Поскольку политики сместили акцент с проблем пандемии на восстановление экономики, снова активно обсуждаются планы развития инфраструктуры, в том числе касающиеся энергетики. Сторонники зеленой энергии усиливают давление, чтобы продолжить или даже расширить использование ветра, солнечной энергии и электромобилей. За рамками обсуждения остается серьезное рассмотрение широкого воздействия возобновляемых источников энергии на окружающую среду и цепочку поставок.
Как я писал в предыдущей статье «Экономика новой энергии: упражнение в магическом мышлении», многие энтузиасты верят в вещи, которые невозможны, когда дело доходит до физики обеспечения общества энергией, и не в последнюю очередь в магическую веру в то, что «чистая» энергия может отражать скорость прогресса цифровых технологий. Нет, не может.
Эта статья обращается к другой реальности: все оборудование, производящее энергию, должно быть изготовлено из материалов, добытых из земли. Короче говоря, ни одна энергетическая система не является «возобновляемой», поскольку все машины требуют непрерывной добычи и обработки миллионов тонн первичных материалов и утилизации оборудования, которое неизбежно изнашивается. По сравнению с углеводородами экологически чистые машины влекут за собой в среднем 10-кратное увеличение количества материалов, извлекаемых и обрабатываемых для производства того же количества энергии.
Это означает, что любое значительное расширение сегодняшнего скромного уровня зеленой энергии — в настоящее время менее 4% от общего потребления в стране (по сравнению с 56% за счет нефти и газа) — вызовет беспрецедентный рост мировой добычи необходимых полезных ископаемых, радикально усугубит существующие экологические проблемы. и проблемы с рабочей силой на развивающихся рынках (где расположено много шахт), и резко увеличивают импорт США и уязвимость цепочки поставок энергии в США.
Еще в 1990 году США занимали первое место в мире по добыче полезных ископаемых. Сегодня они на седьмом месте. Несмотря на то, что страна обладает огромными запасами полезных ископаемых на сумму в триллионы долларов, Америка в настоящее время на 100% зависит от импорта примерно 17 ключевых полезных ископаемых, а для других 29 более половины внутренних потребностей приходится на импорт.
Материальные реалии зеленой энергетики:
- Строительство ветряных турбин и солнечных панелей для выработки электроэнергии, а также батарей для топлива электромобилей требует в среднем более чем в 10 раз больше материалов по сравнению со строительством машин, использующих углеводороды для доставки такого же количества энергии обществу.
- В одном электромобиле содержится больше кобальта, чем в 1000 батареях для смартфонов; на лопастях одной ветряной турбины больше пластика, чем у 5 миллионов смартфонов; и солнечная электростанция, которая может снабжать один центр обработки данных энергией, использует больше стекла, чем 50 миллионов телефонов.
- Замена углеводородов экологически чистыми машинами в соответствии с текущими планами — не говоря уже о стремлении к гораздо большему расширению — значительно увеличит добычу различных критически важных полезных ископаемых по всему миру. Например, один аккумулятор электромобиля весом 1000 фунтов (500 кг) требует извлечения и обработки около 500 000 фунтов (250 000 кг) материалов. В среднем за время работы от батареи каждая миля вождения электромобиля «потребляет» пять фунтов (2,5 кг) земли. Использование двигателя внутреннего сгорания потребляет около 0,2 фунта (90 граммов) жидкости на милю.
- Нефть, природный газ и уголь необходимы для производства бетона, стали, пластмасс и минералов, используемых для создания «зеленых» машин. Энергетический эквивалент 100 баррелей нефти используется в процессах для изготовления одной батареи, которая может хранить эквивалент одного барреля нефти.
- К 2050 году, при текущих планах, количество изношенных солнечных панелей, большая часть которых не подлежит переработке, будет вдвое превышать тоннаж всех сегодняшних глобальных пластиковых отходов, а также более 3 миллионов тонн не перерабатываемого пластика в год из изношенных ветряных турбин. К 2030 году более 10 миллионов тонн аккумуляторов в год станут мусором.
Этот материальный мир
Сколько весит миля путешествия или фильм? Такой странно звучащий вопрос не о расстоянии или времени; вместо этого он указывает на неизбежную реальность, в которой каждый продукт и услуга начинаются с добычи полезных ископаемых из земли и поддерживаются ею.
Для всего построенного или изготовленного можно провести прямую линию вверх по течению, где люди используют тяжелое оборудование (в некоторых странах только лопаты) для извлечения материалов из земли. Очевидно, что материалы, из которых строят мосты, небоскребы и автомобили, имеют измеримый вес. Менее очевиден вес материалов, необходимых для производства энергии. Различные формы энергии включают в себя совершенно разные типы и количества машин для сбора энергии и, следовательно, разные виды и количество материалов.
Будь то жидкости, извлекаемые из земли для питания двигателя внутреннего сгорания, или твердые тела, используемые для создания батарей, любое значительное увеличение количества используемых материалов на километр будет в сумме, потому что одни только американцы проезжают около 5 триллионов километров в год. То же самое верно для выработки киловатт-часов и всех других видов энергии. Природа лежащих в основе минералов и материалов, необходимых для цивилизации, всегда была важна. Сейчас критически важно, что правительства всего мира стремятся использовать возобновляемые источники энергии.
Все машины изнашиваются, и в «зеленых» машинах нет ничего возобновляемого, поскольку нужно постоянно добывать материалы, чтобы строить новые и заменять изнашиваемые. Все это требует добычи, обработки, транспортировки и, в итоге, утилизации миллионов тонн материалов, большая часть которых функционально или экономически непригодна для вторичной переработки.
Обеспечение доступа к минералам, которые лежат в основе общества, — это очень давняя проблема, которая вплетена в историю и даже спровоцировала войны. В современную эпоху политика США по устранению зависимости от полезных ископаемых началась в 1922 году, когда Конгресс после Первой мировой войны разработал список из 42 «стратегических и критических материалов» для технологий и машин, важных для вооруженных сил того времени.
Затем последовал Закон о стратегических материалах 1939 года, который с тех пор несколько раз обновлялся и изменялся, в него были включены идеи по поощрению добычи полезных ископаемых внутри страны и созданию запасов стратегически важных минералов для военной техники.
За последнее столетие произошло два значительных события. Во-первых, США не расширили внутреннюю добычу полезных ископаемых, и в большинстве случаев производство в стране почти всех полезных ископаемых сократилось. Во-вторых, резко вырос спрос на полезные ископаемые. Эти две пересекающиеся тенденции привели к значительным изменениям во взаимозависимостях цепочки поставок. Сегодня импорт составляет 100% примерно из 17 важнейших полезных ископаемых, а по 29 другим видам чистый импорт составляет более половины спроса.
Материальные затраты на «чистые технологии»
Материалы, извлекаемые из земли для изготовления ветряных турбин, солнечных панелей и батарей (для хранения электроэнергии из сети или приводов электромобилей), находятся вне поля зрения, они расположены в отдаленных карьерах, шахтах и на предприятиях по переработке полезных ископаемых по всему миру. Эти месторождения имеют значение с точки зрения геополитики и рисков цепочки поставок, а также с точки зрения окружающей среды. Прежде чем рассматривать цепочку поставок, важно понять масштаб потребностей в материалах. Что касается зеленой энергии, все начинается с того факта, что такие источники занимают большие территории.
Например, для замены выработки энергии одной турбиной, работающей на природном газе, мощностью 100 МВт, которая сама по себе размером с жилой дом (производящей достаточно электроэнергии для 75000 домов), потребуется не менее 20 ветряных турбин, каждая из которых размером с жилой дом. Монумент Вашингтона, занимает около 10 квадратных миль земли.
Для постройки этих ветряных машин требуется огромное количество обычных материалов, включая бетон, сталь и стекловолокно, а также менее распространенные материалы, включая редкоземельные элементы, такие как диспрозий. В исследовании Всемирного банка отмечается то, что знает каждый горный инженер: «Технологии, которые, как предполагается, будут способствовать переходу на чистую энергию… на самом деле значительно более материалоемкие по своему составу, чем существующие традиционные системы энергоснабжения на основе ископаемого топлива».
Материалы (в тоннах на тераватт-час), необходимые для постройки различных электростанций. Первая – солнечные электростанции, вторая – гидроэлектростанции, третья – ветряные электростанции, геотермальные и работающие на природном газе.
Все формы зеленой энергии требуют примерно сопоставимого количества материалов для создания машин, которые улавливают энергию природы: солнце, ветер и воду. По потреблению материалов ветряные электростанции близки к гидроэлектростанциям, а солнечные электростанции опережают их. Во всех трех случаях наибольшая доля веса приходится на обычные материалы, такие как бетон, сталь и стекло. По сравнению с электростанцией, работающей на природном газе, всем трем требуется, по крайней мере, в 10 раз больше материалов, добытых, перемещенных и преобразованных в машины, обеспечивающие то же количество энергии.
Например, для строительства одной ветряной электростанции мощностью 100 МВт — не говоря уже о тысячах мегаватт — требуется около 30 000 тонн железной руды и 50 000 тонн бетона, а также 900 тонн не перерабатываемого пластика для огромных лопастей. С солнечным оборудованием тоннаж цемента, стали и стекла на 150% больше, чем у ветроэлектростанций, при той же выработке энергии.
Если эпизодические источники энергии (ветер и солнце) будут использоваться для круглосуточного снабжения электроэнергией, потребуется еще большее количество материалов. Необходимо построить дополнительные хранилища энергии, примерно в два-три раза больше, чтобы производить и хранить энергию, когда есть солнце и ветер, для использования в то время, когда их нет. Тогда есть потребуются дополнительные материалы, необходимые для строительства хранилищ электроэнергии. Для контекста, система хранения, достаточная для вышеупомянутой ветряной электростанции мощностью 100 МВт, потребует использования не менее 10 000 тонн батарей класса Tesla.
Обработка и переработка таких больших объемов материалов влечет за собой собственные затраты на электроэнергию, а также связанные с ними последствия для окружающей среды, о которых говорится ниже. Но, во-первых, критическая проблема цепочки поставок заключается не столько в увеличении использования обычных (хотя и энергоемких) материалов, таких как бетон и стекло. Основные проблемы для цепочки поставок и окружающей среды связаны с необходимостью радикального увеличения количества самых разных минералов.
В настоящее время в мире добывается около 7000 тонн неодима в год, одного из многочисленных элементов, используемых при производстве электрических систем для ветряных турбин. Текущие сценарии экологически чистой энергии, представленные Всемирным банком (и многими другими), потребуют увеличения предложения неодима на 1000–4000% в ближайшие несколько десятилетий. Хотя существуют различные базовые предположения, используемые в различных анализах потребностей в минералах для зеленой энергетики, все приходят к одним и тем же выводам. Например, добыча индия, используемого для производства солнечных полупроводников для производства электроэнергии, должна увеличиться на 8000%. Добыча кобальта для аккумуляторов должна вырасти на 300–800%. Производство лития, используемого для электромобилей (не говоря уже о сети), должно вырасти более чем на 2000%. Институт устойчивого развития при Технологическом университете Сиднея, Австралия, в прошлом году проанализировал 14 металлов, необходимых для создания экологически чистых технологий, сделал вывод, что поставки таких элементов, как никель, диспрозий и теллур, необходимо увеличить на 200–600%.
Последствия такого значительного увеличения спроса на энергетические полезные ископаемые не игнорировались полностью, по крайней мере, в Европе. Исследование, спонсируемое правительством Нидерландов, пришло к выводу, что одни только зеленые амбиции Нидерландов потребуют значительную долю мировых минералов. «Экспоненциальный рост [мировых] мощностей по производству возобновляемой энергии, — отмечается в исследовании, — невозможен при современных технологиях и ежегодном производстве металла».
За кулисами: содержание руды и вскрытые месторождения
Масштабы этих материальных потребностей занижают общий тоннаж земли, которая перемещается и обрабатывается. Это потому, что прогнозы будущих потребностей в минералах сосредоточены на подсчете количества необходимых очищенных, чистых элементов, а не на общем количестве земли, которую необходимо выкопать, переместить и переработать.
На каждую тонну очищенного элемента необходимо физически перемещать и обрабатывать гораздо больший тоннаж руды. Это реальность для всех элементов, выражаемая геологами как содержание руды: процент породы, которая содержит искомый элемент. Хотя сорта руды сильно различаются, медные руды обычно содержат только около половины процента по весу самого элемента: таким образом, примерно 200 тонн руды выкапывают, перемещают, измельчают и перерабатывают, чтобы получить одну тонну меди. Для редкоземельных элементов на тонну элемента добывается от 20 до 160 тонн руды. Для кобальта добывается примерно 1500 тонн руды, чтобы получить одну тонну элемента.
При расчете экономических и экологических издержек необходимо также включить так называемую вскрышную породу — тонны горных пород и грязи, которые сначала удаляются, чтобы получить доступ к часто глубоко залегающей минеральной руде. Хотя коэффициенты вскрыши также сильно различаются, обычно от трех до семи тонн земли перемещают, чтобы получить доступ к одной тонне руды.
Чтобы получить представление о том, на что все это указывает в отношении общего объема материалов, выделяемых на пути экологически чистой энергии, рассмотрим цепочку поставок аккумуляторной батареи для электромобиля. Одна батарея, обеспечивающая полезный запас хода, весит около 500 килограмм. Для получения очищенных минералов, необходимых для изготовления одной батареи электромобиля, требуется добыча, перемещение и обработка более 250 000 килограмм материалов (см. Врезку ниже). Это в 20 раз больше, чем 12 000 килограмм нефти, которые двигатель внутреннего сгорания использует в течение всего срока службы автомобиля.
Основной вопрос для будущего зеленой энергетики заключается не в том, достаточно ли элементов в земной коре для удовлетворения спроса; да, они есть в наличии. Большинство элементов довольно распространены, и почти все они встречаются гораздо чаще, чем золото. Получение достаточного количества природных элементов по приемлемой для рынка цене в основном определяется технологиями и доступом к земле, на которой они находятся. Последнее в основном касается правительственных разрешений.
Однако, как предупреждает Всемирный банк, материальные последствия «чистых технологий» будущего создают «новый набор проблем для устойчивого развития». Некоторые полезные ископаемые трудно получить по техническим причинам. Именно в фундаментальной физике экстракции и физической химии очистки мы находим реальность неустойчивой зеленой энергии в масштабах, о которых многие догадываются.
250 000 килограммов: общий объем извлеченных и переработанных материалов для производства одного аккумулятора электромобиля
Литиевая батарея электромобиля весит около 500 килограммов. (A) Хотя существует множество вариантов, такая батарея обычно содержит около 12 килограммов лития, 15 килограммов кобальта, 30 килограммов никеля, 55 килограммов графита, 45 килограммов меди, (б) около 200 килограммов стали, алюминия и различных пластиковых деталей. (в)
Глядя на содержание руды, можно оценить типичное количество породы, которую необходимо извлечь из земли и обработать, чтобы получить чистые минералы, необходимые для изготовления этой единственной батареи:
• Литиевые рассолы обычно содержат менее 0,1% лития, поэтому для получения 12 фунтов чистого лития требуется переработать около 12 тонн рассола. (D)
• Содержание кобальтовой руды в среднем составляет около 0,1%, то есть около 15 тонн руды. (E)
• Содержание никелевой руды в среднем составляет около 1%, то есть около 3 тонн руды. (F)
• Графитовая руда обычно составляет 10%, то есть необходимо переработать около 1 тонны руды на батарею. (Г)
• Содержание меди в руде составляет около 0,6%, то есть необходимо переработать около 12 тонн руды на батарею. (H)
Таким образом, для получения только этих пяти элементов для производства 500-килограммовой батареи электромобиля требуется добыть около 45 тонн руды. Однако, чтобы правильно учесть всю перемещаемую землю — что имеет отношение к общему воздействию на окружающую среду и энергопотреблению горнодобывающего оборудования — необходимо оценить вскрышу или материалы, выкопанные, чтобы добраться до руды. В зависимости от типа руды и местоположения вскрыша варьируется от 3 до 20 тонн земли, удаляемой для доступа к каждой тонне руды. (I)
Это означает, что для доступа к примерно 45 тонн руды требуется выкопать и переместить от 100 тонн до более 750 тонн земли, что в среднем составляет более 250 тонн на батарею. Точное число будет варьироваться в зависимости от химического состава батарей, а также из-за того, что в разных регионах сорта руды сильно различаются. Следует отметить, что этот общий материальный след не включает большие количества материалов и химикатов, используемых для обработки и очистки всех различных руд. Мы также не учитывали другие используемые материалы по сравнению с обычным автомобилем, такие как замена стали алюминием, чтобы компенсировать потерю веса батареи, или цепочку поставок редкоземельных элементов, используемых в электродвигателях (например, неодима, диспрозия). ( j) В электрических системах электромобиля используется примерно на 300% больше меди по сравнению с обычным автомобилем. (k)
(a) Хелена Берг и Матс Закриссон, «Перспективы экологической и экономической оценки литий-металлических отрицательных электродов в тяговых батареях электромобилей», Journal of Power Sources 415 (март 2019 г.): 83–90.
(б) Марсело Азеведо и др., «Литий и кобальт: история двух товаров», McKinsey & Company, 22 июня 2018 г .; Мэтт Бадиали, «Tesla не может производить электромобили без меди», Баньян Хилл, 3 ноября 2017 г .; Амит Катвала, «Растущие экологические издержки нашей зависимости от литиевых батарей», Wired , 5 августа 2018 г.
(c) Пол Гейт, «Узкие места в сырье и сырьевые товары», в книге « Электрическая революция: инвестиции в автомобили будущего», Bernstein Global Research, март 2017 г .; Фред Ламберт, «Неисправность сырья в аккумуляторах Tesla и возможные узкие места», electrek.co, 1 ноября 2016 г .; Мэтт Больсен, «Взгляд на влияние электромобилей на никелевый сектор», Seeking Alpha, 7 марта 2017 г.
(d) Ханна Викстрём и др., «Доступность лития и перспективы производства в будущем», Applied Energy 110 (2013 г.) ): 252–66.
(e) Джон Ф. Слэк и др., «Кобальт», в книге « Критические минеральные ресурсы США — экономическая и экологическая геология и перспективы будущего предложения» , USGS Professional Paper 1802, 19 декабря 2017 г.
(f) Владмир I. Бергер и др., «Месторождения Ni-Co латерита в мире — база данных и модели содержания и тоннажа», Отчет Геологической службы США в открытом доступе за 2011-1058 (2011).
(g) Гилпин Р. Робинсон-младший и др., «Графит» в журнале « Критические минеральные ресурсы США» .
(h) Гуйомар Кальво и др., «Снижение содержания руды в мировой добыче металлов: теоретическая проблема или глобальная реальность?» Ресурсы 5, вып. 4 (декабрь 2016 г.): 1–14; Владимир Басов, «Топ-10 лучших медных рудников мира», mining.com, 19 февраля 2017 г .; EPA, «TENORM: отходы добычи и производства меди»: «На каждую метрическую тонну произведенной металлической меди необходимо обработать несколько сотен метрических тонн руды».
(i) Министерство энергетики, Программа промышленных технологий, Исследование пропускной способности горнодобывающей промышленности , подготовленное BCS, Inc., июнь 2007 г .; Рудник Glencore McArthur River, «вскрыша». Семь тонн вскрыши на тонну добытой руды сильно варьируются.
(j) Джефф Дежардинс, «Исключительное сырье в Tesla Model S», visualcapitalist.com, 7 марта 2016 г .; Лаура Таленс Пейро и Гара Вильяльба Мендес, «Потребность в материалах и энергии для производства редкоземельных элементов», JOM 65, No. 10 (октябрь 2013 г.): 1327–40.
(k) Ассоциация разработчиков меди, «Медные приводы электромобилей», 2018 г.
Устойчивое развитие: скрытые затраты на материалы
Опасения по поводу воздействия добычи полезных ископаемых на окружающую среду и здоровье были впервые высказаны древнегреческим врачом Гиппократом в его книге De aëre, aquis et locis (В воздухе, водах и местах). Поскольку цивилизация не могла существовать без добычи полезных ископаемых, обществу долгое время приходилось сталкиваться с проблемами, связанными с ответственной добычей ресурсов.
Сегодня наиболее драматическим фактором, определяющим масштабы будущей глобальной добычи полезных ископаемых, является не создание продуктов, требующих новых видов использования минералов (например, кремний для компьютеров, алюминий для самолетов), а стремление использовать экологически чистые машины для замены углеводородов для удовлетворения существующей энергии. «Зеленые» машины означают добычу большего количества материалов на единицу энергии, поставляемой обществу. Поскольку чистые технологии предназначены для снабжения энергией более «устойчивым» способом, необходимо учитывать не только физические реалии добычи полезных ископаемых, но и скрытые энергетические затраты самих основных материалов, то есть «воплощенные» затраты на энергию.
Воплощенная энергия возникает из топлива, используемого для выкапывания и перемещения земли, измельчения и химического отделения минералов от руд, доведения элементов до чистоты и производства конечного продукта. Воплощенные затраты на энергию могут достигать исключительно высоких уровней. Например, в то время как автомобиль весит примерно в 10 000 раз больше, чем смартфон, для его изготовления требуется всего в 400 раз больше энергии. А мир производит почти 600 000 тонн бытовой электроники ежегодно. Воплощение этой реальности: воплощенная энергия для производства около 100 килограмм стали такая же, как и для производства 500 грамм кремния полупроводникового качества. Мир также использует около 25 000 тонн (энергоемкого) чистого кремния полупроводникового качества, которого не было в докомпьютерную эпоху.
Воплощенное использование энергии начинается с топлива, используемого гигантскими горнодобывающими машинами, такими как Caterpillar 797F который потребляет 10 литров бензина на километр и может перевозить 400 тонн руды. Существуют также затраты на электроэнергию на руднике (в отдаленных районах, часто обеспечиваемые дизельным двигателем) для работы машин, дробящих камни, а также затраты на энергию при производстве и использовании химикатов для переработки. Для минералов с очень низким содержанием руды топливо может быть значительным фактором в стоимости конечного продукта.
Редкоземельные элементы, используемые во всевозможных технических механизмах, включая зеленые, обладают редкими свойствами, но их гораздо больше, чем золота. Однако физическая химия редкоземельных элементов затрудняет их очистку и требует больших затрат энергии. Чтобы получить доступ к килограмму редкоземельных элементов и очистить его, требуется примерно вдвое больше энергии, чем, например, для добычи килограмма свинца.
Для горнодобывающей промышленности нет ничего нового или удивительного в количестве энергии и химикатов, используемых в многоступенчатых процессах, необходимых для очистки минералов, заключенных в руде. Несмотря на то, что всегда есть способы (в том числе, в наши дни, с помощью цифровых инструментов) для повышения экономической эффективности — и улучшения безопасности и экологических результатов — исследования показывают, что в отношении энергоэффективности большинство основных процессов добычи полезных ископаемых уже работают почти на пределе физики.
Это означает, что в обозримом будущем увеличение производства экологически чистых машин неизбежно приведет к увеличению воплощенной энергии. Например, анализ показывает, что производство одной батареи, способной накапливать энергию, эквивалентную одному баррелю нефти, влечет за собой процессы, в которых используется энергетический эквивалент 100 баррелей нефти. Примерно половина этой энергии находится в форме электричества и природного газа, а другая половина — нефть. Если батареи производятся в Азии (как сейчас 60% аккумуляторов в мире), более 60% электроэнергии для их производства добывается из угля.
Воплощенная энергия также обязательно является частью строительства ветряных и солнечных машин, тем более что для их строительства требуется большое количество бетона, стали и стекла. Эти товарные материалы имеют относительно низкую воплощенную энергию на килограмм, но общая масса огромна. Например, на природный газ приходится более 70% энергии, используемой для производства стекла. Стекло составляет около 20% массы солнечных батарей. Для ветряных турбин нефть и природный газ используются для изготовления лопастей из стекловолокна, а уголь используется для производства стали и бетона. Некоторые перспективы: если бы ветряные турбины поставляли половину мировой электроэнергии, для производства бетона и стали бы потребовалось около 2 миллиардов тонн угля, а также 1,5 миллиарда баррелей нефти для изготовления композитных лопастей.
Еще один фактор энергии, отсутствующий в анализе воплощенной энергии экологически чистых машин, — это способ доставки материалов. Более 75% всей нефти и 100% природного газа транспортируется на рынки по трубопроводам. (Большая часть оставшихся тонно-миль приходится на корабли). Трубопроводы являются наиболее энергоэффективным средством транспортировки материала. Однако почти все материалы, используемые для создания зеленых машин, представляют собой твердые тела, и очень большая их часть будет транспортироваться грузовиками. Использование грузовиков вместо трубопроводов влечет за собой увеличение на 1000% энергетических расходов на тонно-милю материалов.
Наконец, при любом полном учете экологических реалий существует проблема утилизации, присущая очень большому количеству батарей, ветряных турбин и солнечных элементов после их износа, что обсуждается ниже. На данный момент следует отметить, что срок службы многих ветряных турбин истекает всего лишь через 20 лет; Реалии вывода из эксплуатации и утилизации только начинаются. Массивные лезвия из армированного стекловолокна (пластика) очень дороги в разрезании и обращении, они сделаны из материалов, не подлежащих вторичной переработке, и в итоге будут выброшены на свалку. Что касается солнечных ферм, Международное агентство по возобновляемым источникам энергии прогнозирует, что к 2050 году, согласно текущим планам, «солнечный» мусор будет вдвое превышать тоннаж всех мировых пластиковых отходов.
Для многих сторонников экологически чистой энергии решение всех этих проблем с материалами заключается в избитом призыве уделять больше внимания «сокращению, повторному использованию и переработке». Многие люди также находят убежище в убеждении, что в будущем есть место для большего количества энергетических материалов, потому что технологии «дематериализуют» остальную часть общества. На самом деле ни дематериализация, ни переработка не могут решить проблему больших затрат на экологически чистую энергию будущего.
Тропа "дематериализации"
В наше цифровое время широко распространено утверждение о том, что экономика, в которой все больше доминируют услуги, в сочетании с амазонизацией и уберизацией всего, означает, что «потребность в ресурсоемком производстве не является неизбежной». Или, как сказал ученый из Массачусетского технологического института Эндрю Макафи: «Практически на протяжении всей истории человечества наше процветание было тесно связано с нашей способностью извлекать ресурсы из земли. Но больше такой потребности не существует».
Это правда, что добыча ресурсов — продуктов питания, топлива и полезных ископаемых — составляет лишь незначительную долю общего ВВП Америки; так было уже более века. Однако фундаментальные требования для любого из этих ресурсов не уменьшились в абсолютном количестве, равно как и не произошло уменьшения важности надежности и безопасности поставок и цены на эти ресурсы.
Для доказательства того, что общество не дематериализуется каким-либо фундаментальным образом, нам достаточно сравнить два знаковых продукта этого и прошлого века: смартфон и автомобиль. Эти два продукта характеризуют культурный сдвиг и очевидный сдвиг в материальной зависимости. По словам одного из аналитиков, подростки перестали водить машину в торговый центр, чтобы купить музыкальные кассеты, и стали скачивать музыку в цифровом формате. [ 35 ] По прогнозам на следующие два десятилетия, мировой спрос на обычные материалы, такие как пластмассы, бумага, железо, алюминий, кремнезем (песок) и кальций (в известняке) для бетона, возрастет на 300%.
Глобальное потребление материалов (в миллиардах тонн). Справа и снизу вверх – биомасса, строительные материалы, нефть, газ, уголь, металлы.
Состоятельные экономики развитых стран стали более эффективными, и темпы экономического роста опередили более медленный рост общего использования материалов. Но более высокая экономическая эффективность в использовании материалов замедляет темпы роста — это не фундаментальное отделение материалов от роста. Ежегодно мир потребляет более 100 миллиардов тонн строительных материалов, продуктов питания, топлива и металлических деталей. Это в среднем составляет более 1 миллиона килограмм за все время жизни каждого человека на планете. На данный момент более 85% из них идет на неэнергетические цели.
Тем не менее верно, что в итоге — даже если это пройдет через столетие — спрос на повседневные материалы будет снижаться по мере того, как более бедные страны приближаются к уровню насыщения потребления продуктов питания, домов, дорог и зданий на душу населения. В богатых странах около 800 автомобилей на 1000 человек, в то время как в странах, где живут миллиарды более бедных людей, это соотношение ближе к 800 человек на одну машину. Растет доля этих автомобилей, многие из которых электрические, спрос на широкий спектр полезных ископаемых будет расти еще быстрее.
Более того, постоянное открытие новых свойств элементов приводит к появлению совершенно новых требований к добыче полезных ископаемых. Столетие назад автомобили изготавливались всего лишь из нескольких материалов: дерева, резины, стекла, железа, меди, ванадия и цинка. Сегодня автомобили строятся из более чем трех десятков минералов, в том числе из 16 редкоземельных элементов. Один пример: в 1982 году ученый General Motors использовал редкие свойства неодима, чтобы изобрести самый сильный магнит в мире. Такие магниты, в 10 раз более мощные, чем все предыдущие, теперь являются неотъемлемой частью всех видов продукции, включая экологически чистые продукты, такие как как ветряки и электромобили.
Сектор услуг стал основным источником занятости к концу 20-го века. Большинство анализов и опасений были сосредоточены на последствиях этой трансформации для рабочей силы. Однако все услуги также основаны на использовании промышленных товаров.
Нет FedEx без грузовиков и самолетов; не может быть здравоохранения без больниц, машин магнитной томографии и фармацевтических препаратов; нет Amazon без дата-центров и складов. Удобство совершения покупок в один клик и доставки в течение одного или двух дней за последние шесть лет привело к удвоению объемов строительства складов в США и увеличению грузопотока на 50% [ 45 ]. Создание интернет-облака начинается с таблицы Менделеева, от кремния и мышьяка до лития и иттербия. Для работы облака требуется использование песка и стали для получения природного газа, заключенного в сланце, а также серебра и селена для получения солнечной энергии.
Доля процента работающих, занятых в сфере обслуживания и потребление электроэнергии на каждого сотрудника в кВтч.
Рассмотрим важную связь между материалами и услугами. С начала цифровой эры, примерно в 1980 году, средняя материалоемкость Америки, измеряемая в общих килограммах, используемых на душу населения, а не в общих килограммах в целом, оставалась в основном неизменной. Но реалии того, как энергия используется машинами, и для производства этих машин, можно увидеть в тенденции в использовании энергии в расчете на одного промышленного рабочего, которая увеличивалась одновременно с ростом доли непромышленной занятости в общей занятости. Фактически, в период внедрения цифровых технологий с 1980 года доля занятых в сфере услуг осталась неизменной, в то время как энергоемкость среднего работника промышленного сектора увеличилась. Короче говоря, переход к экономике, в которой преобладают услуги, не снижает зависимости от энергии и производных материалов, или необходимости надежного доступа к обоим.
Уменьшение, повторное использование, переработка: нет выхода из минеральных зависимостей
Мантра «сокращать, повторно использовать и перерабатывать», укоренившаяся в современной культуре, стала характерной чертой практически всех анализов и политических предложений, направленных на поиск способов снижения потребности в материалах для зеленой энергетики. Повторное использование, как правило, не имеет значения, поскольку подавляющее большинство всех продуктов в обществе не могут быть повторно использованы, в том числе машины, использующие экологически чистую энергию. Технические и экологические проблемы и, следовательно, затраты на повторное использование чаще всего выше, чем те, которые связаны с использованием первичного материала.
Современные политики и предписания «сократить и переработать» были в значительной степени мотивированы целью уменьшить количество мусора, отправляемого на свалки. Так что же станет с быстро растущим числом производимых ветряных / солнечных / аккумуляторных машин? Ответ: почти все они со временем окажутся на свалках.
Как мы отмечали ранее, Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) прогнозирует, что к 2050 году, при текущих планах, «солнечный» мусор будет в два раза превышать тоннаж всех форм пластиковых отходов в мире. Подобные масштабы ожидаются от разряженных аккумуляторов, используемых в электромобилях и в электрических сетях. Ежегодный объем мусора батарей в Китае уже оценивается в 500 000 тонн в 2020 году. Он превысит 2 миллиона тонн в год к 2030 году. В настоящее время перерабатываются менее 5% таких батарей.
Когда 20 ветряных турбин, которые составляют всего лишь одну небольшую ветряную электростанцию мощностью 100 МВт, изнашиваются, их вывод из эксплуатации и их уничтожение приведет к получению в четыре раза большего количества не перерабатываемого пластикового мусора, чем всех (перерабатываемых) пластиковых соломинок в мире вместе взятых. Если текущие прогнозы Международного энергетического агентства (МЭА) оправдаются, то к 2050 году количество не перерабатываемых пластиковых лопаток турбин будет составлять более 3 миллионов тонн в год.
Объем мусора, производимый лопастями ветряных турбин
Признавая материалоемкость экологически чистых энергетических технологий, некоторые защитники окружающей среды предполагают, что для «реального устойчивого будущего» нам нужно такое будущее, в котором большинство людей не будут управлять транспортными средствами». Предложения по поощрению или принуждению к изменению образа жизни не новы. Вероятность их эффективности в будущем не больше, чем в прошлом.
Инновационные разработки могут привести к небольшому сокращению использования некоторых критических элементов в электродвигателях и магнитах. Но это лишь немного замедляет темпы роста спроса. Это не исключает того факта, что создание «зеленых» машин стало возможным благодаря использованию свойств многих конкретных элементов. Например: самарий позволяет использовать меньшие и более мощные магниты, которые также намного более стабильны при высоких температурах. Литий, тавтологически, является основным элементом литий-ионной батареи; а медь остается лучшим вариантом для электрических проводников.
Для сторонников экологически чистой энергии идеализированное видение вторичной переработки включает развертывание «экономики замкнутого цикла» в качестве приоритета номер один для устранения материальных последствий чистых технологий. Но идея экономики замкнутого цикла зеленой энергии, основанная на цели 100% вторичная переработка — несбыточная мечта.
Многие материалы, особенно ценные металлы, можно переработать. Но мы можем рассмотреть последствия и уроки для зеленых отходов, посмотрев на 50 миллионов тонн так называемых электронных отходов, образующихся во всем мире из изношенных или устаревших цифровых устройств, которые также построены с использованием многих важных и редких минералов. Тоннаж глобальных электронных отходов равен «весу всех когда-либо построенных коммерческих самолетов» и, по прогнозам, удвоится в следующие несколько десятилетий.
Миллионы тонн электронных отходов содержат сотни тонн золота и тысячи тонн серебра (как правило, основная цель переработчиков по понятным причинам), а также более десятка других элементов. Для увеличения количества электронных отходов. — переработка отходов с сегодняшнего уровня 20%, Всемирный экономический форум (среди прочего) предлагает различные меры для повышения «осведомленности» потребителей, добавления новых правил и субсидий, а также подталкивания к изменению конструкции оригинальных устройств. По оценкам Форума, эти усилия позволят снизить потребительские расходы на 14% в течение следующих двух десятилетий.
Но по мере того, как масштабы глобальной переработки растут, многие правительства и некоторые природоохранные организации начинают уделять внимание серьезным вопросам здоровья и безопасности, которые полностью игнорируются в настоящее время. Пока что переработка большинства электронных отходов, как и многих других отходов, — имеет место в более бедных странах, желающих заниматься трудоемкими, в значительной степени нерегулируемыми, а иногда и опасными процессами. Например, Гана — это страна, куда Европа экспортирует наибольшее количество своих электронных отходов. Между тем мировая отрасль переработки все еще приспосабливается к новой реальности: два года назад Китай внезапно запретил ввоз отходов, заявив, что из них многие были «грязными» и «опасными».
Запрет Китая вынуждает местные правительства и муниципалитеты США сокращать или даже прекращать программы утилизации. Как заметил один отраслевой эксперт из Орегона: «Утилизация здесь похожа на религию. . . . Для людей в Орегоне было важно перерабатывать вторичное сырье, они чувствовали, что делают что-то хорошее для планеты — и теперь из-под них вытаскивают коврик». Запрет Китая высветил неотъемлемую часть проблемы с переработкой, особенно понятие «круговой экономики».
Проблема переработки микроэлементов практически такая же, как и при добыче полезных ископаемых: многое зависит от концентрации. Концентрация полезных минералов в электронных и зеленых отходах очень низкая и часто намного ниже содержания этих минералов в горных породах. Кроме того, физическая природа поврежденного оборудования сильно различается (опять же, в отличие от горных пород), что затрудняет поиск простых механизмов для отделения минералов. Процессы переработки часто являются трудоемкими (отсюда стремление к дешевой рабочей силе, а иногда и детскому труду за границей) и опасны, поскольку методы сжигания ненужной упаковки могут выделять токсичные пары.
Если бы «городская добыча» — часто используемое выражение для добычи полезных ископаемых, скрытых в изношенных продуктах, — была бы проще, дешевле и безопаснее, чем добыча новых материалов, их было бы намного больше, и для этого не потребовались бы субсидии и санкции. Хотя технологии, особенно автоматизация и робототехника, в итоге предоставят более экономически жизнеспособные и более чистые способы переработки, проблемы огромны, а прогресс идет медленно. Это причина того, что общие глобальные уровни чистой переработки и улавливания большинства металлов (для всех целей, а не только электронных и зеленых отходов) ниже на 20% и намного ниже, чем у всех редкоземельных элементов.
Даже несмотря на то, что Apple отстаивала программы утилизации своих продуктов, включая изобретение робота для разборки iPhone (он может разбирать только iPhone) и открытие новой лаборатории по восстановлению материалов в Остине, штат Техас, компания, наряду со многими другими технологическими компаниями, активно продвигает экологически чистую энергию. Но в одной батарее электромобиля содержится столько же кобальта, сколько в 1000 айФонах, столько же пластика в одной ветряной турбине, как в 5 миллионах iPhone, и столько же стекла в солнечной батарее, которая могла бы быть использована в едином центре обработки данных, как в 50 миллионах iPhone.
Недавнее видение Министерства энергетики США для оффшорных ветряных электростанций (не говоря уже о береговых ветряных электростанциях) в США приведет к тому, что около 10 тысяч тонн одного только неодима будут «похоронены» внутри более чем 4 миллионов тонн оборудования, которое в конечном итоге будет отправлено на свалку. Это много материала, который стоит восстановить, но это указывает на то, что концентрация неодима в мусоре составляет одну десятую от естественного содержания руды этого минерала. Такие реалии могут привести к удивительным результатам: энергия, необходимая для извлечения переработанного минерала, может быть больше, чем затрачивается на ее получение из природной руды.
Это не означает, что переработка не будет иметь еще большей роли. Но ее пределы ясны. Проблемы, связанные с удовлетворением потребностей в полезных ископаемых в будущем, не будут решены путем принятия желаемого за действительное о «безотходной экономике».
Источники полезных ископаемых: конфликты и зависимости
Важнейшие и даже жизненно важные роли конкретных минералов долгое время вызывали озабоченность у некоторых аналитиков, а также у авторов художественных романов. Один сюжет в сериале Джека Райана от Amazon вращается вокруг секретной венесуэльской танталовой шахты; в одном из эпизодов сериала Netflix Карточный домик, кризис возникает из-за китайского эмбарго на самарий. Драмы, конечно же, оживляются реальными зависимостями и конфликтами из-за ресурсов, местными трудовыми злоупотреблениями и неоправданным ущербом окружающей среде.
Сегодня можно провести прямую линию от медицинского МРТ до гигантских грузовиков в шахтах Бразилии (для ниобия в сверхпроводящих магнитах) [ 71 ] или от электромобиля до массивных рудников Баян-Обо во Внутренней Монголии (для редкоземельных элементов) и от смартфона на шахты в Демократической Республике Конго (для кобальта в батареях). Каждый из этих регионов представляет собой крупнейшие в мире запасы ниобия, редкоземельных элементов и кобальта соответственно. Политически неспокойная Чили обладает крупнейшими в мире ресурсами лития, хотя стабильная Австралия является крупнейшим поставщиком в мире. В другом звене цепочки поставок аккумуляторов китайские переработчики кобальта незаметно получили контроль над более чем 90% кобальта в аккумуляторной промышленности, без которой сырая кобальтовая руда бесполезна.
Институт устойчивого будущего при Технологическом университете Сиднея, Австралия, предупреждает, что глобальная лихорадка «зеленых» минералов для выполнения амбициозных планов может привести горняков в «некоторые отдаленные районы дикой природы, которые сохранили высокое биоразнообразие, потому что они еще не были нарушены». И, кроме того, широко известны случаи жестокого обращения и использования детского труда на шахтах в Конго, где добывается 70% мирового кобальта.
В конце 2019 года Apple, Google, Tesla, Dell и Microsoft оказались обвиненными в иске, поданном в федеральный суд США, в использовании детского труда в Конго. Аналогичные связи могут быть связаны с трудовыми злоупотреблениями, связанными с медью, никелем, ниобием. Хотя нет ничего нового в таких реальных или предполагаемых злоупотреблениях, новостью является быстрый рост и огромный перспективный спрос на технологические минералы и минералы зеленой энергии. Закон Додда-Франка 2010 года включает требования к отчетности о торговле «конфликтными минералами». В недавнем отчете Счетной палаты правительства (GAO) отмечается, что более тысячи компаний подали заявления о раскрытии конфликтных полезных ископаемых в Комиссию по ценным бумагам и биржам, согласно Додду-Франку.
Автопроизводители, производящие электромобили, присоединились к производителям смартфонов в таких обязательствах по «этичному поиску» минералов. Автомобильные аккумуляторы используют гораздо больше «конфликтного» кобальта. Компании могут давать обещания; но, к сожалению, факты говорят о том, что существует небольшая корреляция между такими обещаниями и частотой (заявленных) злоупотреблений на иностранных рудниках. Помимо моральных вопросов об экспорте, экологических и трудовых проблем при добыче полезных ископаемых, стратегических проблем поставок цепи также являются главной проблемой безопасности.
Стратегические зависимости: реанимация старых проблем безопасности
Обеспокоенность цепочками поставок критически важных минералов во время Первой мировой войны побудила Конгресс в 1922 году создать Совет по вооружениям для армии и флота для планирования закупок, включив в список 42 стратегических и критически важных материалов. За этим последовал Закон о стратегических материалах 1939 года. Ко Второй мировой войне было накоплено около 15 важнейших материалов, шесть из которых были выпущены и использованы во время этой войны. Закон 1939 года пересматривался дважды, в 1965 и 1979 годах, и в 1993 году были внесены поправки, уточняющие, что целью этого закона была только национальная оборона.
Еще в 1990 году США занимали первое место в мире по добыче полезных ископаемых. Сегодня он находится на седьмом месте. Более актуальными, как отмечает Геологическая служба США (USGS), являются стратегические зависимости от конкретных критически важных минералов. В 1954 году США на 100% зависели от импорта восьми минералов. Сегодня США на 100% зависят от импорта 17 минералов и зависят от импорта более 50% из 29 широко используемых минералов. Китай является важным источником половины из этих 29 минералов.
Министерство обороны и Министерство энергетики (DOE) много раз на протяжении десятилетий публиковали отчеты о критических зависимостях от полезных ископаемых. В 2010 году Министерство энергетики опубликовало Стратегию критических материалов; в 2013 году Министерство энергетики сформировало Институт критических материалов, в том же году Национальный научный фонд выступил с инициативой в области критических материалов. В 2018 году Геологическая служба США определила список из 35 минералов как критически важных для безопасности страны.
Но десятилетия ломки рук над растущей зависимостью от полезных ископаемых не привели к существенным изменениям во внутренней политике. Правда в том, что зависимость от импорта небольшого количества минералов, используемых в жизненно важных военных технологиях, может быть разумно решена путем создания внутренних запасов, решение столь же древнее, как и сама добыча. Однако сегодняшнее массовое стремление к экологически чистой энергии на внутреннем и глобальном уровнях не может быть решено с помощью небольших запасов. Возможны варианты — помимо отказа от увеличения количества зеленой энергии — просто принять большую стратегическую зависимость или увеличить внутреннюю добычу.
Радикальное ускорение стратегических зависимостей зеленой энергии
США за последние полвека достигли стратегической энергетической независимости. Это произошло после десятилетий политической, экономической и геополитической обеспокоенности по поводу зависимости от импорта природного газа и, в частности, нефти. Страна теперь производит больше газа, чем потребляет, и, таким образом, является нетто-экспортером; он также обеспечивает 90% чистых потребностей в нефти и, таким образом, является по существу стратегически независимым. Как и в случае с сельскохозяйственной продукцией, где США также являются нетто-экспортером, достижение чистой независимости не устраняет необходимости в импорте или его стоимости как части общей сложной структуры товарных бирж. Но стратегическая «изоляция», а также геополитическая «мягкая сила» проистекают из позиции «доминирования» в товарах, критически важных для национального выживания. Хотя еще предстоит увидеть, какой ущерб будет нанесен внутреннему производству энергии в период посткоронавирусной рецессии, теперь ясно, что страна обладает значительными возможностями в области добычи и экспорта стратегических углеводородов . Учитывая, что 56% всей энергии Америки приходится на нефть и газ, это достижение имеет глубокие стратегические последствия.
С другой стороны, на сегодняшний день только 4% от общих внутренних потребностей в энергии обеспечивается ветровыми и солнечными установками, а на батареи приходится менее 0,5% внутренних автомобильных миль. Около 90% солнечных панелей импортируются. Даже если бы панели были собраны здесь, США производят только 10% мировых поставок критически важного основного кремниевого материала. Китай производит половину. Что касается ветряных турбин, США импортируют около 80% электрических компонентов (то есть, исключая стекловолокно и сталь). И в то время как Tesla (составляет почти 80% всех продаж электромобилей на внутреннем рынке) производится внутри страны, практически все важнейшие полезные ископаемые поступают из-за границы.
Таким образом, любое значительное увеличение крошечной доли зеленой техники в бытовой энергии радикально увеличит импорт либо этих машин, либо минералов зеленой энергии, либо того и другого. Объемы импорта будут беспрецедентными.
Стратегические последствия использования экологически чистых источников энергии не ускользнули от внимания в Европе. Анализ, проведенный Гаагским центром стратегических исследований, резюмировал «аспект безопасности» стремления мира продвигать возобновляемые источники энергии. Анализ указывает на три очевидных макро-тенденции:
- Страны-производители полезных ископаемых будут увеличивать свое влияние.
- Стратегическое значение приобретут регионы с «большими неизведанными запасами полезных ископаемых».
- «Серьезность международных отношений сместится в сторону стран, обладающих технологиями использования возобновляемых источников энергии и техническими ноу-хау в области полезных ископаемых для возобновляемых источников энергии».
- Гаага сухо отмечает, что «страны, зависящие от импорта, могут использовать военный потенциал для обеспечения безопасности минеральных ресурсов».
Как следствие, похоже, что Европа может принять политику, направленную на поощрение увеличения добычи на внутреннем рынке, идея, которая казалась столь же маловероятной несколько лет назад, как возможность ЕС поощрять добычу нефти и природного газа. Но это именно то, что предлагается при «переоснащении» промышленной политики ЕС. Ссылаясь на стратегические и экономические факторы, некоторые политики ЕС предлагают больше местной добычи и переработки для удовлетворения минеральных потребностей зеленой энергии. Потенциальные горнодобывающие проекты были определены в 10 странах ЕС, включая редкоземельные элементы в Норвегии, кобальт в Финляндии и литий в Испании и Португалии. По иронии судьбы, когда Европейский инвестиционный банк проводит политику, направленную на прекращение кредитования предприятий, занимающихся ископаемым топливом, он реализует политику кредитования горнодобывающих проектов.
Еще неизвестно, как новообретенные горнодобывающие амбиции Европы будут встречены защитниками окружающей среды и различными зелеными партиями континента, учитывая их враждебное отношение к добывающей промышленности в целом. Незадолго до глобальной пандемии коронавируса начали вспыхивать протесты из-за планов относительно новых европейских рудников], в ответ на которые отрасли раздули пиар-кампанию, пытаясь управлять «неблагоприятным статусом добычи полезных ископаемых».
В любом случае экологи по обе стороны Атлантики продолжают настаивать на расширении зеленой энергетики. Как все это разыграется в посткоронавирусном мире, еще предстоит увидеть. Но независимо от того, будет ли политика зеленой энергетики ускоряться или замедляться, существенные зависимости от полезных ископаемых, которые уже существуют, не изменятся, если США не научатся любить или, по крайней мере, мириться с увеличением добычи полезных ископаемых.
(печатается с сокращениями)
Перевод и публикация: Aum.News
