[Перевод] Радикальное изобилие энергии
От переводчика: Автор тут, конечно, увлекается и фантазирует (тем более, у него стартап по этой теме), но мне кажется, нам всем не помешает немного здорового технооптимизма.
Изначально опубликовано на Roots of Progress, основано на этом треде.
Все знают, что промышленная революция произошла где-то там пару столетий назад, и чего-то там с паровыми двигателями. Так вот, то были лишь цветочки. Мы сейчас находимся на пороге шестой, и последней, промышленной революции. Мы переживаем фундаментальную трансформацию нашего экономического промышленного энергетического метаболизма в масштабах цивилизации.
Хотя некоторые аспекты этой статьи по определению являются спекулятивными, её предсказания легко можно проверить, они основаны на простых аксиомах и общедоступной информации. То, что неизбежность этого исхода ещё недостаточно хорошо осознаётся, всего лишь побочный эффект когнитивных ошибок и многолетней промышленной стагнации.
Ключевым фактором для радикальной энергетической трансформации является дешевая солнечная энергия. Стоимость солнечной электроэнергии снижается уже пятое десятилетие подряд. С каждым удвоением объёмов производства затраты стабильно падали на 30–40% с начала коммерческой эксплуатации панелей в 1970-ых, но только в последние несколько лет эта цена стала конкурентоспособной с традиционной генерацией электроэнергии. Это явно видно на графике ниже, и там же видно, насколько небольшой прогресс необходим, чтобы солнечная энергия чисто экономическими методами вытеснила нефть и газ.
Себестоимость энергии от масштабов производства, сравнение с другими источниками энергии
Ряд аналитиков с 1990 года регулярно предсказывали, что снижение стоимости солнечной энергии прекратится «в этом году», но покамест темпы развёртывания и снижения себестоимости от эффекта масштаба («обучение») только улучшились. На графике ниже можно сравнить темпы «обучения», скорректированные по объему производства, тем самым уменьшив значимость не очень релевантных сегодня данных 1970-х и 1980-х годов, мы получим в среднем коэффициент обучения в 44% с 2009 года (удешевление на 44% при росте объёма вдвое).
Себестоимость энергии от масштабов производства, без учёта 80–90-ых
Разумно ли ожидать, что эта тенденция продолжится так же, как закон Мура описывал прогресс в вычислениях на протяжении последних 60 лет? Да, и по той же причине.
Оговоримся: конечно, недостаточно просто провести линию через серию точек и экстраполировать на 10, 100 или 1000 лет в будущее. Необходимо прежде всего понять причинно-следственную связь.
Давайте сначала рассмотрим структуру спроса и рыночные условия. Развёртывание солнечной энергетики приводит к увеличению производства (и доходов производителей). Увеличение производства приводит к внедрению более совершенных техпроцессов и повышению производственной эффективности, снижая затраты. Снижение затрат приводит к повышению конкурентоспособности на существующих энергетических рынках, вызывая дополнительный спрос. Достаточен ли этот индуцированный спрос для продолжения расширения производства в том же темпе?
Ответ тут был бы неоднозначен, если бы рынок был близок к насыщению, но на практике рост солнечной энергетики вызывает более, чем линейное увеличение спроса, особенно в комплексе с прогрессом в области аккумуляторов для хранения электроэнергии в промышленном масштабе. Полное исследование этой увлекательной динамики выходит за рамки этой статьи, достаточно заметить, что общий доступный рынок (total addressable market, TAM) солнечной электроэнергии составляет примерно 30 ТВт*ч, синтетических топлив — 400 ТВт*ч, а текущее (на 2023 год) годовое производство энергии на солнечных электростанциях (СЭС) составляет ~450 ГВт*ч, и эта цифра растёт на 40–50% в год. Даже при таком стремительном росте рынок просто не может получить достаточно фотоэлектрических панелей, и существует как минимум 15–20 лет дополнительного необслуженного спроса.
Другими словами, капитализм ненасытно требует дешевой солнечной энергии. Получит ли капитализм то, чего капитализм хочет? Давайте посмотрим на структуру предложения.
Во-первых, благодаря эволюционному «ползучему прогрессу» в ближайшие 3–5 лет произойдет как минимум ещё одно двукратное снижение себестоимости, без какой-либо магии. До недавнего времени стоимость панелей была доминантой стоимости СЭС, и затраты на «всё остальное» не подвергались значительному давлению. Но это уже не так: когда ценовая конкуренция среди производителей панелей становится все более жесткой, конкурентное давление прилагается также к монтажным конструкциям, рабочей силе, ограждениям, разрешениям и затратам на землю, и у всего этого есть потенциал к снижению себестоимости в ближайшей перспективе. Я не единственный, кто говорит об этом — за последние полтора года эта отрасль привлекла более триллиона долларов инвестиций только в США, на основе тщательного анализа, подтверждающего эти наблюдения.
Во-вторых, давайте сделаем расчет затрат «снизу вверх», основанный на фундаментальных принципах. Что такое платоновский идеал солнечной батареи? Для полной непрозрачности (и максимальной эффективности) батарее нужен слой кремния толщиной 50 мкм и, возможно, 100 мкм обязательно гибкого пластикового «подложечного» материала для обеспечения механической поддержки. Добавим сюда силовую проводку и монтажные приспособления, и получаем, что полная себестоимость солнечных батарей с установкой упадет до 30 000 долларов/МВт в течение 15 лет, опять же без необходимости в новых чудесных технологиях. Это примерно в 10 раз дешевле, чем самые дешёвые источники энергии сегодня.
Если же мы готовы рассмотреть магические методы производства, расширяя пространство известных методов до произвольных конфигураций известных элементов, можно было бы создать солнечную батарею, которая ещё тоньше, легче и дешевле, или даже растёт сама. Но даже без такой фантастики существующая техника может дать нам как минимум ещё одно десятилетие заметно падающей себестоимости и соответствующего роста объёма производства солнечных панелей. Рынок этого хочет, и промышленность это сделает.
На фоне этого постоянного удешевления солнечной энергии интересно рассмотреть эволюцию способов получения нами энергии в прошлом, настоящем и ближайшем будущем.
До промышленной революции, если мы хотели получить энергию, нам нужно было либо съесть растения, либо животных, которые ели растения, либо сжигать древесину, производимую растениями. Растения «работают на» солнечной энергии, но, как мы увидим, примерно в 1000 раз менее эффективны в преобразовании этой энергии для нас, чем кремниевые солнечные панели. То есть, с точки зрения захвата углерода на единицу площади при одинаковой инсоляции, растения примерно в 1000 раз менее продуктивны, чем солнечные фотоэлектрические панели + химия.
С промышленной революцией мы обнаружили, что можем выкапывать из земли и сжигать «камни» (уголь, нефть, газ) для получения тепла. Эта энергия оказалась намного дешевле и полезнее, чем древесина. Для производства электричества мы кипятим воду и вращаем турбину. Позже мы научились получать тепло путем сжигания нефти и газа, или с помощью ядерной энергии деления, или, возможно, скоро даже с помощью термоядерного синтеза –, но в конечном итоге все эти источники сводятся к мощному и дешевому источнику тепла.
В последнее время солнечная фотоэлектрическая (PV) энергия стала дешевле угля, и на рынках многих развитых стран уже дешевле построить и эксплуатировать новую солнечную электростанцию, чем продолжать эксплуатировать имеющуюся тепловую. Это кажется бредом, но это правда — эксплуатационные расходы даже совершенно новой угольной или газовой электростанции выше, чем затраты на строительство и эксплуатацию новой солнечной.
По мере того как солнечная энергия становится дешевле, рынки, где она пользуется сильным конкурентным преимуществом, продолжают расти. В качестве грубой прикидки, зона, где солнечная энергия оказывается дешевле всего, расширяется от экватора примерно на 1 милю (полтора км) в день, или почти 4000 миль (6 тыс км) за десятилетие. Если мы учтем, что большинство людей живет в местах со средней инсоляцией, ни слишком жарких, ни слишком холодных — для выращивания тех же сельскохозяйственных культур, которые, вероятно, выращивали их бабушки и дедушки, становится ясно, что это расширение рынка произойдет очень быстро по сравнению с масштабом человеческой жизни!
Аналогично, на развитых рынках, характеризующихся обильными солнечными ресурсами, самое дешевое тепло теперь получается не от сжигания «камней», а путём направления солнечной электроэнергии через резистивный электрический элемент. Таким образом, теперь мало того, что не выгодно сжигать «камни» для производства электричества, но и невыгодно сжигать «камни» даже для получения «горячих камней». Это кажется безумием, потому что здравый смысл говорит: электричество является более высокой формой энергии, чем тепло, но на практике сжигание «камней» не становится дешевле, а вот солнечная энергия — да. Этот переход следует за переходом электрической конкурентоспособности всего на несколько лет, происходя сначала в Калифорнии и подобных рынках, затем более широко по южным США, затем по большим участкам остального мира, затем в Европе, затем в Скандинавии.
Если дешевле производить тепло электрически, чем сжигать камни, какой будет следующий переход после этого? Миссия моей компании Terraform Industries заключается в производстве синтетического углеродно-нейтрального природного газа из солнечного света и воздуха. Мы верим, что скоро будет дешевле производить «камни» для сжигания напрямую из солнечной энергии, чем добывать их из земной коры.
Наконец, уже сегодня ведутся исследования способов электрохимического синтеза крахмалов, белков и жиров из воды и воздуха. К 2050 году вполне может оказаться, что солнечные панели и электрохимия дадут нам возможность производить большую часть нашей пищи на 0,1% поверхности суши, уменьшая огромное и катастрофическое воздействие на окружающую среду нашей цивилизации, которая сейчас использует около 40% суши для сельского хозяйства. Одновременно мы сможем и снизить затраты на продовольствие, и улучшить продовольственную безопасность.
Теперь, когда мы закончили с широким введением, давайте углубимся в конкретику: как человечество может продуктивно распоряжаться этим неминуемым изобилием дешевой, высококачественной энергии? Что изменится?
С 1973 года нефть была в дефиците. До этого времени года потребление энергии стабильно росло, и долгосрочные инвестиции в энергоёмкие отрасли было легко оценить. С 1973 года дефицит энергии привел к общей стагнации по многим ключевым векторам прогресса, в то время как наша цивилизация организовала рост в менее энергоемких отраслях — вычислений и услуг. В 2023 экспоненциальный рост солнечной энергетики возвращает нашу цивилизацию на путь повышения производительности, долголетия, процветания и счастья.
Безусловная доступность энергии меняет всё, не зря такой процесс называется промышленной революцией. Давайте конкретизируем, чего же мы можем ожидать.
Мы будем использовать больше электричества для большего количества вещей. Электричество и электрические машины будут как вытеснять существующие топливные машины (например, электромобили и бытовые тепловые насосы), так и создавать совершенно новые ниши.
Со стороны генерации мы ожидаем, что солнечная энергия, аккумуляторы и, на некоторых рынках, ветер продолжат агрессивно вытеснять существующие генерирующие мощности, увеличивая при этом общее предложение и снижая стоимость. Почему? Солнечные батареи и аккумуляторы могут распределять энергию на рынках в реальном времени, и без движущихся частей. Любая система генерации энергии, которая производит пар для турбин, уже обречена, ведь себестоимость солнечной энергии ниже примерно в 5 раз, и этот разрыв растёт всё быстрее. Логичным конечным состоянием этого вытеснения является не какая-то гибридная сеть, типа, 20% солнечной энергии плюс турбины для базовой генерации, а гораздо более динамичная, универсальная сеть с около 200% солнечной генерации и часами, днями или неделями аккумуляторных буферов, позволяющая полностью разделить время генерации и потребления.
Стоимость аккумуляторов падает по той же причине, что и солнечной энергии — экспоненциально растущий индуцированный спрос и много достаточно дешёвых способов оптимизации производства. Мы увидим, как аккумуляторы агрессивно вытесняют передачу и использование «здесь и сейчас» как наиболее экономически эффективный способ обеспечения непрерывности поставок электроэнергии, это приведет к упрощению электросетей и резкому сокращению среднего расстояния, которое энергия проходит между производством и потреблением, хотя среднее время хранения энергии увеличится.
Когда стоимость солнечной энергии оптом упадет ниже $10/МВтч (в ближайшие несколько лет), станет дешевле синтезировать углеводороды из CO2 и водяного пара, чем добывать их из-под земли, очищать и транспортировать. Синтетические топлива — это дешевые, локальные, углеродно-нейтральные и, главное, хорошо масштабируемые решения как для решения проблем дефицита топлива, так и для ограничения выбросов CO2. Развитие этой технологии является основным фокусом моих профессиональных усилий в моем стартапе Terraform Industries.
Очевидно, что неограниченное локальное производство любой желаемой углеводородной фракции (метан, пропан, октан, керосин и т.д.) меняет очень многое, но и это ещё не всё. Что насчёт эффектов второго порядка?
CO2 сам по себе нейтрален с точки зрения морали. Данные NASA о выбросах CO2 тесно связаны с показателями развития и благосостояния: вся наша цивилизация построена на колоссальных запасах угля, нефти и газа, которые находились под нашими ногами, легко доступные и бесплатные для использования. Проблема в том, что выбросы CO2 ведут к одностороннему переносу углерода из земной коры в атмосферу, без эквивалентного обратного процесса, что вызывает его накопление и приводит к негативным климатическим последствиям.
Но в то же время дешевое топливо приводит к сокращению бедности. Текущий климатический дискурс в последние годы был завязан на аксиому, что сокращение выбросов CO2 как бы то ни было потребует де-индустриализации и повторного обеднения большей части мира, что морально отвратительно и политически невозможно (кроме сценариев, связанных с применением ядерного оружия). Моя же неоднозначная позиция заключается в том, что мы не должны этого делать.
Вместо этого мы должны найти способ извлекать CO2 из атмосферы и превращать его обратно в топливо, замыкая углеродный цикл в атмосфере, самостоятельно финансируя масштабное развёртывание 50 ГТ/год мощностей прямого извлечения из воздуха (DAC), и гармонизируя быстрое сокращение бедности с быстрым промышленным ростом. Дешевая солнечная энергия — это чит, который переводит прогресс человечества и климатическую повестку из области «фундаментально несовместимы» в область «взаимодополняющи и неизбежны».
Дешевая энергия стимулирует экономический рост. В течение 50 лет мы довольствовались средним показателем 2–3% в год, которых едва хватало на компенсацию увеличения продолжительности жизни и снижения рождаемости. Дешевая солнечная энергия и безусловно доступная электрическая и химическая энергия будут развивать экономику со скоростью, с которой люди могут превращать земную кору в солнечные панели. Инвестиции в аккумуляторы в США уже росли на 250% год к году ещё до принятия Двухпартийного закона об инфраструктуре (BIL), Закона о снижении инфляции (IRA) и закона CHIPS. Инвестиции в солнечную энергетику и НИОКР в области производства стремительно растут рекордными темпами, причем возвращение производства в США и реиндустриализация превышают даже темпы перед Второй мировой войной.
Я считаю: есть немалая вероятность, что мы больше никогда встретимся с крупной рецессией. Мы поместим практически все физические потребности всех людей «под API» и направим наши коллективные когнитивные усилия (с помощью триллионов все более разумных ИИ и кибернетических гибридов человека и ИИ) на более крупные проекты — терраформирование и межзвездные путешествия.
Нефтегазовая промышленность в 2022 году имела оборот $6,4 трлн в год. Это примерно $1 млрд в час, но эта цифра в нашем будущем вполне может вырасти в несколько раз, поскольку будет свободна от ограничений геологии и дефицита. Следуя текущим тенденциям, к 2042 году, всего через 19 лет, >95% энергетических потребностей человечества будут обеспечиваться солнечными панелями, и наряду с огромным ростом использования электричества, потребление топлива вырастет до более чем $25 трлн в год в долларовом эквиваленте.
Половина населения мира в настоящее время сталкивается с дефицитом нефтепродуктов из-за сложности цепочек поставок, слабой покупательной способности и политической нестабильности. Солнечное синтетическое топливо относительно просто и может производиться везде, где светит солнце, обходя стороной этот гордиев узел и принося изобилие энергии в каждый уголок Земли.
Для большей части другой половины человечества использование энергии всё ещё ограничено её стоимостью. Снижение стоимости солнечной энергии снизит цены на топливо во всем мире до уровня $1 за галлон (25 центов за литр), вызывая рост потребления и ускоряя строительство и производство через положительную обратную связь.
Текущие крупные потребители энергии смогут свободно расти количественно и качественно, например, повторно создав сверхзвуковую гражданскую авиацию и распространяя её на массовый рынок.
Наконец, больше людей, потребляющих больше энергии, приведут к ускоренному экономическому росту во всех секторах, не только в энергетике. Мы думаем, что рост мировой экономики как минимум удвоится до 6% в год, что приведет к суммарному утроению мировой экономики к 2042 году. Это довольно консервативная оценка, в реальности легко может быть намного больше.
Конечные области применения топлива — как ископаемого, так и синтетического — будут продолжать изменяться. Поставки ископаемого топлива постепенно смещаются к более сернистой нефти, поскольку мы исчерпываем оставшиеся запасы, в то время как синтетическое топливо «начинается» с метана (CH4) и через синтез Фишера-Тропша может переходить к более тяжелым молекулам (C3, C8, C10 и т. д.). В итоге мы ожидаем, что относительная дешевизна природного газа будет способствовать смещению конечных применений в этом направлении (собственно, это уже происходит), что, в свою очередь, будет вести к преобладанию более легких углеводородных фракций в составе топлива.
Наземный транспорт и бытовое отопление будут смещаться в сторону электричества, хотя замена существующего парка займет не менее 20 лет для транспортных средств и, вероятно, более 50 лет для зданий.
Более дешевое топливо, которое будет синтетическим, а значит, и углеродно-нейтральным, также будет стимулировать рост производства теплоёмкой продукции: металлы, цемент, кремний, керамика.
Но более всего готов извлечь выгоду из более дешевых синтетических топлив сектор авиаперевозок. Я пишу эту статью на борту Боинга 737 над Мексиканским заливом и размышляю, что полеты на самолетах это огромная привилегия, которая экономит наш самый невосполнимый ресурс — время. Тем не менее сегодняшний modus operandi для авиации и климатической политики движим менталитетом дефицита, и это не гипотетическое утверждение. В ЕС рассматривается законодательство, которое потребовало бы обязательной компенсации выбросов углекислого газа в авиации, ещё больше увеличивая стоимость полетов и ограничивая их преимущества только для очень богатых (сейчас некоторые компании предлагают при покупке билета «компенсировать углерод» за смешные 5–10 долларов, но это greenwashing и очень далеко от реальных цифр — прим. пер). Опуская тот факт, что углеродные компенсации являются неэффективной тратой денег, является ли закрепление эксклюзивности авиаперелетов в законе положительным результатом для человечества? Нет, конечно.
Вместо этого рассмотрим авиацию, которая начинает использовать, чисто по экономическим причинам, более дешевое синтетическое авиационное топливо (SAF) или даже сжиженный природный газ для реактивных двигателей следующего поколения с высокими характеристиками (такие разрабатывает, например, AstroMechanica). SAF можно произвести так, чтобы оно имело более высокую плотность (для большей дальности полета), меньше выбросов и было естественно углеродно-нейтральным. Глобальное снижение себестоимости солнечной энергии будет стимулировать и устойчивую тенденцию к снижению стоимости SAF до тех пор, пока (очень скоро) оно не станет дешевле ископаемого авиационного топлива и в конечном итоге достаточно дешевым, чтобы самолетами могли пользоваться сотни миллионов людей, или даже миллиарды. Это в отличие от текущего сценария по умолчанию, где, возможно, только 10 миллионов человек могут позволить себе летать на самолетах достаточно часто. И кто тогда будет стимулировать развитие сверхзвукового транспорта, позволяющего экономить миллионы человеко-лет бесполезной траты времени в пути?
Стабильно дешевые углеродно-нейтральные углеводороды также являются сырьём для химической промышленности, используемым в производстве пластмасс, красок, лекарств, красителей, смол, удобрений, взрывчатых веществ и миллиона других вещей.
Давайте теперь рассмотрим другие формы материального изобилия, обеспечиваемые дешёвой солнечной энергией. Электричество можно легко преобразовать в тепло, радиоволны или механическое движение, которые могут использоваться в, например, горнодобывающей промышленности. До сих пор технология добычи полезных была едва ли более сложной, чем уровень «человек копает яму в земле» из каменного века. Но нет фундаментальной причины, чтобы наша добыча ценных минералов в коре обязательно начиналась с уничтожения больших участков почвы сверху, которые нам так нужны для жизни. Вместо этого мы увидим коммерциализацию интегрированных туннелепроходческих машин огромного размера, которые будут извлекать ценные минералы сразу на глубине, и выдавать готовую проволоку любого желаемого сплава через небольшую «скважину» на поверхности. Обычно эти машины будут заполнять свои туннели отходами своей работы, но они также могут создавать огромные подземные пещеры для любой цели, будь то туннели для высокоскоростных поездов, вертикальные фермы, ядерные реакторы, подземные реки или логово Бэтмена.
Другой важной областью роста потребления энергии являются вычисления. Если только мы не изобретём в ближайшие пару лет сверхпроводники при комнатной температуре, позволяющие осуществлять вычисления без производства тепла, мы сможем использовать много кремния в пустынях, чтобы запитать кремний в датацентрах, который сформирует первый со времен вымирания неандертальцев интеллект вне вида Homo Sapiens.
Вдобавок к снижению стоимости топлива для термической обработки металлов и цемента, а также прямого синтеза пластмасс, обильное дешевое электричество также позволяет прямое электрокаталитическое производство ряда материалов, включая легкие металлы, такие как алюминий и магний. Существуют даже электрокаталитические методы производства стали, но я пока не уверен, будут ли они конкурентоспособными.
Возьмем один пример: текущее соотношение производства стали к алюминию составляет 20:1. Гораздо более дешевое электричество приведет к смещению относительной стоимости в пользу алюминия, возможно, до уравнения уровня производства, достигнутого за счет 20-кратного роста производства алюминия. Алюминий сегодня в основном используется для критичных по весу применений, таких как самолеты, но в ближайшем будущем мы можем увидеть его используемым для конструкций мостов и арматуры!
Многие другие материалы также могут быть очищены электрическими способами. Титан, магний, пресная вода, медь, литий, калий, редкоземельные элементы, всё такое вкусное!
Кстати, о воде. Обратный осмос на солнечной энергии уже оказывается вполне конкурентоспособным по себестоимости с другими источниками воды для орошения пустыни под ценные культуры. Миллиарды людей во всем мире находятся в зависимости от рек, чьи русла сейчас находятся под угрозой из-за изменения климата. Их экономическое процветание в конечном итоге будет зависеть от способности защитить свои источники воды от нарушений — посредством опреснения и, возможно, посева облаков. Например, общий объем забора воды Калифорнией из реки Колорадо, 6 млрд кубометров в год, может быть обеспечен с помощью солнечного опреснения за 10 лет с капитальными затратами всего в 20 миллиардов долларов, менее половины стоимости Twitter (в 2023 году — прим. пер). Это вполне достижимо. Половина США по сути является пустыней, страдающей от острого дефицита воды, и эту проблему можно было бы решить с помощью относительно небольших инвестиций при продолжающегося снижения стоимости солнечной энергии.
Что ещё может сделать возможным дешёвая энергия? Вплоть до переработки отходов не сортировкой похожих материалов, таких как пластик, металл и бумага, и переработкой их во вторичные продукты, а путём превращения всех отходов в плазму и сортировки её атом за атомом с помощью гигантского масс-спектрометра. Это уровень работы с материей далеко за пределами нашего нынешнего, по крайней мере, в промышленном масштабе, но это не так уж отличается от того, как природа создала самосовершенствующихся самособирающихся органических роботов (растения, животные, мы), и это не противоречит никаким законам физики.
Что ещё произойдёт, когда стоимость электричества упадет ниже $10/МВтч?
Стоимость валют частично определяется затратами на энергию, поэтому когда солнечная энергия достигнет определенного порога мощности и станет доминирующим источником энергии в мире (около 10 ТВт к 2035 году), дальнейшее снижение ее стоимости отразится не столько в уменьшении долларовой цены $/МВтч, сколько в дефляции одних товаров и инфляции других.
Однако даже при практически неограниченном росте мощностей генерации и экономической эффективности, некоторые фундаментальные ресурсы останутся ограниченными, если не произойдут специфические инновации. К таким ресурсам относятся время, человеческая жизнь и молодость, внимание, доступ к большему капиталу, чем тот, что мы уже создали, некоторые запрещенные конфигурации материи и информации, научные и астрономические открытия, алгоритмы, организационные возможности, знания, дельта-V, полезная антиматерия и (хотя это искусственно созданный дефицит) жилье.
Давайте созидать!
Habrahabr.ru прочитано 9193 раза
