Пределы зеленой энергии становятся намного яснее часть 1

Пределы зеленой энергии становятся намного яснее
Гейл Тверберг
9 февраля 2022
 
Нам сказали, что прерывистое электричество от ветра и солнца, возможно, наряду с гидроэлектростанцией (гидро), может быть основой зеленой экономики. Однако все идет не так, как планировалось. Природный газ или уголь, используемые для балансировки прерывистого производства возобновляемых источников энергии, становятся все более дорогими или недоступными. Становится ясно, что моделисты, которые поощряли мнение о том, что плавный переход к ветру, солнцу и гидро возможен, упустили некоторые важные моменты.
Давайте рассмотрим некоторые из вопросов:
[1] Становится ясно, что прерывистый ветер и солнечная энергия не могут рассчитывать на обеспечение адекватного электроснабжения, когда система распределения электроэнергии нуждается в них.
Ранние моделисты не ожидали, что изменчивость ветра и солнца станет огромной проблемой. Они, казалось, верили, что при использовании достаточного количества прерывистых возобновляемых источников энергии их изменчивость будет отменена. В качестве альтернативы, длинные линии электропередачи позволят достаточно передавать электроэнергию между местоположениями, чтобы в значительной степени компенсировать изменчивость.
На практике изменчивость по-прежнему является серьезной проблемой. Например, в третьем квартале 2021 года слабые ветры внесли значительный вклад в энергетический кризис в Европе. Крупнейшие европейские производители электроэнергии от ветра (Великобритания, Германия и Франция) произвели только 14% установленной мощности в течение этого периода, по сравнению со средним показателем от 20% до 26% в предыдущие годы. Никто не планировал такого рода трехмесячный дефицит.
В 2021 году Китай пережил сухую, безветренную погоду, так что как его выработка от ветра, так и от гидроэнергии была низкой. Страна сочла необходимым использовать веерные отключения, чтобы справиться с ситуацией. Это привело к сбою светофоров, и многим семьям пришлось есть ужины при свечах.
В Европе с низким электроснабжением Косово пришлось использовать веерные отключения. Существует реальная обеспокоенность тем, что потребность в веерных отключениях электроэнергии распространится и на другие части Европы, либо позже этой зимой, либо будущей зимой. Зимы вызывают особую озабоченность, потому что тогда солнечная энергия низкая, а потребности в отоплении высоки.
[2] Адекватное хранение электроэнергии невозможно в любые разумные сроки. Это означает, что если холодные страны не будут “замерзать в темноте” зимой, резервное копирование ископаемого топлива, вероятно, потребуется в течение многих лет в будущем.
Одним из обходных путей для изменчивости электроэнергии является хранение. Недавняя статья Reuters озаглавлена: Слабые ветры ухудшили энергетический кризис в Европе; коммунальные службы нуждаются в лучшем хранении. В статье цитируется Мэтью Джонс, ведущий аналитик EU Power, который говорит, что резервная мощность с низким или нулевым уровнем выбросов “еще более десяти лет от того, чтобы быть доступной в масштабе”. Таким образом, наличие огромных батарей или накопителей водорода в масштабе, необходимом для месяцев хранения, - это не то, что можно разумно создать сейчас или в ближайшие несколько лет.
Сегодня объем доступного хранения электроэнергии может быть измерен в минутах или часах. Он в основном используется для буферизации краткосрочных изменений, таких как временное прекращение ветра или быстрый переход, созданный, когда солнце садится, и граждане находятся в разгаре приготовления ужина. Что необходимо, так это емкость для нескольких месяцев хранения электроэнергии. Такое хранение потребовало бы удивительно большого количества материалов для производства. Излишне говорить, что если бы такое хранилище было включено, стоимость всей электрической системы была бы значительно выше, чем нас заставили поверить. Все основные виды анализа затрат (включая выровненную стоимость энергии, возврат энергии на вложенную энергию и период окупаемости энергии) исключают необходимость хранения (как краткосрочного, так и долгосрочного), если балансировка с другим производством электроэнергии недоступна.
Если не может быть найдено решение проблемы неадекватного электроснабжения, то спрос должен быть сокращен тем или иным способом. Одним из подходов является закрытие предприятий или школ. Другой подход - веерные отключения. Третий подход заключается в том, чтобы разрешить астрономически высокие цены на электроэнергию, вытесняя некоторых покупателей электроэнергии. Четвертый балансирующий подход заключается в том, чтобы ввести рецессию, возможно, путем повышения процентных ставок; рецессии сокращают спрос на все несущественные товары и услуги. Рецессии, как правило, приводят к значительным потерям рабочих мест, помимо сокращения спроса на электроэнергию. Ни одна из этих вещей не является привлекательным вариантом.
[3] После многих лет субсидий и мандатов сегодняшнее зеленое электричество - лишь крошечная часть того, что необходимо для поддержания нашей нынешней экономики.
Ранние моделисты не учитывали, насколько сложно будет наращивать зеленое электричество.
По сравнению с сегодняшним общим мировым потреблением энергии (электроэнергия и неэлектрическая энергия, такая как нефть, в сочетании), ветер и солнечная энергия действительно незначительны. В 2020 году ветер составлял 3% от общего потребления энергии в мире, а солнечная энергия составляла 1% от общей энергии, используя щедрый способ подсчета электроэнергии BP по сравнению с другими видами энергии. Таким образом, сочетание ветра и солнца произвело 4% мировой энергии в 2020 году.
Международное энергетическое агентство (МЭА) использует менее щедрый подход к кредитованию электроэнергии; он дает кредит только на тепловую энергию, поставляемую возобновляемыми источниками энергии. МЭА не показывает ветер и солнце отдельно в своих последних отчетах. Вместо этого он показывает “Другую” категорию, которая включает в себя больше, чем ветер и солнце. Эта более широкая категория составила 2% мирового энергоснабжения в 2018 году.
Гидро-это еще один тип зеленого электричества, который иногда рассматривается наряду с ветром и солнцем. Он немного больше, чем ветер или солнце; в 2020 году он составил 7% мирового энергопотребления. Вместе взятые, hydro + wind + solar составили 11% мирового энергоснабжения в 2020 году, используя методологию BP. Это все еще не большая часть общего потребления энергии в мире.
Конечно, разные части мира различаются по доле энергии, создаваемой с использованием ветра, гидро и солнца. На рисунке 1 показан процент от общего объема энергии, вырабатываемой этими тремя возобновляемыми источниками энергии вместе взятыми.

Рисунок 1. Ветер, солнце и гидро как доля общего потребления энергии для отдельных частей мира, основанная на статистическом обзоре BP 2021 года по мировой энергетике. Россия+ - это Россия и ее филиалы в Содружестве Независимых Государств (СНГ).
Как и ожидалось, средний показатель по миру составляет около 11%. Европейский Союз является самым высоким на уровне 14%; Россия+ (то есть Россия и ее филиалы, что эквивалентно членам Содружества Независимых Государств) является самым низким на уровне 6,5%.
[4] Даже в процентах от электроэнергии, а не от общей энергии, возобновляемые источники энергии по-прежнему составляли относительно небольшую долю в 2020 году.
Ветер и солнце не заменяют “диспетчерскую” генерацию; они обеспечивают некоторое временное электроснабжение, но они, как правило, затрудняют работу всей электрической системы из-за введенной изменчивости. Возобновляемые источники энергии доступны только часть времени, поэтому другие типы поставщиков электроэнергии все еще необходимы, когда поставка временно недоступна. В некотором смысле все, что они заменяют, является частью топлива, необходимого для производства электроэнергии. Постоянные затраты резервных поставщиков электроэнергии не компенсируются должным образом, равно как и затраты на дополнительную сложность, вносимую в систему.
Если аналитики отдают ветру и солнечной энергии полный кредит на замену электроэнергии, как это делает BP, то в мировом масштабе электричество ветра заменило 6% от общего объема потребляемой электроэнергии в 2020 году. Солнечная электроэнергия заменила 3% от общего объема электроэнергии, а гидро заменила 16% мировой электроэнергии. В совокупности ветер и солнце обеспечивали 9% мировой электроэнергии. С учетом гидроэнергетики эти возобновляемые источники энергии составили 25% мирового электроснабжения в 2020 году.
Доля электроэнергии, обеспечиваемой ветром, солнцем и гидроэнергией, варьируется по всему миру, как показано на рисунке 2. Европейский Союз является самым высоким в 32%; Япония является самой низкой в 17%.

Рисунок 2. Ветер, солнце и гидро как доля общего объема поставок электроэнергии для отдельных частей мира, основанная на статистическом обзоре BP 2021 года по мировой энергетике.
Группа “Все остальные” стран, показанная на рисунке 2, включает многие из более бедных стран. Эти страны часто используют довольно много гидро, хотя доступность гидро имеет тенденцию сильно колебаться в зависимости от погодных условий. Если область подвержена влажным и сухим сезонам, вероятно, будет очень ограниченное электроснабжение в сухой сезон. В районах с таянием снега очень большие запасы часто доступны весной и гораздо меньшие запасы в течение остальной части года.
Таким образом, хотя гидро часто считается надежным источником энергии, это может быть или не быть так. Подобно ветру и солнечной энергии, гидро часто нуждается в резервном топливе, если промышленность может зависеть от электричества круглый год.
[5] Большинство моделистов не понимают, что отношения запасов к производству значительно завышают количество ископаемого топлива и других полезных ископаемых, которые экономика сможет извлечь.
Большинство моделистов не поняли, как работает мировая экономика. Они предположили, что до тех пор, пока у нас есть техническая возможность добывать ископаемое топливо или другие полезные ископаемые, мы сможем это сделать. Популярный способ взглянуть на доступность ресурсов - это соотношение резерва к производству. Эти коэффициенты представляют собой оценку того, сколько лет может продолжаться производство, если добыча будет продолжаться с той же скоростью, что и в самом последнем году, учитывая известные ресурсы и современные технологии.

Рисунок 3. Соотношение запасов и добычи для нескольких полезных ископаемых, основанное на данных статистического обзора мировой энергетики BP за 2021 год.
Распространено мнение, что эти соотношения занижают, сколько каждого ресурса доступно, отчасти потому, что технология продолжает совершенствоваться, а отчасти потому, что разведка этих полезных ископаемых может быть неполной.
Фактически, эта модель доступности будущих ресурсов значительно завышает количество будущих ресурсов, которые действительно могут быть извлечены. Проблема в том, что мировая экономика имеет тенденцию испытывать нехватку многих видов ресурсов одновременно. Например, данные Всемирного банка о ценах на сырьевые товары показывают, что в январе 2022 года цены были высокими на многие материалы, включая ископаемое топливо, удобрения, алюминий, медь, железную руду, никель, олово и цинк. Несмотря на то, что цены выросли очень высоко, это не означает, что производители смогут использовать эти высокие цены для извлечения большего количества необходимых материалов.
Чтобы производить больше ископаемого топлива или больше полезных ископаемых любого рода, подготовка должна быть начата за годы вперед. Новые нефтяные скважины должны быть построены в подходящих местах; новые шахты для меди, лития или редкоземельных минералов должны быть построены; рабочие должны быть обучены для всех этих областей. Высокие цены на многие товары могут быть признаком временно высокого спроса, или это может быть признаком того, что что-то серьезно не так с системой. Система не может одновременно наращивать необходимое производство в огромном количестве областей. Линии поставок сломаются. Рецессия, вероятно, наступит.
Проблема, лежащая в основе недавнего всплеска цен, по-видимому, заключается в “уменьшении прибыли”. Такие уменьшающиеся доходы влияют почти на все части экономики одновременно. Для каждого типа минерала шахтеры сначала шахтеры производили простейшие экстракционные материалы. Позже они перешли к более глубоким нефтяным скважинам и минералам из руд более низкого качества. Загрязнение постепенно росло, поэтому оно тоже нуждалось в больших инвестициях. В то же время население мира растет, поэтому экономике требуется больше продовольствия, пресной воды и товаров многих видов; они также требуют инвестиций ресурсов многих видов.
Проблема, которая в конечном итоге поражает экономику, заключается в том, что она не может поддерживать экономический рост. Слишком много областей экономики требуют инвестиций одновременно, потому что уменьшающаяся отдача продолжает наращивать инвестиционные потребности. Эти инвестиции - это не просто финансовые инвестиции; это инвестиции физических ресурсов (нефть, уголь, сталь, медь и т. д.) и инвестиции времени людей.
То, как экономика будет испытывать нехватку инвестиционных материалов, было смоделировано в книге 1972 года "Пределы роста" Донеллой Медоуз и другими. В книге приведены результаты ряда симуляций относительно того, как мировая экономика будет вести себя в будущем. Практически все симуляции показали, что в конечном итоге экономика достигнет пределов роста. Основная проблема заключалась в том, что слишком большая доля продукции экономики была необходима для реинвестирования, оставляя слишком мало для других целей. В базовой модели такие пределы роста появились сейчас, в середине первой половины 21-го века. Экономика перестанет расти и постепенно начнет разрушаться.