Внедрение технологических инноваций в энергетическом секторе происходит даже быстрее, чем ожидалось, — и это может ускорить экономический рост, а также повысить устойчивость сектора уже в 2015 г.

Мэтт Роджерс

Статья была опубликована в McKinsey on Sustainability & Resource Productivity, лето 2012 г.

Мир подходит к переломному моменту в развитии энергетических технологий, после которого производительность энергетического сектора может увеличиться в масштабах, невиданных со времен промышленной революции.

Большинство технологий, которые способны обеспечить прорыв в этой сфере, уже хорошо известны — в их числе, например, нетрадиционные способы добычи газа, электромобили, солнечная энергетика, светодиодное освещение. И все же для многих руководителей их распространение станет настоящим сюрпризом. Причина заключается, по всей видимости, в том, что многие организации так долго наблюдают за развитием этих технологий, что уже свыклись с мыслью о невозможности скорого и существенного прогресса. В основе этих взглядов лежит непонимание самой природы технологических перемен. Растущие темпы внедрения инноваций в энергетической сфере свидетельствуют о том, что некоторые технологии станут коммерчески жизнеспособными гораздо раньше, чем того ожидает большинство наблюдателей, — в ряде случаев соответствующие структурные сдвиги могут начаться уже в 2015 г.

Долгое время развитие той или иной технологии может происходить постепенно и носить маргинальный характер, не оказывая существенного влияния на основных участников рынка. И действительно, экономический эффект от разрабатываемых технологий в среднем может оставаться более чем скромным — причем именно в тот момент, когда ведущие организации, занимающиеся разработкой и внедрением инноваций, уже приближаются к решающему прорыву. Но успешное массовое внедрение новых технологий станет возможным только тогда, когда они позволят выйти на принципиально новый уровень затрат и эффективности по сравнению с текущей ситуацией. На фоне новых технологий нынешние способы ведения бизнеса могут стать неэффективными менее чем за десятилетие, то есть по экономическим меркам практически мгновенно.

Технологические инновации, как мы знаем из истории, влекут за собой настолько существенное увеличение производительности, что это приводит к коренному преобразованию целых отраслей промышленности и открывает новые перспективы развития и роста перед всем обществом в целом. В частности, разработка беспроводных технологий фундаментальным образом изменила сферу телекоммуникаций. Персональные компьютеры и смартфоны, появление которых стало возможным благодаря все более миниатюрным и быстродействующим чипам, произвели революцию в индустрии бытовой электронной техники. А портативные аудиоустройства, от плееров Sony Walkman до современных айподов, радикально видоизменили способы хранения, передачи и прослушивания музыки.

Энергетические рынки стоят на пороге аналогичных и — без преувеличения — поразительных преобразований. При рекордно высоких ценах на нефть, сталь, медь, алюминий и другие ресурсы организации, занимающиеся энергетическими инновациями, стремятся извлечь преимущества из внедрения новых решений в таких сферах, как разработка программного обеспечения, производство бытовой электроники, полупроводников и фармацевтической продукции, чтобы коренным образом усовершенствовать повсеместно применяемые ныне методы производства и потребления энергии.

Темпы преобразований могут оказаться беспрецедентными. Для достижения успеха компании должны понять, каковы основные пороговые значения эффективности для каждой новаторской технологии, а также оценить, какие перемены на рынке повлечет за собой технологический переворот в каждой конкретной сфере. А те компании, которые удовольствуются всего лишь ролью пассивных наблюдателей за технологическим прогрессом и будут делать ставку на средний экономический эффект, даже не пытаясь извлечь выгоду из рискованных проектов, могут и не выжить в новом мире, созданном благодаря передовым инновациям.

В Соединенных Штатах можно выделить пять технологий, которые обладают потенциалом, необходимым для того, чтобы уже к 2015 г. оказывать влияние на рост производительности в энергетическом секторе. Речь идет о нетрадиционных способах добычи природного газа, электромобилях, усовершенствованных двигателях внутреннего сгорания, солнечной энергетике и светодиодных осветительных приборах. Еще пять технологий могут достичь такого уровня вскоре после 2020 г. Это сетевое накопление энергии, цифровое управление преобразованием напряжения, бескомпрессорное кондиционирование воздуха и электрохромные окна, обогащение угля, а также различные виды биотоплива и электротоплива. Эти технологии имеют широкую сферу применения и достигли достаточно высокой ступени развития, чтобы произвести настоящий переворот на рынках, когда затраты на их использование окажутся более низкими, чем у технологий, которые доминируют в соответствующих отраслях сегодня.

Широкое применение любой из этих технологий способно обеспечить потребителям ежегодную экономию, исчисляемую сотнями миллиардов долларов, а в масштабах национальных рынков оно поможет странам добиться экономического роста без каких-либо вредных экологических последствий. Даже если технологический переворот произойдет не во всех перечисленных сферах, а только в некоторых из них, это все равно самым благоприятным образом скажется на состоянии мировой экономики и окружающей среды. Кроме того, успех этих инноваций будет способствовать укреплению национальной безопасности каждой из стран, поскольку уменьшится их зависимость от импорта топливно-энергетических и прочих ресурсов.

Сегодня мы не можем предсказать, какая из этих технологий станет наиболее успешной, и не способны предугадать масштабы этого успеха. Ясно только одно: по крайней мере некоторые из них ждет блестящее будущее. Для многих компаний выживание будет зависеть от умения проложить верный курс посреди этой «неопределенной неизбежности». Технологический переворот в любой из этих сфер может стать точкой невозврата для давних участников рынка, которые будут к нему не готовы. Поэтому каждая компания должна предпринять меры, чтобы гарантированно оказаться в выигрышном положении в случае реализации описанных ниже сценариев технологических преобразований.

ВЛИЯНИЕ НА РЫНОК МОЖЕТ СТАТЬ ОЩУТИМЫМ УЖЕ В 2015 ГОДУ

Технологии, благодаря которым стремительно снижаются показатели затрат и экономятся деньги потребителей, развиваются значительно быстрее, нежели технологии, экономическая жизнеспособность которых зависит от норм и особенностей регулирования. Каждая из пяти технологий, о которых пойдет речь в настоящем разделе, обладает своими преимуществами, связанными с использованием соответствующего программного обеспечения и электронного оборудования, благодаря чему темпы преобразований могут дополнительно ускориться. И каждая из этих технологий предполагает шесть — восемь альтернативных, соперничающих между собой направлений развития, которые могут обеспечить выход на новый уровень эффективности. В ходе конкурентной борьбы между странами на рынок одновременно выходят разнообразные формы инноваций. Одинаково важную роль играют такие факторы, как, например, низкий уровень затрат на инженерно-конструкторские работы, выполняемые китайскими специалистами, преимущества системной интеграции силами немецких компаний, объемы и качество про мышленного производства в Корее или продуктовые инновации, разрабатываемые в США. От этой напряженной конкуренции в конечном итоге выигрывают потребители. Соревнование между технологиями, когда, например, солнечная энергетика борется с ветряной и обе противостоят природному газу и электромобилям, а последние, в свою очередь, конкурируют с усовершенствованными двигателями внутреннего сгорания, которые отстаивают свое право на жизнь в борьбе с различными топливными элементами, — все это только поднимает планку качества и зачастую ускоряет разработку и внедрение инноваций.

Нетрадиционные способы добычи газа

В 1980-е годы в США были открыты крупные запасы природного газа, для освоения которых не годились традиционные способы. Это стимулировало развитие горизонтального бурения и гидравлического разрыва пласта, четырехмерной сейсморазведки и компьютерного моделирования — технологий, которые сделали возможной добычу газа из сланцевых формаций. Впервые полномасштабное применение этих разработок удалось обеспечить в начале 2000-х годов в ответ на значительное сокращение поставок природного газа на внутренний рынок США. За пять лет подсчитанные запасы природного газа в США возросли на 50%. Рынок понял, что благодаря новым технологиям поставки дешевого природного газа надежно обеспечены на десятилетия вперед, и цены быстро поползли вниз: если в 2008 г. миллион британских тепловых единиц стоил более 10 долл., то в 2011 г. — уже примерно 4 долл., а в 2012 г. — чуть более 2 долл. Появление на рынке природного газа, добываемого по новым технологиям, уже сэкономило американским потребителям миллиарды долларов и позволило стране снизить выбросы парниковых газов.

Успешная эксплуатация месторождений сланцевого газа в США позволяет говорить о том, что эта технология обладает потенциалом, способным изменить всю глобальную сырьевую экономику и политику — особенно с учетом того, что страны Европы, Китай и Индия уже начинают оценку объемов и вскрытие пластов на собственных месторождениях природного газа, доступных для разработки нетрадиционными способами. И хотя их освоение повлечет за собой существенные проблемы, связанные с безопасностью водных и земельных ресурсов, эта технология все же может стать самой важной среди энергетических инноваций за последние сто лет.

Электромобили

Стоимость усовершенствованных аккумуляторов стремительно снижается. Если в 2009 г. она составляла около 1000 долл. за киловатт-час, то новые предприятия по выпуску аккумуляторов уже в 2010 г. могли предлагать изделия стоимостью чуть более 500 долл. за киловатт-час, и эта цифра может понизиться до 350 долл. за киловатт-час, когда в ближайшие несколько лет указанные предприятия выйдут на полную производственную мощность. По совокупной стоимости владения аккумуляторы смогут достичь паритета с двигателями внутреннего сгорания тогда, когда их цена упадет до 250 долл. за киловатт-час — при этом уровне цен продажи на мировом рынке могут возрасти до 15—20 млн единиц в год (по сравнению с 1—2 млн единиц, продаваемых ежегодно в настоящее время). Конечно, после удешевления аккумуляторов еще может потребоваться от трех до пяти лет для того, чтобы автопроизводители смогли интегрировать эти новые разработки в стандартные автомобильные платформы, поэтому потребители получат выгоду от этих инноваций несколько позже. Тем не менее, когда эти электромобили появятся на рынке, новая технология сулит потребителям уже в самое ближайшее время более 500 млрд долл. ежегодной экономии вследствие перехода с дорогостоящего, главным образом импортного нефтяного топлива на более дешевую электроэнергию местного производства. К тому же потребители постепенно убеждаются в том, что электромобили зачастую разгоняются быстрее, что они безопаснее, комфортнее и лучше приспособлены к внедрению новых конструктивных решений по сравнению с автомобилями, созданными по традиционным технологиям.

Усовершенствованные двигатели внутреннего сгорания

Стандарты, принятые в США в соответствии с законом о среднем расходе топлива автомобилями (CAFE), оставались неизменными на протяжении почти трех десятилетий и предусматривали норму на уровне 27,5 мили пробега на галлон топлива. Но автомобильные технологии не стояли на месте. Новые стандарты CAFE потребуют от автопроизводителей достичь уровня 35,5 мили на галлон в 2016 г. и 54,5 мили на галлон в 2025 г. Впрочем, даже в этом случае американские нормы будут ниже, чем европейские и китайские, которые диктуют требования к автомобилям в остальной части мира. Спросом у потребителей пользуются автомобили с наиболее эффективным использованием топлива, а разработки в сфере материаловедения и программных средств управления уже способны сделать такие автомобили реальностью. Потребителям усовершенствование двигателей внутреннего сгорания может обеспечить такую же экономию, как и технологический переворот в области электротранспорта. Есть основания предполагать, что конкуренция между технологиями станет стимулом для создания более привлекательных высокопроизводительных и недорогих моделей, от чего в итоге выиграют конечные покупатели, которые получат новые возможности для выбора.

Солнечные фотоэлементы

Стоимость солнечной энергии (с учетом монтажа оборудования), еще в 2009 г. составлявшая примерно от 7 до 8 долл. за ватт, в 2011 г. снизилась до 4 долл. за ватт, а в 2012 г. — почти до 2,5 долл. за ватт. Рынок солнечной энергетики в Соединенных Штатах вырос приблизительно на 40% благодаря реализованным в США в 2009 и 2010 гг. программам стимулирования этой отрасли. Столь активный рост стал отражением мировых тенденций и высоких темпов развития солнечной энергетики, которая получила аналогичную поддержку в Германии, Италии, Испании и Китае. Дотирование отрасли, по всей видимости, должно иссякнуть, но ее развитие будет продолжаться по инерции, стимулируемое значительными инновациями в промышленном производстве, улучшением качественного выхода производимой энергии, а также оптимизацией стоимости инженерно-конструкторских работ и всех вспомогательных технических компонентов (компонентов «баланса системы»), обеспечивающих работу солнечных батарей. Все это, как ожидается, может снизить стоимость солнечной энергии до 1,5 долл. за ватт к 2015 г. и менее чем до 1 долл. к 2020 г. При таких ценах установки, работающие на солнечных фотоэлементах, станут реальной альтернативой традиционным источникам энергии и окажутся наиболее предпочтительными источниками для большинства новых жилых домов, а также промышленных и торговых предприятий, расположенных в крупных малоэтажных зданиях (естественно, в тех регионах, где климатические условия благоприятствуют солнечной энергетике).

Светодиодное освещение

В Соединенных Штатах на освещение тратится почти 15% потребляемой электроэнергии. Важным преимуществом светодиодов, работающих на полупроводниках, является то, что скорость их усовершенствования практически совпадает с темпами развития микроэлектроники, описанными в законе Мура. Программируемое регулирование потребления энергии светодиодами в зависимости от необходимого уровня освещенности дополнительно повышает их ценность. Если в 2009 г. светодиодная лампа со световым потоком 100 люменов стоила 50 долл., то в 2011 г. — уже 20 долл. К 2015 г. цена лампы со световым потоком 170 люменов должна упасть до 8—10 долл., вследствие чего устареют обычные лампы накаливания и компактные люминесцентные лампы. Доля светодиодных ламп в настоящее время составляет приблизительно 2% мирового рынка осветительных приборов, но к 2015 г. их доля может увеличиться до 30%, а к 2020 г. — до 80%. Если распространение светодиодных ламп достигнет такого уровня, то к 2015 г. потребители во всем мире смогут ежегодно экономить более 50 млрд долл., а к 2020 г. — более 100 млрд долл. Это позволит снизить годовую потребность США в электроэнергии на 1,5%, что эквивалентно количеству энергии, которое могут выработать более 30 электростанций в режиме базовой нагрузки.

ВЛИЯНИЕ НА РЫНОК ПОСЛЕ 2020 ГОДА

Чтобы следующее поколение энергетических технологий вышло на этап промышленного производства при коммерчески состоятельном уровне издержек, потребуется целый ряд научных и инженерно-конструкторских инноваций. Выход этих технологий на доступные рынки, по-видимому, будет также зависеть от административного и нормативно-правового регулирования. Не все эти технологии ждет рыночный успех — место под солнцем они завоюют только в том случае, если смогут превзойти наиболее удачные технологии предыдущего поколения. Но когда это все же случится, целый ряд более ранних инноваций отойдет в историю.

Сетевое накопление энергии

Для масштабного накопления электроэнергии в электрических сетях разрабатывается целый ряд технологий, в том числе на основе аккумуляторных батарей, маховиков и ионисторов (суперконденсаторов), причем принцип действия многих из них аналогичен тому, который применяется в автомобильных аккумуляторах. Сегодня затраты на сетевое накопление составляют примерно от 600 до 1000 долл. за киловатт-час, и оно может использоваться только в тех случаях, когда местные геологические условия позволяют создавать хранилища воды или сжатого воздуха, наполняемые с помощью насосных станций. Благодаря инновационному применению проточных и жидкометаллических аккумуляторных батарей, а также другим новым технологиям затраты к 2020 г. могут снизиться примерно до 150—200 долл. за киловатт-час, и это создаст необходимые условия для использования сетевого накопления энергии в каждом крупном мегаполисе. При таком уровне цен одним лишь Соединенным Штатам, возможно, понадобится за десять лет построить хранилища общей емкостью более 100 гигаватт (что сопоставимо с нынешней мощностью всех атомных электростанций США), значительно повысив их надежность и безопасность. Вследствие этого существенно снизятся затраты на передачу энергии, вырабатываемой солнечными, ветряными, атомными и угольными электростанциями. Кроме того, энергетические компании смогут использовать хранилища, чтобы обеспечивать стабильные поставки электроэнергии при сбоях и сезонно-климатических перерывах в работе генерирующих установок — а эта проблема, не столь остро стоящая перед традиционными электростанциями, весьма актуальна для электростанций, работающих за счет возобновляемых источников энергии. В результате ощутимо уменьшится потребность энергораспределительных компаний в капитале.

Цифровое управление преобразованием напряжения

Первый шаг к широкому развитию электрических сетей сделали Эдисон и Вестингауз, которые в 1885 г. изобрели большие высоковольтные трансформаторы. Эта технология используется фактически в первозданном виде и по сей день. Обычный силовой трансформатор стоит 20 тыс. долл., весит 10 тыс. фунтов и занимает 250 кубических футов. Для управления высоковольтным напряжением в военных целях были разработаны быстродействующие цифровые преобразователи повышенной надежности, изготавливаемые из карбида кремния и нитрида галлия. Они более надежны и универсальны, потребляют на 90% меньше энергии и занимают всего лишь 1% объема по сравнению с существующими трансформаторами. Эти цифровые преобразователи, возможно, начну вытеснять традиционные трансформаторы к 2020 г., когда их цена снизится по сравнению с нынешней более чем на 90%. В связи с использованием цифровых устройств преобразования напряжения следует особо упомянуть Китай — в этой стране потенциальная выгода от их внедрения представляется особенно ощутимой, поскольку в Китае планируется масштабное расширение энергетических сетей.

Бескомпрессорное кондиционирование воздуха и электрохромные окна

В регионах с жарким климатом эксплуатация высокопроизводительного кондиционера сегодня обходится в 3—4 тыс. долл. ежегодно, а сквозь обычные окна, даже если они находятся в исправном состоянии, происходит утечка до 50% всей энергии охлаждения. Новые бескомпрессорные кондиционеры воздуха и электрохромные окна способны вдвое снизить плату за бытовое отопление и охлаждение воздуха. Пока еще эти кондиционеры и окна стоят слишком дорого, но к 2020 г. стоимость их монтажа, возможно, будет составлять всего лишь половину той суммы, которую потребители тратят сегодня на установку современных окон и систем охлаждения воздуха.

Обогащенный уголь

Улавливание и захоронение углекислого газа в настоящее время стоит от 8 до 10 тыс. долл. за киловатт. С помощью разрабатываемых сегодня инновационных технологий угольные электростанции США смогут улавливать более 90% собственных выбросов двуокиси углерода, что позволит им обеспечить соблюдение новых строгих требований Управления охраны окружающей среды США, направленных на борьбу с загрязнением окружающей среды. Генерирующие компании должны модернизировать свои электростанции, внедрив новую технологию обогащения угля, при использовании которой стоимость киловатта электроэнергии составит менее 2 тыс. долл. В настоящее время в США планируется к 2020 г. закрыть около 200 угольных электростанций, поскольку их эксплуатация требует существенных затрат (по сравнению с электростанциями, работающими на природном газе) и сильно загрязняет окружающую среду. Благодаря новым технологиям обогащения угля многие из этих электростанций, а также аналогичные электростанции в Европе и Китае смогут работать еще несколько десятков лет. Тем не менее следует заметить, что технологии обогащения угля вряд ли будут использоваться в промышленных масштабах, если для их поддержки не будут вводиться специальные нормативно-правовые ограничения, регулирующие содержание углекислого газа в промышленных выбросах.

Биотопливо и электротопливо

Поскольку цены на сырую нефть сегодня достигают 100 долл. за баррель, рыночная доля биотоплива — в том числе этанола, произведенного из сахарного тростника и пшеницы — уже успела стремительно увеличиться. Однако предложение биотоплива ограничивается такими факторами, как спрос на продовольствие и ухудшение качества доступных для обработки земель, что в итоге приводит к увеличению затрат и уменьшает потенциал роста. Генетические инновации, открывшие дорогу для использования биотоплива на основе целлюлозы и водорослей, могут избавить производителей от этих ограничений. Передовые компании, недавно начавшие инновационный бизнес в этой области, создают высокоприбыльные продукты органического синтеза и сырьевые компоненты, зарабатывая деньги уже сегодня и приближая тот день, когда на рынке появится биотопливо по цене не более 2 долл. за галлон — согласно прогнозам, это произойдет к 2020 г. В то же время разработчики биофармацевтических технологий закладывают основы для производства электротоплива. Суть производственного процесса состоит в том, что ферменты поглощают двуокись углерода, воду и энергию, в результате чего образуются длинноцепные молекулы углерода. Состоящее из них электротопливо можно использовать так же, как ископаемое топливо, причем уровень затрат составляет всего 10% от стоимости современного биотоплива. Важнейший вопрос состоит в том, можно ли довести развитие этих технологий до промышленных масштабов.

***

Далеко не все технологии, о которых мы говорили, будут реализованы в полной мере, но некоторые из них все же ждет счастливая судьба — и именно они раз и навсегда коренным образом изменят энергетический рынок. Каждая компания, которая стремится к успеху на энергетическом рынке будущего, должна знать и понимать новаторские технологии. В частности, энергетические компании должны представлять себе технологические возможности, которые открываются благодаря развитию программного обеспечения и электронного оборудования. Кроме того, важно внимательно отслеживать достижения новаторов на важнейших рынках. Компании должны четко знать, какие конкурентные преимущества есть у той или иной страны, а для этого необходимо иметь представление о таких факторах, как, например, стоимость строительства и вспомогательного оборудования солнечных электростанций в Китае, направления развития электронной промышленности в Японии и Корее или влияние программного обеспечения на экономические характеристики продукции в Германии и Соединенных Штатах. В конечном итоге каждая компания должна понять, при каких пороговых значениях цены и эффективности может произойти существенное увеличение спроса на ту или иную технологию. Тот, кто игнорирует маргинальные на первый взгляд процессы, сам рискует оказаться на обочине в будущем — в том будущем, которое приближается так стремительно.

Мэтт Роджерс (Matt Rogers) – Старший партнер McKinsey, Сан-Франциско

Вестник McKinsey Номер 27 (2013)