В МИРЕ / ИЮНЬ – ИЮЛЬ #3_2023

Спасти мир: план Илона Маска

Текст: по материалам ежемесячного дайджеста ЦАИР / Иллюстрация: @Neurovizor / Фото: Flickr.com

Корпорация Tesla весной этого года опубликовала третью часть своего глобального Генерального плана. Предыдущие две части были посвящены созданию электромобилей и развитию солнечной энергетики. Третья часть носит более комплексный характер и описывает последовательные шаги к достижению устойчивой глобальной энергетической экономики (sustainable energy economy). Центр аналитических исследований и разработок (ЦАИР) частного учреждения «Наука и инновации» в своем ежемесячном дайджесте опубликовал выдержки из этого документа.

Корпорация Tesla весной этого года опубликовала третью часть своего глобального Генерального плана. Предыдущие две части были посвящены созданию электромобилей и развитию солнечной энергетики. Третья часть носит более комплексный характер и описывает последовательные шаги к достижению устойчивой глобальной энергетической экономики (sustainable energy economy). Центр аналитических исследований и разработок (ЦАИР) частного учреждения «Наука и инновации» в своем ежемесячном дайджесте опубликовал выдержки из этого документа.

На основе расчетных оценок в Плане сделан вывод: устойчивая энергетическая экономика технически осуществима и даже требует меньших инвестиций, чем сохранение нынешней, «неустойчивой» энергетической экономики.

Современный энергетический комплекс назван расточительным. Согласно публикации Международного энергетического агентства (МЭА) World Energy Balances 2019, мировое производство первичной энергии составляет 165 петаватт-­часов (ПВт·ч, квадриллионов ватт в час. — ​Прим. ред.) в год, из которых 134 ПВт·ч производится из ископаемого топлива. 37 % (61 ПВт·ч) расходуется до того, как попасть к конечному потребителю (потребление при добыче/переработке и потери при преобразовании в электроэнергию). Еще 27 % (44 ПВт·ч) теряется в процессе конечного использования из-за низких КПД (например, в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания, газовых печах). Таким образом, только 36 % первичной энергии (59 ПВт·ч) преобразуется в полезную для экономики работу или тепло.

В электрифицированной экономике (electrified economy) с устойчивым производством энергии, предложенной Илоном Маском, устраняется бо́льшая часть потерь как на начальных переделах (связанных с добычей полезных ископаемых, их переработкой и сжиганием топлива), так и на завершающих (связанных с конечным использованием). В то же время некоторые промышленные процессы потребуют большего расхода энергии (например, производство экологически чистого водорода). Кроме того, необходимо будет нарастить добычу и переработку некоторых полезных ископаемых, требующихся для производства батарей, солнечных панелей, ветряных турбин и т. д.

Устойчивыми источниками электроэнергии в Плане названы ветряные, солнечные, атомные и гидроэлектростанции. Биомасса также отнесена к устойчивым источникам, однако предполагается, что ее использование будет постепенно прекращено.

Для полной электрификации экономики и отказа от использования ископаемого топлива в Плане предложены шесть шагов.
1. Переход на возобновляемые источники энергии в электроэнергетике
В мировом масштабе электроэнергетика потребляет 65 ПВт·ч первичной энергии в год (в том числе 46 ПВт·ч ископаемого топлива), однако вырабатывает только 26 ПВт·ч из-за неэффективности преобразования ископаемого топлива в электроэнергию. По оценкам Tesla, отказ от ископаемого топлива и переход на ВИЭ позволит обеспечить те же 26 ПВт·ч генерации.
2. Переход на электромобили
Согласно оценкам, приведенным в Плане, электромобили примерно в четыре раза эффективнее автомобилей с двигателем внутреннего сгорания благодаря более высокому КПД силового агрегата, возможности рекуперативного торможения и оптимизированной конструкции. В качестве примера приводится сравнение расхода энергии электромобилем Tesla Model 3 (131 эквивалент-миль на галлон) и автомобилем с ДВС Toyota Corolla (34 миль на галлон, т. е. расход в 3,9 раза выше). С учетом потребления энергии в процессе добычи и переработки топлива разница становится еще значительнее.

В Плане заявляется, что глобальная электрификация транспортного сектора позволит сократить потребление ископаемого топлива на 28 ПВт·ч в год и, с учетом большей эффективности электротранспорта (в четыре раза), потребует лишь ~7 ПВт·ч в год.
3. Переход на тепловые насосы в жилых, коммерческих помещениях и на производстве
Тепловые насосы (устройства для производства тепла с использованием обратного термодинамического цикла) перемещают тепло от источника к приемнику за счет сжатия/расширения промежуточного хладагента. Они применяются для отопления помещений, подогрева воды в жилых и коммерческих зданиях, в некоторых промышленных процессах. Согласно приведенным оценкам, тепловые насосы используют энергию в три раза эффективнее, чем газовые котлы.

Глобальная электрификация обогрева жилых и коммерческих помещений с помощью тепловых насосов позволит сократить потребление ископаемого топлива на 18 ПВт·ч в год и создаст дополнительный спрос на электроэнергию — 6 ПВт·ч в год.

Промышленные процессы с температурой до 200 °C (пищевая, бумажная, текстильная и деревообрабатывающая промышленность) также могут извлечь выгоду из повышения эффективности, обеспечиваемого тепловыми насосами, хотя их эффективность снижается при значительных перепадах температур. По оценкам Tesla, глобальная электрификация промышленных процессов с температурой ниже 200 °C с помощью тепловых насосов позволит сократить потребление ископаемого топлива на 12 ПВт·ч в год и создаст дополнительную потребность в электроэнергии — 5 ПВт·ч в год.
4. Электрификация высокотемпературных промышленных процессов и производства водорода
Промышленные процессы, требующие высоких температур (>200 °C), потребляют 55 % ископаемого топлива. Это производство стали, химикатов, удобрений, цемента и др. Для их электрификации можно применять электроконтактный нагрев, электродуговые печи или термоаккумулирующие устройства (для использования преимуществ возобновляемой энергии, когда ее в избытке). Электроконтактный нагрев и электродуговые печи имеют такую же эффективность, как доменные печи, поэтому для их работы потребуется такое же количество возобновляемой первичной энергии.

Таким образом, по оценкам Tesla, глобальная электрификация высокотемпературных промышленных процессов позволит сократить потребление ископаемого топлива на 9 ПВт·ч в год, но в то же время создаст дополнительную потребность в таком же количестве электроэнергии (из-за одинаковой эффективности технологий).

В Плане Tesla указано, что сегодня водород производится преимущественно с помощью сжигания угля, нефти и природного газа и используется в различных отраслях промышленности (включая производство стали и удобрений). Способы получения экологически чистого водорода — ​это электролиз воды (высокая энергоемкость, не потребляются и не производятся углеродсодержащие продукты) и пиролиз метана (более низкая энергоемкость, образуется твердый побочный продукт — ​сажа).

Согласно расчетам Tesla, глобальная потребность промышленности в водороде составляет 150 млн тонн в год. Если допустить, что производство всего водорода будет осуществляться посредством электролиза, а в производстве стали будет использоваться прямое восстановление железа с применением водорода, для обеспечения глобальных потребностей потребуется ~7,2 ПВт·ч электроэнергии в год. Для хранения водорода аналитики Tesla предлагают задействовать инфраструктуру хранения природного газа, в частности, переоборудовать его подземные хранилища.
5. Использование экологически чистого топлива для самолетов и судов
Морские перевозки
Как внутри-, так и межконтинентальные перевозки могут быть электрифицированы за счет оптимизации расчетной скорости и маршрутов, что позволит использовать аккумуляторы меньшего размера при более частых остановках для подзарядки на длительных маршрутах. По данным МЭА, мировые морские перевозки потребляют 3,2 ПВт·ч в год. В Плане предполагается, что электрифицированный судоходный флот в 1,5 раза эффективнее, поэтому его совокупные потребности составят 2,1 ПВт·ч электроэнергии в год.

Авиаперевозки
Полеты на короткие расстояния тоже могут быть электрифицированы благодаря оптимизации конструкции самолетов и траекторий полетов при сегодняшних плотностях энергии аккумуляторов (согласно исследованию ученых Университета Карнеги Меллон). Перелеты на большие расстояния, на которые приходится 80 % энергопотребления (85 млрд галлонов реактивного топлива в год), можно осуществлять на синтетическом топливе, получаемом с использованием избыточной возобновляемой электроэнергии с применением процесса Фишера-Тропша (химическая реакция в присутствии катализатора, в которой моноксид углерода и водород преобразуются в различные жидкие углеводороды. — ​Прим. ред.). Для производства синтетического топлива потребуется дополнительно 5 ПВт·ч электроэнергии в год.

Выдвинуто предположение, что со временем могут появиться более эффективные и рентабельные методы получения синтетического топлива; также аккумуляторы с более высокой плотностью энергии позволят электрифицировать самолеты, летающие на более дальние расстояния, тем самым уменьшив потребность в синтетическом топливе.

Таким образом, согласно Плану, синтетическое топливо и электрификация позволят сократить потребление ископаемого топлива в морских и авиаперевозках на 7 ПВт·ч в год и в то же время создадут дополнительный спрос на такое же количество электроэнергии.
6. Создание устойчивой энергетической экономики
Дополнительная электроэнергия потребуется для создания мощностей по производству и хранению электроэнергии (солнечных панелей, ветряных турбин и аккумуляторов), необходимых для устойчивой энергетической экономики. В Плане спрос на электроэнергию смоделирован как увеличивающийся, негибкий спрос в промышленном секторе. Согласно расчетам Tesla, для производства солнечных панелей, ветряных турбин и аккумуляторов потребуется 4 ПВт·ч электроэнергии из устойчивых источников в год.

Моделирование устойчивой энергетической экономики изначально проводилось на основе данных по США (благодаря наличию точных исходных данных, предоставляемых Управлением энергетической информации). Затем модель, подготовленная для США, была экстраполирована на глобальный уровень с использованием шестикратного коэффициента (именно настолько американское потребление первичной энергии меньше общемирового). В Плане признаётся, что это значительное упрощение, не позволяющее учесть различия по странам в потребностях и темпах роста.

Согласно приведенным оценкам, применение вышеописанных шести шагов к мировой энергетике позволит вытеснить потребление 125 ПВт·ч в год от ископаемого топлива. Для этого понадобится 66 ПВт·ч устойчивой электроэнергии в год. Также дополнительно потребуется 4 ПВт·ч в год для производства аккумуляторов, солнечных панелей и ветряных турбин. По расчетам, приведенным в Плане, для достижения устойчивой энергетической экономики потребуется порядка 30,3 ТВт солнечной и ветряной генерации и 240 ТВт·ч аккумуляторов.
По оценкам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), сегодня мощность всех солнечных электростанций в мире составляет 1,05 ТВт, ветряных — ​0,899 ТВт, то есть для реализации Плана Илона Маска необходимо более чем 15‑кратное увеличение действующих мощностей переменных ВИЭ
Также в Плане приводятся оценки инвестиций в новые мощности по производству турбин, солнечных панелей, аккумуляторов, по добыче и переработке необходимых материалов (в особенности никеля, лития, графита, меди, кобальта, железа, марганца и др.), по хранению водорода и т. д. При расчете требуемых инвестиций учитывались первоначальные капитальные затраты, а также затраты на техническое обслуживание в размере 5 % от CAPEX в год на протяжении 20 лет. Исходя из этих допущений, создание производственной инфраструктуры для устойчивой энергетической экономики обойдется в $ 10 трлн, или одну десятую мирового ВВП за прошлый год. Это меньше, чем прогнозируемые 20‑летние расходы на ископаемое топливо в размере $ 14 трлн (при уровне инвестиций 2022 года) (см. Рис. 1).
Рис. 1. Прогнозируемые 20-летние инвестиции, капитальные вложения (согласно Плану),
$трлн, при уровне инвестиций 2022 г.
В Плане приводятся оценки площадей, необходимых для строительства солнечных и ветряных мощностей, сделанные на основе эмпирических данных по США. Согласно исследованию Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL), средняя площадь мощности для солнечных панелей с фиксированным наклоном, установленных в США в 2011—2019 годах, составила 15,8 тыс. м2/МВт. В связи с этим для глобального парка солнечных электростанций (18,3 ТВт) потребуется порядка 289 тыс. км2 (0,19 % общей площади суши).

Что касается ветряных электростанций (ВЭС), аналитики Tesla ссылаются на исследование Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США (NREL), согласно которому прямое использование площадей для выработки 1 МВт с помощью ветрогенераторов составляет ~3 тыс. м2. Поэтому для глобального парка ВЭС (12,1 ТВт) потребуется порядка 37 тыс. км2 (0,02 % от общей площади суши).

Также приведены оценки объемов необходимых материалов (на основе имеющихся данных о материалоемкости тех или иных технологий). Для 30 ТВт ВИЭ, 240 ТВт·ч аккумуляторных батарей и 60 млн миль линий электропередачи в общей сложности потребуется 12 815 млн тонн различных материалов (444 млн тонн в год) (см. Табл. 1).
Таблица 1. Оценки потребностей в материалах для достижения устойчивой энергетической экономики (на 30 лет)
Аналитики Tesla сравнили потребности в добыче материалов с имеющимися мировыми запасами (по данным Геологической службы США) и пришли к выводу: фундаментальные ограничения по запасам материалов отсутствуют. Кроме того, размеры запасов зачастую увеличиваются: когда минерал пользуется спросом, появляется больше стимулов для геологоразведки. Добыча и переработка соответствующих ископаемых должны ежегодно расти, чтобы обеспечить развитие ВИЭ. Ограничивать его будут прежде всего человеческий капитал и сроки выдачи разрешений / регулирование.

Помимо роста добычи материалов, важную роль будет играть их вторичная переработка. Аналитики Tesla ожидают, что в 2040‑х годах она позволит значительно снизить спрос на первичные материалы, поскольку к тому времени срок службы большого количества аккумуляторов солнечных панелей и ветряных турбин будет подходить к концу, и их можно будет утилизировать с извлечением ценных материалов.
Комментарии аналитиков ЦАИР
Генеральный план Tesla содержит существенные упрощения и допущения (главное из них — ​экстраполяция расчетов для США на весь мир) и не претендует на статус глубокого научного исследования. Более детальные и проработанные оценки и прогнозы представлены в исследованиях Международного энергетического агентства и Межправительственной группы экспертов по изменению климата.

Документ Tesla носит, скорее, научно-­популярный характер; его цель — ​показать, что устойчивая энергетика осуществима и что роль Tesla в ее достижении значительна. Целевая аудитория Плана — ​в первую очередь инвесторы Tesla. В то же время План можно рассматривать как попытку стимулировать глобальный дискурс, вплетая свои интересы в мировую повестку и заявляя о себе на альтернативных площадках. Сегодня все больше крупных корпораций используют для подобных целей собственные аналитические центры.

Интересно, что существующие АЭС обозначены в Плане в качестве устойчивых источников энергии, однако строительство новых АЭС в нем не предусмотрено. Делается упор на развитие ВИЭ (преимущественно солнечной энергетики) и использование аккумуляторов, что неудивительно, так как продуктовая линейка компании Tesla включает как аккумуляторы, так и солнечные панели. Прослеживается тенденция: в работах, посвященных устойчивому развитию энергетики, атому уделяется недостаточно внимания.

Для продвижения роли атома в мировой энергетике МАГАТЭ готовит верхнеуровневый документ по достижению целей декарбонизации и энергетической безопасности путем ускорения темпов развития атомной энергетики (White Paper on Achieving Decarbonization Goals & Energy Security with Nuclear), который планируется представить на Генеральной конференции МАГАТЭ осенью.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ