Подходы к оценке инвестиционных затрат на глобальный энергетический переход

21.03.2022 JeeesAdmin 2022-01 0

Михаил Юрьевич Берёзкин[0000-0002-6945-2131]1,2,

Кирилл Станиславович Дегтярев[0000-0002-1738-6320]1,3

Олег Анатольевич Синюгин[0000-0001-5874-4342]1,4

1Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

2E-mail:mberezkin@inbox.ru, 3E-mail:kir1111@rambler.ru,   4E-mail: olegsinyugin@yahoo.com

Аннотация. В статье содержится оценка инвестиционных затрат, необходимых для перехода к безуглеродной экономике к 2050 г. Расчёты основаны на данных о мировом энергопотреблении и его прогнозе до 2050 г., с допущением, что вся потребность в энергии в мире удовлетворяется только за счет неуглеродных энергоносителей, и об удельных инвестиционных затратах для электростанций разных типов, работающих на неуглеродных источниках. Авторы приходят к выводу, что общие затраты на энергетический переход во всем мире должны составить не менее 120 трлн долларов США, а достижение цели полностью безуглеродной экономики к середине века потребует резкого, в два-три раза, увеличения инвестиций в энергоснабжение по сравнению с современным уровнем, включая ускорение развития гидроэнергетики и атомной энергетики.

Ключевые слова: безуглеродная экономика, энергопереход, инвестиционные затраты, атомная энергетика, гидроэнергетика, ветровая энергетика, солнечная энергетика, возобновляемые источники энергии, неуглеродные источники энергии, регионы мира, энергообеспечение, коэффициент использования установленной мощности

1. Введение

    К настоящему времени сделан ряд оценок затрат на переход к безуглеродной экономике к 2050 году. Согласно им, глобальный энергетический переход можно оценить в величину до $100 трлн [1, 2] и даже до $150 трлн [3], в том числе $30 трлн из $1 трлн в год для США [4] и 100 трлн юаней ($16 трлн) для Китая [5].

При этом, методика расчётов остаётся нераскрытой. Кроме того, детальные оценки в данном случае неизбежно будут очень сложными из-за необходимости учитывать  множество предположений и исходных данных, касающихся технологий, экономики и рынков, региональных различий. Мы, в свою очередь,  предлагаем упрощенный способ, дающий предварительную, но достаточно надёжную оценку, основанный на следующих исходных данных и допущениях:

  • глобальное энергопотребление и его прогнозы до 2050 года;
  • необходимость удовлетворения потребностей в энергии исключительно за счёт электростанций, работающих на неуглеродных источниках (атомных, гидроэлектростанций, ветровых и солнечных электростанций);
  • инвестиционные затраты на строительство этих станций в требуемом объёме мощностей, исходя из данных об удельных инвестиционных затратах.

2. Материалы и методы

Мы используем статистические временные ряды ООН, BP, IRENA, IEA, EIA и других официальных и корпоративных источников по населению мира и его отдельных регионов, энергоснабжения по регионам и источникам, оценки инвестиционных затрат для разных типов электростанций. На основе этих временных рядов мы рассчитываем коэффициенты использования установленной мощности (КИУМ) для разных типов электростанций. Мы также используем собственные прогнозы мирового и регионального энергопотребления. На этой основе мы проводим расчеты мощностей, необходимых для обеспечения мира безуглеродной энергией, и инвестиционных затрат на их строительство.

2.1 Население мира

К 2022 году население мира достигло почти 8 млрд (7,8 млрд) человек. Согласно усредненному прогнозу ООН [6], к 2050 г. население земного шара увеличится на 2 млрд до 10 миллиардов, в том числе:

  • 1 млрд в странах Субсахарской Африки, где население удвоится и достигнет 2 млрд;
  • 1 млрд в остальном мире, главным образом, в Южной и Юго-Восточной Азии (без Китая и Японии), где население вырастет на 0,8 млрд с 3,4 до 4,2 млрд. человек.

2.2 Мировое энергопотребление

В 2019 г. мировое первичное потребление энергии составило около 160 000 ТВтч энергетического эквивалента (14 000 млн т.н.э., или 18 000 млн т.у.т.) [7, 8], в том числе 135 000 ТВтч, или 84 %, за счет ископаемых углеводородов (угля, нефти и газа).

За последние 50 лет в мировой рост энергопотребления внесли свой вклад азиатские страны, прежде всего Китай.

Несмотря на это, сохраняется огромный разрыв в душевом потреблении энергии между регионами мира (табл. 1).

В частности, потребление энергии на душу населения в Северной Америке и Западной Европе, соответственно, в 4-5 и почти 2 раза выше среднего мирового, тогда, как в Субсахарской Африке оно в 7 раз ниже среднего мирового, в Индии – в 3 раза ниже, в Индонезии – более, чем в 2 раза ниже. Соответственно, разница в душевом энергопотреблении между регионами с максимальными и минимальными его значениями достигает 30-35 раз.

Исходя из этого, можно ожидать, что ключевой тенденцией ближайших десятилетий будет рост энергопотребления (душевого в сочетании с продолжающимся ростом населения) в странах с его минимальными значениями, прежде всего в Субсахарской Африке, Индии и других странах Южной и Юго-Восточной Азии, где жизненно необходимо, прежде всего, экономическое развитие.

Ранее мы сделали прогноз мирового потребления энергии к 2050 г. [9] и пришли к выводу, что его вероятный уровень составит 230 000 – 300 000 ТВтч (в 1,4-1,9 раза больше современного).

Здесь мы используем упрощенный подход, дающий несколько меньшие оценки, используя допущение, что в странах Субсахарской Африки потребление энергии на душу населения вырастет до 10 000 ТВтч при численности населения 2 млрд, а в Индии и Индонезии – до 15 000 ТВтч (уровень современной Латинской Америки), также при населении в 2 миллиарда, когда в остальном мире энергопотребление останется тем же, поскольку постепенное его снижение в западных странах будет уравновешено продолжающимся постепенным ростом в Латинской Америке, Китае и других азиатских странах.

В этом случае совокупное потребление энергии в странах Субсахарской Африки составит 20 000 ТВтч, в Индии и Индонезии – 30 000 ТВтч, что вместе с 145 000 ТВтч в остальном составит 200 000 ТВтч (на 25% больше, чем в настоящее время). Это представляется минимальным ожидаемым уровнем годового потребления энергии к 2050 году и, при оценке затрат на переход к полной «углеродной нейтральности» в мировом масштабе, следует учитывать объём энергопотребления не менее 200 000 ТВтч в год, который должен обеспечиваться исключительно из неуглеродных источников.

2.3 Структура мирового энергопотребления

Структура мирового энергопотребления в 2019 г. представлена в таблице 2 и основана на данных энергетической статистики British Petroleum и МЭА [7, 8].

Его общий объем составил около 160 000 ТВтч. Почти половина этого количества (70 000 – 80 000 ТВтч) используется для производства электроэнергии (с выходом 27 000 ТВтч) и примерно по 25% — непосредственно для транспортных средств и отопления; поскольку часть электроэнергии, в свою очередь, также используется для транспорта и отопления, их итоговые доли будут выше.

В свою очередь, разные по происхождению источники энергии используются различным образом. Нефть как источник энергии используется, главным образом, в качестве транспортного топлива; уголь и газ, в разных пропорциях – для производства электроэнергии, отопления и других энергетических потребностей домохозяйств и производств. Неуглеродные источники, включая атомную, гидроэнергию, ветровую, солнечную энергию используются и могут использоваться, главным образом, для производства электроэнергии. Таким образом, увеличение их использования и развитие неуглеродной энергетики тесно связано с электрификацией экономики в целом.

2.4 Подходы к расчёту инвестиционных затрат на переход к неуглеродной экономике

Поскольку неуглеродные источники используются в основном для производства электроэнергии, безуглеродная экономика означает, что все необходимое энергоснабжение должно быть основано на электричестве (прямо или через водород, который, в свою очередь, должен быть получен электролизом воды с использованием электричества из неуглеродных источников), так, что электричество в качестве источника должно заменить ископаемое топливо как при производстве электроэнергии, так и при непосредственном использовании для транспорта и отопления. Иными словами, такое же количество энергии – не менее 200 000 ТВтч в год к 2050 году – должно поставляться в виде электроэнергии. В свою очередь, весь данный объем электроэнергии будет производиться исключительно на безуглеродных электростанциях.

Это дает нам упрощенный, но надежный способ оценить стоимость глобального энергетического перехода, по крайней мере, на уровне порядка величин.

Далее мы используем это предположение для расчета глобальных инвестиционных затрат. Мы исходим из допущения, что это количество электроэнергии будет производиться на неуглеродных электростанциях четырех основных типов: атомной, гидро-, ветровой и солнечной фотовольтаической в равных долях, по 25%, или по 50 000 ТВтч на каждый.

Далее мы рассчитываем требуемые для производства данного количества электроэнергии (50 000 ТВтч в год) мощности электростанций каждого типа, исходя из их среднего для данного типа коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) – показателя интенсивности работы электростанции, рассчитываемого как отношение фактической выработки электроэнергии единицей мощности в единицу времени к максимальной теоретически возможной.  Мы используем средние КИУМ за период 2010-2020 гг. для каждого типа электростанций, которые мы рассчитали, сравнивая статистические временные ряды IRENA [10] и IEA [11] для мощностей и статистические временные ряды BP [7] для производства электроэнергии (табл. 3), используя формулу:

                       Cfi= (Pi/((Ci+Ci-1)/2))/8760                         (1)

где:

  • Cfi (%) – КИУМ на i-й год;
  • Pi (ГВтч) – производство электроэнергии в году i;
  • Ci (ГВт) – мощность в i-м году;
  • Ci-1 (ГВт) – мощности в i-1;
  • (Ci+Ci-1)/2 – среднее между мощностями в году i и году i-1; мы используем его в знаменателе, так как электроэнергия текущего года была произведена на имеющихся мощностях предыдущего года и половинe мощностей, запущенных в текущем году (при условии, что они запускались равномерно в течение года);
  • 8760 – количество часов в году.

Далее мы рассчитываем объём мощностей каждого типа, необходимое для производства 50 000 МВтч в год, по формуле:

                                         Cr = Pr/(8760·Cf)                                              (2)

где:

  • Cr (10nхВт) – требуемые мощности;
  • Cf (%) – коэффициент мощности;
  • 8760 – количество часов в году.

Затем из этой суммы вычитаем объем уже существующих мощностей и получаем дополнительные мощности, которые требуется построить. Для простоты мы не учитываем (хотя это и занижает реальные затраты) тот факт, что к 2050 году часть существующих мощностей уже будет выведена из эксплуатации и их тоже придется заменять.

Например, для атомной энергетики расчет выглядит следующим образом:

  • Требуемая годовая выработка электроэнергии – 50 000 ТВтч;
  • КИУМ – 80% (табл.3);
  • Требуемые мощности – 50 000/(8760*80%) = 7,1 ТВт (7135 ГВт);
  • Мощности, имеющиеся к настоящему времени – 399 ГВт (табл.3);
  • Требуемые дополнительные мощности – 7135-399 = 6 736 ГВт.

Затем мы используем информацию о средних инвестиционных затратах на единицу ($/кВт) для каждого типа электростанции. Для АЭС использовались данные Всемирной ассоциации ядерной энергии [12, 13], для ВИЭ – данные IRENA [14].

Средние инвестиционные затраты на ядерный энергоблок составляют около $6000/кВт, или $6 млрд/ГВт. Итак, общие инвестиционные затраты на дополнительные ядерные мощности составят 6736*6000 = 40 114 млрд долларов, или 40,1 трлн долларов.

Мы делаем аналогичные расчеты для каждого типа электростанций (АЭС, ГЭС, ВЭС и СЭС), а затем суммируем, чтобы получить общие затраты.

3. Результаты и обсуждение

Итоговое значение инвестиционных затрат на переход к полностью безуглеродному энергообеспечению в глобальном масштабе (табл. 4) составило около $ 120 трлн (или примерно $4 трлн долларов в год к 2050 г. – порядка 4,5% мирового ВВП 2019 г. [15]), что укладывается в диапазон, обозначенный в предыдущих исследованиях.

Заметим, во-первых, что в данном случае лучше обозначить не точную цифру, а диапазон $100-150 трлн примерно из-за очевидной большой неопределенности, зависящей от множества допущений, которые можно разделить на 3 ключевые группы:

  • Энергетические потребности и потребление в долгосрочной перспективе;
  • Технологии, способные определять объемы энергопотребления;
  • Экономические факторы, определяющие изменение цен и инвестиционных затрат.

Также отметим, что при сценариях, предусматривающих рост мирового энергопотребления до 250-300 тыс. ТВт·ч, требуемые инвестиционные затраты на энергетический переход можно оценить уже в $ 150 – 180 трлн.

Во-вторых, денежное измерение в $100 или $150 трлн следует рассматривать, скорее, как некое символическое выражение сложности и масштабности проблемы, поскольку главные вопросы в данном случае —  реальные, физические ресурсы, которые необходимо получить, и реальные проблемы, которые необходимо решить для энергетического перехода, в частности:

  • поиск и выбор территорий для размещения всех неуглеродных генерирующих мощностей, учитывая, что они требуют больших площадей;
  • риск образования дефицита материалов с учетом большой материалоемкости оборудования электростанций на основе ВИЭ, в том числе железа, никеля, кобальта, редкоземельных элементов и др.;
  • проблемы трудовых ресурсов и рабочих мест, учитывая, с одной стороны, большие потребности в кадрах для работы в неугдеродной энергетике и смежных отраслях; с другой стороны – угроза высокой безработицы из-за вытеснения ископаемых производств;
  • экологические проблемы, учитывая, что неуглеродные производства на ранних стадиях их жизненного цикла – от добычи минерального сырья до производства оборудования, не являются экологически чистыми и требуют активной работы горнодобывающей, металлургической, химической, машиностроительной промышленности;
  • нестабильность систем возобновляемой энергетики, сильно зависящих от суточных, сезонных, годовых, многолетних и ряда непредсказуемых колебаний погодных и других природных условий;
  • отсутствие серийных «неуглеродных» технологических решений, например, для воздушного и морского флота;
  • проблемы переработки и утилизации по завершении жизненного цикла (пока этой проблемы практически нет, т.к. около 90% ветровых и солнечных мощностей построено за последние 10-15 лет, но в ближайшие десятилетия она будет нарастать).

Каждый пункт из вышеперечисленного требует дополнительного детального анализа (что лежит за пределами данного исследования), что в конечном итоге может существенно скорректировать оценки затрат на энергопереход и, с большей вероятностью, в сторону повышения.

В-третьих, продолжение в ближайшие десятилетия текущих тенденций означает, что углеродная нейтральность не будет достигнута не только к 2050 году, но и к 2100 году.

Хотя за последние десятилетия неуглеродная энергетика росла высокими темпами, это не привело к существенным изменениям в структуре мирового энергопотребления (рис.1). В 2010 г. доля неуглеродных источников в общемировом энергопотреблении составляла 13,0 %, а к 2020 г. выросла до 16,8 %, т. е. 0,38 % в год. Даже если взять только рост с 15,7% в 2010 г. до 16,8% в 2020 г. (это было бы не корректно, учитывая, что 2020 г. был нетипичным годом тотального экономического спада, связанного с «коронакризисом»), это было бы 1,1% год. В то же время, для углеродной нейтральности к 2050 году нам необходимо заместить более 80% доли ископаемого топлива, то есть скорость этого замещения составит около 2,9% в год – в 3 раза быстрее, чем в настоящее время.

Хотя доля других возобновляемых источников энергии (преимущественно ветровой и солнечной) в 2010-2020 годах выросла с 1,4% до 5,7%, доля гидроэнергетики выросла лишь на 0,4% — с 6,5% до 6,9%, а доля атомной энергии даже упала. с 5,2% до 4,3%.

Кроме того, темпы роста ветровой и солнечной энергии имеют признаки выхода на плато (рис.2).

Теоретически, сохранение высоких темпов роста солнечных электроэнергетических мощностей (34% в год; табл. 5) могло бы компенсировать стагнацию атомной и гидроэнергетики. Но, во-первых, это представляется нереалистичным; во-вторых, доминирование только одного неуглеродного источника (в данном случае — солнечной энергии), вероятно, создаст высокую нестабильность системы энергоснабжения, а также высокую степень неравенства условий энергообеспечения между разными регионами мира с различными природными условиями.

И наконец, в настоящее время среднегодовые глобальные инвестиции в энергообеспечение составляют менее $ 2000 млрд, с 2016 года — $1500; в 2020 г. даже меньше [16].

Исходя из нашей оценки, для достижения углеродной нейтральности к 2050 году их необходимо увеличивать до $ 4000 млрд в год, то есть почти втрое.

Это закономерно, поскольку, анализируя инвестиционные затраты [17] и КИУМ возобновляемых и тепловых электростанций в сравнении [18, 19, 20], можно сделать вывод, что последние пока остаются существенно дешевле – при сопоставимых удельных инвестиционных затратах они отличаются в 2-3 раза большей удельной производительностью.

Таким образом, кардинальное увеличение инвестиций в энергообеспечение для тотального перехода энергетики на безуглеродную основу к середине  XXI века выглядит неизбежным.

4. Выводы

Простой способ оценить стоимость глобального перехода энергетики к углеродной нейтральности — это представить необходимое в мировом масштабе энергообеспечние в электрическом эквиваленте, а затем оценить:

1) суммарную мощность неуглеродных электростанций, необходимую для производства данного количества электроэнергии, исходя из их КИУМ;

2) общий объём инвестиций, исходя из данных об удельных капитальных затратах.

Если предположить, что общий объем энергопотребления (электроэнергии) вырастет к 2050 году до 200 000 ТВтч в год, общие затраты в глобальном масштабе составят около $120 трлн, или около $4 трлн в год в ближайшие 30 лет. Это потребует дву- или трехкратного увеличения инвестиций в энергоснабжение по сравнению с нынешним уровнем и быстрого ускорения роста АЭС и ГЭС — с нынешних 1,5-2,8% в год до 8-10% в год.

Благодарность

Статья подготовлена в соответствии с госбюджетной темой «Географические основы устойчивого развития энергетических систем с использованием возобновляемых источников энергии» (121051400082-4).

Литература

  1. The $100 Trillion Investment Opportunity In The Climate Transformation. URL: https://clck.ru/aupT9, reference date: 09.02.2022
  2. Powering the Transition to Net Zero. URL: https://clck.ru/aupMJ , reference date: 09.02.2022
  3. U.S. Secretary Yellen Puts Climate Change Transition Efforts Topping at $150 Trillion URL: https://clck.ru/aupMJ , reference date: 09.02.2022.
  4. Making America Carbon Neutral Could Cost $ 1 trillion a year. URL: https://clck.ru/aupd8 , reference date: 09.02.2022.
  5. Carbon neutrality to cost 100 trillion yuan. URL: https://www.chinadaily.com.cn/a/202102/01/WS60173bf6a31024ad0baa649c.html , reference date: 09.02.2022.
  6. United Nations. Department of Economic and Social Affairs. Population. URL: https://clck.ru/aupDm , reference date: 09.02.2022.
  7. BP Statistical Review of World Energy. URL: https://clck.ru/J884W , reference date: 09.02.2022.
  8. IEA. Data and Statistics. URL: https://clck.ru/VLiqi , reference date: 09.02.2022.
  9. Дегтярев К.С. Ключевые тенденции потребления энергии в XXI веке. Энергетическая политика — 2021. — № 5. — с. 54–63. DOI: 10.46920/2409-5516_2021_5159_54
  10. IRENA Statistics Time Series. URL: https://clck.ru/aur2N , reference date: 09.02.2022.
  11. Nuclear Power – Analysis – IEA. URL: https://clck.ru/aur6V, reference date: 09.02.2022.
  12. Economics of Nuclear Power – World Nuclear Association. URL: https://clck.ru/aur9F, reference date: 09.02.2022.
  13. World Nuclear Generation and Capacity. URL: https://clck.ru/aurGT, reference date: 09.02.2022.
  14. IRENA. Global Trends. URL: https://clck.ru/aurJR, reference date: 09.02.2022.
  15. World GDP. 1960-2022. Macrotrends. https://clck.ru/aurLf, reference date: 09.02.2022.
  16. Global Investment in Energy Supply, 2010-2020. IEA. URL: https://clck.ru/aurQ6, reference date: 09.02.2022.
  17. Capital Cost Estimates for Utility Scale Electricity Generating Plants. EIA. URL: https://clck.ru/aurUR, reference date: 09.02.2022.
  18. Average utilization for natural gas combined-cycle plants exceeded coal plants in 2015. EIA. URL: https://clck.ru/aurXr, reference date: 09.02.2022.
  19. Natural gas combined-cycle plant use varies by region and age. EIA. URL: https://clck.ru/aurcM, reference date: 09.02.2022.
  20. The Main Parameters of Russian Electricity Production. Ministry of Energy of Russian Federation. URL: https://minenergo.gov.ru/node/532, reference date: 09.02.2022.

References

  1. The $100 Trillion Investment Opportunity In The Climate Transformation. URL: https://clck.ru/aupT9, reference date: 09.02.2022
  2. Powering the Transition to Net Zero. URL: https://clck.ru/aupMJ , reference date: 09.02.2022
  3. U.S. Secretary Yellen Puts Climate Change Transition Efforts Topping at $150 Trillion URL: https://clck.ru/aupMJ , reference date: 09.02.2022.
  4. Making America Carbon Neutral Could Cost $ 1 trillion a year. URL: https://clck.ru/aupd8 , reference date: 09.02.2022.
  5. Carbon neutrality to cost 100 trillion yuan. URL: https://www.chinadaily.com.cn/a/202102/01/WS60173bf6a31024ad0baa649c.html , reference date: 09.02.2022.
  6. United Nations. Department of Economic and Social Affairs. Population. URL: https://clck.ru/aupDm , reference date: 09.02.2022.
  7. BP Statistical Review of World Energy. URL: https://clck.ru/J884W , reference date: 09.02.2022.
  8. IEA. Data and Statistics. URL: https://clck.ru/VLiqi , reference date: 09.02.2022.
  9. K. Degtyarev. Key Trends of World Energy Consumption in XXI Century. Energy policy — 2021. — № 5. — pp. 54–63. DOI: 10.46920/2409-5516_2021_5159_54
  10. IRENA Statistics Time Series. URL: https://clck.ru/aur2N , reference date: 09.02.2022.
  11. Nuclear Power – Analysis – IEA. URL: https://clck.ru/aur6V, reference date: 09.02.2022.
  12. Economics of Nuclear Power – World Nuclear Association. URL: https://clck.ru/aur9F, reference date: 09.02.2022.
  13. World Nuclear Generation and Capacity. URL: https://clck.ru/aurGT, reference date: 09.02.2022.
  14. IRENA. Global Trends. URL: https://clck.ru/aurJR, reference date: 09.02.2022.
  15. World GDP. 1960-2022. Macrotrends. https://clck.ru/aurLf, reference date: 09.02.2022.
  16. Global Investment in Energy Supply, 2010-2020. IEA. URL: https://clck.ru/aurQ6, reference date: 09.02.2022.
  17. Capital Cost Estimates for Utility Scale Electricity Generating Plants. EIA. URL: https://clck.ru/aurUR, reference date: 09.02.2022.
  18. Average utilization for natural gas combined-cycle plants exceeded coal plants in 2015. EIA. URL: https://clck.ru/aurXr, reference date: 09.02.2022.
  19. Natural gas combined-cycle plant use varies by region and age. EIA. URL: https://clck.ru/aurcM, reference date: 09.02.2022.
  20. The Main Parameters of Russian Electricity Production. Ministry of Energy of Russian Federation. URL: https://minenergo.gov.ru/node/532, reference date: 09.02.2022.