Про перспективы чистой энергетики и нефти
В последнее время все чаще встречаю в соцсетях посты в стиле "Автоконцерн ХХХ начал производство электрических автомобилей - все. Нефть теперь никому не нужна, у России будут проблемы". Понятно, что авторы таких высказываний мало что понимают в энергетике и поэтому несут бред, но даже более знающие физику люди периодически говорят о том, что стоимость электичества от "чистых" источников существенно снижается и, соответственно, вот-вот они изменят картину энергетики настолько, что нефть, опять таки, не будет никому нужна.
Хочу развеять несколько типичных устоявшихся мифов на эту тему. Тут у вас возникает естественный вопрос - "а судьи кто?" - то есть на каком основании я вдруг зачислил себя в специалисты по энергетике? :)
На самом деле, большая часть написанного ниже будет не моими мыслями, а цитатами деда - Фотина В.П, бывшего директора ВЭИ (всесоюзного Энергетического Института), построившего энергосистемы нескольких стран (в том числе капиталистических, в советское время), автора нескольких открытий в области передачи энергии, неоднократно отказывавшегося от поста министра энергетики потому как он не хотел погружаться в бюрократическую работу. Несмотря на возраст - этот тот человек, который в 82 года учил меня трейдерской торговле на бирже (сидя в деревне с ноутбуком в кресле, после того как выкопал несколько мешков картошки, с интернетом, который в эту глухомань на крае Тульской области провели специально для него). Я же в свою очередь просто имею два образования - хорошее физическое и экономическое для того, чтобы все это скомпоновать в единую картину.
Чтобы успокоить либералов, которые загодя не верят всем российским источникам я ниже буду давать ссылки только на американские и европейские научные исследования на эту тему.
Лирическое отступление на этом закончено и переходим к сути.
Когда речь идет об энергии, то, как это не обидно, многочисленным финансовым аналитикам, на первую роль выходят вовсе не деньги и стоимость, которую хитрая статистика может подогнать под любые потребности, а элементарная физика, которая несколько более точная наука. В ней, в частности, есть непреложный закон, о том, что энергия в замкнутой системе постоянна (т.е. не берется ниоткуда), а в реальных условиях - где есть трение, тепловые потери и прочие неприятности, энергия при преобразовании из одного вида в другой только снижается.
В переводе на простой русский язык - это значит, что прежде чем электричество попадет в какой-нибудь электромобиль оно должно откуда-то взяться и переработаться с потерями части энергии. Поэтому, вопрос о том, сможет ли появление электромобилей потеснить производство нефти, сводится к тому, сможет ли вообще что-либо потеснить невозобновляемые источники (нефть, газ, уголь) в производстве электроэнергии в ближайшие годы.
Потому как если электричество мы получаем сжиганием газа и нефти, то увеличение числа электромобилей только УВЕЛИЧИТ потребление нефти, ибо раньше она напрямую использовалась в автомобиле в его двигателе ( с КПД около 30%), а теперь ее преобразили с серьезными потерями (КПД 30-40%) в электричество, которое при хранении и транспортировке до заправочной станции еще потеряло 10-20%, (для сомневающихся - вот перечень потерь http://www.gosthelp.ru/text/MetodikaMetodikaraschetan2.html) а затем попало в электромотор автомобиля с КПД 85%.
Итого, нефти на этот процесс потратится примерно на 20-30% больше (включая выбросы в атмосферу вредных газов) чем если бы мы просто заправили автомобиль бензином.
Возвращаемся к электроэнергии - есть ли перспективы скоро перейти в ее генерации на полностью чистые источники?
И тот опять, вместо денег нужно смотреть на энергию. А именно на такой параметр как EROI - это для тех, кто знает про ROI (окупаемость на вложения) примерно то же самое, но про энергию. Сколько энергии надо потратить, чтобы получить один киловатт электричества. В США еще часто его именуют EROEI ( energy returned on energy invested)
Tainter Joseph. В своей работе The Collapse of Complex Societies. (Cambridge University Press, 1990.) показал, что снижение EROEI - основная причина коллапса сложных обществ (от римской империи и до наших дней) и наоборот - высокий EROI источников энергии обеспечивает процветание общества. Заметьте - тут нет ни слова о деньгах. Ибо если вы вдруг благодаря чудесам экономики получили источник энергии, выдающий ее за копейки, но большую часть этой энергии вы все равно тратите на ее же производство (низкий EROI), то общество (страна, компания), будет деградировать до полного коллапса.
Экономисты Дэниел Хаззум и Леонард Брукс в 1980 показали, что увеличение эффективности использования энергии может парадоксальным образом приводить к увеличению общего объема потребляемой энергии.(постулат Хаззума-Брукса). То есть при высоком EROI общество потребляет энергии больше (развивается производство, повышается уровень жизни), а при низком EROI - наоборот, экономика сокращается, уровень жизни понижается.
Упрощая до невозможности - если страна использует источники энергии с высоким EROI - она растет и развивается. Если с низким - деградирует. Этот постулат пока никем не опровергнут.
Даже примерные цифры уже подсчитаныLпруфлинк - Стендфорд - http://mahb.stanford.edu/wp-content/uploads/2014/03/energy-policy_Lambert_et.al_2013.pdf)
То есть если у вас средний EROI источников энергии выше 12, то в обществе все хорошо. Ниже 12 - придется жертвовать искусством и здравоохранением. Ниже 7- надо закрывать ВУЗы и школы. Ниже 5- в стране голод.
Теперь посмотрим на EROI различных источников энергии.
Чуть общей логики - при подсчете EROI конечно есть чуть лукавства с точки зрения науки, так как мы не учитываем ту энергию, которую природа затратила до нас на производство той же нефти. Нам все равно на затраты энергии в эпоху динозавров, ибо на нашей экономике те затраты не сказываются. Природа, однако, долгие тысячелетия занималась тем, что эффективно преобразовывала солнечную энергию и воздух в топливо. Когда человек пытается сделать то же самое сейчас, он вынужден тратить энергию на преобразование, и в результате, конечно проигрывает в эффективности.
Проще эту картинку представить вот в таком виде (взял из документа Стендфордского университета):
Тут даже черта проведена на уровне EROI=9, (то есть по минимуму, на роскошную жизнь ее надо проводить на уровне 12-14).
Как мы видим, нефть и газ, добывающиеся в России и в персидском заливе - вне конкуренции по эффективности - они дают EROI на уровне 20-50. (Тут даже сланцевая нефть есть, с демонстрацией бесполезности этой технологии c точки зрения EROI)
Примечание - вот тут http://www.dpuc.state.ct.us/DEEPEnergy.nsf/fb04ff2e3777b0b98525797c00471aef/a546c841171f7a8485257ac90053565a/$FILE/R.%20Fromer%20Attachment%20-%20EROI%20of%20Global%20Energy%20Resoruces.pdf - рассмотрена ситуация в США с точки зрения EROI и показано, что любые попытки заменить традиционные нефтегазовые источники, например нефтью битуминозных песков (EROI = 3:1), газом горючих сланцев (EROI = 5:1), биоэтанолом (EROI = 5:1) или даже солнечным фотоэлектричеством (EROI = 7:1) в итоге только существенно снизят средневзвешенное значение EROI всего энергетического комплекса США ниже прожиточного минимума в EROI=12)
«Чистые» источники энергии в виде биотоплива и солнечных батарей пока не обеспечивают даже базовых потребностей населения - если перейти на них сейчас, общество можно хоронить.
Неплохой EROI дает еще ядерная энергия, но и тут Россия впереди. Во-первых, как производитель урана (грязного), Россия на 5-ом месте в мире, а с Казахстаном вместе - на первом, с отрывом от остальных стран минимум вдвое. (Места с 2 по 4 -ое - Канада, Австралия и Африканские страны). Но увы - реакторы на таком уране даже близко не дадут нужный EROI - уран нужно еще обогащать, что умеют делать только страны с ядерным оружием. По выработке обогащенного ядерного топлива Россия номер один с отрывом вдвое от других стран (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%B1%D0%BE%D0%B3%D0%B0%D1%89%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%83%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B0 ). По строительству атомных реакторов -первая. В общем и целом - переход на ядерную энергетику всего мира наши доходы как минимум не подорвет, а скорее всего наоборот.
При этом, как известно, Европа старательно от ядерной энергетики отходит, Япония тоже в раздумьях. То есть по эффективности добычи электроэнергии пока конкурентов газу и нефти нет.
То же касается Гидроэлектростанций. Они очень эффективны по EROI, но увы - для них нужны реки. Опять таки, мировой лидер тут Россия просто из-за географических особенностей. Ближайший конкурент - Китай. Опять таки, в силу географии тут есть естественные ограничения и доля энергии от ГЭС в мировом топливном балансе - 6%. По оценкам специалистов реально увеличить объем электричества от ГЭС во всем мире (включая строительство новых) - втрое (с 1000 ГВт до 3721ГВт) - и это в идеальной ситуации.
Итого - первый вывод: даже при 100% переходе всего автопрома на электромоторы, потребление нефти и газа в мире вырастет и доходам России это не угрожает в ближайшей перспективе, так как все доступные альтернативы опять таки миру придется покупать у России.
Теперь про более далекую перспективу - ибо сторонники «чистых» источников энергии говорят постоянно о развитии технологий и что «сейчас» - это не показатель. (Отмечу, что всякого рода биотоптива это не касается - там нет новых технологий - оно так и останется с EROI ниже плинтуса). Для начала - как далеко эта перспектива? Если учитывать современные темпы прироста доли «чистых» источников энергии то до цифры в 10-15% от нефти и газа они будут добираться еще лет 100, а даже с учетом ГЭС, все возобновляемые источники энергии до уровня в 25% от нефти и газа дойдут к 2070 году.
Начнем с ветрогенераторов. С одной стороны, они уже сейчас дают EROI на уровне (по разным источникам) от 10 до 16, что вроде бы уже приемлемо, с другой стороны - тут развитие технологий цифру эту не увеличит в разы. Технология превращения вращения в электричество развивается уже почти век и никакого прорыва в разы тут не будет - борьба идет уже за доли процента в КПД.
Обычно сторонники ветрогенераторов предпочитают ограничиваться при подсчете EROI именно самими ветряками - турбинами. Ну у них есть одна проблема- непостоянство ветра. Из-за этого, энергию нельзя просто тупо забирать с ветрогенератора и направлять в производство. Станки у вас будут работать только когда ветер есть. Ее надо хранить. (Такая же проблема у солнечных батарей - но об этом позже)
Вот интересное исследование, где авторы учли, как раз, проблемы хранения:
http://festkoerper-kernphysik.de/Weissbach_EROI_preprint.pdf (немецкие исследователи). Приведу оттуда последнюю картинку:
Желтым тут как раз показан EROI с учетом затрат и потерь на хранение. Как видно, Ветрогенераторы сразу становятся не очень выгодны. (горизонтальная черта тут на уровне EROI=8)
Примечание: Кстати, обратите внимание на EROI ядерной энергии. В предыдущих графиках учитывались значения из США, а немцы посчитали эффективность российских центрифуг для обогащения, и EROI сразу вырос)
Есть еще интересная особенность - окупаемость ветряков всегда считается без учета дотаций государства и без учета стоимости демонтажа старых ветряков! http://aftershock.su/?q=node%2F338173 - «тарифные льготы и дотации распространяются на ветрогенерацию лишь в течение 20 лет с момента пуска, так что далее она становится нерентабельной. Поэтому в Германии уже сформировался рынок демонтажа ветряков, в США эта проблема ожидается через 8-10 лет.»
Итог 2 - Со стороны ветрогенерации традиционным источникам энергии в виде газа, нефти и п. ничего не грозит. Прорывных технологий тут нет и не предвидится, современные цифры показывают абсолютную неэффективность с точки зрения EROI этого источника энергии.
Остались только солнечные батареи.
Именно на них сконцентрирована вся надежда сторонников чистой энергии, ибо технология реально развивается. EROI подсчитанное для солнечной энергии в 2010 году уже в 2015-ом не очень актуально, ибо эффективность выработки солнечной энергии постоянно повышается.
Но тут как раз начинается мухлеж с цифрами.
Все эффективности солнечных батарей измеряются в идеальном (чистом) состоянии, в пустыне, в солнечный день.
Справедливости ради, я приведу сначала то, что в таких условиях получается: значения EROI для различных типов солнечных батарей. Вторая точка слева - это как раз Поли-силиконовые, наиболее распространенные на данный момент (в статьях выше как раз их цифры брались за основу)
Как видим, есть вроде прорывная технология CdTe, которая дает EROI до 32 примерно. Можно было бы кричать ура, если бы не три «но».
1. Как уже описывалось выше, эти цифры показывают лоббисты производителей солнечных батарей - в них учитывается ТОЛЬКО сама установка преобразующая свет в электричество. В таком варианте она бесполезна. Ибо постоянный ток надо во-первых, преобразовать в переменный, а во-вторых, необходимы аккумуляторы, которые его будут накапливать. Как выше уже говорилось, энергосистемам нужны стабильные источники, иначе промышленность с электричеством работать не может. С учетом наличия солнечных и пасмурных дней, в среднем хранение накопленной энергии должно иметь 10-дневную продолжительность (ссылку на работу немецких ученых уже давал, но повторюсь - http://festkoerper-kernphysik.de/Weissbach_EROI_preprint.pdf). Это снижает EROI в 2.5 раза!
2. Все это верно для африки.
На территории Европы и большей части США мощность солнечных батарей падает примерно вдвое.
3. Все это, опять-таки, рассчитывалось номинально - при чистых батареях и чистом воздухе пустыни. В промышленно насыщенных районах типа Европы
постоянно присутствует пылевая завеса. В городах сильнее, в сельской местности слабее, но факт в том, что она еще сильнее ослабляет радиацию от солнца, а кроме того, батареи покрываются слоем пыли уже через неделю - и их мощность еще больше падает. Услуги по очистке и эффект ослабления в расчет опять-таки не берут. В той же работе немцы посчитали, что реальный EROI солнечных батарей в Германии в 4 раза слабее, чем в идеальных условиях в Сахаре.
Таким образом, волшебные значения самых последних разработок в солнечных батареях из EROI = 32 превращаются в 12 (с учетом хранения) в условиях Африки и Австралии, и в примерно EROI = 6.5 в Европе.
И еще последний факт. Экономический. Хранение энергии подразумевает ставку дисконтирования. Слышали о такой? В EROI она тоже работает.
Вот интересный материал из США на эту тему http://ourfiniteworld.com/2010/12/14/adjusting-energy-return-on-investment-eroi-for-time/ - в нем автор не знал о работе немцев и смотрел с другой стороны - именно на экономическую проблему дисконтирования энергии.
Приведу оттуда финальный график:
Как видно, хранение энергии стоит денег, и актуально это только для новых, «чистых» источников энергии. EROI которых с каждым днем хранения еще уменьшается.
Итог 3: В современном состоянии солнечная энергетика также не способна заместить собой традиционные источники типа нефти, газа и ядерной энергии, которые дают EROI в разы выше. В перспективе нескольких десятков лет, возможности хотя бы частично получать электроэнергию от солнца есть у стран Африки и Австралии. Транспортировка этой электроэнергии в Европу и США нерентабельна.
И на последок - почему же все -таки Европа так упорно прет в чистую энергетику?
Это чисто политическое решение и пиар. Экономической осмысленности в этой политике не больше чем в политики принятия беженцев :) Пиара тут больше чем правды - когда звучит цифра о том, что чистая энергия дала до 78% потребности Германии в электричестве, забывают сказать, что цифра относится к конкретному выходному дню - в субботу 25 июля, когда промышленное потребление было невелико, на севере Германии и на шельфе Северного моря дули штормовые ветра, а на юге Германии светило летнее солнце и работали солнечные панели.
Тем более, что платят за этот банкет не самые развитые страны Европы: «- Болгария не Сахара, чтобы работать на солнечных генераторах, и не остров в Северном море, где непрерывно дуют ветры, - говорит экс-министр энергетики Румен Овчаров. - Поэтому нужна базовая энергия. Кроме того, цена мегаватта "зеленой" энергии в десять раз превышает цену козлодуйского (ядерного) мегаватта, но мы обязаны ее выкупать!"
Так или иначе, злопыхатели на тему «скоро России крышка, когда все перейдут на чистое электричество и чистые электромобили» весьма далеки от реальности. При полном переходе на чистую энергию, согласно пирамиде потребностей и ее зависимости от EROI крышка наступит как раз развитым странам, а если у них есть доля разума, то даже при полном переходе на электромобили - сырье для производства электроэнергии (или саму электроэнергию) они все равно будут вынуждены закупать у России - и чем более технология дальше от тупого сжигания нефти и газа, тем дороже она выйдет Европе и даст больше денег в бюджет России.