Сколько энергии Солнца реально потребляет человечество?

Два Переца, Ричард и Марк (отец и сын, вроде бы) в своей статье предлагают нам поглядеть весёлую картинку.

Ничего фундаментального в статейке у перцев нету. Ссылаясь на разные, в том числе очень годные источники, нам нарисовали 13 шариков, и каждый соответствует какому-​нибудь типу энергии.

Цивилизация планеты Земля, по мнению Перецев, в 2009 году потребляла 16 тераватт-​лет¹ энергии. Ссылку не приводят, так что, наверное – вычислено авторами. В более привычных единицах, на каждого из семи миллиардов жителей Земли приходится по 55 кВт^.·ч в день, или 2.3 кВт тепловой мощности – оказывается, каждый землянин может непрерывно кипятить электрочайник.

Представьте, что Вы – Дарт Вейдер из «Звёздных Войн», и в Вашем распоряжении – вся планета, а ресурсы как в каждой порядочной космоопере – неограниченные. К Вам приходит инженер-​планетоустроитель и начинает предлагать технологические решения, как добывать на Земле полезную энергию.

1. Для эффективности, откачать атмосферу. Население, естественно в крематорий, чтоб не мучились. Не пойдёт? Ладно, не рассматриваем.
2. Биосферу в крематорий. Остеклим всю планету, кроме полюсов, солнечными батареями с КПД 30%. Тогда с планетки можно получить 23'000 тераватт мощности. Не пойдёт? Ладно.
3. Биосферу в крематорий. Обставим всю планету (включая океаны) – ветряками. Семьдесят миллионов башен. Вушь-​вушь-вушь. Получим 70 тераватт мощности. Не пойдёт? Ладно.
4. Биосферу в крематорий. На каждом ручейке по электростанции. На дне моря – пропеллеры. Бурим геотермальные скважины через каждые двести метров. Трубы с аммиаком – в море. Получим тераватт примерно 30, и уже хорошо. Не пойдёт?

Ну что же вы так: «Не пойдёт, не пойдёт…» Я же дело предлагаю. А? Что? Биосферу в крематорий? Так её не жалко совсем. Глупые людишки, дикие зверушки, деревья – дубы. Главное – энергия!

А кроме шуток. Сколько энергии Солнца реально потребляет человечество? Шестнадцать тераватт – перцы поторопились. Посчитали нефть, газ, уголь, ядерную энергию, возобновляемые источники, и всё. А как же еда, пресная вода и так далее? Попробуем посчитать правильно, только для 2014 года, а не для 2009.

Что удивительного в этой таблице? Оказывается, в виде пищи: белков, жиров, углеводов – человечество потребляет вероятно не меньше солнечной энергии, чем от нефти или каменного угля.

Поясним на примере. Норма продовольствия для взрослого человека 2700 ккал или 11.3 МДж в сутки. Человек потребляет как 130-ваттная лампочка. Выше мы посчитали, что в среднем на квадратный километр площади падает 163.2 МВт, а на квадратный метр – 163.2 ватта солнечной энергии. Значит, чтобы прокормиться, Вам надо всего 0.8 м2 пахотной земли? Когда в Советском Союзе давали по шесть дачных соток на семью – наверное, были слишком щедрыми.

Вы скажете: так считать нельзя? Хорошо, попробуем по-другому. Каждый квадратный метр земли в среднем захватывает 0.6 ватта (смотрите картинку NASA выше). Значит, чтобы прокормиться, человеку надо (в среднем) – 220 м2. Всё равно мало, но уже значительно ближе к истине. Дело в том, что человек волею судеб оказался на самой верхушке пищевой пирамиды, а жить-то хочется всем её участникам. Синтезировать пищу прямиком из тепла и электричества мы пока не умеем, а про КПД зелёных растений и прочей живности мы уже упоминали.

Взрослому человеку надо на год не менее 300 кг зерна (или корнеплодов) и как минимум 30 кг протеинов. Чтобы вырастить 30 кг мяса или птицы, надо примерно 180 кг зерновых или эквивалента. Итого: 480 кг пшенички в год – возьми да поднеси. При великолепной урожайности 3 тонны с гектара, в среднем по планете надо человеку 1600 м2 сельхозугодий8.

Реально, на 2013 год на Земле под пашню задействовано не менее 13.96 млн км2, то есть по 1940 квадратных метров (20 соток) на каждого жителя планеты. Оценка в 8.5 ТВт – минимальная, так как 0.6 МВт/км2 – это в среднем по планете, а в Антарктиде почему-то не пашут. Пастбища не считаем. Ну и морепродукты мы не учитываем, хотя они – важнейший источник белков для двух миллиардов человек. Можно посчитать и по-другому. Исходя из 2000 ккал в сутки (ага, в среднем по планете – людишки по-прежнему живут впроголодь), 7.2 млрд людей расходуют мощность 0.7 ТВт. Принимая КПД сельскохозяйственных организмов за 2% – потребляется 35 ТВт солнечной энергии. Так-то.

Но есть другая статья расходов, которая на порядок перекрывает всё остальное. Пресная вода падает с неба и достаётся нам практически бесплатно. Доставляет её, естественно, Солнце, испаряя огромное количество воды (500'000 млрд тонн в год). Если уж перцы взялись считать солнечную энергию, оклеивая Землю солнечными батареями, не упоминать пресную воду – нельзя, а то придётся отправить 7.2 млрд людишек… Ага.

Отбор воды населением планетки выглядит так:

Человек уже отнимает на свои нужды 11% мирового стока воды. Есть реки, которые до морей-океанов вообще не дотекают – 100% воды человек забирает на орошение. Оптимисты не сдаются и говорят: а мы бурим скважины и из-под земли воду качаем! Господа, а под землёй откуда пресная вода взялась? И что будет, когда выкачаете?

Значит, оставим на Земле всё как есть, но будем рачительно пользоваться, чем имеем. Где надо, поставим солнечные батареи, где можно – ветряки, на горных реках – непременно плотины. И биомассой пользоваться – до последнего джоуля. Необязательно переводить всё в электроэнергию. Еда остаётся едой, пресная вода – пресной водой, а свободный кислород – кислородом. Сколько полезной энергии (в виде пищи и химических веществ, пресной воды, электроэнергии и так далее) – можно срубить с планеты?

Термодинамика даёт приблизительный, но годный ответ. Основной «нагреватель» планеты Земля – дневная сторона, а основной «холодильник» – сторона ночная. Арктика и Антарктика – холодильники второстепенные. В космосе – вакуум, оттого энергию можно отдавать исключительно в виде излучения. На полюсах – холоднее, оттого и отдают они с единицы площади – меньше. В среднем, перепад температур день-ночь на суше – 15 градусов, над океанами – 5, причём океанов – больше. Есть и более тонкие расчёты, но в среднем получается 8 градусов. Средняя температура по больнице, как указывалось выше, 287°К.

Значит, самым рачительным образом используя все до единого возобновляемые источники энергии, можно получить полезной 163.4·106·0.027·5.1·108 = 2250 ТВт. Если есть желание, можно сюда добавить десяток тераватт геотермальной энергии, и ещё капельку – от приливной; роли это не играет. Ещё раз повторим: это не электроэнергия, а вообще вся полезная энергия, которую можно выжать с Дарт-Вейдеровским цинизмом, но не отправляя биосферу в крематорий.

Теперь, самое время порисовать графики. Чтобы не обвинили в плагиате, заместо шариков я буду рисовать кубики. Кубики и сравнивать легче. Первый график:

Хотя на Землю от Солнца прилетает 173'000 ТВт энергии, за пару миллисекунд остаётся всего 83'100. Кто сказал: «Откачать атмосферу?»

Из 83'100 человеку, как части биосферы доступно всего 2250 ТВт. Куча воды испарилась – и тут же упала обратно в океан тропическим ливнем. Бесполезно потратили энергию? Ну, не скажите. Именно улетающие в космос 80'850 ТВт обеспечивают нам перепад температур день-ночь на уровне 8 градусов, а не 250 с хвостиком, как на Луне.

Из 2250 ТВт, человечество уже более или менее организованно – потребляет 400 или больше. Учесть полностью, сколько мы забираем с пользой от Солнца – невозможно. Как вы посчитаете дрова, кизяк, вяленую рыбу и высушенный на солнышке рис, а также нагретую на солнце воду для летнего душа? Заметим, что из полезной солнечной энергии Человек Разумный уже овладел и попользовался примерно 1/6 частью.

График второй – только для «энергии высокой концентрации», то есть технологических ресурсов. Всё что можно есть и пить, а также солнечное тепло для летнего душа – сюда не входит:

На своей диаграмме напёрсточники-перцы надули публику на 50'000% Огромный жёлтый шарик «Солнечная энергия» на поверку требует, чтобы уважаемая публика совершила массовое самоубийство. Бегом за мылом и верёвками, господа! Ну и остальные «возобновляемые» шарики в том же духе, кроме красненького под именем «биомасса», где посчитано таки верно.

Зачем было нужно вешать лапшу на уши подзабывшим школьный курс термодинамики людям? Посмотрите на год. Две тысячи девятый. Именно тогда Европа «осваивала» лишние бабки на строительстве убыточных ветряков и солнечных батарей, вот уважаемое агентство и подсуетилось.

Реально, кричать «мы все умрём» – ни к чему. Энергии ещё море, надо только воспользоваться с умом. Полупрозрачный кубик на диаграмме выше – предполагаемые геологические запасы 238U и 232Th, переведённые в энергию. Геологическая неопределённость, правда, – около ±60%, но то, что 238U в земной коре в 138 раз больше, чем 235U, – мы знаем совершенно точно.

Всё вышесказанное не значит, что следует полностью отринуть возобновляемые источники энергии. Двадцать квадратов солнечных панелей на крыше в Австралии, вращающие в дневное время компрессор кондиционера – очень даже разумная мысль. Но идея, что можно плавить алюминий, развернув батареи в пустыне Сахара – согласитесь, маразм.

И таблица:

Подведём предварительные итоги.

• При расчёте потребления солнечной энергии человеком следует учитывать реальные КПД. Нередко цитируемые значения полезной солнечной энергии более 20'000 ТВт можно достичь только терраформингом, за счёт полного уничтожения биосферы.

• Если не предпринимать терраформинг, реальная доступная для биосферы Земли мощность, исключая энергетические полезные ископаемые, – 2250 ТВт. Точность оценки ±20%. Полученное значение на порядок ниже чисел, представленных Международным Энергетическим Агентством. Куда засовывать их враньё «экспертам» IEA – решайте сами. Но для надёжности заколачивания я настоятельно рекомендую использовать сапог кирзовый.

• К 2015 году человечество потребляет не менее 400 ТВт полезной мощности биосферы, или 18%. Около 90% потребляемой мощности предоставляется человеку «бесплатно» в виде пресной воды. Вмешательство человека в круговорот воды – не менее 11% от общего объёма стока континентов. Пресная вода редко учитывается в расчётах сторонников солнечной, ветряной и гидроэнергетики.

• В виде ископаемых источников энергии: нефти, газа и угля, человечество получает мощность 14.6 ТВт. Точных данных по энергии биосферы, получаемой от сельского хозяйства и рыболовства, в открытом доступе не обнаружено. Качественные оценки приведены в тексте. По-видимому, потребление энергии биосферы в виде продовольствия и другой биомассы — не менее 8.5 ТВт, и может быть до 35 ТВт и более.

• Замена ископаемого топлива «возобновляемыми» источниками энергии (практически: концентрации энергии Солнца) – технически возможна, но вероятно приведёт к снижению уровня жизни, который у среднего землянина и так невысок. Попытки резкого увеличения производства ветряной и гидроэнергии наверняка приведут к дальнейшему ухудшению общего состояния биосферы («хаотичный терраформинг»). Дальнейший рост населения планеты – абсолютно неприемлем.

• Без использования ядерной энергии урана-238 и тория, реальных путей преодоления проблемы что-то не видно. М.К.Хабберт и П.Л.Капица были таки правы, что надобно развивать бридеры и термояд, а не вертушки-хлопушки.

* 6 Для перевода в тепловую мощность принят КПД=30%. На самом деле, с учётом обогащения урана и утилизации отходов, КПД вероятно ниже.

* 7 Учитывается только вода, отобранная из водоёмов. Воды, выпавшей на поля в виде осадков, по-видимому, больше.

* 8 Обсуждать, что кто-то кушает 200 кг говядины в год, а у кого-то хроническая нехватка протеинов и слабоумие – здесь не будем.

Фрагмент из второй главой книги М.Н. Якимова "Пределы Роста и Рост Пределов" .