Экономика новой энергии»: упражнение в магическом мышлении.

Растущий хор голосов увещевает общественность, а также правительственные политики, принять необходимость, действительно, неизбежность-переход общества к «новой энергетической экономике» (см  . Пик Углеводороды только вокруг угла. ) Защитники утверждают , что быстрые технологические изменения становятся настолько разрушительными, а возобновляемые источники энергии становятся такими дешевыми и такими быстрыми, что нет экономического риска в ускорении перехода - или даже в обязательном порядке - в пост-углеводородный мир, которому больше не нужно много, если вообще есть, нефти , природный газ или уголь.

Центральным в этом мировоззрении является предположение о том, что энергетический сектор испытывает те же технологические сбои, которые технология Силиконовой долины принесла на многие другие рынки. Действительно, энергетические компании «старой экономики» являются плохим выбором для инвесторов, по мнению сторонников новой энергетической экономики, потому что активы углеводородных компаний скоро станут бесполезными или «застряли». [ 1 ] Ставки на углеводородные компании сегодня подобны ставки на Sears вместо Amazon десять лет назад.

Пик углеводородов просто за углом

«[Чистые технологии] являются прекрасным примером 10-кратного экспоненциального процесса, который уничтожит ископаемое топливо с рынка примерно через десятилетие». - Тони Себа, экономист из Стэнфорда   «До сих пор наблюдатели в основном обращали внимание на вероятную эффективность климатической политики, но не на продолжающийся и практически необратимый технологический [энергетический] переход». - Жан-Франсуа Меркюр, Кембриджский университет   «[К] 2030 году стоимость [солнечной энергии] может быть настолько близка к нулю, что фактически будет бесплатной», - Сэм Ари, аналитик UBS.   «Мир переживает глобальную энергетическую трансформацию, движимую технологическими изменениями и новыми политическими приоритетами». - Европейский Союз, Миссия Возможный доклад для G20   «Глобальный переход к экологически чистой энергии идет полным ходом, но необходимо сделать гораздо больше». - Письмо на саммит G7 от 288 крупнейших инвесторов мира   «Углеродный налог должен увеличиваться с каждым годом до тех пор, пока не будут достигнуты цели по сокращению выбросов [которые] ... будут стимулировать [безуглеродные] технологические инновации и крупномасштабное развитие инфраструктуры». - План Бейкера-Шульца, подписанный экономистами, нобелистами и ФРС Резервные стулья и др.   «Зеленые технологии, такие как батареи, солнечная и ветровая энергия, совершенствуются гораздо быстрее, чем многие осознают ... [Это] крупнейшая перестановка в экономике после промышленной революции», - Джереми Грэнтем, инвестор, миллиардер   «Замена смартфонов в начале 2000-х годов казалась не более неизбежной, чем сегодня кажется масштабной заменой энергии», - Международный валютный фонд   Источник: Тони Себа, «Чистые разрушения» (видео), Стэнфордский университет, 2017; Жан-Франсуа Меркюр цитирует в статье Стива Хэнли «Углеродный пузырь, который вот-вот лопнет, оставляя за собой триллионы неиспользованных активов, требует новых исследований», «Чистая техника», 5 июня 2018 г .; Сэм Арье, «Возобновляемые источники энергии готовы участвовать в глобальной энергетической гонке», Financial Times , 13 августа 2018 года; ОЭСР, «Миссия выполнима», Комиссия по энергетическим переходам, ноябрь 2018 года; Стив Хэнли, «В преддверии встречи G7, инвесторы призывают положить конец субсидиям на электроэнергию и ископаемое топливо», Clean Technica, 5 июня 2018 г .; «Заявление экономистов о дивидендах углерода; «Инвестирование пророка Джереми Грэнтэма направлено на изменение климата», Bloomberg, 17 января 2019 года; Wall Street Journal16 января 2019 года (план Бейкера-Шульца); Международный валютный фонд, «Переход на энергетический переход: нефть после 2040 года», май 2017 г.

«Миссия выполнима», доклад 2018 года международной комиссии по энергетическим переходам, кристаллизовал это растущее мнение по обе стороны Атлантики. [ 2 ] Чтобы «обезуглерожить» использование энергии, в докладе содержится призыв к миру участвовать в трех «дополнительных Действия: агрессивное использование возобновляемых источников энергии или так называемых чистых технологий, повышение эффективности использования энергии и ограничение спроса на энергию.

Это предписание должно звучать знакомо, поскольку оно идентично почти универсальному консенсусу в области энергетической политики, который сформировался после арабского нефтяного эмбарго 1973–74 годов, которое потрясло мир. Но в то время как энергетическая политика за последние полвека была основана на страхе истощения ресурсов, в настоящее время существует опасение, что сжигание богатых в мире углеводородов выделяет опасные количества углекислого газа в атмосферу.

Безусловно, история показывает, что грандиозные энергетические переходы возможны. Ключевой вопрос сегодня заключается в том, находится ли мир на грани другого.

Короткий ответ: нет. Есть два основных недостатка тезиса о том, что мир может вскоре отказаться от углеводородов. Первое: физические реалии не позволяют энергетическим областям претерпевать такие революционные изменения, которые произошли на цифровых границах. Второе: за столетие не было обнаружено или изобретено принципиально новой энергетической технологии - конечно, ничего похожего на изобретение транзистора или Интернета.

Прежде чем объяснить эти недостатки, лучше всего понять контуры современной энергетической экономики на основе углеводородов и понять, почему ее замена была бы монументальным, если не невозможным, делом.

Политика Moonshot и проблема масштаба

Вселенная полна энергии. Для человечества задача всегда заключалась в том, чтобы доставлять энергию полезным способом, который одновременно терпим и доступен, когда это необходимо, а не когда природа или удача предлагают это. Будь то ветер или вода на поверхности, солнечный свет сверху или углеводороды, спрятанные глубоко в земле, для преобразования источника энергии в полезную энергию всегда требуется капиталоемкое оборудование.

Учитывая численность населения мира и размер современной экономики, масштаб имеет значение. В физике, пытаясь изменить какую-либо систему, приходится иметь дело с инерцией и различными силами сопротивления; Поворот или остановку Боинга гораздо сложнее, чем шмеля. В социальной системе изменить направление страны намного сложнее, чем местное сообщество.

Реальность сегодняшнего дня: углеводороды - нефть, природный газ и уголь - обеспечивают 84% мировой энергии, доля которой снизилась лишь незначительно с 87% два десятилетия назад ( Рисунок 1 ). [ 3 ] За эти два десятилетия общее потребление энергии в мире вырос на 50%, что равняется добавлению спроса на две целые США. [ 4 ]

 

 

Небольшое процентное снижение доли углеводородов в мировом потреблении энергии потребовало более 2 триллионов долларов в совокупных глобальных расходах на альтернативы за этот период. [ 5 ] Популярные изображения полей, украшенных ветряными мельницами, и крыш, нагруженных солнечными элементами, не меняют факт что эти два источника энергии сегодня обеспечивают менее 2% мирового энергоснабжения и 3% энергоснабжения США.

Масштабная задача для любой трансформации энергетического ресурса начинается с описания. Сегодня мировая экономика требует ежегодной добычи 35 миллиардов баррелей нефти плюс энергетический эквивалент еще 30 миллиардов баррелей нефти из природного газа, плюс энергетический эквивалент еще 28 миллиардов баррелей нефти из угля. В визуальном плане: если бы все это топливо было в форме нефти, бочки образовывали бы линию от Вашингтона, округ Колумбия, до Лос-Анджелеса, и вся эта линия увеличивалась бы по высоте на один монумент Вашингтона каждую неделю.

Чтобы полностью заменить углеводороды в течение следующих 20 лет, мировое производство возобновляемой энергии должно было бы увеличиться по крайней мере в 90 раз. [ 6 ] Для контекста: потребовалось полвека, чтобы глобальная добыча нефти и газа увеличилась в 10 раз. [ 7 ] Это фантазия, если не учитывать, что любая новая форма энергетической инфраструктуры теперь может расширяться в девять раз больше, чем за неполный период времени.

Если бы первоначальная цель была более скромной - скажем, заменить углеводороды только в США и только теми, которые используются для выработки электроэнергии - проект потребовал бы промышленных усилий, превышающих уровень мобилизации во время Второй мировой войны. [ 8 ] Переход к 100 % неуглеводородной электроэнергии к 2050 году потребует от США программы строительства энергосистем, в 14 раз превышающей темпы строительства энергосистем, имевшие место за последние полвека. [ 9 ] Затем, чтобы завершить преобразование, это прометейское усилие Нужно более чем удвоить, чтобы заняться неэлектрическими секторами, где потребляется 70% углеводородов США. И все это затронет лишь 16% мирового потребления энергии, доля Америки.

Эта непростая задача вызывает общий ответ: «Если мы сможем посадить человека на Луну, мы, безусловно, сможем [заполнить пробел любой желательной целью]». Но преобразование экономики энергетики не похоже на то, чтобы отправить на Луну несколько человек. несколько раз. Это похоже на то, как будто все человечество отправлено на Луну навсегда.

Физические стоимостные реалии ветра и солнца

Технологии, лежащие в основе нового видения экономии энергии, охватывают всего три вещи: ветряные мельницы, солнечные батареи и батареи. [ 10 ] Хотя батареи не производят энергию, они имеют решающее значение для обеспечения того, чтобы эпизодические ветровые и солнечные энергии были доступны для использования в дома, предприятия и транспорт.

Тем не менее, ветряные мельницы и солнечная энергия сами по себе не являются «новыми» источниками энергии. Современная ветряная турбина появилась 50 лет назад и стала возможной благодаря новым материалам, особенно на основе углеводородного стекловолокна. Первая коммерчески жизнеспособная солнечная технология также датируется полвека, как и изобретение литиевой батареи (исследователем Exxon). [ 11 ]

В течение десятилетий все три технологии значительно улучшились и стали примерно в 10 раз дешевле. [ 12 ] Помимо субсидий, этот факт объясняет, почему в последние десятилетия использование ветра / солнца так сильно расширилось от практически нулевого уровня.

Тем не менее, технология ветра, солнечной энергии и батарей будет продолжать улучшаться в определенных пределах. Эти ограничения имеют большое значение, о чем позже, из-за огромного спроса на энергию в современном мире и реалий источников энергии, предлагаемых матерью-природой.

 

С сегодняшней технологией, солнечные панели на 1 миллион долларов США произведут около 40 миллионов киловатт-часов (кВтч) в течение 30-летнего периода эксплуатации ( Рисунок 2 ). Подобный показатель верен и для ветра: современная ветротурбина стоимостью 1 млн. Долларов США вырабатывает 55 млн. КВтч за те же 30 лет. [ 13 ] Между тем, на оборудовании для сланцевой установки стоимостью 1 млн. Долларов будет произведено достаточно природного газа за 30 лет, чтобы произвести более 300 миллионов кВтч. [ 14 ] Это составляет примерно на 600% больше электроэнергии для того же капитала, потраченного на оборудование для производства первичной энергии. [ 15 ]

 

Принципиальные различия между этими энергетическими ресурсами также могут быть проиллюстрированы с точки зрения отдельного оборудования. Для затрат на бурение одной сланцевой скважины можно построить две ветряные турбины высотой 500 м, мощностью 2 МВт. Эти две ветряные турбины производят суммарную мощность, усредненную по годам, до энергетического эквивалента 0,7 баррелей нефти в час. Те же деньги, потраченные на одну сланцевую установку, дают 10 баррелей нефти в час или ее эквивалент энергии в природном газе, усредненный за десятилетия. [ 16 ]

Огромное несоответствие в объеме производства обусловлено врожденными различиями в плотности энергии, которые являются признаками природы, неуязвимой для общественных устремлений или государственных субсидий. Высокая плотность энергии физической химии углеводородов уникальна и хорошо понятна, так же как и наука, лежащая в основе низкой плотности энергии, присущей поверхностному солнечному свету, объемам ветра и скорости. [ 17 ] Независимо от того, что правительства диктуют, что коммунальные услуги платят за эту продукцию количество произведенной энергии определяется тем, сколько солнечного света или ветра доступно за любой период времени, и физикой эффективности преобразования фотоэлектрических элементов или ветряных турбин.

Подобные сравнения ветрового, солнечного и природного газа иллюстрируют отправную точку в использовании полезного сырья. Но для того, чтобы любая форма энергии стала основным источником энергии, требуются дополнительные технологии. Что касается газа, то он обязательно тратит деньги на турбогенератор, чтобы преобразовать топливо в электрическую сеть. Для ветра / солнца требуются расходы на некоторые виды хранения, чтобы преобразовать эпизодическое электричество в электроэнергию 24 часа в сутки 7 дней в неделю.

Высокая стоимость обеспечения доступности энергии

Доступность - это самая важная особенность любой энергетической инфраструктуры, за которой следует цена, за которой следует вечный поиск снижения затрат без влияния на доступность. До современной энергетической эры экономический и социальный прогресс был затруднен эпизодическим характером доступности энергии. Вот почему до настоящего времени более 90% электроэнергии в Америке и 99% электроэнергии, используемой на транспорте, поступают из источников, которые могут легко поставлять энергию в любое время по требованию [ 18 ].

В нашем, ориентированном на данные, все более наэлектризованном обществе жизненно важна всегда доступная власть. Но, как и во всем, физика ограничивает технологии и затраты на обеспечение доступности. [ 19 ] Для систем на основе углеводородов в наличии преобладает стоимость оборудования, которое может непрерывно преобразовывать топливо в энергию в течение не менее 8000 часов. год, на протяжении десятилетий. Между тем, по своей природе легко хранить сопутствующее топливо для удовлетворения ожидаемых или неожиданных скачков спроса или сбоев доставки в цепочке поставок, вызванных погодой или авариями.

Стоимость хранения нефти или природного газа (в пересчете на нефтегазовый эквивалент) в течение нескольких месяцев составляет менее 1 доллара США. [ 20 ] Хранение угля еще дешевле. Таким образом, неудивительно, что в США в среднем имеется потребность в хранении каждого вида углеводородов в любой момент времени на один-два месяца . [ 21 ]

Между тем, при использовании батарей стоимость хранения энергии, эквивалентной одному баррелю нефти, составляет приблизительно 200 долларов США. [ 22 ] Таким образом, вместо месяцев в двух общих батареях общего назначения можно хранить лишь два часа потребности страны в электроэнергии. на сетке плюс все батареи в 1 миллионе электромобилей, которые существуют сегодня в Америке. [ 23 ]

Для ветра / солнца характеристики, которые доминируют в стоимости доступности, инвертированы по сравнению с углеводородами. В то время как солнечные батареи и ветряные турбины действительно изнашиваются и требуют технического обслуживания, физика и, следовательно, дополнительные затраты на этот износ менее сложны, чем с турбинами внутреннего сгорания. Но сложная и сравнительно нестабильная электрохимия батарей делает по своей природе более дорогой и менее эффективный способ хранения энергии и обеспечения ее доступности.

Поскольку углеводороды так легко хранятся, обычные электростанции в режиме ожидания можно отправлять - наращивать и уменьшать - чтобы удовлетворить циклический спрос на электроэнергию. Ветровые турбины и солнечные батареи не могут быть отправлены, когда нет ветра или солнца. Что касается геофизики, то как ветряные, так и солнечные машины вырабатывают энергию, усредненную за год, примерно в 25–30% случаев, часто реже. [ 24 ] Однако обычные электростанции имеют очень высокую «готовность» , »В диапазоне 80–95% и часто выше. [ 25 ]

Ветровая / солнечная сеть должна быть рассчитана таким образом, чтобы соответствовать как пиковому спросу, так и иметь достаточную дополнительную мощность сверх пиковых потребностей, чтобы производить и накапливать дополнительное электричество при наличии солнца и ветра. Это означает, в среднем, что чистая ветро / солнечная система обязательно должна примерно в три раза превышать пропускную способность углеводородной сети: то есть необходимо построить 3 кВт ветро / солнечного оборудования на каждый 1 кВт выброшенного оборудования для сжигания. Это напрямую приводит к трехкратному снижению стоимости, даже если затраты на киловатт были одинаковыми. [ 26 ]

Даже этой необходимой дополнительной мощности недостаточно. Метеорологические и эксплуатационные данные показывают, что среднемесячная выработка энергии ветра и солнца может упасть в два раза в течение соответствующего «низкого» сезона каждого источника [ 27 ].

Миф о четности сетки

Как соотносятся эти недостатки мощности и стоимости с утверждениями о том, что ветер и солнечная энергия уже находятся на уровне или близки к «паритету энергосистемы» с обычными источниками электроэнергии? Энергетическое информационное агентство США (EIA) и другие подобные аналитические отчеты сообщают о «нормированной стоимости энергии» (LCOE) для всех типов электроэнергетических технологий. В расчетах ОВОС ОВОС электроэнергия от ветряной турбины или солнечной батареи рассчитывается как 36% и 46%, соответственно, дороже, чем от газовой турбины, т. Е. Приближается к паритету. [ 28 ] Но в критической и редко отмечаемой предостережение, EIA заявляет: «Значения LCOE для отправляемых и не отправляемых технологий перечислены отдельно в таблицах, потому что их сравнение должно проводиться тщательно » [ 29] (выделение добавлено). Иными словами, расчеты LCOE не учитывают массив реальных, если скрытых, затрат, необходимых для эксплуатации надежной энергетической инфраструктуры 24/7 и 365 дней в году, или, в частности, сети, в которой используются только ветряные электростанции. / солнечная.

LCOE рассматривает оборудование изолированно, игнорируя при этом реальные системные затраты, необходимые для круглосуточного энергоснабжения. Одинаково вводит в заблуждение, расчет LCOE, несмотря на свою иллюзию точности, опирается на различные предположения и предположения, которые могут быть спорными, если не предвзятым.

Например, LCOE предполагает, что будущая стоимость конкурирующих видов топлива, в частности природного газа, значительно возрастет. Но это означает, что LCOE - это скорее прогноз, чем расчет. Это важно, потому что «выровненная стоимость» использует такой прогноз для расчета предполагаемой средней стоимости за длительный период. Предположение о том, что цены на газ будут расти, противоречит тому факту, что они снизились за последнее десятилетие, и свидетельствам того, что низкие цены являются новой нормой в обозримом будущем. [ 30 ] Корректировка расчета LCOE для отражения будущего, в котором газ цены не растут радикально, увеличивая преимущество LCOE в стоимости природного газа по сравнению с ветром / солнечной энергией.

LCOE включает в себя еще более субъективную функцию, называемую «ставкой дисконтирования», которая является способом сравнения стоимости денег сегодня и будущего. Низкая ставка дисконтирования имеет эффект наклона результата, чтобы сделать более привлекательным тратить драгоценный капитал сегодня для решения будущей (теоретической) проблемы. Сторонники использования низких ставок дисконтирования, по сути, предполагают медленный экономический рост. [ 31 ]

Высокая ставка дисконтирования фактически предполагает, что будущее общество будет гораздо богаче, чем сегодня (не говоря уже о более совершенных технологиях). [ 32 ] Работа экономиста Уильяма Нордхауса в этой области, в которой он выступает за использование высокой ставки дисконтирования, принесла ему Нобелевскую премию 2018 года. Приз.

LCOE также требует предположения о средних коэффициентах мощности за несколько десятилетий, о доле времени, в течение которого оборудование фактически работает (т. Е. О реальном, а не теоретическом количестве времени, когда солнце светит и дует ветер). EIA предполагает, например, коэффициенты пропускной способности 41% и 29% соответственно для ветра и солнца. Но данные, собранные с действующих ветряных и солнечных ферм, показывают фактические средние коэффициенты мощности 33% и 22%. [ 33 ] Разница между допущением 40%, но с коэффициентом 30% означает, что в течение 20-летнего срока службы 2 - Ветровая турбина МВТ, предполагаемая в финансовых моделях 3 млн. Долл. США производства энергии не будет, и это для турбины с начальной капитальной стоимостью около 3 млн. Долл. США.

В последние два десятилетия коэффициенты мощности ветроэлектростанций в США улучшались, но медленными темпами, составляющими около 0,7% в год. [ 34 ] Примечательно, что этот прирост был достигнут, главным образом, за счет уменьшения числа турбин на акр, пытающихся собрать мусор в движущемся воздухе - в результате средняя площадь используемой земли на единицу энергии ветра увеличилась примерно на 50%.

Расчеты LCOE действительно включают затраты на такие вещи, как налоги, стоимость заимствований и обслуживания. Но и здесь математические результаты дают видимость точности, скрывая предположения. Например, предположения о затратах на техническое обслуживание и производительности ветряных турбин в долгосрочной перспективе могут быть чрезмерно оптимистичными. Данные из Великобритании, которая находится на более благоприятном для ветра пути, чем США, указывают на гораздо более быструю деградацию (меньше электроэнергии на турбину), чем первоначально прогнозировалось. [ 35 ]

Чтобы решить хотя бы одну проблему с использованием LCOE в качестве инструмента, Международное энергетическое агентство (МЭА) недавно предложило идею «LCOE с поправкой на стоимость», или VALCOE, чтобы включить элементы гибкости и учесть экономические последствия диспетчеризации. Расчеты МЭА с использованием метода VALCOE позволили получить, например, энергию угля, намного более дешевую, чем солнечную, с увеличением штрафа по мере увеличения доли энергосистемы в сети [ 36 ].

Можно было бы ожидать, что задолго до того, как энергосистема станет 100% ветровой / солнечной, виды реальной стоимости, описанные выше, уже должны быть видны. Как это происходит, независимо от предполагаемых LCOE, у нас есть доказательства экономического воздействия, которое возникает в результате увеличения использования энергии ветра и солнца.

Скрытые затраты на «зеленую» сетку

Субсидии, налоговые льготы и мандаты могут скрывать реальные затраты, но когда их накапливается достаточно, эффект должен быть заметен в общих системных затратах. И это. В Европе данные показывают, что чем выше доля ветра / солнца, тем выше средняя стоимость электроэнергии в сети ( Рисунок 3 ).

 

 

Германия и Великобритания, следуя по пути «новой энергии», увидели, что средние тарифы на электроэнергию выросли на 60–110% за последние два десятилетия. [ 37 ] Та же самая картина - больше счетов за ветер / солнечную энергию и более высокие счета - видна в Австралии и Канада. [ 38 ]

Поскольку доля энергии ветра на душу населения в США все еще составляет лишь небольшую долю от доли в большинстве стран Европы, влияние затрат на американских налогоплательщиков менее драматично и менее заметно. Тем не менее, средние расходы на электроэнергию в США за последние 15 лет выросли примерно на 20%. [ 39 ] Этого не должно было быть. Средние электрические тарифы должны были упасть, а не повыситься.

Вот почему: уголь и природный газ вместе поставляли около 70% электроэнергии в течение этого 15-летнего периода. [ 40 ] На топливо приходится около 60–70% затрат на производство электроэнергии при использовании углеводородов. [ 41 ] Таким образом, Примерно половина средней стоимости американской электроэнергии зависит от цен на уголь и газ. За эти 15 лет цена обоих этих видов топлива снизилась более чем на 50%. Расходы на коммунальные услуги, в частности, на покупку газа и угля, снизились примерно на 25% только за последнее десятилетие. Другими словами, экономия затрат в результате революции в сланцевом газе значительно изолировала потребителей от еще более высоких темпов роста.

Более широкое использование ветра / солнца влечет за собой множество скрытых, основанных на физике затрат, которые редко признаются в коммунальном или государственном учете. Например, когда большие количества энергии быстро, многократно и непредсказуемо циклически увеличиваются и уменьшаются, проблема и затраты, связанные с «балансировкой» энергосистемы (то есть, предотвращая ее сбой), значительно возрастают. Аналитики ОЭСР считают, что, по крайней мере, некоторые из этих «невидимых» затрат, налагаемых на энергосистему, прибавляют 20–50% к стоимости киловатт-часов энергосистемы. [ 42 ]

Кроме того, переключение роли существующих электростанций энергосистемы с первичной на резервную для ветро / солнечной энергии приводит к другим реальным, но нераспределенным затратам, возникающим из физических реалий. Увеличение циклов работы обычных электростанций увеличивает износ и затраты на техническое обслуживание. Это также уменьшает использование этих дорогостоящих активов, что означает, что капитальные затраты распределяются на меньшее количество произведенных кВт-ч, что приводит к арифметическому увеличению стоимости каждого из этих киловатт-часов. [ 43 ]

Затем, если доля эпизодической силы становится значительной, потенциал возрастает для полного отключения системы. Это произошло дважды после того, как ветер неожиданно стих (с некоторыми покупателями на несколько дней в некоторых районах) в штате Южная Австралия, который получает более 40% своей электроэнергии от ветра. [ 44 ]

После полного отключения системы в Южной Австралии в 2018 году Тесла, с большим количеством фанатов средств массовой информации, установил крупнейшую в мире «ферму» литиевых батарей в этой сети. [ 45 ] Для контекста, чтобы Южная Австралия горела в течение одной половины дня без Для ветра потребовалось бы 80 таких «крупнейших в мире» аккумуляторных ферм Tesla, и это сеть, которая обслуживает всего 2,5 миллиона человек.

У инженеров есть другие способы достижения надежности; использование старомодных гигантских дизельных генераторов в качестве резервного (двигатели, по сути, такие же, как те, которые приводят в движение круизные лайнеры или используются для резервного копирования центров обработки данных). Без фанфары, из-за растущего использования ветра, американские коммунальные службы устанавливали двигатели в масштабе решетки с бешеной скоростью. В настоящее время энергосистема насчитывает более 4 миллиардов долларов в виде генераторов с приводом от двигателя (достаточно для примерно 100 круизных лайнеров), и их будет еще больше. Большинство из них сжигают природный газ, хотя многие из них работают на нефти. За последние два десятилетия в сеть Америки было добавлено в три раза больше таких больших поршневых двигателей, чем за полвека до этого [ 46 ].

Все эти затраты реальны и не относятся к ветряным или солнечным генераторам. Но потребители электричества платят им. Способ понять, что происходит: управление сетками со скрытыми затратами, налагаемыми на невыгодных игроков, было бы похоже на взимание платы с водителей автомобилей за износ автомагистралей, вызванный тяжелыми грузовиками, и одновременно субсидирование затрат на заправку этих грузовиков.

Проблема с ветровой и солнечной энергией сводится к простому вопросу: их использование в национальном масштабе нецелесообразно в качестве основного или основного источника топлива для выработки электроэнергии. Как и в случае с любой технологией, раздвигание границ практического использования возможно, но, как правило, нецелесообразно или неэффективно. Вертолеты предлагают поучительную аналогию.

Разработка практического вертолета в 1950-х годах (спустя четыре десятилетия после его изобретения) вдохновила широко распространенную гиперболу на эту технологию, революционизировавшую личный транспорт. Сегодня производство и использование вертолетов - это нишевая отрасль с многомиллиардным оборотом, предоставляющая полезные и зачастую жизненно важные услуги. Но нельзя было бы больше использовать вертолеты для регулярных рейсов по Атлантике - хотя это возможно при сложной логистике - чем использовать ядерный реактор для питания поезда или фотоэлектрические системы для питания страны.

Батареи не могут спасти решетку или планету

Аккумуляторы являются основной характеристикой новых стремлений экономии энергии. Это действительно произвело бы революцию в мире, чтобы найти технологию, которая могла бы хранить электричество так же эффективно и дешево, как, скажем, нефть в бочке или природный газ в подземной пещере. [ 47 ] Такое оборудование для хранения электроэнергии сделало бы ненужным даже строительство отечественные электростанции. Можно представить себе OKEC (Организацию стран-экспортеров в киловатт-часах), которая отправляла бочки электронов по всему миру из стран, где стоимость заполнения этих «бочек» была самой низкой; солнечные батареи в Сахаре, угольные шахты в Монголии (вне досягаемости западных регуляторов) или великие реки Бразилии.

Но во вселенной, в которой мы живем, затраты на хранение энергии в батареях масштаба сетки, как отмечалось ранее, примерно в 200 раз больше, чем затраты на хранение природного газа для выработки электроэнергии, когда это необходимо. [ 48 ] Вот почему мы хранить в любое время месячные затраты на национальное энергоснабжение в виде природного газа или нефти.

Аккумуляторная батарея это совсем другое дело. Рассмотрим Tesla, самого известного в мире производителя аккумуляторов: для хранения энергетического эквивалента одного барреля нефти необходимы аккумуляторы Tesla стоимостью 200 000 долларов, которые в совокупности весят более 20 000 фунтов [ 49 ]. Между тем баррель нефти весит 300 фунтов. и может храниться в баке за 20 долларов. Таковы реалии современных литиевых батарей. Даже 200-процентное улучшение экономики и технологий, связанных с аккумулятором, не устранит такой разрыв.

Тем не менее, политики в Америке и Европе с энтузиазмом принимают программы и субсидии для значительного расширения производства и использования батарей в масштабе сетки. [ 50 ] Для поддержания энергосистемы на уровне страны потребуется огромное количество батарей, а уровень добычи полезных ископаемых необходим для исходное сырье будет эпическим. По крайней мере, для США, учитывая, где добываются материалы и где производятся батареи, импорт резко возрастет. Перспектива каждой из этих реалий выглядит следующим образом.

Сколько батарей потребуется, чтобы зажечь нацию?

Сетка, полностью основанная на ветре и солнечной энергии, требует выхода за рамки подготовки к нормальной суточной изменчивости ветра и солнца; это также означает подготовку к частоте и продолжительности периодов, когда было бы не только гораздо меньше ветра и солнечного света, но и к периодам, когда не было бы ни того, ни другого. Несмотря на то, что такое комбинированное событие - дневной континентальный облачный покров без существенного ветра где-либо, или ночное время без ветра - встречалось редко, оно происходило более десятка раз за прошедшее столетие - фактически раз в десятилетие. В этих случаях объединенная ветро-солнечная сеть не сможет обеспечить крошечную долю потребностей страны в электроэнергии. Также были частые часовые периоды, когда 90% национального энергоснабжения исчезло бы. [ 51 ]

Итак, сколько аккумуляторов потребуется, чтобы хранить, скажем, не двухмесячную, а двухдневную электроэнергию страны? «Гигафабрика Тесла» стоимостью 5 млрд. Долларов в Неваде в настоящее время является крупнейшим в мире производителем аккумуляторов. [ 52 ] Его общий годовой объем производства может обеспечить ежегодную потребность США в электроэнергии на три минуты . Таким образом, чтобы изготовить некоторое количество батарей для хранения спроса на электроэнергию в США за два дня, потребовалось бы 1000 лет производства Gigafactory.

Сторонники ветра / солнца предлагают минимизировать использование батареи с помощью чрезвычайно длинных линий электропередачи, наблюдая, что где-то всегда ветрено или солнечно. Хотя теоретически это возможно (хотя и не всегда верно, даже на географическом уровне страны), продолжительность передачи, необходимая для достижения где-то «всегда» солнечного / ветреного, также влечет за собой значительные проблемы с надежностью и безопасностью. (А транспортировка энергии на большие расстояния по проводам вдвое дороже, чем по трубопроводу.) [ 53 ]

Строительство огромного количества батарей будет иметь эпические последствия для майнинга

Ключевое обоснование для достижения новой энергетической экономики заключается в сокращении экологических последствий от использования углеводородов. Хотя в настоящее время основное внимание уделяется предполагаемому долгосрочному воздействию углекислого газа, все виды производства энергии влекут за собой различные нерегулируемые внешние эффекты, присущие добыче, перемещению и переработке минералов и материалов.

Радикальное увеличение производства батарей резко повлияет на добычу полезных ископаемых, а также на энергию, используемую для доступа, обработки и перемещения минералов, и энергию, необходимую для самого процесса изготовления батарей. Для хранения энергии, эквивалентной энергии одного фунта углеводородов, требуется около 60 фунтов батарей. Между тем, 50-100 фунтов различных материалов добываются, перемещаются и обрабатываются на один фунт произведенной батареи. [ 54 ] Такие базовые реалии превращаются в огромные количества минералов, таких как литий, медь, никель, графит, редкоземельные элементы и кобальт - который нужно было бы извлечь из земли, чтобы изготовить батареи для электросетей и автомобилей. [ 55 ] Будущее, основанное на батареях, означает, что в мире будет добываться больше материалов. [ 56]И это ничего не говорит о гигантских материалах, необходимых для изготовления ветряных турбин и солнечных батарей. [ 57 ]

Даже без новой экономии энергии, добыча, необходимая для производства батарей, скоро будет доминировать в производстве многих полезных ископаемых. На производство литиевых батарей сегодня уже приходится примерно 40% и 25%, соответственно, всей добычи лития и кобальта. [ 58 ] В будущем, когда все батареи работают, глобальная добыча должна была бы увеличиться более чем на 200% для меди, по крайней мере, на 500% для минералов, таких как литий, графит и редкоземельные элементы, и гораздо больше, чем для кобальта. [ 59 ]

Затем есть углеводороды и электричество, необходимые для осуществления всех видов деятельности по добыче полезных ископаемых и для изготовления самих батарей. Грубо говоря, требуется энергетический эквивалент около 100 баррелей нефти, чтобы изготовить такое количество батарей, которое может хранить один баррель энергии, эквивалентной маслу. [ 60 ]

Учитывая регуляторную враждебность к добыче полезных ископаемых на континенте США, энергетическое будущее, ориентированное на аккумуляторы, фактически гарантирует увеличение добычи полезных ископаемых в других местах и ​​рост зависимости от импорта для Америки. Большинство соответствующих рудников в мире находятся в Чили, Аргентине, Австралии, России, Конго и Китае. Примечательно, что Демократическая Республика Конго производит 70% мирового кобальта, а Китай перерабатывает 40% этой продукции для всего мира. [ 61 ]

Китай уже доминирует в мировом производстве аккумуляторов и планирует к 2020 году поставлять почти две трети всей продукции. [ 62 ] Актуальность для новой концепции энергосбережения: 70% энергосистемы Китая сегодня работают на угле и будут по-прежнему на уровне 50 % в 2040 году. [ 63 ] Это означает, что в течение срока службы батарей будет больше выбросов углекислого газа, связанных с их производством, чем было бы компенсировано использованием этих батарей, скажем, для замены двигателей внутреннего сгорания. [ 64 ]

Преобразование личного транспорта от сжигания углеводородов к транспортным средствам с батарейным питанием является еще одной центральной опорой новой энергетической экономики. Ожидается, что электромобили (EV) не только заменят нефть на дорогах, но и послужат резервным хранилищем для электрической сети. [ 65 ]

Литиевые батареи наконец-то позволили электромобилям стать достаточно практичными. Tesla, которая теперь продает больше автомобилей в высшей ценовой категории в Америке, чем Mercedes-Benz, вдохновила стремление мировых производителей производить привлекательные автомобили с батарейным питанием. [ 66 ] Это подтолкнуло бюрократические устремления к прямым запретам на продажу двигателей внутреннего сгорания, особенно в Германии, Франции, Великобритании и, что неудивительно, в Калифорнии.

Такой запрет нелегко представить. Оптимисты прогнозируют, что число электромобилей в мире вырастет с сегодняшних почти 4 миллионов до 400 миллионов за два десятилетия. [ 67 ] Мир с 400 миллионами электромобилей к 2040 году уменьшит глобальный спрос на нефть всего на 6%. Это звучит нелогично, но цифры очевидны. На сегодняшний день насчитывается около 1 миллиарда автомобилей, и они используют около 30% мировой нефти. [ 68 ] (тяжелые грузовики, авиация, нефтехимия, тепло и т. Д. Используют остальное.) К 2040 году будет примерно 2 миллиарда автомобилей. в мире. Четыреста миллионов электромобилей составят 20% всех автомобилей на дорогах, что, таким образом, заменит около 6% спроса на нефть.

В любом случае, аккумуляторы не представляют собой революцию в личной мобильности, эквивалентную, скажем, переходу от лошади с коляской к машине - аналогия, которая использовалась. [ 69 ] Вождение электромобиля больше похоже на изменение того, что лошадей кормят и ввозят новый корм.

Закон Мура неверно применен

Столкнувшись со всеми изложенными выше реалиями, касающимися «зеленых» технологий, энтузиасты новой энергетической экономики, тем не менее, считают, что настоящие прорывы еще впереди и даже неизбежны. Это потому, что, как утверждается, энергетические технологии будут следовать той же траектории, которая наблюдалась в последние десятилетия в области вычислительной техники и связи. Мир еще увидит эквивалент Амазонки или «Яблока чистой энергии». [ 70 ]

Эта идея соблазнительна из-за поразительных достижений в кремниевых технологиях, которые так мало предсказателей ожидали десятилетия назад. Это идея, которая ставит под сомнение любые предостережения о том, что ветер / солнечная энергия / батареи слишком дороги сегодня - такая осторожность считается глупой и недальновидной, аналогично утверждению, что в 1980 году рядовой гражданин никогда не сможет позволить себе компьютер. Или говоря, в 1984 году (год, когда был выпущен первый в мире сотовый телефон), что миллиард человек будет иметь сотовый телефон, когда он будет стоить 9000 долларов (в сегодняшних долларах). Это был двухфунтовый «кирпич» с 30-минутным разговором.

Современные смартфоны не только намного дешевле; они намного мощнее, чем мэйнфрейм IBM размером с комнату 30 лет назад. Эта трансформация возникла в результате того, что инженеры неумолимо сократили размер и энергетический аппетит транзисторов и, следовательно, увеличили их количество на микросхему примерно в два раза каждые два года - тенденция «закона Мура», названная в честь соучредителя Intel Гордона Мура.

Сложный эффект такого прогресса действительно вызвал революцию. За последние 60 лет закон Мура показал, что эффективность использования логических движков энергии повышается более чем в миллиард раз. [ 71 ] Но подобное преобразование в том, как производится или хранится энергия, не просто маловероятно; это не может случиться с физикой, которую мы знаем сегодня.

В мире людей, автомобилей, самолетов и крупных промышленных систем увеличение скорости или грузоподъемности приводит к расширению, а не уменьшению аппаратного обеспечения. Энергия, необходимая для перемещения тонны людей, нагрева тонны стали или кремния или выращивания тонны пищи, определяется свойствами природы, границы которой определяются законами гравитации, инерции, трения, массы и термодинамики.

Например, если бы двигатели внутреннего сгорания могли достичь такой эффективности масштабирования, которую компьютеры имеют с 1971 года - года, когда Intel представила первую широко используемую интегральную схему, - автомобильный двигатель будет генерировать в тысячу раз больше лошадиных сил и уменьшаться до размеров муравья. [ 72 ] С таким двигателем машина могла летать очень быстро.

Если фотоэлектрическое оборудование масштабируется по закону Мура, солнечная батарея размером с почтовую марку будет питать Эмпайр Стейт Билдинг. Если батареи масштабируются по закону Мура, батарея размером с книгу, стоимостью три цента, может стать источником питания для А380 в Азии.

Но только в мире комиксов так работает физика движения или производства энергии. В нашей вселенной сила масштабируется по-другому.

Двигатель размером с муравья, который был построен, производит примерно в 100 000 раз меньше энергии, чем Prius. Солнечная фотоэлектрическая батарея размером с муравей (также возможная) производит в тысячу раз меньше энергии, чем биологические мышцы муравья. Энергетический эквивалент авиационного топлива, фактически использовавшегося самолетом, летевшим в Азию, потребовал бы 60 миллионов долларов на батареи типа Тесла, которые весят в пять раз больше, чем этот самолет. [ 73 ]

Задача хранения и обработки информации с использованием минимально возможного количества энергии отличается от задачи получения энергии или перемещения или изменения физических объектов. Две области влекут за собой разные законы физики.

Мир логики коренится в простом знании и сохранении факта двоичного состояния переключателя, т. Е. Включен он или выключен. Логические движки не производят физических действий, но предназначены для манипулирования идеей чисел ноль и единица. В отличие от движков, которые переносят людей, логические движки могут использовать программное обеспечение для таких вещей, как сжатие информации с помощью умной математики и, таким образом, сокращение использования энергии. В мире людей и оборудования не существует сравнимых вариантов сжатия.

Конечно, ветровые турбины, солнечные элементы и батареи будут продолжать значительно улучшаться в стоимости и производительности; То же самое касается буровых установок и турбин внутреннего сгорания (этот вопрос будет обсуждаться далее). И, конечно же, информационные технологии в Силиконовой долине принесут существенный, даже драматический выигрыш в эффективности производства и управления энергетическими и физическими товарами (перспективы также рассматриваются ниже). Но результаты не будут такими чудесными, как изобретение интегральной схемы или открытие нефтяного или ядерного деления.

Скольжение по возобновляемой асимптоте

Прогнозы по постоянному быстрому снижению затрат на ветер / солнечную батарею / батареи вдохновлены достижениями, которые эти технологии уже испытали. Первые два десятилетия коммерциализации, после 1980-х годов, привели к 10-кратному сокращению затрат. Но путь к улучшениям теперь следует тому, что математики называют асимптотой; или, говоря экономически, улучшения подчиняются закону убывающей доходности, где каждый дополнительный доход приносит меньший прогресс, чем в прошлом ( рис. 4 ).

 

 

Это нормальное явление во всех физических системах. На протяжении всей истории инженеры добились больших успехов в первые годы развития технологий, будь то ветровые или газовые турбины, паровые или парусные суда, камеры внутреннего сгорания или фотоэлектрические элементы. Со временем инженерам удается приблизиться к пределам природы. Права на хвастовство для повышения эффективности - или скорости, или других эквивалентных показателей, таких как плотность энергии (мощность на единицу веса или объем), затем уменьшаются с двузначных процентов до дробных процентных изменений. Будь то солнечные, ветряные или авиационные турбины, выигрыш в производительности теперь измеряется в процентах от одной цифры. Такой прогресс является экономически значимым, но не революционным.

Физически ограниченные пределы энергетических систем однозначны. Солнечные батареи не могут преобразовать больше фотонов, чем прибывающих с Солнца. Ветровые турбины не могут извлечь больше энергии, чем существует в кинетических потоках движущегося воздуха. Батареи являются связанными физической химии молекул , выбранных. Точно так же, независимо от того, насколько лучше станут реактивные двигатели, A380 никогда не полетит на Луну. Масляный двигатель не может производить больше энергии, чем то, что содержится в физической химии углеводородов.

Двигатели внутреннего сгорания имеют то, что называется пределом эффективности Карно, который связан с температурой сгорания и энергией, доступной в топливе. Пределы давно установлены и хорошо поняты. Теоретически, при достаточно высокой температуре 80% химической энергии, которая существует в топливе, может быть превращено в энергию. [ 74 ] Используя современные высокотемпературные материалы, лучшие углеводородные двигатели преобразуют около 50% -60% в энергию. Есть еще возможности для совершенствования, но нет ничего похожего на революционные достижения, кратные от 10 до почти 100 раз, достигнутые за первые пару десятилетий после их изобретения. Ветровые / солнечные технологии сейчас находятся на том же месте, что и асимптотическая технологическая кривая.

Для ветра граница называется пределом Бетца , который определяет, сколько кинетической энергии в воздухе может захватить клинок; этот предел составляет около 60%. [ 75 ] Захват всей кинетической энергии будет означать, по определению, отсутствие движения воздуха и, следовательно, нечего захватывать. Для вращения турбины необходим ветер. Современные турбины уже достигают 45% конверсии. [ 76 ] Это оставляет некоторую реальную выгоду, но, как и в случае двигателей внутреннего сгорания, ничего революционного. [ 77 ] Еще одно 10-кратное улучшение невозможно.

Для кремниевых фотоэлектрических ячеек (PV) физическая граница называется пределом Шокли-Кейссера: максимум около 33% поступающих фотонов преобразуется в электроны. Ультрасовременные коммерческие фотоэлектрические системы обеспечивают эффективность преобразования чуть более 26%, иными словами, вблизи границы. В то время как исследователи продолжают раскручивать новые не-кремниевые опции, которые предлагают дразнящие улучшения производительности, у всех есть схожие физические границы, и ни один из них не является даже близко близким к технологичности - не говоря уже о низких затратах. [ 78 ] Не остается 10-кратного выигрыша. [ 79 ]

Дальнейшие достижения в области ветроэнергетики и солнечной экономики в настоящее время сосредоточены на постепенных инженерных усовершенствованиях: экономия от масштаба в создании огромных турбин, более высокая, чем у монумента Вашингтона, и столь же массивные солнечные батареи масштаба масштаба квадратной мили. Для обеих технологий все основные компоненты - бетон, сталь и стекловолокно для ветра; а кремний, медь и стекло для солнечной энергетики - все уже находятся в массовом производстве и уже имеют асимптотические кривые стоимости в своих собственных областях.

Несмотря на то, что в цепочке поставок нет ничего удивительного в эффектах масштаба, это не означает, что затраты защищены от улучшений. Фактически, все производственные процессы постоянно увеличиваются в эффективности производства по мере роста объемов. Эта кривая опыта называется законом Райта. (Этот «закон» был впервые задокументирован в 1936 году, поскольку тогда он относился к задаче производства самолетов по ценам, которые могли выдержать рынки. Аналогично, хотя авиация взлетела и создала крупную мировую транспортную индустрию, она не устранила автомобили, или потребность в судах.) Следует ожидать опыта, ведущего к снижению дополнительных затрат; но, опять же, это не тот революционный прогресс, который мог бы сделать новую экономику энергии даже отдаленно правдоподобной.

Что касается современных аккумуляторов, то все еще существуют многообещающие варианты значительного улучшения их основной физической химии. Новые не литиевые материалы в исследовательских лабораториях обеспечивают прирост производительности на 200% и даже на 300%. [ 80 ] Тем не менее, такие выгоды не представляют собой разновидности 10-кратного или сто кратного прогресса в первые годы химии горения. [ 81 ] Перспективные улучшения по-прежнему оставят батареи далеко от реальной конкуренции: нефти.

Нет никаких субсидий и нет инженерных разработок в Силиконовой долине или в других местах, которые могли бы закрыть физически-ориентированный разрыв в плотности энергии между батареями и маслом ( рис. 5 ). Энергия, накопленная на фунт, является критическим показателем для транспортных средств и, особенно, самолетов. Максимальная потенциальная энергия, содержащаяся в молекулах нефти, примерно на 1500% больше, фунт на фунт, чем максимальная в химии лития. [ 82 ] Именно поэтому самолеты и ракеты приводятся в действие углеводородами. И именно поэтому 20-процентное улучшение в двигательной силе (в высшей степени выполнимое) более ценно, чем 200-процентное улучшение батарей (все еще трудно).

 

 

Наконец, когда дело доходит до пределов, уместно отметить, что технологии, которые открывают сланцевую нефть и газ, все еще находятся на ранних стадиях развития техники, в отличие от более старых технологий ветра, солнца и батарей. Достижения в десять раз все еще возможны с точки зрения того, сколько энергии может быть извлечено буровой установкой из сланцевых пород, прежде чем приблизится к физическим пределам. [ 83 ] Этот факт помогает объяснить, почему сланцевая нефть и газ добавили на 2000% больше в производство энергии в США за последнее десятилетие чем объединить ветер и солнце. [ 84 ]

Цифровизация не уберет энергетический сектор

Цифровые инструменты уже совершенствуются и могут еще больше повысить эффективность во всех областях экономики, и разумно ожидать, что программное обеспечение все же принесет значительные улучшения как в базовой эффективности ветряных / солнечных / аккумуляторных машин, так и в эффективности как такие машины интегрированы в инфраструктуру. Силиконовая логика улучшила, например, управление и, следовательно, топливную эффективность двигателей внутреннего сгорания, и она делает то же самое для ветровых турбин. Точно так же программное обеспечение, воплощенное Uber, показало, что оптимизация эффективности использования дорогих транспортных средств снижает затраты. Использование всех видов основных фондов неизбежно.

Уберизация электросети без углеводородов - это совсем другое дело.

Проблема пикового спроса, которую программное обеспечение не может решить

В энергетическом мире одна из самых неприятных проблем заключается в оптимальном согласовании спроса и предложения на электроэнергию ( Рисунок 6 ). Здесь данные показывают, что общество и потребляющие электроэнергию услуги, которые нравятся людям, создают растущий разрыв между пиками и спадами спроса. Чистым эффектом для не содержащей углеводородов энергосистемы будет увеличение потребности в батареях для удовлетворения этих пиков.

 

 

Все это имеет значение для поощрения электромобилей. С точки зрения управления неудобной циклической природой спроса, перенос потребления топлива на транспортировку из нефти в энергосистему сделает пиковое управление гораздо более сложным. Люди склонны заправляться, когда это удобно; это легко разместить с маслом, учитывая простоту хранения. Заправка электромобилем усугубит и без того эпизодический характер спроса на энергосистему.

Чтобы смягчить эту проблему, одно из предложений состоит в том, чтобы поощрять или даже требовать непиковой заправки электромобилей. [ 85 ] Жюри покажет, насколько популярной она будет или будет ли она вообще терпима.

Хотя киловатт-часы и автомобили - ключевые цели в новых рецептах энергосбережения - составляют только 60% энергосбережения, глобальный спрос на оба эти продукта находится на расстоянии веков от насыщения. Зеленые энтузиасты делают экстравагантные заявления о влиянии Uber-подобных опций и автомобилей с автоматическим управлением. Тем не менее, данные показывают, что экономическая эффективность Uberizing до сих пор увеличила использование автомобилей и пиковую загруженность городов. [ 86 ] Точно так же многие аналитики теперь видят, что автономные транспортные средства усиливают, а не ослабляют этот эффект. [ 87 ]

Это потому, что люди и, следовательно, рынки ориентированы на экономическую эффективность, а не на энергоэффективность. Первый может быть связан с сокращением использования энергии; но это также чаще всего связано с увеличением спроса на энергию. Автомобили потребляют больше энергии на милю, чем лошади, но первый дает огромный выигрыш в экономической эффективности. Компьютеры также потребляют гораздо больше энергии, чем карандаш и бумага.

Уберизация повышает энергоэффективность, но увеличивает спрос

Каждое преобразование энергии в нашей вселенной влечет за собой встроенную неэффективность - преобразование тепла в движение, углеводы в движение, фотоны в электроны, электроны в данные и так далее. Все это влечет за собой определенные энергетические затраты или потери, которые можно уменьшить, но никогда не устранять. Но в немалой иронии история показывает, как экономисты часто отмечают, что повышение эффективности приводит к увеличению, а не уменьшению потребления энергии.

Если бы на заре современной эры доступные паровые двигатели оставались такими же неэффективными, как и те, которые были изобретены первыми, они никогда бы не распространились, равно как и не было бы сопутствующего экономического роста и связанного с этим роста спроса на уголь. Мы видим то же самое с современными двигателями внутреннего сгорания. Например, современные самолеты в три раза более энергоэффективны, чем первые коммерческие пассажирские самолеты в 1950-х годах. [ 88 ] Это не привело к сокращению потребления топлива, но привело к росту воздушного движения и, соответственно, к четырехкратному увеличению реактивного топлива. сгорел. [ 89 ]

Точно так же, это было поразительное повышение энергоэффективности вычислений, которое привело к стремительному росту трафика данных в Интернете, что привело к гораздо большему количеству энергии, используемой вычислениями. В общем, глобальные вычисления и коммуникации теперь потребляют энергию, эквивалентную 3 миллиардам баррелей нефти в год, что больше энергии, чем глобальная авиация. [ 90 ]

Цель повышения эффективности в реальном мире, в отличие от политики, состоит в том, чтобы снизить стоимость использования выгод от энергопотребляющего двигателя или машины. Пока люди и компании хотят получить больше преимуществ, снижение затрат ведет к увеличению спроса, который в среднем превосходит любую «экономию» за счет повышения эффективности. На рисунке 7 показано, как этот эффект эффективности был использован для вычислений и авиаперелетов. [ 91 ]

 

 

Конечно, рост спроса на конкретный продукт или услугу может уменьшиться в (богатом) обществе, когда будут достигнуты ограничения: количество еды, которое человек может съесть, мили в день, которые человек готов проехать, количество холодильники или лампочки на домохозяйство и т. д. Но мир с 8 миллиардами человек еще далек от достижения таких ограничений.

Макро картина взаимосвязи между эффективностью и мировым спросом на энергию ясна ( рисунок 8 ). Технология постоянно повышала энергоэффективность общества. Но далеко не прекращение глобального энергетического роста, эффективность позволила это. Повышение стоимости и эффективности, вызванное цифровыми технологиями, ускорит, а не остановит эту тенденцию.

 

 

Энергетические революции все еще за горизонтом

Когда 4 миллиарда беднейших людей в мире увеличат свое потребление энергии до 15% от уровня развитых стран в расчете на душу населения, глобальное потребление энергии вырастет, что эквивалентно увеличению совокупного спроса в Соединенных Штатах [ 92 ]. Из таких прогнозов есть предложения о том, что правительства должны ограничивать спрос и даже запрещать определенные виды потребления энергии. В одной академической статье предлагалось, что «продажа энергоемких версий устройства или приложения может быть запрещена на рынке, и ограничения могут постепенно ужесточаться из года в год, чтобы стимулировать энергосберегающие линейки продуктов». [ 93 ] Другие предлагали «уменьшить зависимость от энергии», ограничивая размеры инфраструктуры или требуя использования общественного транспорта или автомобильных парков. [94 ]

Проблема здесь заключается не только в том, что более бедные люди неизбежно захотят - и смогут жить - как более богатые люди, а в том, что новые изобретения постоянно создают новые потребности в энергии. Изобретение самолета означает, что каждый произведенный новый самолет стоимостью 1 млрд. Долл. США приводит к тому, что в течение двух десятилетий авиационное топливо расходуется на его эксплуатацию. Точно так же каждый построенный ЦОД на 1 млрд долларов будет потреблять 7 млрд долларов за один и тот же период. [ 95 ] Мир покупает оба по цене около 100 млрд долларов в год [ 96 ].

Неумолимый шаг технологического прогресса для вещей, которые используют энергию, создает соблазнительную идею, что нечто радикально новое также неизбежно в способах производства энергии. Но иногда старая или устоявшаяся технология является оптимальным решением и практически невосприимчива к сбоям. Мы по-прежнему используем камень, кирпичи и бетон, все из которых относятся к древности. Мы делаем это потому, что они оптимальны, а не «старые». Так же, как колесо, водопровод, электрические провода ... список длинный. До сих пор углеводороды являются оптимальными способами обеспечения большей части того, что нужно и хочет общество.

Более десяти лет назад Google сосредоточил свои пресловутые инженерные способности на проекте под названием «RE <C», целью которого является разработка возобновляемой энергии дешевле, чем уголь. После того, как проект был отменен в 2014 году, ведущие инженеры Google написали: «Постепенных улучшений существующих [энергетических] технологий недостаточно; нам нужно что-то действительно разрушительное ... У нас нет ответов ». [ 97 ] Эти инженеры заново открыли для себя те виды физики и масштабных реалий, которые освещены в этой статье.

Энергетическая революция произойдет только благодаря стремлению к фундаментальным наукам. Или, как выразился Билл Гейтс, вызов требует научных «чудес» [ 98 ]. Они возникнут из фундаментальных исследований, а не из субсидий на вчерашние технологии. Интернет возник не от субсидирования коммутируемого телефона, или от транзистора от субсидирования вакуумных трубок, или от субсидирования железных дорог автомобиля.

Тем не менее, 95% расходов на НИОКР в частном секторе и большая часть исследований и разработок правительства направлены на «развитие», а не на фундаментальные исследования. [ 99 ] Если политики хотят революции в области энерготехнологий, единственным наиболее важным действием будет радикальная переориентация и расширить поддержку фундаментальных научных исследований.

Углеводороды - нефть, природный газ и уголь - сегодня являются основным энергетическим ресурсом в мире и будут оставаться таковыми в обозримом будущем. Между тем ветряные турбины, солнечные батареи и батареи представляют собой небольшой источник энергии, и физика требует, чтобы они так и оставались. Между тем, просто нет никакой возможности, что мир переживает - или может претерпеть - краткосрочный переход к «новой энергетической экономике».

Сноски

Смотрите сноски в PDF