Сможет ли цивилизация выжить?

Написать комментарий

Отказ мира от нынешней зависимости от ископаемого топлива станет самым масштабным, дорогостоящим и сложным техническим проектом, который когда-либо предпринимали люди. Если он потерпит неудачу, это может означать конец индустриальной цивилизации. Чтобы добиться успеха, потребуются огромные инвестиции и усилия, а также некоторые общие жертвы. Таковы выводы ключевых недавних исследований, пытающихся смоделировать глобальный энергетический переход.

Энергия необходима; именно она позволяет нам делать буквально всё, что мы делаем. Ископаемые виды топлива, способные накапливать и передавать огромное количество энергии, лежат в основе современного индустриального мира. Но поскольку запасы ископаемого топлива ограничены, а его использование приводит к загрязнению окружающей среды, крайне важно планировать переход на возобновляемые источники энергии, которые можно использовать в долгосрочной перспективе.

Переход от ископаемого топлива к альтернативным источникам энергии не является чем-то необязательным; в той или иной форме он неизбежен. Однако возникают серьёзные вопросы о том, сколько это будет стоить с точки зрения денег, энергии и выбросов; как быстро мы сможем этого добиться; и какое общество смогут поддерживать альтернативные источники энергии, которые мы внедрим, — предположительно, это будет комплекс источников, в котором преобладают солнечная и ветровая энергия.

Эти вопросы имеют политическое и экономическое измерение. Но полагаться на политику или экономику в качестве руководства для перехода было бы глупо, не проанализировав сначала варианты и их последствия для физического мира.

В противном случае политики и экономисты будут просто пытаться максимально сохранить нашу нынешнюю промышленную систему, даже несмотря на то, что эта система по своей сути неустойчива (поскольку в значительной степени зависит от истощения запасов ископаемого топлива) и порождает каскадные кризисы из-за изменения климата.

Опытные аналитики используют компьютерные модели, чтобы оценить, что будет означать энергетический переход и как его лучше осуществить. Но до сих пор моделированию перехода уделялось удивительно мало внимания со стороны политиков и широкой общественности.

Что нам нужно знать

Первые попытки моделирования энергетического перехода в основном сводились к подсчёту того, сколько солнечных панелей и ветряных турбин потребуется для замены энергии, которую мы сейчас получаем из ископаемого топлива, и сколько будет стоить вся эта технология. Но энергетический переход будет гораздо более сложной задачей, чем просто создание новых источников энергии.

Поскольку солнечная и ветровая энергия непостоянны, потребуется хранение энергии, а также резервирование генерирующих мощностей. Поскольку большинство новых источников энергии будут вырабатывать электричество, а большая часть существующей инфраструктуры энергопотребления рассчитана на хранение топлива, нам придётся электрифицировать множество энергопотребляющих технологий (электромобили — это только начало).

В то же время нам понадобится совершенно новая отрасль для производства низкоуглеродного топлива для технологий, которые будет сложно электрифицировать, — таких как цементные печи и самолёты.

Область системной динамики идеально подходит для анализа энергетических переходов, поскольку специалисты в этой области стремятся моделировать изменения в сложных системах. Исследования в области системной динамики часто приводят к появлению нескольких возможных сценариев, каждый из которых основан на корректировке ключевой переменной.

Что касается энергетического перехода, нам нужны исследования сценариев системной динамики, которые могут дать ответы на следующие вопросы:

Сколько будет стоить переход с точки зрения денежных затрат — не только на панели и турбины, но и на систему в целом, включая всю новую электрифицированную инфраструктуру, а также инфраструктуру, необходимую для хранения энергии и производства низкоуглеродного топлива?

Сколько энергии это потребует? Для создания всей этой новой инфраструктуры потребуется энергия. На ранних этапах перехода большая часть этой энергии будет поступать из ископаемого топлива, которое в настоящее время обеспечивает более 80% мировой энергетики.

А что насчёт выбросов углекислого газа? Во время энергетического перехода общество будет выбрасывать в атмосферу больше парниковых газов, чем раньше (из-за интенсификации промышленных процессов, необходимых для создания новой энергетической инфраструктуры). Насколько больше?

Как переход повлияет на экономический рост и наоборот? Если мировая экономика продолжит расти, это может затруднить переход, поскольку потребуется больше энергии для целей, не связанных с переходом. Но намеренное сокращение экономики с целью направить больше энергии на переход может подорвать финансовую (и политическую) поддержку проекта.

Как переход повлияет на окупаемость инвестиций общества в получение большего количества энергии (окупаемость инвестиций в энергию, или EROI)? Именно высокая рентабельность ископаемого топлива позволила человечеству построить сложные индустриальные общества, в которых подавляющее большинство людей проводят свои дни, потребляя энергию, а не производя ее. Окупаемость инвестиций в ископаемое топливо в целом снижается из-за истощения высококачественных запасов нефти, газа и угля, в то время как окупаемость инвестиций в возобновляемые источники энергии в целом увеличивается благодаря совершенствованию технологий. Но ситуация осложняется тем, что во время перехода на возобновляемые источники энергии затраты на электроэнергию будут выше, чем окупаемость энергии, что, возможно, снизит EROI для общества в целом, по крайней мере временно. А EROI для возобновляемых источников энергии может снизиться из-за истощения запасов минеральных и металлических руд, необходимых для масштабного внедрения этих технологий (поскольку для добычи и переработки низкосортных руд требуется больше энергии).

Как нехватка материалов повлияет на переход к возобновляемым источникам энергии? Для массового производства солнечных панелей, ветряных турбин, аккумуляторов и других технологий возобновляемой энергетики потребуется огромное количество металлов и минералов, некоторые из которых уже находятся в дефиците.

Каковы затраты и выгоды, если переход происходит быстрее или медленнее? Скорость перехода может по-разному влиять на экономику, доступность энергии, эффективность использования энергии в обществе и выбросы парниковых газов.

Очевидно, что нам нужно многое знать. И, что ещё больше усложняет задачу, мы не можем рассматривать каждый из этих вопросов по отдельности, потому что все части энергетической системы и промышленной системы, которую она питает, будут постоянно взаимодействовать. Вот почему нам нужны сценарии, основанные на моделировании динамических систем.

Интерес к моделированию энергетического перехода возник сравнительно недавно, но научная литература по этой теме быстро растёт. За последнее десятилетие были опубликованы десятки соответствующих научных работ, хотя большинство из них пытаются ответить лишь на один или два из перечисленных выше вопросов (например, в отчёте консультантов McKinsey подсчитано, что глобальный переход обойдётся в 275 триллионов долларов за 30 лет; этот отчёт подвергся критике здесь).

Подробное обсуждение всех этих публикаций было бы громоздким, тем более что во многих из них не используется методология системной динамики. Вместо этого давайте рассмотрим два недавних исследования системной динамики, в которых рассматриваются многие из поставленных мной вопросов. Выводы одного исследования более мрачные, другого — менее.

“Динамический возврат энергии”

Первое исследование — «Динамическая энергетическая отдача от инвестиций в энергетику (EROI) и материальные потребности в сценариях глобального перехода на возобновляемые источники энергии» Иньиго Капеллана-Переса, Карлоса де Кастро и Луиса Хавьера Мигеля Гонсалеса, опубликованное в Energy Strategy Reviews в ноябре 2019 года. Ниже я буду называть это исследование просто «Динамическая энергетическая отдача».

Группа учёных, занимающихся «динамическим возвратом энергии», сосредоточилась на EROI, поскольку они считают, что это будет ключевым фактором энергетического перехода. Если EROI в обществе будет высоким во время и после перехода, это будет означать, что энергию будет легче получать. А при наличии более доступной и дешёвой энергии будет проще решать и другие проблемы.

Например, дешёвая энергия может позволить перерабатывать более низкосортные минеральные и металлические руды в больших количествах, тем самым удешевляя производство компонентов возобновляемой энергетики и установку инфраструктуры.

Однако, если эффективность использования ресурсов в обществе снижается, большинство промышленных и экономических проблем становится сложнее решать — независимо от того, связаны ли они с производством или добычей ресурсов.

Результаты этого исследования вызывают беспокойство. В настоящее время, по мнению авторов, на каждую единицу энергии, вложенную в производство энергии (бурение нефтяных скважин, добыча угля, строительство атомных электростанций, производство и установка солнечных панелей и так далее), мир получает 12 единиц энергии.

Почти полный переход мировой энергетической системы на возобновляемые источники к 2060 году сократит этот показатель до 3–5 единиц. Авторы отмечают, что предыдущие исследования показывают, что соотношение прибыли и затрат на энергию в диапазоне от 3:1 до 5:1 не может обеспечить функционирование современных индустриальных обществ.

Эффективность использования энергии в обществе снизится отчасти из-за возросшей потребности в энергии для строительства новой энергетической инфраструктуры. Несмотря на то, что новые генераторы энергии будут вырабатывать больше энергии в течение срока службы, чем будет потрачено на их строительство, инвестиции в энергетику будут на первом месте, а окупаемость инвестиций в энергетику будет достигаться в течение нескольких лет или десятилетий.

Таким образом, быстрый переход означает, что эффективность использования энергии в энергетической системе в целом снизится, по крайней мере, до тех пор, пока переход не будет в основном завершён. Более того, «производство энергии должно увеличиться на 35%, чтобы обеспечить тот же уровень энергоснабжения общества в переходный период».

Исследование «Динамическое возвращение энергии» также показало, что возросшая потребность в сырье может привести к «существенной перестройке экономики». По оценкам авторов, совокупный спрос превысит текущие запасы теллура, индия, олова, серебра и галлия.

Результаты исследования поразительны. Если общество будет стремиться к быстрому переходу от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии, пытаясь при этом сохранить текущий уровень энергопотребления для других целей (сельское хозяйство, производство, отопление и охлаждение зданий, строительство дорог и зданий, транспорт), энергетические системы будут испытывать нагрузку, возможно, доходящую до предела.

Действительно, в условиях снижения EROI и нехватки ресурсов переход может оказаться неудачным, и промышленным обществам будет трудно предотвратить крах.

“Энергетические потребности”

Второе исследование «Потребности в энергии и выбросы углерода при низкоуглеродном энергетическом переходе», проведенное Альйошей Сламершаком, Гиоргосом Каллисом и Дэниелом У. О’Нилом, было опубликовано в Nature Communications в ноябре 2022 года. Я буду называть это исследование «Потребности в энергии».

Частично подтверждая результаты «Динамического возврата энергии», авторы «Потребностей в энергии» обнаружили, что «первоначальный толчок к переходу, вероятно, приведёт к снижению общего количества энергии, доступной обществу, на 10–34%».

Опять же, эти авторы считают, что EROI в обществе является ключевым показателем при моделировании перехода. Действительно, это исследование было построено на трёх сценариях: с высоким, средним и низким EROI. Стоимость и сложность энергетического перехода значительно возрастали по мере снижения предполагаемого EROI.

В «Потребностях в энергии» также рассматривается совокупный объём выбросов углерода, связанных с переходом к низкоуглеродной энергетической системе, и делается вывод, что они, скорее всего, будут значительными и составят от 70 до почти 400 миллиардов тонн CO2, в зависимости от сценария. Для сравнения: сегодня глобальные выбросы углерода составляют около 50 миллиардов тонн в год.

К 2050 году, если общество будет стремиться к быстрому переходу, деятельность, связанная со строительством, эксплуатацией и заменой источников энергии, будет производить более чем в два с половиной раза больше выбросов углерода по сравнению с сегодняшней энергетической системой, в которой преобладают ископаемые виды топлива.

Это кажется нелогичным, однако авторы учитывают в основном выбросы от бурения и добычи полезных ископаемых, а не от сжигания добываемого топлива, поскольку эти выбросы связаны с другими секторами экономики (сельское хозяйство, транспорт, производство и т. д.).

Это открытие означает, что, если общие выбросы в обществе останутся в пределах допустимого бюджета, необходимого для ограничения глобального потепления до 1,5 градусов, остальная часть общества (то есть отрасли, не связанные с энергетикой) должна будет сократить выбросы, возможно, практически до нуля.

Как это можно сделать в таких отраслях, как авиация, сталелитейная и цементная промышленность, трудно себе представить. Если мы не придумаем, как заново изобрести многие ключевые промышленные процессы, их просто придётся значительно сократить.

Выводы «Энергетических потребностей» относительно оптимистичны: в сценарии «высокого EROI» снижение EROI в обществе в период перехода к новым технологиям незначительно, а скачок выбросов относительно невелик. Более того, авторы делают вывод:

«Хорошую жизнь можно было бы обеспечить при меньшем потреблении энергии на душу населения, повысив эффективность энергопотребляющих технологий (например, заменив бензиновые автомобили на электромобили), перейдя от потребления с более высокой энергоёмкостью к потреблению с более низкой энергоёмкостью (например, от автомобилей к велосипедам) и полностью отказавшись от наиболее неэффективных альтернатив (например, от полётов)».

Сравнение двух исследований: что мы можем извлечь из этого?

Разногласия в сообществе специалистов по моделированию энергетического перехода в основном сводятся к расхождениям в предположениях о текущих и будущих показателях EROI для возобновляемых источников энергии.

В научной литературе некоторые исследования показывают, что общий возврат энергии для возобновляемых источников намного ниже, чем для ископаемого топлива, в то время как другие исследования показывают, что возврат энергии для солнечной и ветровой энергии в настоящее время несколько выше, чем для нефти.

Эти различия в оценках EROI в основном обусловлены различиями в структуре исследований. В некоторых исследованиях учитываются только самые необходимые затраты энергии на строительство и эксплуатацию генераторов возобновляемой энергии; в таких исследованиях, как правило, указывается более высокий показатель EROI. В других исследованиях границы шире и включают дополнительные факторы, такие как хранение энергии, что приводит к снижению коэффициента энергетической рентабельности.

Пессимисты в отношении EROI возобновляемых источников энергии утверждают, что при моделировании глобального энергетического перехода следует использовать максимально широкие границы. Действительно, пессимисты в отношении EROI, скорее всего, сочли бы нереалистичным даже сценарий «низкого EROI» в исследовании «Потребности в энергии», поскольку он предполагает рост показателей EROI для технологий возобновляемой энергетики.

Действительно ли показатели EROI для возобновляемых источников энергии улучшатся, если истощение высококачественных месторождений полезных ископаемых и металлов вынудит производителей низкоуглеродной инфраструктуры тратить больше энергии на добычу и переработку?

С другой стороны, оптимисты в отношении EROI возобновляемых источников энергии указывают на недавнее снижение стоимости большинства технологий, связанных с возобновляемыми источниками энергии, и утверждают, что дальнейшее повышение эффективности неизбежно, особенно если удастся сдерживать рост цен на ресурсы за счёт замены дефицитных минералов на более распространённые.

Эти два исследования сходятся в некоторых общих моментах:

Энергетический переход потребует значительных затрат энергии. Это повлияет на экономику в целом. В целом, в период перехода энергия, скорее всего, будет стоить дороже (хотя насколько дороже — неясно).

Энергетический переход приведет к дополнительным выбросам углекислого газа (сколько именно — неизвестно).

Чем быстрее произойдёт переход, тем более болезненным он будет для общества. Поэтому чем раньше начнём, тем лучше. Дело в том, что по мере неизбежного снижения EROI ископаемого топлива всё, что мы делаем и что зависит от ископаемого топлива, будет становиться сложнее и дороже, включая строительство инфраструктуры возобновляемых источников энергии. В идеале мы должны были начать энергетический переход несколько десятилетий назад, когда энергопотребление было ниже, а ископаемое топливо имело более высокий EROI и больший углеродный бюджет. Те, кто стремится отсрочить переход (как это делает индустрия ископаемого топлива), значительно ухудшают положение общества.

Более высокое потребление энергии для целей, не связанных с переходом, затрудняет сам переход. Поскольку сам переход к новым источникам энергии потребует больших затрат энергии, общее энергопотребление общества и выбросы углекислого газа в период перехода будут расти, если только не удастся сократить потребление энергии для «обычных» операций (транспортировка, производство и т. д.).

В лучшем случае энергетический переход, безусловно, возможен, хотя и проблематичен. Но благонамеренные организации, продвигающие идею «зелёного роста», могут внушать нереалистичные ожидания, учитывая затраты и ограничения, описанные выше.

В худшем случае путь к сохранению индустриальной цивилизации значительно сузится. Действительно, если выводы «Динамического возврата энергии» верны, то для успешного перехода, вероятно, потребуются фундаментальные изменения не только в отраслях промышленности, но и в нашей экономической системе. И это будет иметь значительные политические последствия (движение «Жёлтые жилеты» и протесты канадских дальнобойщиков лишь дают намёк на то, что нас ждёт).

При любом сценарии в период перехода потребуются определённые совместные усилия и жертвы со стороны всего общества.

Хотя сокращение потребления энергии для «нормальной» жизнедеятельности общества, по-видимому, является ключом к успеху перехода к «зелёной» экономике, среди национальных и глобальных политиков по-прежнему мало дискуссий на эту тему. Это понятно, учитывая, что экономический рост требует больше энергии, а политики усвоили, что политика, направленная на экономический рост, является ключом к победе на выборах.

Вот почему в дискуссиях о климате среди политических лидеров быстро переходят от темы ограничения потребления к компенсациям за выбросы углерода и целям по сокращению выбросов, которые являются лишь желаемыми и не смогли обуздать зависимость от ископаемого топлива и глобальное потепление. Именно поэтому активистка Грета Тунберг характеризует большинство дискуссий о глобальной климатической политике как «бла-бла-бла».

Моделирование энергетического перехода — сложная и несовершенная задача. Но его результаты должны стать тревожным сигналом для политиков по всему миру. Привет, Вашингтон, Женева и Пекин: кто-нибудь слушает?

Автор тизерной фотографии: Лука Галуцци — www.galuzzi.it по универсальной лицензии Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5, через Википедию https://en.wikipedia.org/wiki/File:Piles_of_Salt_Salar_de_Uyuni_Bolivia_Luca_Galuzzi_2006_a.jpg. Солончак Уюни в Боливии — один из крупнейших известных запасов лития в мире.[67][68]

https://www.resilience.org/stories/2022-12-19/can-civilization-survive/