На линии Гейл "Старушка" Тверберг с подборкой полезных фактов и наблюдений, подробно показывающих несостоятельность ветряной и солнечной энергетики, как гипотетической основы энергобаланса - с учетом таких факторов как сезонность, сложности в обслуживании электросетей, и того, что электроэнергия неэффективна в качестве источника тепловой энергии.

Настоятельно рекомендую к прочтению всем интересующимся вопросами архитектуры посткризисной экономики и энергетики наступающей новой Темной Эры. 

---

Солнце и ветер нас спасут?

Мифология "Солнце и ветер нас спасут" основана на длинном списке заблуждений и сравнений "зеленого с кислым". В результате многие полагают, что наша экономика с 7.5 миллиардами людей способна существовать с очень коротким списком энергоисточников. Этот список, конечно, не включает углеводороды. Некоторые исключают и атомную энергетику. Если это все убрать в списке остается гидроэнергия, геотермальная, дрова и биотопливо, ветер и Солнце.

Такой переход работать не будет. И ниже описаны некоторые из проблем, показывающие почему.

 

1. Экстремально медленный прогресс ветра и Солнца в части сокращения зависимости от углеводородов

Согласно BP Statistical Review of World Energy в 2015 углеводороды обеспечили 86% мирового энергопотребления, еще 4% обеспечил атом. Таким образом на весь кратенький список выше осталось лишь 10%, причем солнце и ветер совокупно обеспечили менее жалких 2%.

^{Рисунок 1. Структура совокупного мирового энергопотребления по источникам}

А какой прогресс имело сокращение зависимости от углеводородов? Не очень быстрый. В 1985 зависимость составляла 89%, солнца / ветряков почти не было. Сегодня у углеводородов 86%, т.е. сокращение составило 3% за 30 лет или 1% за 10 лет. Такой темп означает, что зависимость от углеводородов исчезнет лишь через 860 лет к 2877 году - в предположении, конечно, что общество будет способно продолжать платить субсидии за внедрение "зелени".

^{Рисунок 2. Структура мировой электрогенерации по источникам}

Ситуация слегка получше, если посмотреть только на электрогенерацию. Доля ветра составила 3.5% в 2015, а Солнца - 1.1% - т.е. 4.6% совместно. Углеводороды обеспечили "лишь" 66%.

 

2. Электросети, возможно, наименее устойчивый вид энергии, находящийся в нашем распоряжении

Если предположить, что мы движемся к миру возобновляемой энергетики, потребуется также и перевод экономики на электрический фундамент. Такая экономика будет зависеть от электросетей, причем в гораздо большей степени чем сегодня. Электросети США сейчас называют самой большой машиной, из когда-либо построенных, а ассоциация инженеров (American Society of Civil Engineers) оценивает ее текущее состояние как отвратительное с оценкой D+, со следующим комментарием:

США зависят от стареющих электросетей и водопроводов, некоторые из которых создавались еще в 1880. Инвестиции в передающую инфраструктуру увеличились по сравнению с 2005, но количество аварий лишь возросло.  

Даже просто обслуживание существующих электросетей - непростая задача. Чтобы лучше понимать вопрос, вот пример статьи о замене стальных опор или статьи о необходимости замены трансформаторов, пока они не приведут к катастрофическому отказу и выходу линии из строя. Технологии, требуемые для обслуживания и восстановления передающих линий требуют доступности углеводородных энергоисточников. Например - для вертолетов, которые выполняют доставку к месту обслуживания / ремонта (примечание alexsword - я бы первым номером назвал уголь, как дешевый источник тепловой энергии, который требуется для выплавки стали и с которого и началась индустриальная революция). Даже если оборудование можно доставить можно грузовиком, требуется нефтепродукты для грузовика, а также чтобы содержать сами дороги.

Электричество в целом и электричество, раздаваемое электросетями, это в некотором смысле более качественный энергопродукт, который позволяет сделать больше, чем ископаемое топливо. Электросети позволяют электромашинам работать, позволяют достигать и поддерживать очень высокие температуры в индустриальном производстве. Позволяют компьютеризацию процессов. Понятно поэтому, что те, кто озабочен как будет выглядеть энергопотребление в будущем, хотят идти в том же направлении, что и в прошлом. К сожалению, это дорогое направление, которое сложно обслуживать.

 

3. Пик энергопотребления приходится на зиму - когда солнце на минимуме

Понятно, что много электричества используется в кондиционерах, но вряд ли это сохранится по мере развития энергетического кризиса. Перейдем на вентиляторы, или просто привыкнем жить в условиях повышенной температуры.

Но от отопления отказаться не так просто в тех частях планеты, где холодно, и доля энергии на обогрев жилья будет становиться все больше (на фоне сокращения абсолютного энергопотребления). Этот тип сезонности можно видеть на графике потребления газа в США в разбивке по месяцам:

^{Рисунок 3. Потребление газа в США по месяцам}

Очевидно,  мы видим очень большие скачки, связанные с сезонностью. Вызов состоит в том, как создать поставки электроэнергии способные к аналогичным вариациям - причем без использования ископаемых углеводородов.

 

4. Если вместо газа / угля дом обогревать электричеством из этого газа / угля, цена будет выше за счет потерь. Цена будет еще выше, если вместо газа / угля будет использован более дорогой источник генерации.

При трансформации ископаемого топлива в электричество происходят потери энергии. Отчеты BP пытаются это учесть за счет коэффициента конвертации, и оценивают эффективность конвертации в 38%. Поэтому в отчетах BP данные для атомной, ядерной солнечной и ветряной энергии не показывают сколько тепла они дадут при отоплении дома. Вместо этого они показывают цифру в 2.6 раза больше (1 / 38%), чем потребовалось бы угля для обогрева для обогрева в том же количестве.

На практике это означает, что перевод обогрева жилья с угля / газа на электричество будет очень дорогим. В качестве примера - статья из WSJ сообщает как зеленая энергетика привела к "холодомору" китайскую деревню:

Несмотря на субсидии на электричество для домохозяйств, жители деревни сообщили, что стоимость обогрева значительно выросла и достигла $300 на зиму, в то время как ранее, на угле им хватало $200.

Проблема в том, что уголь превращается в электростанции в более качественный энергопродукт, но более дорогой. Такое электричество, если использовать его там, где уголь нельзя использовать напрямую - к примеру, на автозаводе - экономика может позволить себе более высокую себестоимость энергии. Но если этот более дорогостоящий энергопродукт направлять туда, где уголь можно использовать напрямую, это становится дополнительным издержками для экономики. В общем, решение "проблемы угольного смога" в Китае станет очень дорогим мероприятием. Забавно, что с точки зрения CO2 это будет шагом в обратном направлении, так как вместо сжигания угля для отопления, потребуется сжечь больше угля для генерации электроэнергии, которая будет потом использована для обогрева.

Как насчет того, чтобы заменить электричество от угля электричеством от ветряков? У Китая масса простаивающих ветряков на севере страны. Проблема в высокой стоимости передающих линий в другие районы и индустриальные центры. Цены вырастут еще сильнее, если их построить, и семья у кого сейчас проблемы с оплатой отопления на электричестве от угля, будет еще больше проблем при оплате счетов на электричество от ветряков.

Аналогичный вопрос возникает для тепловой энергии и для приготовления пищи, и для горячей воды в водопроводе - уголь или газ будут значительно дешевле, если их использовать напрямую, чем через генерацию и использование электричества. 

 

5. Вопрос низкой себестоимости энергии для потребителя чрезвычайно важен. Многие аналитики, пропагандирующие Солнце и ветер дают неверное представление о истинной себестоимости, замалчивая, например, вопросы интеграции с сетями.

Как считать себестоимость ветряков или солнечных панелей? Это просто цена приобретения и установки? Или нужно также учесть, все дополнительные издержки возникающие в энергосистеме, связанные с передачей "пилообразного" потока на входе в тот поток, который нужен потребителям, и туда, куда ему нужно (примечание alexsword: необходимо еще учесть прямые и косвенные дотации, так как это снижает видимые цены, но распыляет издержки по всем другим отраслям)? 

Пропагандисты обычно оперируют первым вариантом, иногда еще добавляя инвертор. На взгляд обывателя солнечные панельки и ветряки могут показаться весьма недорогими и, исходя из этого неверного представления, они начинают считать, что всеобщий переход на них будет полезным.

Увы, ситуация гораздо сложнее. Малая доля ветряков / панелек не сильно нарушает равновесие и балансы существующих электросетей. Но чем их больше,тем больше заморочек возникает, связанных с передачей энергии на большие расстояния, ее хранением и созданием резервных мощностей. Это дополнительная себестоимость значительно выше тех цен, которыми оперируют пропагандисты.

Исследователи в сфере энергетики говорят о проблеме оценки как о "вопросе границ модели" (boundary issue). Какие именно составляющие себестоимости нужно учитывать при принятии решения об установке ветряка или панельки? Некоторые, и я в том числе, считаем, что границы модели нужно брать существенно более широкие, чем те, которые фигурируют в большинстве нынешних исследований и пропаганде. В итоге это приведет к тому, что EROI, которые рассчитаны в этих распиаренных исследованиях, должны быть пересмотрены очень сильно вниз, и, не исключено, вполне могут стать меньше 1.

Связанный с этим вопрос это полезный возврат на труд (человековремя), и сколько средний работник может позволить себе на зарплату. В пункте 4 мы поднимали вопрос о росте стоимости обогрева жилья. И это лишь пример. Покупательная способность простых людей будет падать, что неизбежно ведет к коллапсу, это не тот путь, по которому экономика развивается. Истинная энергетика нового поколения (а не ветряки и панели) должна позволять простым людям покупать больше, а не меньше.

 

6. Если нам нужно тепло зимой, и в основе энергетики Солнце и ветер, нужно понять как передать электричество из лета в зиму. Если этот вопрос не решить, потребуется создавать систему генерации в двойном размере.

Вопрос о хранении электроэнергии обсуждается часто, но обычно как задача о сохранении относительно малых объемов на относительно небольшой срок (часы или дни). Если задача стоит о накпоелнии электричества летом для обогрева зимой, масштаб совсем иной.

Теоретически можно построить ветряков и панелек с большим избытком, так чтобы летом они запасали энергию в огромном количестве резервуаров, чтобы использоваться зимой. Но стоимость будет запредельной - и системы хранения, и системы генерации, плюс нужно учесть потери хранения и конвертации. Не стоит забывать и про риск исчерпания ресурсов, требуемых для всех этих панелек, ветряков и батарей. 

Гораздо дешевле будет использование дров для обогрева зимой, но биомасса будет очень быстро исчерпана. В общем, чем заменить ископаемые углеводороды в данном вопрос - неясно.

 

7. Некоторые страны имеют необычно большую долю электрогенерации в энергобалансе. Могут ли другие страны использовать их опыт?

Согласно BP Statistical Review of World Energy мировыми лидерами по доле, какую электричество имеет в их энергобалансе,  являются следующие страны:

• Швеция – 72.7%
• Норвегия – 69.5%
• Финляндия – 59.9%
• Швейцария – 57.5%

Все эти страны имеют небольшое население и значительную долю от гидроэлектростанций. Если дамбы построены давно и полностью окупились, генерируемое электричество очень недорого. Кроме того у Швеции, Финляндии и Швейцарии есть атомная генерации, обеспечивающая порядка трети генерации. Другим странам будет очень тяжело создать источники генерации в большом объеме с такой же себестоимостью.

Вообще, богатые страны имеют обычно большую долю электричества в энергобалансе, чем бедные:

• Страны OECD – (богатые) – 2015 – 44.5%
• не-OECD (менее богатые) – 2015 – 39.3%

Китай интересный пример, вот какой скачок совершил у нее этот показатель с 1985 по 2015:

• Китай – 1985 – 17.5%
• Китай – 2015 – 43.6%

В 1985 Китай использовал большую часть угля напрямую, без конвертации в электроэнергию. Индустриализация позволила расширить область применения электричества, что и дало наблюдаемый скачок до уровня богатых стран. Если доля электричества продолжит расти, это скорее всего будет означать, что оно теперь будет использоваться менее эффективно (например, для обогрева или приготовления пищи).

 

8. Гидрогенерация может неплохо балансировать в солнечной и ветряной генерации, но имеет проблемы с масштабируемостью. Кроме того, проблема прерывистой генерации тоже ее касается, что мешает полагаться целиком.

Если посмотреть на помесячную гидрогенерацию в США, мы увидим характерную "пилу". В мае или июне, когда снег тает, генерация выше, осенью и зимой - ниже. Это означает, что она не сильно поможет решить проблему большого разрыва в электрогенерации возникающего зимой.

^{Рисунок 4. Гидрогенерация США по месяцам}

Она также имеет проблему масштаба недостаточного, чтобы соответствовать энергопотреблению США. На следующем рисунке показано как гидрогенерация США вместе с солнцем и ветряками вместе сравнима с потреблением газа:

^{Рисунок 5. Потребление газа в США в сравнении с гидро / солнечной / ветряками}

И следует помнить, конечно, сравнивая эти цифры, что, с учетом разъяснений про коэффициенты выше, они показывают сколько газа потребуется для производства этого объема электричества. А для расчета, сколько электричества потребуется, чтобы согреть столько же домов, сколько можно на этом объеме газа, коэффициент будет другим - и на графике бы было лишь 38% от того, что показано для гидро / солнца / ветряков.

Пример показывает, что даже один газ заменить будет очень сложно. А ведь есть еще нефть и уголь. 

 

9. Гидрогенерация имеет большие вариации в разные годы.

Скачки в гидрогенерации в разные годы могут быть очень большими:

^{Рисунок 6. Гидрогенерация в 6 странах ЕС}

Более того, если смотреть не отдельные страны, а большие группы, скачки будут еще больше.

^{Рисунок 6. Гидрогенерация в тех 6-ти странах вместе взятых, а также в США, Канаде и Бразилии}

Вывод, который можно сделать из этих графиков, что даже если массово использовать сверхдлинные линии электропередачи, гидрогенерация глобально колеблется от году к году. Вариация будет, причем, существенно больше, чем видно на этих картинках, так как внутри года она делается неравномерно, а с пиком весной. Поэтому, если страна хочет сделать гидроэнергию основным источником энергии, она должна заложить существенные риски касательно стабильности и предсказуемости генерации.

Для Ближнего Востока ситуации еще печальнее - там источников гидрогенерации нет. Нет там и биомассы. Поэтому если они захотят чем-то выравнивать солнечную и ветряную генерацию, кроме газа (примечание alexsword: и атома!)  вариантов не видно. 

 

10. Многие не понимают природу грядущих проблем, полагая, что ископаемые углеводороды "исчезнут" или станут очень дорогими. В реальности это проблема доступности - цены на энергоресурсы растут недостаточно быстро, чтобы покрыть рост себестоимости. Добавление ветряков и панелек лишь ухудшит эту проблему.

Потребители могут купить в целом лишь то, что соответствует их зарплатам. Долговые пирамиды могут помочь в этом вопросе, но лишь до некоторого предела. Поэтому недостаточный рост зарплат транслируется в недостаточную динамику цен на ресурсы. Даже если цены на ресурсы растут - динамика недостаточна. Это противоречит обывательским заблуждениям, они не ожидают, что пик энергопотребления может быть пройден на фоне низких цен на энергоресурсы. Иными словами, мы сейчас видим пик платежеспособного спроса на ресурсы, сопровождаемый низкими ценами на них, и вызванный недостаточными доходами масс.

Мы видели эту проблему в примере выше про семью из Китая и обогрев жилья. Экономисты привыкли считать, что рост себестоимости сопровождается ростом зарплат, но это не так. Если рост себестоимости это результат падающего возврата (например, для добычи угля требуется рыть все более глубокие шахты), результат эквивалентен росту неэффективности. Такой сектор требует все больше рабочих и ресурсов, оставляя все меньше рабочих и ресурсов для других секторов. Вся экономика в целом начинает тормозить из-за роста неэффективности. 

Если реализовать вариант двойной системы, когда ветер и солнце используются в период доступности, а в период недоступности делается переключение на углеводороды, стоимость такой системы будет очень высока. Например, по причине того, что себестоимости "углеводородной системы" имееть много фиксированных составляющих, которые придется платить и в период простоя - начиная от стоимости капитала и займов и заканчивая трубопроводами, которые надо обслуживать в режиме 365х24, независимо от того, используются ли они в данный момент. Где взять средства на содержание двойной системы? 

Еще одна проблема лежит в ценовой политике. Ветряки и солнечные панели получают субсидии, что сокращает себестоимость для конкретных производителей электроэнергии. Остальным источникам становится тяжело или даже невозможно конкурировать. В результате энергосистема в целом не получает достаточно доходов, чтобы поддерживать саму себя.

Время от времени проводятся мощностные аукционы (capacity payments), суть которых в том что деньги выдаются сейчас под будущие поставки энергии. Это попытка исправить возникшие "дотационные" перекосы на оптовом энергорынке. Однако, согласно World Nuclear Organization этого недостаточно, и как результат, несколько АЭС в США планируют закрытие, потому что существующая ценовая методология неадекватна и сделал их невыгодными. Цены на газ тоже непривлекательны для многих добывающих компаний в последние годы, и одна из причин - опять же ценовая методология на рынке электроэнергии.

Для текущей ситуации можно порекомендовать другую ценовую политику - "себестоимость плюс" (utility pricing system) - в этой системы цены будут установлены регулятором после анализа всех составляющих себестоимости и в тарифы будет заложена маржа для производителей. В случае двойной системы генерации, такая ценовая политика позволит покрыть всю себестоимость - включая новые линии электропередач на сверхбольшие расстояния и новые электростанции, даже если они будут значительное время простаивать.

Это позволит решит проблему убыточности для производителей, но от роста цен на энергию не спасет. Тарифы станут неподъемными для потребителей, энергопотребление будет сокращаться, разразится рецессия. Но по меньшей мере такая система не накроется еще раньше из-за неадекватных доходов поставщиков. 

 

Заключение

По причинам указанным выше, построить энергосистему, основанную полностью на возобновляемых источниках, невозможно.  

В некотором смысле, ветряки и солнечные панельки являются весьма дорогостоящим "плацебо", создающим для общества иллюзию решения проблемы. Люди хотя бы думают, что проблема решается.

Тем временем, в реальной жизни возникает все больше проблем с прерывистой генерацией. В Австралии серия блекаутов случилась как раз по причине большой доли прерывистой генерации в энергосистеме, причем решения для этой проблемы будет чрезвычайно дорогостоящим. 

Вот еще отчет о проблемах в Испании. Она установила кучу ветряков и панелек, но в недавнее похолодание они не дали генерацию. Испания взяла газ из газопровода из Алжира, но Алжир теперь отключает поставки. Испания добавила линии, чтобы брать энергию с севера Франции.  Результатом станет, вероятно, рост цен на энергию в Испании, потому как у Франции самой нет особого избытка. Следует задать вопрос - а решают ли линии электропередач проблему поставок энергии? Страна может сколько угодно надеяться, что "рынок" даст энергию откуда-то, но приняла ли она сама адекватные меры для поставок собственной электроэнергии?

Пришла пора отказаться от идеи, что "возобновляемая" энергетика полезна для энергосистемы. Мы видим, что солнечная и ветряная энергетика чрезвычайно дороги, если учесть все составляющие себестоимости. Необходимо понять, кто мы есть в реальности и прекратить жить в мире сказок и фантазий, созданных политиками, желающим создать у нас иллюзию, что все под контролем.