Och trots insatser för att bekämpa problemet finns 48 kinesiska städer fortfarande bland de 100 mest förorenade städerna i världen.
En anställd arbetar på ett vindkraftverk vid en byggfabrik i Nanjing, Kina.Credit: Ji Haixin/VCG via Getty
De här föroreningsnivåerna har tvingat fram ytterligare åtgärder. I december 2016 införde den kinesiska regeringen en utvecklingsplan för förnybar energi som ett tillägg till den övergripande 13:e femårsplanen för social och ekonomisk utveckling, som sträcker sig över perioden 2016-20 och som hade offentliggjorts tidigare samma år. Den innehöll ett åtagande att öka andelen förnybar energi och energi som inte är baserad på fossila bränslen till 20 % till 2030. Detta löfte, lovade premiärminister Li Keqiang, skulle slå hårt mot de gemensamma problemen med luft- och vattenföroreningar som uppstår till följd av landets beroende av kol.
”Att utveckla billig sol- och vindenergi för att ersätta fossil energi har blivit Kinas centrala energistrategi för att minska luftföroreningarna”, säger Hong Li, en forskare som arbetar med litiumbatterier i fast tillstånd vid Key Laboratory for Renewable Energy i Peking, som är en del av den kinesiska vetenskapsakademins institut för fysik. Hong Li, som är involverad i utvecklingen av landsomfattande planer för ny energiteknik, påpekar också att de nivåer av el som produceras av förnybara källor – som varierar med mängden sol eller vind – kan vara mindre konsekventa än de som produceras av kraftverk som drivs med fossila bränslen.
”Det är svårare att slå samman sol- och vindkraft med elnätet” än att inkludera kolbaserad kraft, säger Hong Li. Förnybar energi är ”mindre tillförlitlig och det kan göra nätet instabilt utan avancerade kontrollsystem på plats”.
Till exempel användes 2017 aldrig mer än 30 procent av den förnybara energi som producerades i de soliga och blåsiga provinserna Xinjiang och Gansu i nordvästra Kina. Det berodde på att den inte kunde levereras dit den behövdes: de tätbefolkade megastäderna i östra Kina, som Shanghai och Peking, tusentals kilometer bort (se ”Mindre energispill”).
Källor: Det är ett dilemma som har fått den kinesiska regeringen att investera miljarder dollar i högspänningsledningar för att överföra el som produceras i soliga, blåsiga områden över Kinas vidsträckta landskap. Detta inkluderar en 22,6 miljarder yuan (3,2 miljarder dollar), 1 600 kilometer lång linje från Qinghai i västra Kina, som färdigställdes i maj. Den går genom Gansu, hela vägen till Henanprovinsen i mitten av landet.
Ett annat sätt att se till att förnybar energi finns tillgänglig när den behövs är att öka kapaciteten att lagra den. Detta kan åstadkommas med hjälp av teknik som batterier, vattenkraft med pumpad lagring och termisk lagring, säger Yuki Yu, grundare av konsultföretaget Energy Iceberg för ren energi i Hongkong.
”Batterier kan lagra överskottsenergi för att sedan frigöra den senare. Tjänstemän och forskare i Kina har börjat inse konsekvenserna av detta för att stabilisera våra elnät”, säger Xianfeng Li, som leder avdelningen för energilagring vid Dalian Institute of Chemical Physics (DICP).
2017 släppte Kina sitt första nationella policydokument om energilagring, där man betonade behovet av att utveckla billigare och säkrare batterier som kan lagra mer energi, för att ytterligare öka landets förmåga att lagra den el som produceras (se ”Kinas batteriökning”). Teknikerna omfattar litiumjonbatterier – den typ som används i elbilar – och storskaliga, stationära batterisystem som integreras med vind- och solenergi.
Källa: China Energy Storage Alliance
I sina planer har de politiska beslutsfattarna klargjort att landets forskare och ingenjörer måste utveckla effektivare teknik för energilagring för att nå dessa mål (se ”Tillväxt inom grön forskning”).
Källa: China Energy Storage Alliance: I databasen InCites, Web of Science
Energilagring i praktiken
Staden Dalian i Liaoning-provinsen i nordöstra Kina har en befolkning på cirka sju miljoner människor och är en testplats för Xianfeng Li’s arbete. Vintertemperaturerna där kan sjunka till -20 °C, vilket sätter stadens elnät under press att tillhandahålla plötsliga, intensiva strömmar när invånarna skruvar upp värmen, säger han.
För att hjälpa till att tillgodose detta behov planerar Rongke Power, ett företag som avknoppades från DICP, att öppna en energilagringsanläggning med en kapacitet på 400 megawattimmar (MWh) i Dalian i år. Det är den första etappen i ett projekt som ska tillhandahålla en 800 MWh-anläggning senast 2023, och kommer att använda vanadiumflödesbatterier – enorma uppladdningsbara enheter som lagrar flytande elektrolyt i massiva tankar. Den slutliga kapaciteten bör kunna tillgodose ungefär 0,5 % av det totala energibehovet i Liaoning, där Dalian är den näst största staden.
Xianfeng Li säger att projektet kommer att kunna bidra till en avbrottsfri strömförsörjning till staden, samtidigt som det lagrar och reglerar energitillförseln till elnätet för hela provinsen, som får 16,2 % av sin energi från förnybara energikällor. Provinserna varierar kraftigt när det gäller hur mycket av deras energi som kommer från förnybara energikällor: till exempel är det 2,7 procent i den sydkinesiska provinsen Jiangsu, men 30,1 procent i det soliga, glesbefolkade Inre Mongoliet. Bland Liaonings grannländer får Jilin 8 % av sin energi från icke-fossila bränslen och Hebei 9,1 %.
Vanadiumflödesbatterier av den typ som Xianfeng Li testar i Dalian har vissa fördelar jämfört med vanliga litiumjonbatterier när det gäller storskaliga tillämpningar, t.ex. nätkraft: eftersom vanadiumelektrolyten förvaras i en tank kan den ökas mycket billigare än vad som är möjligt med diskreta litiumjonbatterier. Vanadiumbatterier är också mindre benägna att fatta eld och har ungefär tio gånger så lång livslängd som litiumjonbatterier.
Xianfeng Li säger att han under de senaste åren har sett att finansieringen av hans arbete med vanadiumflödesbatterier har ökat kraftigt, tillsammans med intresset från företag för att samarbeta med hans team. Han säger att DICP för närvarande samarbetar med ett 30-tal företag som har knoppats av från institutet.
”Företagen är nu intresserade av att utveckla den här tekniken, eftersom de vet att regeringen fokuserar på den och därför känner sig trygga med att investera”, säger han.
Yu säger att de lokala myndigheterna nu är angelägna om att stödja företag som vill bygga anläggningar för batterilagring. ”I en tid när beslutsfattare letar efter nya sätt att stimulera tillväxten i sina regioner ser batteritillverkningsindustrin mycket lovande ut, så regeringarna är motiverade att uppmuntra den här typen av investeringar.”
Driva förändring
Femårsplanen för 2016-20 betonade också behovet av att forskarna fortsätter att utveckla batteritekniken så att elbilar kan köras längre på en laddning. Den mest sålda elbilen i Kina, Tesla Model 3, har en räckvidd på cirka 400 kilometer (de flesta moderna elbilar har en räckvidd på 160-600 km).
”Att utveckla elbilar är en annan viktig strategi för att minska föroreningarna, särskilt när elen kommer från ren energi. Därför måste vi utveckla batteriteknik för elfordon”, säger Hong Li, som säger sig ha märkt en ökning av forskningsfinansieringen för energilagring, elfordon och annan teknik i Kina under 2012. Han påpekar dock att landet fortfarande är i eftersläpning när det gäller den grundläggande vetenskapen om energilagring jämfört med ledande laboratorier i USA och Europa, som utmärker sig genom att förstå grundläggande kemi och materialvetenskap. Trots detta, säger han, är Kina mer aktivt när det gäller att tillämpa denna kunskap för att skapa innovation inom avancerade batterisystem. Och skalan på landets forskningsmiljö, från universitet till industriteam, har hjälpt forskare i Kina att nå en omfattande förståelse för hur man utvecklar material och anordningar för den verkliga världen.
Framtidsplanering
Kina har några av de billigaste elpriserna i den utvecklade världen (se ”Elpriserna sjunker”). Kostnaderna fastställs av lokala myndigheter och godkänns av energibyrån i den nationella utvecklings- och reformkommissionen, som övervakar den makroekonomiska politiken. Priserna hålls låga för att stimulera den ekonomiska tillväxten.
Källor: Men trots denna satsning har landet börjat avveckla vissa subventioner för rena bränslen: till exempel kommer subventionerna för landbaserad vindkraft att upphöra efter i år. Kinas ledare hoppas att förnybara energikällor kommer att bli ekonomiskt konkurrenskraftiga i förhållande till fossila bränslen inom en snar framtid. Svaret ligger i att utveckla en starkare infrastruktur för energilagring.
Hong Li är rådgivare i Kinas nationella planeringskommitté för utveckling av energilagring. Tillsammans med ingenjörer och beslutsfattare arbetar kommittén med en femårig forsknings- och utvecklingsplan som inleds nästa år. Den kommer bland annat att uppmuntra forskare att utveckla teknik för energilagring för elnätet som är säkrare, billigare och har en längre livslängd.
Solkraftforskaren Xianglei Liu vid School of Energy and Power Engineering vid Nanjing University of Aeronautics and Astronautics säger att det finns finansiering tillgänglig för forskare inom hans område för att förbättra Kinas produktion av ren energi. ”Regeringens ambitiösa mål att använda mer ren energi innebär att det finns mycket finansiering”, säger Liu.
Förra året fick Liu till exempel ett stipendium på 1,3 miljoner yuan från Kinas nationella naturvetenskapliga stiftelse (National Natural Science Foundation of China), landets största organ för bidragsfinansiering, för att förbättra värmelagringskapaciteten hos de material som används i solvärmeverk, som genererar energi från solens värme, i stället för från ljuset, som solcellspaneler gör. I det femåriga projektet deltar cirka 40 forskare från sex akademiska institut i Kina. Liu har också nyligen inlett ett samarbete med företaget Nanjing Jinhe Energy Materials för att utveckla ett material som har stor energilagringstäthet och hög värmeledningsförmåga.
Yi Jin, direktör för forskning och utveckling vid Nanjing Jinhe Energy Materials, säger att eftersom regeringen planerar att minska subventionerna till företag som arbetar med förnybar energi är de företag som driver gröna kraftverk angelägna om att köpa eller investera i teknik som kan öka deras produktion och minska produktionskostnaderna.
”Vår teknik förbättrar stabiliteten hos den förnybara energin och minskar därmed kostnaderna för kraftverken genom att göra dem effektivare”, säger Jin.
Hong Li är sammantaget optimistisk om att statliga investeringar och vetenskapliga framsteg kommer att segra. ”Så länge vi utvecklar rätt politik och teknik för att stödja dem”, säger han, ”kan vi gradvis minska vårt beroende av kol”.