Будущее энергетики

Что, если бы вы могли приобрести постоянный источник электричества для своего дома всего за 2 миллиона долларов? Что, если его стоимость упадет с 2 миллионов до менее чем 100 долларов … и вам нужно будет сделать всего один платёж, а после всё потребляемое вами электричество будет бесплатным, подобно воздуху, которым вы дышите?

В какой точке этой кривой отношения цены к ценности изменится ваше потребление энергии? Этот выбор будет формировать будущее энергетики и в перспективе может значительно улучшить нашу жизнь. Однако он также является дефляционным и радикально изменит нашу экономику.

Жизнь на Земле невозможна без энергии. Каждое существо на планете, будь то растение или животное, нуждается в энергии для своего существования. Мы используем энергию для производства товаров, транспортировки, отопления, охлаждения, освещёния, а также для выращивания, обработки и хранения продуктов питания. Часто это самая важная составляющая затрат на производство и распределение, и поэтому энергопотребление оказывает огромное влияние на конкурентоспособность и рост нашей экономики. Расходы на энергию часто определяют экономическую жизнеспособность. В результате энергетика, как и следовало ожидать, играет значительную роль в нашей экономике, составляя около 9% мирового ВВП.¹

Составляя 9% ВВП, энергетика ответственна за множество рабочих мест по всему миру. Только в США 3,6 миллиона человек заняты непосредственно в традиционных энергетических отраслях, включая производство, передачу и хранение, а ещё примерно 2 миллиона рабочих заняты в секторе энергоэффективности.² Однако энергетика играет ещё более важную роль в наших экономиках. Нам всё ещё необходимо учитывать долю мирового военного комплекса, созданную преимущественно для обеспечения непрерывного доступа к энергии по приемлемым ценам. Недорогая и доступная энергия является важнейшим компонентом конкурентоспособности любой страны, поскольку энергия используется во всех отраслях. Помимо этого важно также учитывать стоимость ущерба от экстремальных погодных событий, вызванных изменением климата, причиной которого являются современные методы добычи и использования энергии. И эти расходы – от увеличения стоимости страховки до затрат на очистку и восстановление – также способствуют экономическому развитию.

Неудивительно, что многие исследования указывают на прямую зависимость между потреблением энергии и экономическим ростом, потому что более развитые общества обычно используют больше энергии на душу населения.³ Это интуитивно понятно: если энергетика играет ключевую роль в экономике, мы можем ожидать, что потребление энергии будет расти вместе с ростом экономической деятельности. И именно так и произошло. С 1900 года потребление энергии значительно увеличилось. Глобальное потребление энергии выросло почти в тринадцать раз: с 12 100 тераватт-часов в год в 1900 году до 153 596 тераватт-часов в 2017. Основными движущими силами стали доступные и изобильные источники энергии, такие как уголь, нефть и природный газ.⁴ С 1900 по 2017 год потребление угля в качестве основного источника энергии выросло с 5 728 до 43 397 тераватт-часов. Потребление нефти за этот период увеличилось со 181 до 53 752 петаватт-часов (петаватт-час равен 1000 тераватт-часов), а потребление природного газа выросло с 64 до 36 704 тераватт-часов.

Законы энергии #

Прежде чем мы перейдем к обсуждению наших перспектив в энергетике, давайте взглянем на то, как мы пришли к текущему положению. Для этого нам необходимо изучить два основополагающих факта: первый и второй законы термодинамики.

Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а общее количество энергии во Вселенной должно оставаться неизменным. Энергию можно преобразовать, сохранить или перенести, но нельзя создать или уничтожить. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1899) обнаружил, что преобразование механической работы (энергии) в тепло происходит в фиксированных пропорциях. В своем известном эксперименте он сбрасывал груз весом 400 килограмм с высоты 0,3 метра на рычаг, который вращал вал с колесом, погружённым в воду. Это позволило Джоулю обнаружить, что его действия приводили к повышению температуры воды на один градус. Таким образом появилась первая механическая мера тепла, которая представляла собой передачу энергии, но не её создание или уничтожение.

Второй закон термодинамики гласит, что энергия всегда движется от систем с более высоким уровнем концентрации к системам с более низким. Другими словами, тепло рассеивается. Энергия Солнца перемещается в космическое пространство. Энергия, выделяющаяся в кипящей кастрюле, превращается в пар, а затем передается окружающей атмосфере с более низкой температурой. Более того, любая передача энергии в изолированной системе приводит к увеличению неупорядоченности – к росту энтропии. Это происходит, так как каждый раз, когда энергия преобразуется, её часть или вся она тратится впустую, ведь энергия распределяется от областей с более высокой концентрацией к областям с более низкой.

В настоящее время вы можете наблюдать этот эффект на нашей планете. Большинство наших источников энергии являются ископаемым топливом, извлекаемым из изолированной системы (нашей планеты), что, согласно второму закону термодинамики, должно создавать больше энтропии или неупорядоченности по мере использования. В качестве примера возьмём обычный автомобиль. Представьте себе процесс заправки вашего автомобиля топливом – необходимое условие для работы двигателя и возможности продолжать движение. Прежде всего, геологоразведочная компания должна провести исследования и обнаружить нефть, что требует затрат энергии. Имейте в виду, что нефть, как “источник энергии” всегда лишь просто хранится. Изначально энергия, содержащаяся в нефти, поступает от солнечной энергии, которую поглощают растения через фотосинтез, а также от энергии, получаемой животными при потреблении растительной пищи. Вся эта энергия изначально получена от Солнца. Эту нефть необходимо выкачивать из под земли (требуется энергия) и транспортировать (требуется энергия) на нефтеперерабатывающий завод, где она преобразуется (требуется энергия) в бензин. Затем этот бензин необходимо доставить (требуется энергия) на региональную заправочную станцию, где вы сможете заправить свой автомобиль. Даже самые эффективные двигатели внутреннего сгорания преобразуют только от 25 до 50 процентов энергии бензина в движение автомобиля. До 75% энергии выделяется в виде тепла и углекислого газа, выбрасываемых в атмосферу.

Этот пример показывает более полную стоимость энергии для перемещения вашего автомобиля. Это включает в себя ошеломляющую степень неэффективности… и создает бесчисленное количество рабочих мест. Согласно второму закону термодинамики, при каждом преобразовании энергии она все больше и больше рассеивается (не разрушается). А в нашем случае она не раз преобразуется и перемещается. Основная часть нашей экономики прямо или косвенно зависит от исследований, добычи, переработки и транспортировки энергии.

Совершенно очевидно, как мы к этому пришли. На протяжении всей истории человечества процесс извлечения и использования энергии, накопленной растениями и животными, а затем преобразования этой энергии для наших нужд, наносил ущерб окружающей среде. Но размер численности нашего населения и рост потребления энергии маскировали масштаб ущерба, и он не был столь очевиден для нас тогда, в отличие от сегодняшнего дня. Также, отчасти потому что мы не могли видеть причиняемый ущерб, извлечение энергии имело экономический смысл. Даже если производство большей части этой энергии было неэффективным и расточительным, такие источники энергии, как древесина, уголь, нефть и природный газ были в изобилии и по доступным ценам.

Но сейчас наши потребности в энергии значительно выше, чем прежде, и совокупный ущерб от использования неэффективной энергии также увеличился. Мы остаёмся в цикле неэффективности, когда наша экономика зависит от рабочих мест и прибыли, получаемых за счёт использования энергии, при этом не учитывая полную стоимость использования ископаемого топлива с учётом его побочного продукта – глобального потепления. Кроме того, мы не можем предугадать, насколько изменится ситуация, когда затраты на электроэнергию снизятся до такой степени, что вся существующая энергетическая инфраструктура станет неактуальной из-за рыночных цен. Мы застряли в цикле обратной связи, который мало чем отличается от нашей долговой спирали. Мы не видим истинной ценности для нашего общества, потому что хотим продолжения банкета, а также не можем представить себе альтернативу тому, как построена наша экономика.

Пусть светит солнце #

Получая энергию непосредственно от Солнца, а не через сложный путь добычи и последующего преобразования ресурсов, которые изначально получили свою энергию от Солнца, мы избавляемся от целой цепочки неэффективностей и издержек. Прямое преобразование солнечной энергии даёт возможность получить почти бесплатные ресурсы… без нанесения ущерба нашей экосистеме. Менее чем за два часа на Землю попадает больше солнечной энергии, чем ежегодно потребляется во всем мире.⁵ Вопрос лишь в том, как её разумно применить.

Фотоэлектрический эффект (материалы под воздействием света генерируют электрический ток) был впервые открыт в 1839 г. французским учёным Эдмоном Беккерелем (1820–1891). Понадобилось более 40 лет, прежде чем американский изобретатель Чарльз Фриттс (1850–1903) разработал первую в мире солнечную батарею для размещёния на крыше. А спустя ещё 60 лет в 1954 году корпорация Bell Labs изобрела современный солнечный элемент. Изготовленный из кремния, этот революционный элемент имел шестипроцентную эффективность преобразования солнечного света в энергию, что было значительным улучшением по сравнению с предыдущими технологиями. Это позволило использовать солнечную энергию по цене около $256 за ватт. Даже несмотря на такой значительный прогресс в развитии солнечных батарей, стоимость в $256 за ватт была существенно выше, чем у других источников энергии. Это объясняет почему не произошёл переход от более доступных и дешевых источников энергии к солнечной.

По мере развития технологий эта ставка резко упала с 256 долларов за ватт в 1954 году до 82 центов в настоящее время. Если учесть инфляцию и пересчитать доллары 1954 года в сегодняшние, то снижение будет эквивалентно переходу стоимости солнечной энергии с $2 108 до $0,82 за ватт. Многие выделяют сходство между прогрессом в солнечной энергетике и законом Мура. В отличие от закона Мура, который связан с масштабами производства, закон Суонсона (названный в честь Ричарда Суонсона, основателя SunPower) гласит, что цена солнечной энергии имеет тенденцию снижаться на 20% при каждом удвоении отгруженного объёма. При текущем темпе объёма поставок можно ожидать, что стоимость будет снижаться на 75% каждые десять лет.

Стоимость солнечных панелей за ватт обеспечивает непрерывную генерацию энергии до момента выхода устройства из строя. В отличие от многих других видов энергии, которые требуют значительных затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, стоимость обслуживания солнечной энергии невелика. Обычная угольная электростанция ассоциируется с высокими капиталовложениями, а срок её службы составляет около сорока лет. Солнечные батареи должны прослужить намного дольше сорока лет и экономически более выгодны в эксплуатации, ведь этот подход не нуждается в добыче и доставке солнечного света. Согласно исследовательскому отчету финансового аналитического центра Carbon Tracker, опубликованному в ноябре 2018 года, 42% угольных электростанций в мире уже работают в убыток, а поддержание их работы обходится на 35% дороже, чем строительство новых генераторов возобновляемой энергии.⁶ Если эти цифры верны, то уголь, как источник энергии станет непригодным в силу экономических условий и конкуренции.

При сравнении затрат на энергию различных источников наиболее распространенным показателем является приведённая стоимость электроэнергии (LCOE), которая помогает компаниям определить общую стоимость энергии, включая затраты на строительство и техническое обслуживание на протяжении всего жизненного цикла генерируемого актива. По данным инвестиционного банка Lazard, расположенного на Уолл Стрит и ежегодно проводящего исследования в энергетическом секторе, приведённая стоимость солнечной энергии коммунального назначения снизилась на 88% за последние 10 лет.⁷ Только в прошлом году цены упали ещё на 13%, в результате чего LCOE солнечной энергии стала одной из самых низких среди всех источников. Следует ли ожидать дальнейшего снижения цен теми же темпами? Невозможно сказать наверняка, но я готов поспорить, что закон Суонсона будет действовать и дальше, и мы будем продолжать наблюдать те же темпы улучшений, что и в течение последних сорока лет. Почему? Просто в силу экономических факторов. Поскольку энергия выступает в качестве затрат практически любой деятельности, более дешевые источники энергии дают значительные преимущества как компаниям, так и экономике. По мере того как экономическое преимущество смещается в сторону солнечной энергии, начинается настоящий бум инноваций и развития производственных мощностей, поскольку вся индустрия стремится завоевать новый стратегический рынок. Рынки, которые, казалось бы, никак не меняются, изменятся очень быстро. Как написал Марк Льюис из BNP Paribas Asset Management: “Мы приходим к выводу, что экономика нефтяной промышленности для автомобилей, работающих на бензине и дизеле, в настоящее время находится в непрерывном и необратимом упадке по сравнению с электромобилями, использующими ветряную и солнечную энергию. Это имеет значительные последствия как для политиков, так и для нефтяных гигантов”.⁸

Следует отметить, что существуют и другие отличные источники чистой энергии, но солнечная энергия – единственная, которая имеет потенциал с избытком удовлетворить наши потребности. По словам Джеффа Цао из Министерства энергетики США и его коллег Нейта Льюиса и Джорджа Крэбтри, “Несмотря на значительный энергетический потенциал ветра, его технические возможности ограничены, во многом потому, что бóльшая часть его энергии географически сосредоточена на поверхности относительно недоступных глубоководных районов океана. То же самое верно и для солнечной энергии, но благодаря её огромному извлекаемому потенциалу, её технический потенциал на суше остается значительным”.⁹

Насколько большой участок земли потребуется выделить под размещение солнечных ферм для производства всей необходимой нам энергии? Без учёта каких-либо технологических улучшений, согласно данным группы по защите возобновляемых источников энергии Land Art Generator, необходимая площадь составляет 496 805 квадратных километров.¹⁰ Это может показаться огромной территорией, но только в Соединенных Штатах площадь земель, арендуемых нефтегазовой промышленностью, составляет 104 177 квадратных километров.¹¹ Если бы вы использовали эту территорию для генерации солнечной энергии, это могло бы обеспечить более одной пятой всей мировой потребности в энергии.

Близится время изобилия и почти бесплатного использования солнечной энергии. Цены на солнечную энергию уже ниже, чем на подавляющее большинство других видов источников энергии. Цены будут продолжать снижаться ещё сильнее с развитием технологий и расширением массового использования солнечной энергетики. Хотя другие виды энергии всё ещё необходимы, поскольку вклад солнечной энергии в целом невелик, вопрос полного перехода является всего лишь вопросом времени. В 2000 году на долю солнечной энергии приходилось всего 1,15 тераватт-часа электроэнергии, а к 2017 году это число выросло до 443 тераватт-часов. Солнечная энергия всё ещё очень далека от того, чтобы в полной мере обеспечить сегодняшнее потребление в 153 596 тераватт-часов. Но с учетом более низкой стоимости солнечной энергии сегодня и ещё более низких цен в будущем, этот разрыв будет быстро сокращаться.

Одним из самых серьёзных критических замечаний в адрес солнечной и других возобновляемых источников энергии является их прерывистый характер работы. По ночам Солнце не светит, а генерация солнечной энергии значительно снижается в периоды затяжной облачности; это приводит к чередованию избытка и недостатка энергии в разные периоды. С учётом потребностей населения при пиковых нагрузках, когда в определённое время суток требуется больше энергии, сохранение этой энергии становится ключевой задачей. Но наряду с непрерывным развитием аккумуляторных технологий, призванных смягчить эту проблему, на рынке появляются и альтернативные подходы. Одним из таких решений является маховик, который конвертирует электричество в кинетическую энергию для хранения и по необходимости преобразует её обратно в электричество. Наступает новая гонка за контроль над ключевыми технологиями, необходимыми для перехода к широкому использованию возобновляемых источников энергии. Например, ведущая компания в этой области, Temporal Power, расположенная в Миссиссоги, Онтарио, Канада, была недавно приобретена китайской компанией BC New Energy, специализирующейся на производстве маховиков.

Потенциал солнечной энергии на рынке поражает. По мере роста инвестиций в солнечную энергетику повышается эффективность инноваций и дальнейшее снижение цен на хранилища энергии. Этот процесс стимулирует вытеснение инвестиций из угля, нефти и природного газа благодаря циклу творческого разрушения. В ближайшей перспективе экономика будет получать выгоду как от развития солнечной инфраструктуры, так и от других источников энергии, находящихся в процессе перехода. Однако, рыночные механизмы обеспечат успех гораздо менее затратной энергетической инфраструктуре, что приведёт к исчезновению неэффективных рабочих мест и существующей инфраструктуры.

Некоторые развивающиеся страны могут обладать преимуществом в гонке за энергетические ресурсы. Развивающиеся страны могли бы избежать необходимости создания всей инфраструктуры для поддержания энергетики, подобно тому, как в Африке или Азии не потребовалось строить миллионы километров телефонных столбов благодаря использованию сотовой связи. Другим примером может послужить куда более стремительное распространение электронной коммерции в Китае по сравнению с США из-за отсутствия розничной инфраструктуры, которая могла бы замедлить этот процесс.

Но поскольку энергия играет важную роль практически во всех сферах нашей жизни, как может энергия с более низкой стоимостью не оказывать дефляционного воздействия? В значительной степени это будет массовым явлением. Если правительства и центральные банки считают, что могут преодолеть дефляцию, когда мы только начинаем ощущать последствия развития многочисленных технологий, основанных на законе Мура, что произойдёт, если мы добавим к этим технологиям дефляционные эффекты, вызванные изобилием солнечной энергии? Если единственным способом остановить дефляцию является запуск денежного печатного станка, как будет выглядеть завтрашний день?

Изменение цены завтрашнего дня #

Что ещё меняется из-за продолжающегося падения цен на энергоносители? Давайте рассмотрим несколько примеров того, что может кардинально измениться. Помните, что часто именно цена энергии определяет экономическую жизнеспособность, и в результате мы, вероятно, упускаем из виду другие возможности при снижении стоимости энергии.

Основной причиной кризиса с беженцами и иммиграционного давления в развитых странах по всему миру является нехватка основных ресурсов, таких как еда и вода. Почему при более дешёвой или бесплатной энергии не может быть изобилия чистой воды? Дело не в том, что не существует технологии преобразования солёной воды в пресную. Эта технология существует уже несколько десятилетий, просто всё сводится к стоимости опреснения. Парадокс многих прибрежных районов в развивающихся странах заключается в том, что, хотя они и окружены водой, она непригодна для питья или орошения из-за высокого содержания в ней соли. Сегодня процесс опреснения стал намного эффективнее благодаря широкому применению метода обратного осмоса, где солёная вода пропускается через водопроницаемую мембрану. Несмотря на доступность этого метода, его коммерческая целесообразность ограничена из-за высокого энергопотребления: необходимое рабочее давление составляет от 55 до 70 килограммов на квадратный сантиметр800 до 1 000 фунтов на квадратный дюйм.¹² Более низкая стоимость энергии полностью меняет эту динамику, обеспечивая общество чистой водой и множеством других сопутствующих благ. Это также способствует предотвращению экологических проблем, которые могут привести к военным конфликтам и кризисам с беженцами.

Разумеется, зелёная энергетика прекратит выбросы углекислого газа в атмосферу. Из-за сжигания ископаемого топлива уровень парниковых газов в атмосфере достиг небывалых значений в истории человечества – 415 ppm (частей на миллион). Образцы ледяных кернов подтверждают, что такого уровня концентрации не наблюдалось более 800 000 лет. Углекислый газ играет ключевую роль в сохранении тепла нашей планеты, аналогично тому, как кирпичи поглощают солнечное тепло днём и постепенно рассеивают его в тёмное время суток. При невиданных ранее уровнях концентрации углекислого газа, превышающих все предыдущие показатели, температура обязательно достигнет высоких значений. Но что, если широкое использование зелёной энергетики не только перестанет способствовать этому, но и поможет обратить этот процесс вспять? Может ли крайне низкая стоимость энергии помочь нам эффективно избавляться от углекислого газа из окружающей среды?

Как и в случае опреснения воды, но уже в воздухе, улавливание углерода уже возможно. На некоторых крупных угольных электростанциях сокращение количества углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу, уже является обязательным требованием. Но этот процесс связан с огромными энергозатратами (потребление увеличивается почти на 40%) и осуществляется у верхушек дымовых труб, где углекислый газ наиболее концентрирован. Но если затраты на возобновляемую энергию значительно снизятся и дымовые трубы перестанут быть необходимостью, могли бы мы не расширять улавливание углерода в окружении, где концентрация углекислого газа достаточно низкая?

Предлагаемые на данный момент решения также предполагают будущее с централизованной системой энергоснабжения: крупные солнечные установки с распределением энергии через энергетические компании, аналогично тому, как они функционируют в настоящее время. Но мы уже усвоили из достижений в других технологических областях, что источники получения ценности часто меняются, что делает существующие монополии неконкурентоспособными. Магазины розничной торговли, например, обладали монопольной властью только до тех пор, пока интернет не предоставил гораздо больший выбор, чем мог предложить оффлайн-магазин. В области энергетики мы также можем ожидать серьёзных изменений, и эти изменения могут прийти откуда угодно.

Центральные коммунальные предприятия или энергетические компании, по сути, являются распределительными организациями, всё внимание которых сосредоточено на спросе и предложении. Они приобретают энергию по определённой цене и добавляют к ней свою наценку при продаже и распределении для покрытия издержек и получения прибыли. По мере развития солнечной энергетики и дальнейшего снижения цен всё больше потребителей будут склонны отказаться от общей энергосистемы точно так же, как это происходит с бывшими монополиями кабельного телевидения. Они могут воспользоваться собственными солнечными установками с собственным резервным хранилищем. Если у них есть электромобили, их аккумуляторы могут поддерживать энергопотребление дома в пиковые часы. Затем, если светит солнце и автомобиль не используется, та же самая солнечная энергия, генерируемая на крыше, будет подзаряжать эти аккумуляторы в течение дня.

Также вполне возможно, что обширные сети централизованного планирования энергии могут уступить место локальным системам генерации. Такие системы будут широко взаимосвязаны между собой, подобно тому, как интернет представляет собой распределённую технологию с взаимосвязанными узлами, что делает его более надежным и безопасным. В этом случае мой дом и другие дома в моем регионе могут выступать в качестве резервного источника энергии, в то время как другие дома или регионы используют эту энергию, и наоборот.

Сроки всё ещё могут быть неопределёнными, но тенденция к изобилию возобновляемой энергии очевидна. Эта тенденция полностью изменит текущую энергетическую инфраструктуру, а также все рабочие места, связанные с этой устаревшей системой. Это может стать важным событием для всего человечества… если мы позволим естественному процессу дефляции продолжить своё развитие. Ведь если мы позволим этому случиться (вместо того, чтобы удерживать неэффективную систему с высокими ценами на энергию и ненужные сейчас рабочие места), нам не придется заботиться о трудоустройстве, потому что мы сможем получить всю необходимую энергию почти бесплатно. Возможно, мы сможем приспособиться к меньшему доходу, если все необходимые нам вещи станут дешевле.

И это “если” довольно значительное.