Бесконечные недра. Как электричество вытесняет нефть

Экономисты РЭШ в рамках совместного проекта с образовательным лекторием “Курилка Гутенберга” рассказывают, как будет устроена энергетика будущего, о технологической революции, происходящей на наших глазах, и о том, почему человеческие мозги важнее природных ископаемых. Slon Magazine публикует лекцию Светланы Иконниковой, приглашенного профессора РЭШ, о сланцевых технологиях и их влиянии на геополитику.

Хочется начать с эпиграфа, принадлежащего физику-теоретику Джону Уилеру, он отлично демонстрирует главную мысль лекции: “Мы живем на острове знаний, окруженном морем нашей неосведомленности. По мере того как наш остров расширяет свои границы, прилегающая к ним область непознанного тоже расширяется”.

Часто говорят: “Как нам повезло жить в век технологий. Они все улучшаются, а мы повышаем свою эффективность”. Но что происходит? Когда все большее число людей получает доступ к технологии, то требуются все большие ресурсы для того, чтобы эту технологию использовать. Один из каждодневных примеров — автомобили. Посмотрите, как улучшается эффективность использования топлива: мы едем все дальше и дальше на том же самом литре бензина. Но это приводит к тому, что на дорогах становится больше машин. Это же относится и к самолетам. Как часто люди летали еще каких-нибудь 20 лет назад? Эти и многие другие сходные примеры связаны с энергией, которой требуется все больше как для производства самих девайсов, так и для их работы.

Растущие запросы

Откуда бралась энергия еще 15 лет назад? Большую часть транспорта обслуживала нефть, составляя порядка 45% от общего потребления. Дальше природный газ конкурировал с углем, являясь основными источниками для производства электроэнергии. Последние пару десятилетий мир активно увеличивает производство и потребление электроэнергии, и вместе с этим мы стали потреблять больше газа и угля. Рост потребления этих ресурсов во многом приходится на развивающиеся страны. Доля нефти в общем потреблении энергии уменьшилась, хотя в абсолютных величинах потребление нефти продолжает расти. Интересно, что атомная энергия, получившая столько внимания в прошлом, занимает лишь небольшую нишу: того бума ядерной энергетики, который был предсказан 30—40 лет назад, не случилось. Чернобыль, а за ним и “Фукусима” стали весомыми причинами наравне с высокой стоимостью эксплуатации, по которым ядерная энергетика, совсем недавно еще воспринимавшаяся как панацея от энергетического кризиса и загрязнения окружающей среды, пусть и с различными рисками, таковой не стала.

Итак, население Земли растет, и логично предположить, что большее количество людей будет потреблять больше энергии. Каждый следующий ребенок должен в свое время получить на день рождения телефон и зарядить его от розетки, подрасти и купить машину, потребляющую бензин или электроэнергию. Данные показывают, что потребление энергии растет быстрее, чем население. Как это все дальше будет развиваться — большой вопрос, на который никто не дал пока всеобъемлющего ответа. И дебаты по этому поводу продолжаются последние 50 лет.

Теперь посмотрим на динамику потребления энергии за последние 15 лет в ключевых регионах мира, среди которых Африка, Центральная и Северная Америка, бывшие республики Советского Союза, Европа и Азия. Северная Америка потребляет наибольшую часть мировой энергии. Одна из причин — это развитый мир, где каждый имеет доступ к электричеству, гаджетам, и число людей, передвигающихся на автомобилях, превышает аналогичный показатель в любом другом регионе на душу населения.

Развивающиеся регионы, такие как Африка, Южная и Центральная Америка, сильно отстают. Азия — смешанный регион. Там есть Китай, который только начинает свое развитие, так же как и Индия. Есть такие страны, как Япония и Австралия, которые уже входят в список крупнейших развитых стран. Что меняется? Развивающиеся страны стали потреблять больше энергии и потихонечку приближаются к развитым странам. Самый большой и качественный скачок сделали Индия и Китай.

В Северной Америке чуть больше чем на треть используется нефть, много газа и постепенно вытесняется уголь. В Европе пропорции в процентном отношении очень похожи, хотя суммарное потребление несколько меньше, как и количество населения. В Африке потребление энергии значительно меньше. Мы знаем, что в деревнях и малоразвитых районах Африки многие люди до сих пор не имеют даже света.

Интересно, что страны бывшего Советского Союза чем-то схожи со среднеазиатскими странами. Правда, нефть превалирует на Среднем Востоке и в меньшей степени на постсоветском пространстве, где потребляют в основном газ. Так, Россия входит в догоняющие по использованию автотранспорта и количеству дорог на душу населения.

В Азии превалирует уголь, во многом из-за его цены и доступности. Непрерывно ведутся переговоры по поводу того, что Китай загрязняет атмосферу, вырабатывая основную часть своей электроэнергии, используя уголь. Но прежде чем устраивать дебаты по поводу того, насколько резко стоит отказываться от этого топлива, сейчас все больше начинают задумываться, что означают такие объемы использования этого ресурса. Уголь позволяет делать энергию доступной людям с низким доходом, которые раньше не имели доступа к электричеству в принципе, изготовлять дешевые товары, которые потом покупают по всему миру. Так что у всего есть эффект второго порядка.

Посмотрев на все эти цифры потребления энергии, встает законный вопрос: достаточно ли у нас ресурсов? Может, пора обратиться к ядерной и/или возобновляемой энергии?

Картину доступности природного газа можно описать с помощью графика, построенного на основе данных Международного энергетического агентства: располагая ресурсы по возрастанию их себестоимости и отражая величину запаса, можно заметить, что к текущему моменту человечество добыло лишь небольшой процент от общих имеющихся запасов природного газа. Заметим, наша история — это немногим более ста лет активного использования, малая часть всего ресурса, который мы только начинаем использовать либо все еще даже не знаем, как использовать. Так, например, гидраты — огромный ресурс, для которого технология еще не подобрана.

Количество и доступность ресурса зависят от цены и технологии, которую мы используем для его добычи. Похожая картина характеризует и нефть. Как видно, вопрос, что ресурсы кончаются, перед человечеством не стоит. Скорее стоит вопрос, сколько будет стоить добыть этот ресурс и насколько выгодно его использовать. В начале нынешнего столетия было много разговоров и статей про то, что традиционные ресурсы подходят к концу, что в некоторой степени способствовало повышению цен на энергоресурсы. Тут хочется перейти к разговору о сланцах, разработка которых во многом изменила взгляд экономистов на возможные ограничения по добыче, и в целом на энергобаланс в мире.

Понятный скепсис

Мы будем говорить о сланцах в США, поскольку это первая страна, где они были открыты и начали активно разрабатываться. Хотя в данный момент сланцы разрабатываются также в Китае, Австралии, некоторых странах Европы и в Южной Америке. Сегодня о сланце знает практически любой американский студент и даже школьник, настолько часто можно увидеть названия разрабатываемых полей в СМИ. Хотя еще каких-то 10 лет назад большинство людей, которые изучали различные ресурсы электроэнергии, включая геологов, инженеров, экономистов (включая меня), понятия не имели, что это такое. Но недавнее падение цен на нефть и газ, а также понимание, что этот ресурс оказался почти неисчерпаемым, заставили обратить на технологии сланцевой нефти куда более пристальное внимание. Интересно, что большинство прогнозов о цене и производстве делают экономисты, в то время как бурить и принимать решения продолжают главным образом геологи и инженеры.

Фонд поддержки научных исследований Альфреда Слоуна, поддерживающий исследования по самым важным вопросам, позволил междисциплинарной команде Бюро экономической геологии Техасского университета, включающей в себя геологов, инженеров, статистиков и экономистов, заняться исследованием, основная цель которого была понять потенциал сланцевого ресурса. Упоминающиеся далее результаты почерпнуты из этого исследования и опубликованы в академических журналах. Все результаты, которые я сегодня покажу, можно найти у нас на сайте.

Сланцы были известны еще в XIX веке, и уже тогда существовали карты сланцевых месторождений. Правда, в то время геологи были, пожалуй, единственными, кто дискутировал насчет того, когда же ресурс будет произведен и когда начнется его активная эксплуатация. Проблема в том, что над технологиями в основном работают инженеры и, пока геологи не убедили инженеров заняться этим вопросом, дело двигалось очень медленно. Человек по имени Джон Митчелл, геолог и инженер по образованию, взял залог под дом, потом второй залог под дом, сколотил команду из пяти человек и начал упорно бурить скважины, пытаясь доказать, что сланцевые месторождения могут реально выйти на рынок.

Большинство сланцев выглядят как обычный камень, очень твердый и совсем не пористый. Сланцы бывают разного цвета — бордовые, коричневые, но чаще встречаются черные. Под микроскопом в сланцах наконец удается разглядеть поры, диаметр которых меряется в нанометрах, так что каждая пора содержит счетное количество молекул газа и еще меньше сложных молекул нефти, настолько они малы. Легко понять инженеров, которые долгое время относились весьма скептически к идее добычи из данной породы и уж тем более не могли представить добычу в объеме, достаточном, чтобы окупить издержки на многомиллионную скважину.

Сланец (газосодержащий) можно охарактеризовать двумя параметрами: пористостью и давлением, которые определяют, так сказать, емкость и вместимость емкости. Если вы умножите процентное содержание пор на толщину, или, грубо говоря, на количество этих пор, то посчитаете объем, в котором находится ваш газ; просуммируйте по всей географической площади — и вы получите, сколько у вас газа в месторождении. Стоит обратить внимание, что месторождения могут быть очень разного качества и количество газа может различаться на единицу поверхности в пять, а то и в двадцать раз.

Вот как выглядит территория: на поверхности лишь краники, подсоединенные к трубам, которые будут отводить газ. С клочка земли примерно 500×500 метров на кампусе Техасского университета в Арлингтоне было пробурено 11 скважин. Как это происходит? Когда бурится вертикальная скважина, производятся множественные замеры, которые позволяют засечь и охарактеризовать ту породу, которую вы бурите. Глубина может быть различной, от одного до нескольких километров. Есть скважины, достигающие 5 км в глубину. Изначально глубина бурения являлась проблемой, но не сегодня: бурение производится с точностью буквально до фута (~0,3 метра). Дальше бурится горизонтальный отросток, куда потом под давлением закачивается вода и песок, и производится гидроразрыв пласта.

Логично предположить, что чем больше газа на единицу поверхности, тем выше будет добыча, и часто этот принцип работает. Однако стоит также учесть, что скважина производит не чистый ресурс, а газ с различными примесями, которые могут либо иметь дополнительное коммерческое применение (как пропаны, бутаны, какие-то liquids), так и являться веществами, от которых будет требоваться очистка, тем самым уменьшая экономический выход.

Вот почему вопрос о себестоимости добычи не так прост. С учетом варьирующейся глубины скважины, горизонтальной длины, производительности и стоимости продуктов добычи может оказаться, что две скважины, производящие одинаковое количество и качество газа, имеют себестоимость, отличающуюся в разы, просто потому, что в одном случае глубина бурения была в разы меньше. Или, скажем, скважина с весьма неважной добычей в одном поле рассматривается как прибыльная в другом из-за того, что, помимо газа, производит еще и газовый концентрат.

Лишь в 2005 году было принято решение агентством, которое собирает всю информацию по энергетике в Соединенных Штатах, отдельно учитывать производство сланцев, до этого такая задача даже не рассматривалась. К текущему моменту сланцы составляют примерно 30% от общего потребления газа в Штатах. По нефти ситуация чуть ниже — там порядка 20%, но сланцевая нефть начала отдельно учитываться только в 2008 году. Ресурс, о котором никто не думал, кроме геологов, еще каких-то 20 лет назад, начинает менять рынки энергоресурсов по всему миру.

Одни неизвестные

Развитие сланцев проходит не без своих проблем. Как известно, встает все больше вопросов, связанных с защитой окружающей среды. Но операторы, заинтересованные в сохранении и развитии своего бизнеса, стараются не только решать проблему, но и действовать на опережение, развивая методы детекции утечек, очистки возврата воды, предупреждения возможной сейсмоактивности, связанной со скважинами, утилизирующими возвратную воду. Так, в областях, которые находятся далеко от источников воды, строят заводы по переработке этой воды, что зачастую помогает соседним городам и селам пускать воду в закрытый цикл.

Возвращаясь к упомянутым изменениям в мире, обратим внимание на динамику газовых цен у основных стран-потребителей. С 2006 года Штаты, Германия, Япония — все увеличили потребление газа, увеличивая потребление электроэнергии. Поскольку до сланцевой революции (или эволюции, как некоторые считают) количество газа, производимое из традиционных источников, неуклонно сокращалось, это приводило к постепенному росту цен.

Но в последние восемь лет ценовые кривые стран разошлись: цены в Японии продолжали расти, в Германии остались примерно на том же уровне, а в Штатах резко упали и остаются на низком уровне. С последними понятно, началось производство из сланцевых ресурсов, которое и уронило цены на газ. Из импортера газа в сжиженной форме США стали газовым экспортером. Встал вопрос, куда девать газ? Оказалось, что система внутренних трубопроводов в Штатах переполнена. И сейчас идет активное строительство новых трубопроводов, для того чтобы соединить регионы, которые раньше либо не потребляли столько, либо не производили ничего, но теперь активно производят газ.

Германия прекратила увеличение своего потребления газа из внешних источников. И даже производство газа внутри страны продолжает медленно падать. Если раньше с увеличением спроса Германии приходилось договариваться о новых контрактах, то теперь в некоторых случаях даже при уменьшении спроса Германия получает дискаунты, в том числе и от России, на газовые контракты. Кроме того, замещение угля газом в США позволило Германии покупать излишки дешевого угля из США, замещая дорогой газ и понижая среднюю цену электроэнергии, растущую также за счет дорогих инвестиций в возобновляемую энергию.

В случае Японии цена продолжает расти. Катастрофа на “Фукусиме” привела к тому, что были выведены из строя ядерные электростанции и увеличилась нагрузка на электростанции, которые производили энергию из газа. Теперь Япония выступает в качестве потенциального покупателя сланцевого газа, что повышает конкуренцию среди ее “газовых поставщиков”.

Вернемся к началу нашего разговора. Газ стал дешевле. Дешевый уголь хлынул во все стороны, включая Европу. Немногие знают, что за последние три года потребление угля в Европе не только оставалось на том же уровне, но в некоторых странах, таких как Германия и Великобритания, даже немного повысилось. Цены на нефть упали, хотя потребление нефти в мире продолжает расти. И одна из причин, пусть и не самая весомая, которая привела к обвалу цен, — увеличение нефтяных ресурсов.

Переходя на новые технологии, в частности на hybrid cars, electric vehicles, мы пытаемся использовать больше электричества, которое производится с увеличивающейся долей из газа. Цикл закрылся. Нефть долго росла, мы решили уменьшить нефть, увеличить эффективность. У нас появился дешевый газ, значит — дешевое электричество, а им мы будем заполнять свои автомобили вместо дорогой нефти. Как быстро все произойдет, зависит от адаптации потребителей, строительства инфраструктуры, но одно ясно: изменения уже начались.

Урок, который из всего этого, пожалуй, следует извлечь: мы оперируем в мире, где наше знание весьма ограничено. Есть еще огромное число ресурсов, о которых мало что известно. Например, насколько многие знают про гидраты, которые лежат как у нас в Сибири, так и в Арктике, залегают под дном океана, которые очень активно пытаются найти технологию для разработки как японцы, так и китайцы, помимо русских и американцев. И чем дальше технология развивается, тем больше мы понимаем, что ресурс там, где мы про него даже не думали. Выходит, даже оптимистичные прогнозы продолжают недооценивать темпы развития технологий. Экономистам в таких условиях становится все тяжелее строить какие-то модели развития. Инженеры пытаются сделать какие-то предсказания, но даже их ожидания, как правило, оказываются пессимистичными, если смотреть на них пять лет спустя. И мы все еще недооцениваем технологии. И, наверное, всегда будем недооценивать.

Появление новых технологий и освоение новых ресурсов меняло и продолжает менять всю геополитическую арену, потому что происходит перераспределение как ресурсной базы по странам, так и изменение спроса на энергетические ресурсы. И с увеличивающейся глобализацией рынка эффекты будут иметь все большее влияние друг на друга.