Ветрогенераторы
Считается, что установка большего количества ветряных турбин и солнечных батарей и производство большего количества электромобилей могут решить энергетическую и климатическую проблему. Но все эти устройства представляют собой устройства высокого уровня сложности.
Многие люди считают, что установка большего количества ветряных турбин и солнечных батарей и производство большего количества электромобилей могут решить энергетическую и климатическую проблему. Но все эти устройства: батареи, зарядные станции, линии электропередачи и многие другие конструкции, необходимые для их работы, представляют собой устройства высокого уровня сложности, как в производстве, так и в обслуживании.
По словам антрополога Джозефа Тейнтера, книге « Коллапс сложных обществ» существует обратная зависимость эффективности от дополнительной сложности. Другими словами, наиболее полезные инновации обычно обнаруживаются первыми. Более поздние инновации, как правило, менее полезны. В конце концов затраты энергии на добавленную сложность становятся слишком высокими по сравнению с предоставляемой выгодой.
Мировая экономика, возможно, уже достигла пределов сложности. Кроме того, энергоотдача от инвестиций в энергию хорошо рассчитывается при прямом использовании энергии, а не к энергии, воплощенной в дополнительной сложности. В результате может показаться, что такие инновации, как ветряные турбины, солнечные батареи и электромобили, более полезны, чем они есть на самом деле.
По словам Тейнтера, энергия и сложность дополняют друг друга. Во-первых, растущая сложность может быть полезна для растущей экономики, стимулируя потребление доступных энергетических продуктов. К сожалению, эта растущая сложность приводит к убывающей отдаче, потому что самые простые и выгодные решения находятся первыми. Когда выгода от дополнительной сложности становится слишком малой по сравнению с требуемой дополнительной энергией, экономика в целом имеет тенденцию к краху .
Растущая сложность может сделать товары и услуги менее дорогими по нескольким причинам:
Экономия на масштабе возникает из-за более крупного бизнеса.
Глобализация, которая позволяет использовать альтернативное сырье, более дешевую рабочую силу и энергетические продукты.
Большая специализация позволяют больше инноваций.
Усовершенствованные технологии позволяют производить товары дешевле.
Усовершенствованная технология может позволить экономить топливо для транспортных средств, обеспечивая постоянную экономию топлива.
Как ни странно, на практике растущая сложность приводит к большему, а не меньшему расходу топлива. Это известно как парадокс Джевонса . Если продукты дешевле, больше людей могут позволить себе их покупать и эксплуатировать, поэтому общее потребление энергии, как правило, выше.
Причина, по которой можно считать электроэнергию от ветряных турбин и солнечных батарей более сложной, чем электроэнергию от гидроэлектростанций или от электростанций заключается в том, что выходная мощность этих устройств далека от того, что необходимо для удовлетворения потребностей текущей системы электроснабжения. Ветряная и солнечная генерация нуждаются в комплексности, чтобы решить проблемы с перемежаемостью.
При производстве гидроэлектроэнергии вода легко собирается за плотиной. Часто часть воды можно сохранить для последующего использования, когда спрос будет высоким. Вода, захваченная за плотиной, может проходить через турбину, так что выходная электрическая мощность соответствует схеме переменного тока, используемой в данной местности. Электричество от плотины гидроэлектростанции может быть быстро добавлено к другим доступным источникам электроэнергии, чтобы соответствовать модели потребления электроэнергии, которую предпочитают пользователи.
С другой стороны, мощность ветряных турбин и солнечных батарей требует гораздо большей помощи («сложности»), чтобы соответствовать структуре потребления электроэнергии потребителями. Электричество от ветряных турбин имеет тенденцию быть очень неорганизованным. Он приходит и уходит по своему расписанию. Электричество от солнечных батарей организовано, но эта организация не соответствует предпочтениям потребителей.
Основная проблема заключается в том, что электричество для отопления требуется зимой, а солнечная энергия непропорционально доступна летом; ветровая доступность неравномерна. Батарейки можно добавить, но они в основном решают проблемы неправильного «времени суток». Проблемы неправильного «времени года» необходимо смягчать с помощью малоиспользуемой параллельной системы. Наиболее популярной резервной системой, по-видимому, является природный газ, но также можно использовать резервные системы на нефти или угле.
Эта двойная система имеет более высокую стоимость, чем любая система, если бы она работала по отдельности на постоянной основе. Например, необходимо установить систему природного газа с трубопроводами и хранилищем, даже если электричество из природного газа используется только часть года. Комбинированная система нуждается в специалистах во всех областях, включая передачу электроэнергии, производство природного газа, ремонт ветряных турбин и солнечных батарей, а также производство и техническое обслуживание аккумуляторов. Все это требует систем образования и международной торговли, иногда с недружественными странами.
Я также считаю электромобили сложными. Одна из основных проблем заключается в том, что экономике потребуется двойная система (для двигателей внутреннего сгорания и электромобилей) на многие-многие годы. Для электромобилей требуются батареи, изготовленные с использованием элементов со всего мира. Им также нужна целая система зарядных станций, чтобы удовлетворить их потребность в частой подзарядке.
Энергетические потребности скрыты во многих областях. Например, чтобы иметь сложную систему, нам нужна финансовая система. Стоимость этой системы не может быть добавлена обратно. Нам нужны современные дороги и система законов. Стоимость правительства, предоставляющего эти услуги, нелегко определить. Для поддержки все более сложной системы требуется образование, но эту стоимость также трудно измерить. Кроме того, как мы отмечали в другом месте, наличие двойных систем добавляет другие затраты, которые трудно измерить или предсказать.
Спираль энергетической сложности может достигать пределов по крайней мере тремя способами:
Добыча полезных ископаемых всех видов размещается в первую очередь в лучших местах . Нефтяные скважины в первую очередь размещаются в районах, где нефть легко добывать, и вблизи населенных пунктов. Угольные шахты сначала размещаются в местах, где уголь легко добывать, а затраты на транспортировку для пользователей будут низкими. Шахты по добыче лития, никеля, меди и других полезных ископаемых размещаются в первую очередь в наиболее продуктивных местах.
В конце концов, стоимость производства энергии растет, а не падает, из-за убывающей отдачи. Нефть, уголь и энергоносители дорожают. Ветряные турбины, солнечные панели и аккумуляторы для электромобилей также имеют тенденцию становиться более дорогими, поскольку стоимость минералов для их производства возрастает. Все виды энергетических товаров, включая «возобновляемые источники», становятся менее доступными. На самом деле, есть много сообщений о том, что стоимость производства ветряных турбин и солнечных панелей выросла в 2022 году, что сделало производство этих устройств нерентабельным. Либо более высокие цены на готовые устройства, либо более низкая прибыльность для тех, кто производит устройства, могут остановить рост использования.
Численность населения имеет тенденцию к постоянному росту, если продовольствия и других ресурсов достаточно, но предложение пахотных земель остается почти постоянным. Эта комбинация заставляет общество производить непрерывный поток инноваций, которые позволят увеличить количество продовольствия на акр. Эти инновации в конечном итоге приводят к убывающей отдаче, из-за чего производству продуктов питания становится все труднее идти в ногу с ростом населения. Иногда неблагоприятные колебания погодных условий дают понять, что запасы продовольствия в течение многих лет слишком близки к минимальному уровню. Спираль роста сбивается резкими скачками цен на продовольствие и плохим здоровьем рабочих, которые могут позволить себе только неадекватное питание.
Рост сложности достигает предела. Самые ранние инновации, как правило, наиболее продуктивны. Например, электричество можно изобрести только один раз, как и лампочку. Глобализация может зайти так далеко, пока не будет достигнут максимальный уровень. Я думаю о долге как о части сложности. В какой-то момент долг не может быть погашен с процентами. Высшее образование (необходимое для специализации) достигает предела, когда работники не могут найти работу с достаточно высокой заработной платой, чтобы погасить образовательные кредиты, помимо покрытия расходов на проживание.
Как правило, экономика растет более ста лет, достигает пределов энергетической сложности, а затем рушится в течение нескольких лет. Этот коллапс может происходить по-разному. Слой правительства может рухнуть. Я думаю о крахе центрального правительства Советского Союза в 1991 году как о форме краха до более низкого уровня простоты. Или одна страна завоевывает другую страну (с проблемами энергетической сложности), захватывая правительство и ресурсы другой страны. Или происходит финансовый крах.
Тейнтер говорит, что упрощение обычно не происходит добровольно. Один из примеров добровольного упрощения, который он приводит, касается Византийской империи в 7 веке. Из-за меньшего финансирования вооруженных сил он отказался от некоторых своих удаленных постов и использовал менее затратный подход к управлению оставшимися постами.
На мой взгляд, в расчетах EROEI (и подобных расчетах) легко преувеличить пользу сложных видов энергоснабжения.
Важным моментом, который профессор Тейнтер делает в докладе, ссылка на который приведена выше, является то, что сложность требует затрат энергии, но затраты энергии этой сложности практически невозможно измерить . Он также отмечает, что растущая сложность соблазнительна; общая стоимость сложности имеет тенденцию расти с течением времени. Модели, как правило, пропускают необходимые части общей системы, необходимые для поддержки очень сложного нового источника энергоснабжения.
Поскольку энергию, необходимую для сложности, трудно измерить, расчеты EROEI в отношении сложных систем будут иметь тенденцию к тому, чтобы сложные формы производства электроэнергии, такие как ветер и солнечная энергия, выглядели так, как будто они потребляют меньше энергии (имеют более высокий EROEI), чем на самом деле. . Проблема в том, что расчеты EROEI учитывают только прямые затраты на «инвестиции в энергию». Например, расчеты не предназначены для сбора информации о более высоких затратах на электроэнергию в двойной системе, когда части системы недоиспользуются в определенные периоды года. Годовые затраты не обязательно будут уменьшены пропорционально.
В связанном видео профессор Тейнтер рассказывает о EROEI нефти за эти годы. У меня нет проблем с этим типом сравнения, особенно если оно останавливается до недавнего перехода к более широкому использованию фрекинга, поскольку уровень сложности аналогичен. На самом деле такое сравнение, исключающее гидроразрыв пласта, похоже, и делает Тейнтер. Сравнение различных типов энергии с разными уровнями сложности легко искажается.
Нынешняя мировая экономика, похоже, уже имеет тенденцию к упрощению, предполагая, что тенденция к большей сложности уже преодолела свой максимальный уровень, учитывая отсутствие недорогих энергетических продуктов.
Интересно, мы уже начинаем видеть упрощение в торговле, особенно в международной торговле, потому что доставка (как правило, с использованием нефтепродуктов) становится дорогой. Это можно рассматривать как своего рода упрощение в ответ на отсутствие достаточного количества недорогой энергии .
Торговля в процентах от ВВП достигла своего пика в 2008 году. С тех пор в торговле наблюдается общая тенденция к снижению, что указывает на то, что мировая экономика имеет тенденцию к сокращению, по крайней мере в некоторых отношениях, по мере того, как достигла высоких ценовых пределов.
Другим примером тенденции к снижению сложности является падение числа студентов бакалавриата и университетов в США с 2010 года. Другие данные показывают , что число студентов бакалавриата увеличилось почти втрое в период с 1950 по 2010 год, поэтому переход к нисходящей тенденции после 2010 года представляет собой важный поворотный момент.
Причина, по которой сдвиг в зачислении является проблемой, заключается в том, что колледжи и университеты имеют огромное количество постоянных расходов. К ним относятся здания и территории, которые необходимо поддерживать. Часто также требуется погашение долга. В образовательных системах также есть штатные преподаватели, которых они обязаны держать в своем штате в большинстве случаев. У них могут быть пенсионные обязательства, которые не полностью финансируются, что еще больше увеличивает затраты.
По словам профессорско-преподавательского состава колледжа, с которыми я разговаривал, в последние годы возникло давление, направленное на повышение уровня удержания принятых студентов. Другими словами, они чувствуют, что их поощряют удерживать нынешних студентов от отсева, даже если это означает небольшое снижение их стандартов. В то же время заработная плата профессорско-преподавательского состава не поспевает за инфляцией.
Другая информация свидетельствует о том, что колледжи и университеты в последнее время уделяют большое внимание созданию более разнообразного студенческого состава. Учащиеся, которые могли быть не приняты в прошлом из-за низких оценок в средней школе, все чаще принимаются, чтобы не допустить дальнейшего падения числа учащихся.
С точки зрения студентов, проблема заключается в том, что рабочие места, за которые платят достаточно высокую заработную плату, чтобы оправдать высокую стоимость обучения в колледже, становятся все более недоступными. Это, по-видимому, является причиной как кризиса студенческой задолженности в США, так и сокращения набора студентов бакалавриата.
Конечно, если колледжи, по крайней мере, несколько снижают свои стандарты приема и, возможно, также снижают требования к выпускным, возникает необходимость «продать» этих все более разнообразных выпускников с несколько более низкими показателями успеваемости правительствам и предприятиям, которые могут их нанять. Мне кажется, что это еще один признак потери сложности.
В 2022 году общие затраты на электроэнергию в большинстве стран ОЭСР начали достигать высоких уровней по отношению к ВВП. Когда мы анализируем ситуацию, цены на электроэнергию растут, как и цены на уголь и природный газ — два вида топлива, которые чаще всего используются для производства электроэнергии.
ОЭСР — это межправительственная организация, состоящая в основном из богатых стран, которая была создана для стимулирования экономического прогресса и содействия мировому росту . Он включает в себя США, большинство европейских стран, Японию, Австралию и Канаду, среди других стран. Рисунок 4 с подписью «Периоды высоких затрат энергии часто связаны с рецессией» был подготовлен двумя экономистами, работающими в ОЭСР. Серые полосы указывают на рецессию.
В 2021 году цены практически на все сегменты затрат, связанные с потреблением энергии, имели тенденцию к резкому росту. Цены на электроэнергию, уголь и природный газ были очень высокими по сравнению с предыдущими годами. Единственным сегментом затрат на энергию, который не сильно отличался от затрат в предыдущие годы, была нефть. Уголь и природный газ используются для производства электроэнергии, поэтому высокая стоимость электроэнергии не должна вызывать удивления.
Высокие цены на энергоносители часто подталкивают экономику к рецессии. Граждане вынуждены сокращать расходы на второстепенные товары, снижая спрос и подталкивая свою экономику к рецессии.
Кажется, что мир столкнулся с ограничениями на добычу угля. Это, вместе с высокой стоимостью перевозки угля на большие расстояния, приводит к очень высоким ценам на уголь.
С 2011 года мировая добыча угля почти не изменилась. Рост производства электроэнергии из угля был почти таким же стабильным, как и мировая добыча угля. Косвенно отсутствие роста добычи угля вынуждает коммунальные предприятия по всему миру переходить на другие виды производства электроэнергии.
Природный газ в настоящее время также находится в дефиците, если принять во внимание растущий спрос на многие его виды.
Хотя добыча природного газа росла, в последние годы она росла недостаточно быстро, чтобы поспевать за растущим мировым спросом на импорт природного газа. Мировая добыча природного газа в 2021 году всего на 1,7% превысила добычу в 2019 году.
Рост спроса на импорт природного газа происходит сразу по нескольким направлениям:
Поскольку предложение угля невелико, а импорт недостаточен, страны стремятся заменить выработку электроэнергии на природном газе выработкой электроэнергии на угле. Отчасти по этой причине Китай является крупнейшим в мире импортером природного газа.
Страны, использующие электричество от ветра или солнца, обнаруживают, что электричество от природного газа может быстро возрастать и заполняться, когда ветер и солнечная энергия недоступны.
В ряде стран, включая Индонезию, Индию и Пакистан, добыча природного газа сокращается.
Европа решила прекратить импорт природного газа из России по трубопроводу и теперь вместо этого нуждается в большем количестве СПГ.
Цены на природный газ сильно варьируются в зависимости от того, производится ли природный газ на месте, а также от того, как он поставляется и по какому контракту он заключен. Как правило, природный газ местного производства является наименее дорогим. Аналогичные проблемы возникают и с углем, причем уголь местного производства является наименее дорогим.
Сравнение цен на природный газ в трех частях света из японского издания IEEJ от 23 января 2023 года.
Низкая цена Henry Hub внизу — это цена в США, доступная только на местном уровне. Если запасы высоки в США, его цена имеет тенденцию быть низкой. Следующей более высокой ценой является цена Японии на импортный сжиженный природный газ (СПГ), заключенный по долгосрочным контрактам на несколько лет. Максимальная цена — это цена, которую Европа платит за СПГ на основе цен «спотового рынка». СПГ на спотовом рынке — единственный вид СПГ, доступный тем, кто не планировал заранее.
В последние годы Европа рисковала получить низкие цены на спотовом рынке, но такой подход может иметь неприятные последствия, когда не хватает средств. Отметим, что высокая цена на европейский импортный СПГ была очевидна уже в январе 2013 года, до начала вторжения в Украину.
Основная проблема заключается в том, что доставка природного газа чрезвычайно дорога, как минимум вдвое или втрое дороже для потребителя. Производителям необходимо гарантировать высокую цену на СПГ в долгосрочной перспективе, чтобы вся инфраструктура, необходимая для производства и транспортировки природного газа в качестве СПГ, была прибыльной. Чрезвычайно изменчивые цены на СПГ стали проблемой для производителей природного газа.
Очень высокие недавние цены на СПГ в Европе сделали цену на природный газ слишком высокой для промышленных потребителей, которым природный газ нужен не только для производства электроэнергии, но и для других процессов, таких как производство азотных удобрений. Эти высокие цены вызывают стресс из-за отсутствия недорогого природного газа, который распространяется на сельскохозяйственный сектор.
Большинство людей «энергетически слепы», особенно когда речь идет об угле и природном газе. Они предполагают, что есть много обоих видов топлива, которые можно дешево добывать, по сути, вечно. К сожалению, как для угля, так и для природного газа стоимость доставки, как правило, очень высока . Это то, чего не хватает моделистам. Именно высокая стоимость поставки природного газа и угля делает невозможным фактическую добычу компаниями тех объемов угля и природного газа, которые кажутся доступными на основании оценок запасов.
Когда мы анализируем потребление электроэнергии в последние годы, мы обнаруживаем, что с 2001 года в странах ОЭСР и странах, не входящих в ОЭСР, наблюдаются совершенно разные модели роста потребления электроэнергии.
Потребление электроэнергии в странах ОЭСР практически не изменилось, особенно с 2008 г. Даже до 2008 г. потребление электроэнергии в странах ОЭСР не росло быстрыми темпами.
Сейчас предлагается увеличить использование электроэнергии в странах ОЭСР. Электричество будет в большей степени использоваться для заправки автомобилей и отопления домов. Он также будет больше использоваться для местного производства, особенно для аккумуляторов и полупроводниковых микросхем. Интересно, как страны ОЭСР смогут нарастить производство электроэнергии в достаточной степени, чтобы покрыть как текущее потребление электроэнергии, так и запланированное новое использование, если в прошлом производство электроэнергии было практически неизменным.
Производство электроэнергии по видам топлива в странах ОЭСР на основе данных Статистического обзора мировой энергетики BP за 2022 год .
Доля угля в производстве электроэнергии в странах ОЭСР снижается, особенно с 2008 года. «Прочие» растут, но лишь настолько, чтобы общий объем производства оставался на прежнем уровне. Другая состоит из возобновляемых источников энергии, в том числе ветра и солнца, а также электричества из нефти и сжигания мусора. Последних категорий мало.
Модель недавнего производства энергии для стран, не входящих в ОЭСР, сильно отличается:
Производство электроэнергии по видам топлива для стран, не входящих в ОЭСР, на основе данных Статистического обзора мировой энергетики BP за 2022 год .
На рисунке 8 показано, что страны, не входящие в ОЭСР, быстро наращивают производство электроэнергии из угля. Другими основными источниками топлива являются природный газ и электроэнергия, вырабатываемая плотинами гидроэлектростанций. Все эти источники энергии относительно несложны. Электричество из местного угля, местного природного газа и гидроэлектроэнергия, как правило, довольно недорогие. Благодаря этим недорогим источникам электроэнергии страны, не входящие в ОЭСР, смогли доминировать в мировой тяжелой промышленности и большей части ее производства.
На самом деле, если мы посмотрим на местное производство топлива, обычно используемого для производства электроэнергии (то есть всех видов топлива, кроме нефти), мы увидим закономерность.
Производство энергии из топлива, часто используемого для производства электроэнергии в странах ОЭСР, на основе данных Статистического обзора мировой энергетики BP за 2022 год .
Что касается добычи топлива, часто связанного с электричеством, производство было практически остановлено, даже с учетом «возобновляемых источников энергии» (ветер, солнечная энергия, геотермальная энергия и древесная щепа). Добыча угля падает. Снижение добычи угля, вероятно, является основной причиной отсутствия роста электроснабжения в странах ОЭСР. Электричество из местного угля исторически было очень недорогим, что привело к снижению средней цены на электроэнергию.
Совсем другая картина возникает, когда рассматривается производство топлива, используемого для выработки электроэнергии в странах, не входящих в ОЭСР. Обратите внимание, что на рисунках 9 и 10 использована одна и та же шкала. Таким образом, в 2001 году производство этих видов топлива было примерно одинаковым для стран ОЭСР и стран, не входящих в ОЭСР. Производство этих видов топлива почти удвоилось с 2001 года в странах, не входящих в ОЭСР, в то время как производство в странах ОЭСР осталось практически на прежнем уровне.
Производство энергии из топлива, часто используемого для производства электроэнергии в странах, не входящих в ОЭСР, на основе данных Статистического обзора мировой энергетики BP за 2022 год .
Одним из интересных моментов на рисунке 10 является добыча угля в странах, не входящих в ОЭСР, показанная синим цветом внизу. С 2011 года он почти не увеличивается. Это часть того, что сейчас сокращает мировые поставки угля. Я сомневаюсь, что резкий скачок цен на уголь сильно увеличит добычу угля в долгосрочной перспективе, потому что действительно местные запасы истощаются даже в странах, не входящих в ОЭСР. Резкие скачки цен с гораздо большей вероятностью приведут к рецессии, дефолтам по долгам, снижению цен на сырьевые товары и сокращению поставок угля.
Я боюсь, что мировая экономика достигла пределов сложности, а также пределов производства энергии.
Мировая экономика, похоже, рухнет в течение нескольких лет. В ближайшей перспективе результат может выглядеть как сильная рецессия, или как война, или, возможно, и то, и другое. До сих пор страны, использующие несложные для производства электроэнергии виды топлива (местный уголь и природный газ, а также производство гидроэлектроэнергии), похоже, преуспевают лучше других. Но в целом мировая экономика испытывает стресс из-за неадекватных дешевых в производстве местных источников энергии.
С точки зрения физики, мировая экономика, а также все отдельные экономики в ней являются диссипативными структурами . Таким образом, рост, за которым следует коллапс, является обычным явлением. В то же время можно ожидать формирования новых вариантов диссипативных структур, некоторые из которых могут быть лучше адаптированы к изменяющимся условиям. Таким образом, подходы к экономическому росту, которые сегодня кажутся невозможными, могут стать возможными в долгосрочной перспективе.
Например, если изменение климата открывает доступ к большему количеству запасов угля в очень холодных районах, принцип максимальной мощности предполагает, что какая-то экономика в конечном итоге получит доступ к таким месторождениям. Таким образом, хотя сейчас мы, кажется, приближаемся к концу, в долгосрочной перспективе можно ожидать, что самоорганизующиеся системы найдут способы использовать («рассеивать») любые источники энергии, к которым можно недорого получить доступ, учитывая как сложность, так и непосредственное использование топлива. использовать.