Литий, никель, кобальт, медь и редкоземельные минералы входят в число ценных материалов для стран и корпораций, стремящихся обеспечить поставки для энергетических систем, которые не добавляют парниковых газов в нашу атмосферу. В отличие от ископаемого топлива, природные запасы этих материалов в наибольшей степени сосредоточены на Глобальном Юге, что меняет геополитику энергетики и мировой торговли.

"Большинство людей сосредоточены на новых материалах, которые могут стать проблемой, и на самом деле не рассматривают преимущества в плане безопасности, связанные с отказом от ископаемого топлива", - сказал Стив Дэвис, старший автор исследования и профессор наук о системе Земли в Стэнфордской школе устойчивого развития Doerr. "Для большинства стран, в которых в будущем будет введена система нулевых выбросов, компромисс между снижением зависимости от импортируемого ископаемого топлива и увеличением зависимости от этих новых материалов на самом деле является выигрышем в плане энергетической безопасности".

Исследователи обнаружили, что даже для Соединенных Штатов, которые обладают одними из крупнейших в мире запасов ископаемого топлива, но лишь небольшим количеством важнейших месторождений полезных ископаемых, декарбонизация может повысить энергетическую безопасность, особенно если страна найдет новых торговых партнеров.

С 2020 года США экспортировали больше сырой нефти и нефтепродуктов, чем импортировали, но они по-прежнему импортируют миллионы баррелей ежедневно, в основном из Канады, Мексики, Саудовской Аравии, Ирака и Колумбии. "Производство электроэнергии с помощью солнца и ветра потребует большего объема импорта, чем использование богатых ресурсов газа и угля в США, но снижение зависимости от иностранной нефти станет большим преимуществом, поскольку транспорт электрифицирован", - сказал Дэвис.

Богатые нефтью страны, включая Россию и Саудовскую Аравию, входят в число меньшинства стран, которые столкнутся со снижением энергетической безопасности при нулевых сценариях даже при расширении торговых сетей.

Систематический анализ и новый индекс торговых рисков

Чтобы прийти к своим выводам, ученые систематически проанализировали диапазон потенциальных новых уязвимостей каждой страны в условиях декарбонизации по сравнению с теми, которые связаны с продолжающейся зависимостью от ископаемого топлива.

В качестве первого шага ведущий автор Цзин Ченг, аспирант Лаборатории устойчивых решений Дэвиса в Стэнфорде, создал базу данных стран с запасами нефти, газа, угля, урана, биотоплива и любого из 16 материалов, которые имеют решающее значение для технологий чистой энергетики, а также торговых потоков этих ресурсов. ресурсы между странами.

Исследователи подсчитали, сколько из этих ресурсов потребуется для удовлетворения спроса на энергию в каждой из 236 стран в 1092 различных сценариях достижения нулевого уровня выбросов углекислого газа во всем мире к 2060 году. Сценарии, разработанные Межправительственной группой экспертов по изменению климата, или МГЭИК, охватывают широкий спектр возможных изменений в структуре энергопотребления по всему миру и внутри отдельных стран. Некоторые из них в большей степени зависят, например, от ядерной энергии, в то время как другие используют больше солнечной энергии или энергии ветра.

Для тысяч комбинаций торговых отношений и потребностей в ресурсах команда оценила уровень риска в транспортном и электроэнергетическом секторах каждой страны, а также в энергетической системе в целом. Они количественно оценили эти риски, используя новый "индекс торговых рисков", основанный на наличии внутренних резервов, доле спроса на данное топливо или материал, удовлетворяемого за счет импорта, экономической ценности импорта и показателе концентрации рынка, широко используемом для количественной оценки энергетической безопасности.

Страны выигрывают от более глубокого сокращения зависимости от ископаемого топлива

Исследователи обнаружили, что если все страны сохранят свои существующие сети, связанные с торговлей риски для энергетической безопасности снизятся в среднем на 19% в сценариях с нулевым результатом. Если страны расширят свои сети и будут торговать со всеми владельцами ресурсов, то торговые риски в среднем снизятся вдвое.

Сокращение потребности в импортируемых первичных материалах - будь то за счет увеличения срока службы технологий, увеличения объемов вторичной переработки или разработки менее материалоемких конструкций - является для стран, бедных минеральными ресурсами, еще одним способом минимизировать торговые риски при одновременном отказе от ископаемого топлива. Согласно исследованию, торговые риски снижаются в среднем на 17% - и более чем на 50% для США - при четырехкратном увеличении сегодняшних скудных показателей переработки важнейших минералов, таких как литий, никель и индий.

Авторы пришли к выводу, что энергетический баланс США, состоящий примерно на 70-75% из возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, ветер и биомасса; 15-20% из ископаемого топлива; и 10% из ядерной энергии, минимизировал бы торговые риски страны во всех смоделированных сценариях достижения чистого нуля к 2060 году, хотя другие сочетания могли бы предложить преимущества, такие как более низкие затраты или меньшее загрязнение воздуха. Сегодня США удовлетворяют около 83% своих энергетических потребностей за счет ископаемого топлива, а ядерная энергия и возобновляемые источники энергии обеспечивают примерно равную долю оставшейся части.

По сравнению с солнечной энергией энергия ветра обеспечивает большую энергетическую безопасность для США - по крайней мере, при тех торговых отношениях, которые существовали на момент проведения исследования. Материалы, необходимые для изготовления турбин, в последние годы поступали от относительно большого числа торговых партнеров, пояснил Ченг. "Однако развитие технологий производства солнечной фотоэлектрической энергии с использованием более широко доступных источников кремния более низкого качества или расширение торговых сетей со странами, богатыми запасами кремния и марганца, могло бы еще больше значительно укрепить энергетическую безопасность страны", - сказала она.

Главное, как всегда, не класть все яйца в одну корзину. "Если вы импортируете большую часть того, что вам нужно, это уязвимость. Если все это поступает от одной другой стороны, существует большой риск того, что какое-нибудь стихийное бедствие или геополитический конфликт могут нарушить эти поставки", - сказал Дэвис. "Вы хотите диверсифицировать импорт из как можно большего числа источников".

Однако преимущества диверсификации в плане безопасности имеют пределы. Результаты исследования показывают, что сохранение ископаемого топлива в смеси, как правило, снижает энергетическую безопасность стран. "В конечном счете, обнадеживает тот факт, что торговые риски большинства стран снижаются при нулевых сценариях, - заключают авторы, - и что наибольшие улучшения часто происходят в странах, которые наиболее резко сокращают свою зависимость от ископаемого топлива".

Соавторами исследования являются Каран Бхувалка, инженер-исследователь факультета энергетических наук и инженерии Стэнфордской школы устойчивого развития Doerr. Бхувалка также является штатным научным сотрудником программы STEER, партнерства между SLAC-Стэнфордским центром аккумуляторных батарей и Прекуртским институтом энергетики, которое финансируется Министерством энергетики США.

Соавтор Кен Калдейра - почетный старший научный сотрудник Научного института Карнеги, который также связан с Gates Ventures, и приглашенный научный сотрудник исследовательской группы Дэвиса в Стэнфордской школе устойчивого развития Doerr на факультете наук о системах Земли. Дополнительные соавторы связаны с Университетом Цинхуа, Пекинским педагогическим университетом и Пекинским университетом в Пекине, Китай.

Соавторы Дэн Тонг и Цян Чжан из Университета Цинхуа были профинансированы за счет гранта Национального фонда естественных наук Китая.