Самая большая проблема «зеленой» энергетической революции
Нам говорили, что прерывистая электроэнергия от ветра и солнца, возможно, вместе с гидроэлектрогенерацией (ГЭС), может стать основой «зеленой» экономики. Однако все чаще все идет не так, как планировалось. Природный газ или уголь, используемые для балансировки прерывистого производства возобновляемых источников энергии, становятся все более дорогими или недоступными. Становится ясно, что разработчики моделей, которые поддерживали мнение о возможности плавного перехода к ветровой, солнечной и гидроэнергетике, упустили некоторые важные моменты.
Давайте рассмотрим некоторые из них:
[1] Становится ясно, что нельзя рассчитывать на то, что прерывистый ветер и солнечная энергия обеспечат адекватное электроснабжение, когда это необходимо системе распределения электроэнергии.
Первые моделисты не ожидали, что непостоянство ветра и солнца станет огромной проблемой. Они полагали, что при использовании достаточного количества прерывистых возобновляемых источников энергии их изменчивость будет сведена на нет. В качестве альтернативы, длинные линии электропередач позволят передавать электроэнергию между населенными пунктами в достаточном количестве, чтобы в значительной степени компенсировать изменчивость.
На практике изменчивость по-прежнему является серьезной проблемой. Например, в третьем квартале 2021 года слабые ветры стали значительным фактором, вызвавшим дефицит электроэнергии в Европе. Крупнейшие европейские производители ветра (Великобритания, Германия и Франция) в этот период произвели только 14% от установленной мощности по сравнению со средним показателем от 20% до 26% в предыдущие годы. Никто не планировал такого трехмесячного дефицита.
В 2021 году в Китае стояла сухая, безветренная погода, поэтому выработка ветряной и гидроэнергии была низкой. Страна пришла к выводу, что для решения этой ситуации необходимо использовать скользящие отключения. Это привело к тому, что светофоры вышли из строя, и многие семьи были вынуждены ужинать при свечах.
В Европе при низком уровне электроснабжения Косово пришлось прибегнуть к отключению электричества. Существует реальное опасение, что необходимость в отключении электроэнергии распространится и на другие части Европы, либо этой зимой, либо будущей. Зимы вызывают особую озабоченность, поскольку в это время солнечной энергии мало, а потребности в отоплении высоки.
[2] Адекватное хранение электроэнергии не представляется возможным в какие-либо разумные сроки. Это означает, что для того, чтобы холодные страны не «замерзали в темноте» зимой, резервное ископаемое топливо, вероятно, потребуется в течение многих лет в будущем.
Одним из обходных путей решения проблемы изменчивости электроэнергии является хранение. Недавняя статья агентства Reuters называется «Слабые ветры усугубили дефицит электроэнергии в Европе; коммунальным службам нужны лучшие хранилища». В статье приводятся слова Мэтью Джонса, ведущего аналитика EU Power, о том, что резервные мощности с низким или нулевым уровнем выбросов «еще более десяти лет не будут доступны в широких масштабах». Таким образом, огромные батареи или водородные хранилища в масштабах, необходимых для многомесячного хранения, не являются тем, что может быть разумно создано сейчас или в ближайшие несколько лет.
Сегодня объем имеющихся накопителей электроэнергии может измеряться минутами или часами. В основном они используются для буферизации краткосрочных изменений, таких как временное прекращение ветра или быстрый переход, возникающий, когда солнце садится, а граждане в это время готовят ужин. Необходима емкость для хранения электроэнергии в течение нескольких месяцев. Для производства таких накопителей потребуется невероятно большое количество материалов. Нет нужды говорить, что если бы такое хранение было включено, стоимость всей электрической системы была бы значительно выше, чем нас заставляют думать. Все основные виды анализа затрат (включая выровненную стоимость энергии, возврат на вложенную энергию и период окупаемости энергии) не учитывают необходимость хранения (как краткосрочного, так и долгосрочного), если балансировка с другими видами производства электроэнергии недоступна.
Если не удается найти решение проблемы неадекватного электроснабжения, то спрос должен быть снижен тем или иным способом. Одним из подходов является закрытие предприятий или школ. Другим подходом является постепенное отключение электроэнергии. Третий подход — разрешить астрономически высокие цены на электроэнергию, вытеснив некоторых покупателей электроэнергии. Четвертый балансирующий подход — ввести рецессию, возможно, путем повышения процентных ставок; рецессии сокращают спрос на все товары и услуги не первой необходимости. Рецессии, как правило, приводят к значительному сокращению рабочих мест, а также к снижению спроса на электроэнергию. Ни один из этих вариантов не является привлекательным.
[3] После многих лет субсидий и мандатов, сегодняшнее «зеленое» электричество — это лишь крошечная доля того, что необходимо для поддержания работы нашей нынешней экономики.
Ранние разработчики моделей не учли, насколько трудно будет наращивать производство «зеленой» электроэнергии.
По сравнению с сегодняшним общим мировым потреблением энергии (электричество и неэлектрическая энергия, такая как нефть, вместе взятые), ветровая и солнечная энергия действительно незначительны. В 2020 году ветер составит 3% от общего мирового потребления энергии, а солнце — 1% от общего количества энергии, используя щедрый способ BP считать электричество по сравнению с другими видами энергии. Таким образом, комбинация ветра и солнца произвела 4% мировой энергии в 2020 году.
Международное энергетическое агентство (МЭА) использует менее щедрый подход для учета электроэнергии; оно учитывает только тепловую энергию, поставляемую возобновляемыми источниками энергии. В своих последних отчетах МЭА не показывает отдельно ветровую и солнечную энергию. Вместо этого он показывает категорию «Другое», которая включает в себя не только ветровую и солнечную энергию. Эта более широкая категория составила 2% мирового энергоснабжения в 2018 году.
Гидроэнергия — это еще один вид «зеленой» электроэнергии, который иногда рассматривается наряду с ветром и солнцем. Он значительно больше, чем ветровая или солнечная энергия; в 2020 году его доля в мировом энергоснабжении составит 7%. Вместе взятые, гидроэнергия + ветер + солнце составили 11% мирового энергоснабжения в 2020 году по методологии BP. Это все еще не так много от общего потребления энергии в мире.
Разумеется, в разных частях света по-разному распределяется доля энергии, создаваемой с помощью ветра, гидроэнергии и солнца. На рисунке 1 показан процент от общего объема энергии, производимой этими тремя возобновляемыми источниками энергии вместе взятыми.
Как и ожидалось, средний мировой показатель составляет около 11%. The European Union is highest at 14%; Russia+ (that is, Russia and its Affiliates, which is equivalent to the members of the Commonwealth of Independent States) is lowest at 6.5%.
[4] Даже в процентном отношении к электроэнергии, а не к общему объему энергии, возобновляемые источники энергии все еще составляют относительно небольшую долю в 2020 году.
Ветер и солнце не заменяют «диспетчерскую» генерацию; они обеспечивают некоторое временное электроснабжение, но, как правило, усложняют работу всей электрической системы из-за вносимой изменчивости. Возобновляемые источники энергии доступны только часть времени, поэтому другие типы поставщиков электроэнергии все еще необходимы, когда электроснабжение временно недоступно. В некотором смысле, они заменяют лишь часть топлива, необходимого для производства электроэнергии. Постоянные затраты на резервных поставщиков электроэнергии не компенсируются должным образом, равно как и затраты на дополнительную сложность, вносимую в систему.
Если аналитики отдают должное ветру и солнцу за полное замещение электроэнергии, как это делает BP, то в мировом масштабе ветровая электроэнергия заменит 6% от общего объема потребляемой электроэнергии в 2020 году. Солнечная электроэнергия заменит 3% от общего объема поставляемой электроэнергии, а гидроэнергия заменит 16% мировой электроэнергии. В совокупности ветровая и солнечная энергия обеспечили 9% мировой электроэнергии. С учетом гидроэнергии эти возобновляемые источники составили 25% мирового электроснабжения в 2020 году.
Как показано на рисунке 2, доля ветровой, солнечной и гидроэнергии в мировом электроснабжении неодинакова. Наибольшая доля приходится на Европейский Союз — 32%; наименьшая — на Японию — 17%.
Группа стран «Все остальные», представленная на рисунке 2, включает в себя многие бедные страны. Эти страны часто используют довольно много гидроэнергии, несмотря на то, что доступность гидроэнергии имеет тенденцию сильно колебаться в зависимости от погодных условий. Если в регионе наблюдаются влажные и сухие сезоны, то, скорее всего, в сухой сезон электроснабжение будет очень ограничено. В районах с таянием снега очень большие запасы электроэнергии часто бывают доступны весной, а в остальное время года они значительно меньше.
Таким образом, хотя гидроэнергетика часто считается надежным источником электроэнергии, это может быть или не быть так. Как и ветровая и солнечная энергия, гидроэнергетика часто нуждается в резервном источнике ископаемого топлива, чтобы промышленность могла рассчитывать на получение электроэнергии круглый год.
[5] Большинство моделистов не поняли, что соотношение запасов и добычи сильно завышает количество ископаемого топлива и других полезных ископаемых, которые экономика сможет добыть.
Большинство моделистов не поняли, как работает мировая экономика. Они предполагают, что пока у нас есть техническая возможность добывать ископаемое топливо или другие полезные ископаемые, мы будем в состоянии это делать. Популярный способ рассмотрения доступности ресурсов — это соотношение запасов и добычи. Эти коэффициенты представляют собой оценку того, сколько лет может продолжаться производство, если добыча будет продолжаться с той же скоростью, что и в последний год, с учетом известных ресурсов и текущей технологии.
Распространено мнение, что эти коэффициенты занижают количество доступных ресурсов, отчасти потому, что технологии продолжают совершенствоваться, а отчасти потому, что разведка этих полезных ископаемых может быть не завершена.
На самом деле, эта модель доступности будущих ресурсов сильно завышает количество будущих ресурсов, которые могут быть реально добыты. Проблема в том, что мировая экономика имеет тенденцию испытывать нехватку многих видов ресурсов одновременно. Например, данные Всемирного банка о ценах на сырьевые товары показывают, что в январе 2022 года цены были высокими на многие материалы, включая ископаемое топливо, удобрения, алюминий, медь, железную руду, никель, олово и цинк. Даже если цены выросли очень высоко, это не является признаком того, что производители смогут использовать эти высокие цены для добычи большего количества этих необходимых материалов.
Для того чтобы добывать больше ископаемого топлива или любых других полезных ископаемых, подготовка должна начинаться за много лет до этого. Необходимо построить новые нефтяные скважины в подходящих местах; построить новые шахты для добычи меди, лития или редкоземельных минералов; подготовить рабочих для всех этих областей. Высокие цены на многие товары могут быть признаком временно высокого спроса, а могут быть признаком того, что в системе что-то серьезно не так. Система никак не может нарастить производство в огромном количестве областей одновременно. Линии поставок оборвутся. Скорее всего, наступит рецессия.
Проблема, лежащая в основе недавнего скачка цен, похоже, заключается в «уменьшающейся отдаче». Такая убывающая отдача затрагивает почти все части экономики одновременно. Для каждого вида минералов шахтеры сначала добывали самые простые в добыче материалы. Позже они перешли к более глубоким скважинам и минералам из руд более низкого качества. Загрязнение окружающей среды постепенно росло, поэтому оно тоже требовало больших инвестиций. В то же время население планеты росло, поэтому экономике требовалось больше продовольствия, пресной воды и товаров различных видов; они тоже требовали вложения ресурсов различных видов.
Проблема, которая в конечном итоге поражает экономику, заключается в том, что она не может поддерживать экономический рост. Слишком много областей экономики требуют инвестиций одновременно, потому что убывающая отдача постоянно увеличивает потребности в инвестициях. Эти инвестиции — не просто финансовые инвестиции; это инвестиции физических ресурсов (нефти, угля, стали, меди и т.д.) и инвестиции времени людей.
То, как экономика может столкнуться с нехваткой инвестиционных материалов, было смоделировано в книге 1972 года «Пределы роста» Донеллы Медоуз и других авторов. В книге были приведены результаты ряда симуляций того, как будет вести себя мировая экономика в будущем. Практически все симуляции показали, что в конечном итоге экономика достигнет пределов роста. Основная проблема заключалась в том, что слишком большая доля продукции экономики требовалась для реинвестирования, а для других целей оставалось слишком мало. В базовой модели такие пределы роста наступили сейчас, в середине первой половины 21 века. Экономика перестала бы расти и постепенно начала бы разрушаться.
[6] Мировая экономика, похоже, уже достигает пределов добычи угля и природного газа, которые будут использоваться для балансировки электроэнергии, поставляемой прерывистыми возобновляемыми источниками.
Уголь и природный газ дороги в транспортировке, поэтому, если они экспортируются, то, как правило, в страны, расположенные поблизости. По этой причине в моем анализе экспорт и импорт сгруппированы по крупным регионам, где торговля наиболее вероятна.
Если проанализировать импорт природного газа по частям света, то выделяются два региона, в которых наблюдается наибольший объем внерегионального импорта природного газа: Европа и Азиатско-Тихоокеанский регион. На рисунке 4 показано, что импорт природного газа за пределы региона в Европе достиг пика в 2007 и 2010 годах, после чего пошел на спад. В последние годы объемы импорта в Европу едва превышают прежние пики. Внерегиональный импорт природного газа в Азиатско-Тихоокеанском регионе демонстрирует гораздо более последовательный долгосрочный рост.
Причина роста импорта в Азиатско-Тихоокеанском регионе заключается в поддержке растущего производства в обрабатывающей промышленности. Производство все чаще перемещается в Азиатско-Тихоокеанский регион, отчасти потому, что в этом регионе производство может быть дешевым, а отчасти потому, что богатые страны стремятся уменьшить свой углеродный след. Перенос тяжелой промышленности за границу снижает зарегистрированное производство CO2 в стране, даже если произведенные товары импортируются в виде готовой продукции.Перевод: Усугубит ли заморозка Байденом аренды нефтяных и газовых месторождений энергетический кризис?
На рисунке 5 показано, что собственные поставки природного газа в Европе сокращаются. Это является основной причиной того, что она требует импорта газа из-за пределов региона.
Рисунок 6, ниже, показывает, что общее потребление энергии на душу населения в Азиатско-Тихоокеанском регионе растет. Новые рабочие места в обрабатывающей промышленности, перенесенные в этот регион, повысили уровень жизни многих работников. В Европе, напротив, сократилось местное производство. С точки зрения потребления энергии на душу населения ее жители, как правило, становятся беднее. Рабочие места в сфере услуг, возникшие в результате снижения энергопотребления на душу населения, как правило, оплачиваются хуже, чем рабочие места в обрабатывающей промышленности, которые они заменили.
В последнее время Европа конфликтует с Россией из-за природного газа. Похоже, что мир приходит к ситуации, когда экспорта природного газа не хватает. Азиатско-Тихоокеанский регион (или, по крайней мере, более продуктивные его части), похоже, может обойти Европу, когда местные поставки природного газа недостаточны.
Рисунок 7, ниже, дает приблизительное представление о количестве экспорта из России+ по сравнению с потребностями Европы в импорте. (На этом графике я сравниваю общий объем импорта природного газа Европой (включая трубопроводный импорт из Северной Африки и СПГ из Северной Африки) с объемом экспорта природного газа Россией+ (во все страны, а не только в Европу, включая как трубопроводный, так и СПГ)). На этой грубой основе мы видим, что импорт природного газа в Европу больше, чем общий экспорт природного газа России+
Европа уже столкнулась с многочисленными проблемами, связанными с природным газом. Его поставки из Северной Африки не столь надежны, как в прошлом. Страны «Россия+» поставляют не так много природного газа, как хотелось бы Европе, а спотовые цены, особенно на газ, кажутся слишком высокими. Существуют также разногласия по поводу трубопроводов. Bloomberg сообщает, что Россия будет увеличивать экспорт в Китай в последующие годы. Если Россия не найдет способ увеличить объемы поставок газа, то в ближайшие годы в результате увеличения экспорта в Китай у России останется меньше природного газа для экспорта в Европу.
Если мы посмотрим по всему миру, какие еще источники экспорта природного газа доступны для Европы, мы обнаружим, что выбор ограничен.
Соединенные Штаты представлены как возможный выбор для увеличения импорта природного газа в Европу. Одна из трудностей, связанных с ростом экспорта природного газа из США, заключается в том, что исторически США были импортером природного газа; неясно, насколько экспорт может вырасти по сравнению с уровнем 2022 года. Кроме того, часть природного газа в США добывается совместно со сланцевой нефтью. В будущем добыча сланцевой нефти вряд ли будет сильно расти; более того, она, скорее всего, будет сокращаться из-за истощения скважин. Это может ограничить рост поставок природного газа на экспорт в США.
Категория «Остальной мир» на рисунке 8, похоже, также не имеет больших возможностей для роста импорта в Европу, поскольку общий объем экспорта снижается. (Остальной мир включает Африку, Ближний Восток и Америку, за исключением США). Есть много сообщений о том, что страны, включая Ирак и Турцию, не могут купить природный газ, который они хотели бы получить. Похоже, что сейчас на рынке не хватает природного газа. Сообщений о наращивании поставок для восполнения истощенных запасов мало.
Что касается угля, то ситуация в Европе лишь немного отличается. Рисунок 9 показывает, что запасы угля в Европе истощаются, а импорт не в состоянии компенсировать это истощение.
Если поискать в мире, откуда можно получить больше импорта для Европы, то выбор будет невелик.
На рисунке 10 показано, что большая часть добычи угля приходится на Азиатско-Тихоокеанский регион. Поскольку Китай, Индия и Япония расположены в Азиатско-Тихоокеанском регионе, а стоимость транзита высока, этот уголь вряд ли покинет регион. Соединенные Штаты были крупным производителем угля, но в последние годы его добыча сократилась. Они по-прежнему экспортируют относительно небольшое количество угля. Наиболее вероятная возможность увеличения импорта угля — из России и ее филиалов. И здесь Европе, скорее всего, придется переиграть Китай, чтобы купить этот уголь. Улучшение отношений с Россией также было бы полезно.
На рисунке 10 показано, что мировое производство угля практически не изменилось с 2011 года. Страна будет экспортировать только тот уголь, который ей самой не нужен. Таким образом, недостаток экспортных возможностей — это ранний признак недостаточного общего предложения. Поскольку экономика многих стран Азиатско-Тихоокеанского региона по-прежнему быстро растет, спрос на импорт угля в этом регионе, скорее всего, будет увеличиваться. While modelers may think that there is close to 150 years’ worth of coal supply available, real-world experience suggests that coal limits are being reached already.
[7] Заключение. Моделисты и руководители повсеместно имеют базовое непонимание того, как работает экономика и какие пределы мы имеем. Это непонимание позволило ученым создать модели, которые далеки от ситуации, с которой мы на самом деле столкнулись.
Экономика функционирует как единое целое, так же как тело человека функционирует как единое целое, а не как набор клеток разных типов. Это то, чего не понимают большинство моделистов, и их методы не приспособлены для работы с этим.
Экономика одновременно сталкивается со многими ограничениями: слишком много людей, слишком много загрязнений, слишком мало рыбы в океане, все труднее добывать ископаемое топливо и многие другие. То, как эти ограничения проявляются, похоже, соответствует модели, предложенной в книге 1972 года «Пределы роста»: Они проявляются в совокупности. Реальная проблема заключается в том, что уменьшение отдачи приводит к огромным инвестиционным потребностям во многих областях одновременно. Возможно, с одной или двумя из этих инвестиционных потребностей можно справиться, но не со всеми сразу.
Подход моделистов, практически везде, заключается в том, чтобы разбить проблему на мелкие части и предположить, что каждая часть проблемы может быть решена независимо. Так, те, кто озабочен проблемой «пика нефти», были озабочены тем, что нефть закончится. Поиск заменителей казался важным. Те, кто обеспокоен изменением климата, были убеждены, что осталось добыть огромное количество ископаемого топлива, даже больше, чем указано в соотношении запасов и добычи. Их заботой был поиск заменителей для огромного количества ископаемого топлива, которое, по их мнению, еще предстоит добыть, что может привести к изменению климата.
Политики видели, что на горизонте маячит какая-то огромная проблема, но не понимали, в чем она заключается. Идея замены возобновляемых источников энергии ископаемым топливом казалась решением, которое устроило бы и «пиковых нефтяников», и тех, кто обеспокоен изменением климата. Модели, основанные на замене возобновляемых источников энергии ископаемым топливом, казалось, устраивали почти всех. Подход, основанный на возобновляемых источниках энергии, предполагал, что нам предстоит решать проблему в очень длительные сроки, откладывая ее как можно дальше в будущее.
Сегодня мы начинаем видеть, что возобновляемые источники энергии не способны оправдать надежды, на которые рассчитывали создатели моделей. Как именно будет развиваться ситуация, не совсем ясно, но похоже, что мы все будем сидеть в первом ряду, чтобы узнать это.
Гейл Тверберг через Our Finite World