Чистая энергия. Раздуется ли мировой пожар энергетической революции?

Углеводороды vs Энергия природы

Попытки отказаться от углеводородов, которые сегодня обеспечивают 84% мировой энергетики, длятся десятилетиями. Все началось со страха: а вдруг закончится нефть? Позднее эта фобия переросла в убеждение, что человечество и без того бесконечно страдает из-за изменения климата и иных экологических проблем, следовательно, нельзя и дальше убивать себя и планету, сжигая нефть, газ и уголь.

В настоящий момент главной альтернативой углеводородам являются ветровые и солнечные установки, но они обеспечивают лишь 2% мирового потребления энергии. Несмотря на столь малую цифру, в последнее время все больше приобретает популярность идея глобального энергетического кризиса, на пороге которого топчется человечество. Ее сторонники предлагают технологическую революцию, суть которой – замещение углеводородов в короткие сроки.

Эта «новая энергетическая экономика» базируется на том, что технологии использования энергии ветра и солнца обязаны перенимать опыт специалистов в сфере вычислительной техники и связи, которые сумели снизить затраты и при этом повысить эффективность. Однако такая аналогия полностью игнорирует физические различия между системами, производящими энергию и продуцирующими информацию.

В мире людей, автомобилей, самолетов и заводов увеличение потребления, скорости или грузоподъемности прямо пропорционально влияет на производственные расходы. Количество энергии, необходимой для перемещения тонны грузов, выплавки тонны стали или производства тонны продуктов питания определяется такими естественными границами, как гравитация, инерция, трение, масса. Важно помнить, что термодинамика – это не умное программное обеспечение, подконтрольное и подвластное усовершенствованию со стороны человека. У природы есть законы, с которыми нужно считаться.

Раунд 1: Мнение сторонников перехода на чистую энергию

Сторонники перехода на чистую энергию утверждают: существующие энергетические технологии настолько опасны, а возобновляемая энергия настолько дешева, что нет ни одного экономического риска в форсировании наступления новой, безуглеводородной эпохи, в которой нефть, природный газ и уголь не используются в промышленных масштабах.

По мнению адептов «новой энергетической экономики», «старая» экономика совсем скоро сядет на мель и перестанет представлять какой-либо интерес для инвесторов. Ставить на нее сейчас – все равно, что 10 лет назад вложиться в Sears (американская компания, которая торговала по почтовым каталогам), а не в Amazon. В 2018 году международная комиссия по энергетическим преобразованиям даже опубликовала доклад «Миссия выполнима» с активным призывом ко всему миру использовать три важных инструмента для достижения цели: агрессивно внедрять возобновляемые источники энергии, повышать эффективность новых технологий и контролировать спрос на энергию.

Эти призывы не новы: после эмбарго на арабскую нефть в 1973 году на международном совещании по энергетической политике были озвучены приблизительно те же тезисы. Однако тогда паника была продиктована опасениями по поводу истощения ресурсов, а сейчас она основана на выбросе в атмосферу опасного количества углекислого газа.

История не раз демонстрировала, что масштабные энергетические преобразования возможны. Ключевой вопрос заключается в том, действительно ли мир стоит на пороге кризиса, требующего подобных изменений. И ответ на этот вопрос однозначен – нет, не стоит. Само утверждение о скором углеводородном коллапсе не предусматривает, каким именно образом мир будет переходить с одной энергетики на другую. Во-первых, энергетика на уровне физики не способна претерпеть столь революционные изменения в краткосрочной перспективе. Во-вторых, за последнее столетие не было изобретено ни одной фундаментально новой энергетической технологии, которая имела бы в соответствующем секторе такое же значение, как изобретение транзистора или Интернета.

Раунд 2: Интерстеллар, или Масштаб предлагаемых преобразований

Вселенная полна энергии, и человечество во все времена пыталось найти оптимальный способ ее добычи. Но этот способ должен быть доступен всегда, а не когда благоволит природа или удача. Преобразование в полезную энергию энергоносителя, будь то сила ветра или воды, солнечный свет или же погребенные глубоко под землей углеводороды, всегда требует капиталоемкого оборудования.

Осознание масштаба энергетического сектора позволяет понять, насколько нереально произвести в нем преобразования, предлагаемые сторонниками «новой» теории. Вспомните физику: при попытке изменения системы приходится иметь дело с инерцией, трением и силами сопротивления. Именно поэтому намного легче прервать полет шмеля, нежели «Боинга». И именно поэтому труднее изменить вектор развития государства, чем небольшого региона.

За последние 20 лет доля углеводородов в мировой энергетике снизилась лишь на 3%, тогда как общее потребление энергии возросло на 50%. Чтобы объяснить, насколько это много, достаточно обозначить, что это равно тройному спросу на энергию в США. Снижение доли углеводородов обошлось миру в 2 трлн долларов, которые были направлены на развитие альтернативных источников энергии. Те самые источники, которые обеспечивают менее 2% мирового энергоснабжения.

Насколько мир зависит от углеводородов? Ежегодно миру необходимо 35 млрд баррелей нефти, объем газа, эквивалентный 30 млрд баррелей, а также объем угля, эквивалентный 28 млрд баррелей. Если бы все потребляемое за год в мире топливо было нефтью, то бочки с ней выстроились бы в линию, соединяющую Вашингтон и Лос-Анджелес (4,2 тыс. км).

И каждую неделю эта линия продлевалась бы на один монумент Вашингтону

(169 метров). Чтобы в ближайшие 20 лет человечество могло полностью отказаться от углеводородов, мировое производство возобновляемой энергии должно вырасти минимум в 90 раз. Реально ли это? Ответ – на поверхности: нефтегазодобывающей промышленности понадобилось 50 лет, чтобы добиться десятикратного увеличения своих показателей.

Даже если бы цель была скромнее – скажем, перейти на чистые технологии только в производстве электроэнергии и только в США, то потребовалось бы больше производственных усилий, чем было затрачено ими на всем протяжении Второй мировой войны. Не говоря уже о целом мире. Адепты теории заявляют: «Уж если мы можем отправить человека на Луну, сможем и это!». Но трансформировать всю мировую энергетику – это не то же самое, что отправить несколько человек на какое-то время в космос. Подобное преобразование – это все равно, что отправить все человечество на Луну. Навсегда.

Раунд 3: Заблуждения сторонников «новой экологической теории»

В современном «наэлектризованном» обществе, ориентированном на обработку цифровых данных, жизненно необходим непрерывный доступ к энергии. В связи с этим остро встает вопрос о ее накоплении. Хранение нефти или природного газа (в энергетическом эквиваленте) в течение нескольких месяцев обходится менее чем в 1 доллар за баррель, хранение угля – еще дешевле. Если же применять для хранения не «старую», а предлагаемую «новую» альтернативную технологию, то стоимость хранения эквивалента 1 барреля нефти составит целых 200 долларов, то есть вместо нескольких месяцев потребления государство обеспечит своих граждан лишь двумя часами зажженной лампочки.

Даже если не касаться финансовой стороны, есть и другие проблемы. Дело в том, что ветряные турбины и солнечные батареи не могут работать без солнца и ветра, как бы очевидно это ни звучало. В среднем в течение года они работают лишь 25-30% времени, тогда как обычные электростанции – от 80 до 97%. Это значит, что система производства чистой энергии должна быть в среднем в три раза больше по масштабу, чем углеводородная, а это влечет за собой еще большие денежные вливания. И даже эта цифра относительна, поскольку из-за непостоянства таких источников, как солнце, ветер и вода, вырабатываемой энергии может оказаться в два раза меньше ожидаемого.

При всех этих данных, которые можно получить в результате анализа физических законов и математических вычислений, очень популярно мнение о так называемом «сетевом паритете» обычных и естественных источников энергии. Даже Агентство энергетического информирования США сообщает о выравнивании стоимости энергии для всех видов технологий ее производства. При этом расчеты агентства абсолютно не принимают во внимание реальную, скрытую стоимость круглогодичного ежесекундного содержания энергетической инфраструктуры – сети, работающей только на ветре, солнце или воде. Кроме того, многие выводы основаны вовсе не на математике, статистике и каких-либо данных – они опираются на догадки и носят форму необоснованных прогнозов.

Например, это агентство утверждает (а на самом деле – лишь предполагает), что в обозримом будущем цена на природный газ резко подскочит. Стоит уточнить, что в последние десятилетия со среднемировой стоимостью газа происходило только одно – снижение. На что опирались аналитики при выдвижении такой гипотезы, остается неизвестным.

Эксперты агентства, кроме всего прочего, говорят об усредненных коэффициентах мощности на основе многолетних данных. Коэффициент высчитывается из времени, которое оборудование фактически работает, то есть когда светит солнце и дует ветер. По их мнению, процент времени полезной работы ветряной турбины – 41, солнечной батареи – 29. Однако существуют данные, собранные на реально существующих ветровых и солнечных электростанциях, и их показатели ниже заявленных – 33 и 22 процента соответственно. Это означает, что даже за 20 лет работы ветротурбина мощностью 2 МВт и стоимостью 3 млн долларов не сможет произвести столько энергии, чтобы окупить вложенные в нее средства.

Безусловно, показатели мощности ветряных электростанций растут, но слишком медленно – на протяжении последних 20 лет наблюдался незначительный рост в 0,7% в год.

Раунд 4: Невидимые издержки «зеленой» энергии

Европейский опыт продемонстрировал, что чем выше доля ветра или солнца в энергетической сети, тем выше средняя стоимость электричества. Германия и Великобритания, далеко ушедшие по пути «новой энергии», зафиксировали, что средние тарифы на электроэнергию выросли на 60-110% за последние два десятилетия. Аналогичная картина – прямая зависимость между количеством чистых источников энергии и стоимостью электричества – проглядывается в Австралии и Канаде.

Дело в том, что рост использования ветра и солнца в качестве источников энергии влечет за собой целый ряд скрытых, основанных на физике, затрат, которые редко рассматриваются при коммунальном или государственном учете. Например, когда происходит многократное, резкое и непредсказуемое возрастание или падение использования энергии, моментально всплывают затраты, связанные с «балансировкой» сети, то есть удержанием ее от сбоев. Аналитики подсчитали, что некоторые из этих невидимых издержек могут добавлять от 20 до 50 процентов к стоимости киловатт-часов в сети.

Кроме того, переключение с основного на резервный источник питания также влечет дополнительные затраты, обоснованные исключительно физикой энергии. Скачки напряжения на электростанциях и связанные с этим переключения между источниками ведут к дополнительным расходам на техобслуживание и банальному износу. При этом количество производимых киловатт-часов остается неизменным, а их стоимость возрастает.

Наконец, если эпизодическая мощность, вырабатываемая в подобных экстренных условиях, начинает зашкаливать, возрастает риск полного отключения системы. В штате Южная Австралия, который получает 40% электроэнергии от ветряных турбин, так и произошло: несколько дней безветренной погоды привели к полному отключению системы и обесточиванию половины штата. После коллапса компания Tesla помпезно установила там литиевую мега-батарею – «аккумуляторную ферму». Увы, КПД данного мероприятия ничтожно мал: чтобы штат населением 2,5 млн человек в штиль был обеспечен электричеством хотя бы полдня, потребуется 80 (!) таких «ферм».

Однако есть и другие, более надежные и производительные инженерные решения – например, использование генераторов в качестве резервных источников питания. Эти генераторы сродни двигателям круизных судов. Эти приспособления без фанфар и фотокамер в бешеном темпе устанавливают в коммунальной системе США. Большая часть генераторов работает благодаря сжиганию газа, меньшая – нефти. Потребители энергии знают об этом и платят за надежность, обеспечивая себя стабильной подачей электричества. Невидимые издержки, которые заложены в использовании чистых источников энергии, можно сопоставить с автомобилями. Представьте, что вы ездите на легковой машине, и некая организация взимает с вас плату за износ шоссе, вызванный грузовиками. При этом та же организация, что берет с вас деньги за ущерб, к которому вы непричастны, субсидирует заправку грузовых автомобилей.

В конечном итоге, аргументированный ответ на вопрос о целесообразности использования энергии солнца или ветра в национальном масштабе сводится к их бесполезности в качестве основного источника энергии. Расширить границы применения чистой энергии, конечно, можно, но не нужно – это нерентабельно. Пример: в 50-е годы прошлого столетия началась активная разработка вертолетов и их поставка во всевозможные сферы. Это стало революцией в воздушном транспорте, ведь эта технология сформировала целую нишу, в которой она может быть использована. Однако никто не полетит на вертолете через Атлантику. Никто не воспользуется ядерным реактором для питания поезда. Никто не оборудует целую страну фотоэлектрическими системами для энергопитания.

Раунд 5: Батареи не панацея

Батареи – главное устремление энергетической экономики. Если бы нашлась технология, позволяющая хранить электричество так же эффективно и дешево, как, скажем, нефть в бочке, она бы аннулировала необходимость строительства электростанций. Можно было бы представить организацию стран – экспортеров энергии, которая поставляла бы «бочки» электронов по всему миру из стран, где стоимость заполнения этих «бочек» была самой низкой. Солнечные батареи заполонили бы Сахару, а великие реки Бразилии производили бы столько энергии, что даже трудно представить.

Но, как уже отмечалось, затраты на хранение энергии в сетевых батареях примерно в 200 раз превышают затраты на хранение природного газа или нефти. Самый известный в мире производитель аккумуляторов – Tesla. Один агрегат этой компании весит более 9 тонн и стоит 200 тыс. долларов.Такая громадина способна хранить энергетический эквивалент всего лишь одного барреля нефти, который сам по себе весит всего 136 кг и может храниться в баке стоимостью 20 долларов. Правда такова, что современные литиевые батареи даже при 200-процентном улучшении не смогут ликвидировать разрыв с используемыми во всем мире технологиями.

Тем не менее американские и европейские политики-энтузиасты одобряют программы и субсидии для расширения производства и использования батарей в масштабах энергетической сети. Они забывают, что для поддержания энергоснабжения сетей на уровне страны потребуется невероятное количество батарей и еще более невообразимое количество денег.

Самое крупное в мире производство батарей – детище Илона Маска Gigafactory в Неваде стоимостью 5 млрд долларов. Годовой объем производства Gigafactory способен обеспечить хранение такого количества энергии, которое покрывает всего лишь 3-минутное потребление на территории США. Это означает, что для того чтобы вся американская нация могла читать книги при включенном свете на протяжении всего лишь одного дня, заводу придется работать 500 лет.

Нокаут: Мировой пожар не раздуем

Когда потребление энергии среди беднейших 4 млрд человек в мире составитхотя бы 15% от уровня развитых экономик, глобальное потребление энергии возрастет на величину, эквивалентную спросу на всей территории Соединенных Штатов.

Проблема здесь не в том, что более бедные люди неизбежно захотят и смогут жить более богато, а в том, что новые изобретения постоянно создают новые потребности в энергии. Изобретение самолета означало, что каждый миллиард долларов, потраченный на производство самолетов, требует еще 5 млрд долларов на авиационное топливо, потребляемое в течение двух десятилетий эксплуатации. Точно так же каждый

1 млрд долларов, вложенный в строительство центров обработки данных, влечет неминуемые затраты на электроэнергию в размере 7 млрд долларов за тот же период. Человечество тратит на подобные «привязанные» нужды около 100 млрд долларов в год.

Неумолимый рост темпов НТП, в том числе и в сфере энергетики, создает соблазнительную идею, что якобы можно совершить прорыв и изобрести новый способ производства энергии. Но порой старая и проверенная технология является оптимальным решением. Задумайтесь – мы все еще используем камень, кирпич и бетон, изобретенные в древности. Колесо, водопроводные трубы, электрические провода – список давних изобретений, которые до сих пор оптимально выполняют необходимый функционал. Так и углеводороды оптимальны в области энергетики.

Энергетическая революция произойдет только в результате развития фундаментальных наук или, если пользоваться терминологией Билла Гейтса, в результате «научного чуда», но никак не благодаря субсидированию вчерашних технологий. Интернет не возник из субсидирования коммутатора, транзистор – из субсидирования вакуумных ламп, автомобиль – из субсидирования железных дорог.

Углеводороды – нефть, природный газ и уголь – сегодня являются основными мировыми энергетическими ресурсами и будут оставаться таковыми в обозримом будущем. Ветряные турбины и солнечные батареи охватывают ничтожно малый сектор энергетики, и физика диктует, что так все останется на своих местах. Так что нет абсолютно никакой возможности, что мир сможет перейти к «новой энергетической экономике» в краткосрочной перспективе.

Материал подготовлен на основе доклада Марка Миллса «The 'NewEnergyEconomy': AnExerciseinMagicalThinking», опубликованного в журнале Манхэттенского института в марте 2019 года.

Автор - Егор Сальнов.