Ерой нашего времени

Очередная половинка главы "Предела пределов".  На этот раз речь об удивительном показателе ERoEI, и отчего он геологам нафиг не нужен.

Простейшую математическую модель добычи мы разобрали в главе 8 – уравнение {8.4} с решением в виде хаббертианы. Там годовая добыча была пропорциональна, во-первых, уже добытому ресурсу и, во-вторых, ещё не добытому, а решением служила специальная кривая – хаббертиана {8.5} или {8.6}. Набор из трёх хаббертиан – отдельно по нефти, газу и углю – использовал Йорген Рандерс (и критиковала Гайл Тверберг) в модели NewWorld, которая подробно обсуждалась в главе 7. Усложним эту модель.

Сначала применим простейшую калибровку по любимому методу нефтяных компаний и энергетических агентств: «при уровне добычи Х запасов хватит на Y лет». Просьба убрать детей и домашних животных, а затем закрыть листочком правую часть графика до пунктирной линии 2048 года. Отрисуем программой Chapter 15\Model_01_Production_X_over_time_Y.py

Сплошные линии – оценка 1Р, то есть вероятность «обвала» ранее 2048 года – менее 10%. Штрих-пунктирные линии – это оценка 3Р, или граница, где ресурс «кончится» с вероятностью более 90%. Теперь желающие могут быстро передвинуть листочек справа налево, закрыть графики до 2100 года и любоваться «бесконечным» количеством каменного угля. Которое произойдёт с вероятностью менее 10%.

Ясно, что в реальном мире подобных графиков добычи случиться не может. Графики подразумевают, что за год-полтора добыча с 11 миллиардов toe в год рухнет до нуля. Единственный способ добиться такого обвала – выморить популяцию, как происходило в моделях чашки Петри и острова Св.Мэтью из главы 4. Однако люди – не олени, а нефтяные скважины (включая и короткоживущие «сланцевые») и угольные разрезы – не агаровое желе. Даже в случае глобальной термоядерной войны хоть какая-то добыча должна остаться.

Здесь и далее величину спада добычи будем считать по формуле:

Максимальная скорость снижения добычи нефти (включая газовый конденсат) зафиксирована в Израиле, где в 1982 году в связи с закрытием единственной в стране морской нефтяной платформы годовая добыча мгновенно упала с 1.76 до 0.03 млн тонн – то есть на 98.3% за год. Израиль и ещё пять стран, где спад оказался быстрее 10% в год, представлены ниже.

Относительно крупных игроков здесь всего двое: Йемен (с добычей на пике 22.3 млн тонн в год) и Сирия (29.5 млн тонн). В обеих странах обвал добычи привёл к гражданской войне. Впрочем, понемножку воюют все шесть стран.

У игроков крупных, как Иран¹ или Венесуэла², спад добычи происходил значительно плавнее – самая высокая скорость спада пока у Великобритании – 5.8% в год, а самая низкая – у Кувейта³ – 0.4% в год. В среднем по группе из 66 стран, прошедших пик добычи до 2007 года (приложение VI) пик добычи нефти и конденсата прошёл в 1998 году на уровне 1.550 млрд тонн в год, а добыча 2017 года составила 74% от пика, или 1.152 млрд тонн. Среднегодовой спад добычи по формуле {15.1} – 1.5%. «Визуально» на графиках EIA добыча растёт в Иране и Кувейте, да и Венесуэла выглядит почти пристойно. Это оттого, что уважаемое агентство специально выбрало в качестве начала статистики 1980 год – говорят, будто добыча XX века публике неинтересна – только вот пик добычи в этих богатых нефтью странах прошёл в 1970-х.

Что модель «при уровне добычи Х запасов хватит на Y лет» неприменима к реальной жизни, писали ещё авторы «Пределов роста» 1972 года[1]:

Для многих ресурсов потребление растёт даже быстрее, чем народонаселение, так как не только большее количество людей потребляет ресурс, но и средние запросы членов общества год от года увеличиваются. Другими словами, экспоненциальный рост потребления обусловлен двумя положительными обратными связями: ростом населения и ростом капитала (стр 55).

Если задаться целью поддерживать добычу ископаемого топлива на уровне 1.57 toe на душу в год (около 2 кВт мгновенной тепловой мощности), то с вероятностью около 10% пик добычи по тройке «уголь, нефть и газ» пройдёт в 2025 году, а с вероятностью 90% – до конца XXI века. Наиболее вероятное наступление пика всех углеродных энергетических ископаемых – 2036 год. Программа Chapter 15\Model_02_Maintaining_Per_Head_Production.py

Для сравнения на графике показана красной линей оценка Рандерса из 2012 года. Напомним, что Рандерс предсказывал максимум населения планеты (8.1 миллиарда) в 2040 году, а максимум добычи углеродного топлива – в 2031.

Здесь и далее в этой главе мы не будем делать предсказаний отдельно по нефти (точнее, «жидкостям»), природному газу и каменному углю (включая торф). Причин этому три. Во-первых, в статистику «жидкостей» непрерывно добавляют вещества не совсем жидкие (или совсем не жидкие): битум из Канады, ШФЛУ с нефтезаводов и прочее, поэтому пик нефти маскируется этими добавками. Во-вторых, энергия из нефти – в виде моторного топлива – «спонсирует» добычу природного газа и угля, энергия газа «спонсирует» добычу нефти – например на передвижных ТЭС при гидроразрывах, а энергия угля – к примеру в виде стали для труб – «спонсирует» добычу нефти и газа. Всё накрепко взаимосвязано. В-третьих, по мере исчерпания нефти экономика плавно переходит на газ или уголь: автомобили и поезда могут ездить – после модификаций – и на метане, а из угля можно делать авиационный керосин; натурально, и мазут, и уголь, и газ можно использовать для выработки электроэнергии и тепла на городских ТЭЦ.

Потребление ископаемого топлива на душу населения проходило локальный пик в 1973-79 годах, и тогда этот пик был «нефтяной» – ведь добыча нефти прочти вдвое превосходила добычу угля (в пересчёте на тонны эквивалента) и втрое – добычу природного газа. За пиком последовала двадцатилетняя «полочка» на уровне 1'290-1'390 кг нефтяного эквивалента на душу в год. Почти весь прирост энергии в XXI веке происходил за счёт угледобычи в КНР, и там угольный бум уже остановился. Программа Chapter 15\Model_03_Plateau_Per_Head_Production.py

Предположим гипотетически, что вслед за «пиком угля» в Китае с 2020 по 2040 год случится двадцатилетняя «полочка» потребления ископаемого топлива на уровне 1'400 кг нефтяного эквивалента на душу, аналогичная стагнации 1980-2000 годов. Далее с вероятностью около 10% произойдёт обвал добычи почти в ноль за 40-50 лет, и с вероятностью также около 10% – плавная стабилизация добычи на уровне 1950-х (700 кг/душу/год), а наиболее вероятный сценарий – абсолютный пик добычи ископаемого топлива в 2050 году с последующим обвалом в ноль за 50-60 лет. Меня согревает мысль, что гипотетический пик 2050 года будет связан с массовым строительством термоядерных реакторов. В этом случае у цивилизации-как-мы-её-знаем есть шанс.

Теперь посмотрим, какая часть добытых ресурсов будет затрачена на саму добычу. На форумах «Нефтепикников» очень любят обсуждать циферки с героическим названием «ERоEI» (Energy Returned over Energy Invested⁴, «производство энергии на единицу затраченной», произносится обычно с буровицким акцентом: «е-рой»). Вот типичный график⁵:

Как правило, на тех же форумах дело кончается безудержным холиваром.

Кто-то считает затраты энергии исключительно на добычу ископаемых на поверхность. Параметр называется ERoEI_st (стандартный). Например для нефти из конкретного месторождения надо просуммировать энергетические затраты на бурение и оборудование скважины и добавить энергетическую стоимость регулярного ремонта и обслуживания и расход энергии на насос-качалку. Далее берём энергетическую ценность добытой за время полезной жизни скважины нефти и делим на полученную сумму…

«Стоп! — говорит геолог, — Помимо добывающих скважин у нас были разведочные. Нефти мы из них получили всего по два десятка литров на анализ, но бурили-то всяко не бесплатно! Добавьте сюда энергию, потраченную на геофизические исследования и прочую ерунду. Без этой ерунды вы бы даже не знали, куда бурить».

Инженер-разработчик добавит, что кроме скважин добывающих есть и нагнетательные. Сами они нефть не производят, но без них давление в залежи упадёт, и добывающие достанут вдвое меньше. Кроме оборудования отдельных скважин есть оборудование общее – на кустах и на заводах по подготовке нефти.

Буровик стукнет по столу: «Не работает ваш хитрозадый расчёт, господин экономист! Чтобы бурить, надо проложить дороги, отсыпать площадки, поставить вагончики для людей, подтащить и смонтировать вышки (а по окончании работ – размонтировать и утащить). Ваша формула этого не учитывает, а горючее на это мы тоже тратим немерено».

Даже в пределах одного месторождения ERоEI_st двух соседних скважин может различаться на порядок. Вот вертикальная скважина 1960 года, пробуренная в богатую основную залежь и честно дававшая нефть 36 лет. На строительство этой скважины ушло 2 км стальных труб, а бурила её простенькая установка с бригадой 30 человек, включая бульдозериста. А вот пробуренная в 2012 соседка: десятикилометровая горизонтальная, с первичными гидроразрывами. Бурили её чудом техники сто восемь специалистов, под землю совали космическую электронику, и одних инженеров по геофизической проводке скважины в реальном времени одновременно трудилось целых четверо. Потом сорок разбойников (за деньги) на тридцати насосах два дня делали гидроразрывы… Эта золотая скважина добывает нефть из крохотной второстепенной залежи (пардоньте, ТрИЗ) на фланге месторождения. Точнее, добывала. На дворе 2018 год, а на куст уже поехала бригада КРС – пробку ставить и головку демонтировать. Была скважина, да вся вышла.

Экономист соглашается, что по отдельным скважинам считать ERоEI_st – пустая трата времени, и что этот показатель имеет смысл только на уровне целого месторождения, а то и целой страны. Вычисление по формуле {15.2} – занятие крайне трудоёмкое, потому что сумма в знаменателе для средней руки месторождения на сотню скважин состоит примерно из миллиона слагаемых. Тут вам и бурильные трубы разных типов, и долота, и обсадные колонны, и цементы (ага, они бывают разные), и бентонит… Можно продолжать перечисление жизненно необходимых и недешёвых «мелочей» ещё страниц на тысячу.

Наконец подымается бухгалтер, поправляет очки и говорит: «Не смогу я вашу ерою посчитать! Вот долото буровое алмазное БКВД на 152 мм. Стоит по прейскуранту 9'000 гривен. В гривнах могу посчитать, а также в рублях и американских долларах. Если поставите пол-литра, то и в тугриках сумею. А в джоулях не могу. Нету такого параметра в прейскуранте». Тогда экономист пробует считать по другой формуле:

Получается несколько проще, так как в знаменателе сумма капитальных затрат и накопленной стоимости эксплуатации месторождения, а эти показатели любой бухгалтер считает по определению. Хуже, что рыночные цены нефти, газа и угля (а также труб, долот и бентонита) скачут как попало, оттого точность вычисленного ERоEI_st – плюс-минус один лапоть.

В энергетической отрасли подсчётами ERоEI_st никто не занимается. Бухгалтерам, буровикам и шахтёрам этот показатель не нужен, геологам и разработчикам – тем более.

Нет сомнений, однако, что по мере добычи ископаемых показатель ERоEI_st в среднем уменьшается. Природный битум для обработки днища своего каноэ умелый франко-канадский охотник в 1750 году добывал штыковой лопатой прямо из берега речки, выход полезного продукта «на один втык лопаты» был порядка пяти килограммов, а четырёх втыков с лихвой хватало на всё судёнышко. Полезная энергия битума раз в миллион превышала амортизацию всяко нужной в хозяйстве лопаты, ERоEI_st=1'000'000. Теперь для добычи битума требуется лопата самоходная, с черпаком сто тонн, да ещё монстрообразные карьерные самосвалы, обогатительная фабрика и крекинг-конвертеры.

В 1821 году Уильяму Харту для добычи «сланцевого газа» понадобился всего 21 метр стальной трубы и пара смолёных бочек. В 2018 только обсадной колонны вам понадобится несколько километров, да прикиньте стоимость гидроразрыва, да прибавьте трубопровод и насосно-компрессорные станции. Затраты растут куда быстрее объёма добычи.

Следующая разновидность: ERоEI_pou (point of use – на точке применения) – включает расходы не только на добычу, но и на доставку полученных ресурсов конкретному потребителю, а также неизбежные потери при транспортировке. Одно дело везти уголь на львовскую ТЭЦ с Донбасса, а совсем другое – из Южной Африки!

Для каменного угля ERoEI_pou был на уровне 1000:1 в Англии XIV века, где босоногие дети с корзинками собирали на пляжах Уэльса «морские кочерыжки» (sea coles) – окатанные прибоем кусочки угля из прибрежных месторождений. «Доставка к потребителю» – это прошагать пару миль до ближайшей фермы или кузницы, а «потерь при транспортировке» не случалось вовсе – если корзинка по дороге порвалась, сбегаешь за новой и соберёшь рассыпанное. Уже в начале XVII века уголь возили баржами по рекам и каналам, и стоимость доставки стала существенной. Существенными были и потери. На заставке этой главы – лондонские «мадларки»⁶. В низкий прилив бедные оборвыши копались в жидкой грязи Темзы, вылавливая упавший с барж уголь.

Для масштаба величин прикинем ERoEI_pou 1900 года. Электровозов пока не внедрили. Паровозик «Skysheep», простите, «Овечка» весело тащит из Юзовки в Киев состав из 70 двуосных полувагонов – 700 тонн прекрасного донецкого антрацита. Длина состава предельная для того времени – почти 570 метров. На дистанции 675 вёрст (примерно 720 км) израсходовано около 5 тендеров того же антрацита по 7 тонн. Делим 700 тонн на 35, получается ERoEI=20, а мы даже не принимались ещё считать расход угля в шахтной паровой машине, подвоз дубового бруса для крепи и рацион овса для усталых подземных пони! Могут возразить, что кроме Киева есть и Запорожье, до него всего-то 160 вёрст. Но на Запорожье есть и Воронеж, и Минск, и Львов, и Москва, и всем уголь нужен, а не то начнётся разруха. В военную зиму 1916-1917 попробовали – все знают, что получилось.

Конечно, и развитие транспортной технологии может увеличивать ERoEI_pou. Например, переход к дизельной или электрической тяге на железной дороге позволил повысить показатель для транспортировки угля примерно в 6-8 раз, так как общий КПД тепловоза (нефть на нефтеперегонном заводе – дизтопливо на станции – механическая работа локомотива) или электровоза (природный газ на ТЭС – электроэнергия в контактной сети – механическая работа локомотива) – порядка 20%, а КПД паровоза – сами знаете.

Специалисты замечают, что надо, однако, включить в показатель и стоимость обогащения и переработки ископаемого топлива (как, например, превращение сырой нефти в дизтопливо и бензин или товарную подготовку газа). ERоEI_ext (extended – в потребительском виде):

Чтобы не замыкаться на нефти, газе и угле, приведём исторический пример из книги Чарльза Халла и Кента Клитгаарда «Энергия и богатство народов: основы физической экономики»[29]. Горная Швейцария примерно с 1560 по 1720 годы славилась в Европе самым крепким железом. Каждый попаданец мечтал купить доспехи швейцарской работы, ну или на худой конец научить жителей неприступных Альп делать пулемёты. Авторы так описывают среднестатистическую семью швейцарского лесоруба того времени (сокращённый русский перевод и комментарии в квадратных скобках мои):

Типичный лесоруб с семьёй вёл полу-натуральное хозяйство на площади 50 га: 2 га пашни, 8 га пастбищ и 40 га леса (50 га в год получают порядка 1500 ТДж солнечной энергии) [У меня выходит больше: 0.5 км²·163.2 МВт·32·10⁶ сек/год = 2600 ТДж; спишем на облачный климат Швейцарии]. В неделю семья вывозила в город полтонны древесного угля, или 25 тонн в год. Энергия сгорания этого угля – 760 ГДж [Значит, КПД системы «лес + лесоруб = древесный уголь» по солнечной энергии – порядка 0.05%]. Работа требовала не менее 0.5 ГДж мускульной человеческой энергии и не менее 3 ГДж работы лошадей. Если считать только по затратам мускульной силы человека, то ERoEI_ext системы около 1500:1, но с учётом затрат мускульной силы животных – порядка 220:1. […]Однако этот расчёт не включает трату энергии на выращивание продовольствия, обогрев дома и прочие затраты на содержание самого лесоруба и членов его семьи (включая детей – замещение рабочей силы). На это уходило по расчёту не менее 105 ГДж, и видимо почти столько же энергии на содержание домашнего скота. [Авторы не приводят окончательный расчёт, но можно сделать за них: ERoEI_soc = 760/(105+105+3.5) = 3¾:1.⁷]

Согласно расчёту авторов, на содержание семьи примерно из 6 человек, с четырьмя рабочими лошадьми (будем считать их «средневековым трактором») и коровой (это «средневековый холодильник»), уходило порядка 200 ГДж в год, то есть по 200 10⁹ Дж / 6 / 31.6·10⁶ сек/год = 1.1 кВт мгновенной тепловой мощности на душу. Это уровень жизни вполне зажиточной и благополучной семьи лесоруба в 1650 году⁸. «Благополучие» относительное, конечно: четыре ребёнка – вероятно выжившие из восьми или десяти родившихся.

Пример выше показывает ещё одну разновидность нашего показателя: социальный ERоEI_soc. Его обычно пробуют считать не по энергии, а по деньгам:

Стило бы сюда включить и экологический ущерб от добычи – шахтные терриконы и карьеры битуминозных песков ландшафт явно не красят. К сожалению, надёжных методов оценки необходимой для рекультивации энергии пока не существует, да если они и появятся, расчёт для аравийской пустыни, канадской тайги и техасских равнин придётся делать по совершенно разным алгоритмам, а значит в знаменателе опять добавляется множество трудно поддающихся учёту слагаемых. Вряд ли, однако, следует включать в затраты стоимость радиомаяков и предродовых УЗИ для беременных китих, как предлагают некоторые «Зелёные», которые хотят насчитать ERоEI нефти и газа поменьше, чтобы потом сравнить с ERоEI приливной электростанции.

Отдельный холивар – что считать в затратах G_i: только еду для рабов зарплату и «бесплатную» спецодежду или стоимость всей потребительской корзины занятых в энергетике работников и членов их семей (включая образование, медицину, государственные пенсии и т. п.) Нужна ли детишкам шахтёра средняя школа? Пусть с пятнадцати в шахту идут, трудовая смена, – как до сих пор практикуется в Индии и КНР.

Впрочем, даже с едой и спецодеждой не так всё однозначно. Энергетическая ценность миски тюремной баланды из брюквы вероятно даже превышает калорийность порции филе-миньон в пятизвёздочном ресторане – ведь там посетители фигуру берегут, – однако для приготовления звёздного ужина уходит куда больше энергии (музыка Моцарта и ежедневный массаж для коров чего-то стоят). Можно включить в спецодежду шахтёра респиратор, а можно и не включать. Последнее явно повышает эффективность угледобычи – товарищ помрёт в сорок пять, и пенсию не платить. Лично я подобный чёрный юмор не одобряю, но из песни слова не выкинешь – это типичный уровень цинизма у желающих насчитать ERоEI каменного угля побольше, чтобы доказать, что АЭС (на которых труд пятнадцатилетних-с-неполным-восьмилетним отчего-то не востребован) не крутят не катят.

Ясно, конечно, что для любого энергетического ресурса:

С точностью «плюс-минус лапоть» ERoEI считают энтузиасты – экономисты в академической и полуакадемической среде, как, к примеру, в вышедшем в 2013 году исследовании группы учёных из британского центра экологических исследований SUNY[30]. Приведём выдержку (перевод мой, в скобках ссылки авторов работы). Речь ниже идёт о ERоEI_st:

• В Соединённых Штатах показатель ERоEI новых открытых нефтегазовых месторождений снизился с 1000:1 в 1919 году до 5:1 в 2010, для добычи с уже освоенных месторождений – с 30:1 в 1970-х до менее чем 10:1 сегодня (Gilford et al, 2011). Тот же показатель в целом по планете (включая США) снизился с 30:1 в середине 1990-х годов до примерно 18:1 в 2006 (Gagnon et al, 2009). ERoЕI отдельно для нефти и для природного газа установить затруднительно, поскольку мировая статистика добычи не показывает отдельно «жидкости» из газовых скважин и попутный газ из нефтяных (Murphy and Hall, 2010, Gupta and Hall, 2011).

• В угольной промышленности ERоEI к 1980-м годам снизился с 80:1 до 30:1, но затем, в связи с ускоренной разработкой месторождений открытым способом [М.Я.: и наплевательского отношения к рекультивации], вернулся к 80:1 примерно в начале 1990-х. Качество добываемого угля продолжает снижаться, в то время как добыча в тоннах до последнего времени росла (Hall and Klitgaard, 2012) [M.Я.: это писали в 2013 году, тогда ещё росла]. В добыче США⁹ начали преобладать низкие ранги угля, и несмотря на увеличение добычи в тоннах пик добычи угля по энергии прошёл в 1998 году (Hall et al, 2009, Murphy and Hall 2010).

• Подсчёт ERоEI по ядерной энергии оживлённо дискутируется. Сложность расчётов вызвана необходимостью оценки технологических затрат и экологических последствий извлечения урановой руды разнородного качества, а также ликвидации возможных аварий (таких как Чернобыль и Фукушима). Большинство исследователей (например, Hall and Klitgaard, 2012) полагают значение ERоEI в пределах от 5:1 до 15:1, есть неопубликованные исследования, показывающие существенно больше.

• Почти все возобновляемые источники энергии имеют низкие значения ERоEI по сравнению с традиционным ископаемым топливом. Этанол на основе кукурузы имеет ERоEI меньше чем 2:1 (например, Patzek, 2004, Pimentel and Patzek, 2005, Farrell et al. 2006, Hammerschlag, 2006). Ветровая энергия имеет относительно высокое значение ERоEI, возможно до 18:1 (Kubiszewski, 2010), но для солнечных электрических батарей [M.Я.: сюда не включают солнечные нагреватели воды, где значения существенно выше] показатель продолжает оставаться низким, как абсолютный максимум, не выше 7:1 (Prieto and Hall, 2012). Если учитывать необходимость затрат на решение проблемы прерывистости солнечной и ветровой энергетики [М.Я.: например, гидроаккумулирующих станций, как разбирали в главе 12], то их ERоEI уменьшается ещё сильнее [М.Я.: вероятно до 3:1 у ветровых и 1:1 у солнечных], но с другой стороны, электрическая энергия [по сравнению с химической энергией ископаемого топлива] может быть преобразована в механическую работу с гораздо большей эффективностью.

В 2014 году Джессика Ламберт со товарищи¹⁰ предложила считать ERоEI_soc по упрощённой схеме:

Красота подхода, безусловно, в том, что значения потребления угля, нефти, и так далее для стран и регионов, благодаря «ВР» и EIA мы знаем довольно-таки неплохо, а цены на ресурсы даёт биржа. Коэффициент нечувствителен к инфляции, так как доллары в числителе сокращаются с долларами в знаменателе. С методикой подсчёта ВВП (мы используем числа МБ¹¹)дело обстоит значительно хуже, но об этом чуть позже.

Для примера приведём прикидку показателя ERоEI_soc для США, КНР, Индии, России, Кувейта и Украины в 2017 году.

Потребление ископаемого топлива в единицах и условных затратах (2017 г):

Страна	Нефть, млн барр.	Газ, трлн фт³	Уголь, млн ст. тонн12	Затраты, млрд $	% в мире	Энергия, 10¹⁸Дж	% в мире
США	7'256	26.1	688	601	17.7	77	16.3
КНР	4'672	8.5	3'919	681	20.0	111	23.5
Индия	1'712	1.9	878	188	5.5	28	6.0
Россия	1'177	15.0	191	167	4.9	25	5.3
Кувейт	164	0.8	0	13	0.4	2	0.3
Украина	75	1.1	51	15	0.4	2	0.5
В мире	35'838	129.6	7'727	3'399	100.0	472	100.0

В качестве условных цен (для прикидки точные региональные значения нас не интересуют) используем средние по данным «ВР» за 2017 год[10]: $53.1 за баррель нефти, $5.7 за тысячу кубических футов газа, $98 за метрическую тонну угля и $0.1 за киловатт-час поставленной в общую сеть электрической энергии (сюда включается ядерная и гидро плюс все прочие возобновляемые).

Китай потребляет каменного угля больше, чем все остальные страны мира, вместе взятые. Лидером по потреблению природного газа и сырой нефти являются США (20.1 и 20.2% от мировой добычи соответственно). КНР по этим позициям отстаёт (6.6 и 13.0%). На втором месте по потреблению газа – Россия (11.6%). Если пересчитать в условные доллары по нефтяным ценам, то весь мир тратит на ископаемое углеродное топливо 3.4 триллиона долларов в год, из них КНР – ровно пятую часть: $680 млрд. Если считать по чистой энергии, то весь мир потребляет 472·10¹⁸ Дж в год¹³, из которых Китай – 23.5%. Энергия обходится Китаю несколько дешевле в связи с преобладанием в структуре потребления каменного угля.

Потребление ядерной, гидро и прочей возобновляемой энергии в единицах и условной стоимости (2017 г):

Страна	Ядерная, ТВт·ч	Гидро, ТВт·ч	ВИЭ без гидро ТВт·ч	Затраты, млрд $	% в мире	Энергия, 10¹⁵Дж
США	847	297	419	156	17.7	5'626
КНР	248	1'156	472	188	21.2	6'753
Индия	37	136	96	27	3.0	970
Россия	203	183	1	39	4.4	1'395
Кувейт	0	0	0	0	0.0	0
Украина	1	9	2	2	0.2	69
В мире	3'636	4'060	2'152	885	100.0	31'849

 

Если считать по цене $0.1 за киловатт-час, человечество затратило 0.9 триллиона долларов на производство 31.8·10¹⁸ Дж электроэнергии, то есть на один триллион можно было бы купить 35.3·10¹⁸ Дж. Из ископаемого топлива на $1 трлн капусты покупалось 138.8·10¹⁸ Дж, то есть в 3.9 раза больше.

Сторонники «экологически чистой» энергии указывают, что каждый джоуль электроэнергии гораздо полезнее, чем джоуль тепловой энергии из нефти и угля, потому что его можно превратить в механическую работу с КПД порядка 90%.

Сторонники ископаемой энергии возражают, что электроэнергию трудновато запасать впрок и передавать на большие расстояния: всяческие глобальные ЛЭП, литиевые батарейки Илона нашего Маска (на целый город) и гидроаккумулирующие станции – и стоят немало, и имеют КПД в районе 75-90%, притом что на нормальных ТЭЦ из 3.9 Дж ископаемого топлива гарантировано получается 1.5 Дж местной (а не за тысячу километров) и в данный момент необходимой (а не произведённой прошлым летом) электроэнергии, да дармовое тепло. Бывают и ситуации, когда технологический процесс требует не электричества, а просто высокой температуры – к примеру, производство цемента. Из 4.9 Дж природного газа грамотный теплотехник выжмет никак не менее 4.8 Дж теплоты, а из 1 Дж электроэнергии даже с подподвывертами типа тепловых насосов¹⁴ удастся выжать не более 2-2.5 Дж полезного тепла (да и то не для обжига цемента, а для разве что для обогрева помещений). Наконец, из электроэнергии очень сложно делать пластик, удобрения и прочие полезные материалы, а из газа, нефти и угля – довольно-таки легко. Расчёты можно продолжать до бесконечности – ещё один повод затеять холивар, но мы не будем.

Теперь просуммируем всё вместе и добавим ВВП (в долларах 2017 года):

Страна	Ископаемая энергия, млрд $	Ядерная и ВИЭ, млрд $	Всего, млрд $	ВВП, млрд $	Оценка ERоEIsoc по формуле 15.7
США	601	156	757	19'391	25.6
КНР	681	188	869	12'238	14.1
Индия	188	27	215	2'598	12.1
Россия	167	39	206	1'578	7.7
Кувейт	13	0	13	120	9.2
Украина	15	2	17	112	6.6
В мире	3'399	885	2'152	80'684	18.8

 

Внезапно оказывается, что самый высокий показатель ERоEI_soc – у Соединённых Штатов! Импортирующие энергоресурсы Китай и Индия имеют вдвое меньше, а экспортёры энергоресурсов – примерно втрое меньше, чем США. Ну и сразу понятно, отчего это. В ВВП США велика доля услуг, которые стоят относительно дорого, но требуют малых затрат энергии: университетское образование и услуги корпоративного тренинга, страшно дорогая медицина, а также всякая лабуда: платные парковки, кутюрье и модные парикмахерские (а вот кому стрижку за $960?), психотерапевты для нервных кошечек и собачек, юристы, чтобы судиться с «Макдональдсом» за разлитый кофе, поездки на «Uber», и тому подобное. В странах, где ВВП в основном строится из произведённых на экспорт предметов потребления, энергоёмкость выше, соответственно ниже и показатель. Ну и экспортёры сельхозпродукции и/или энергетического сырья (как Кувейт, Россия и Украина) автоматически попадают вниз, вне зависимости от ERoEI_st и ERoEI_pou.

Уважаемые авторы вряд ли вполне понимают значение слова «энергия». Достаточно сказать, что в таблице 2 на странице 157 мегаджоули магическим способом переводятся в киловатты (должно быть, конечно же, «киловатт-часы»).

Далее Ламберт и Кº начинают коррелировать свой кривоватый ERоEI_soc с другим довольно кривым коэффициентом – HDI, индексом человеческого/гуманитарного развития, который с 2010 года подсчитывается ООН по формуле:¹⁵

Ламберт получила корреляцию, как показано ниже:

Волшебная скандинавская страна, где люди (а) в среднем живут до 85; (б) семья в среднем из 4 человек; папа с мамой, (в) отучившись в колледже, MYS=15, (г) приносят домой с работы по $150'000 в год до налогов, GNI=$75'000; и (д) все детки в среднем поступают в университеты и доучиваются до бакалавров EYS=18, будет иметь HDI ровно 1.0. С другой стороны, ещё более волшебная страна нефтяных магнатов с LEB=85, где дети ходят только в начальную школу MYS=EYS=5, но годовой доход по $257 миллиардов на каждого мажора, будет тоже развита на 1.0. Миллиардерам образование ни к чему, у них секретарши есть.

В реальности волшебных стран не бывает, а для 2017 года воспользуемся оценкой ООН¹⁶

Страна	Оценка ERоEIsoc по формуле 15.7	HDI по данным ООН за 2017 год	HDI по корреляции Дж.Ламберт	$ВВП на кДж затраченной энергии	Мгнов. Мощность Вт/душу
США	25.6	0.924	0.692	234	7'860
КНР	14.1	0.752	0.583	104	2'590
Индия	12.1	0.640	0.555	88	670
Россия	7.7	0.816	0.472	60	5'740
Кувейт	9.2	0.803	0.505	75	11'960
Украина	6.6	0.751	0.446	44	1'810
В мире	18.8	0.720	0.636	160	2'040

 

Как видим, «корреляция Ламберт» в 2017 году не работала от слова «совсем». Как бы ни критиковали HDI, но США не может иметь такой же показатель, как Вьетнам (0.694), а Украина пока не скатилась ниже уровня Йемена (0.452).

У Ламберт статья закончилась пирамидкой Маслоу¹⁷:

По показателям выходит, что Украина стоит на грани голода, Россия совсем не может позволить себе образование, в Кувейте образование ещё как-то держится, а вот с медициной швах, в Индии есть медицина, но нет искусства и науки, и лишь Китай и США могут позволить себе развитую цивилизацию.

Рассуждения Джессики Ламберт ломаются теоретическим контр-примером. Пусть есть три островных государства: A, B и C. В нашем гипотетическом мире – паропанк: нефти и газа пока не нашли, ядерной энергии так и не открыли, единственным ископаемым источником энергии является уголь (зато его много). Все три страны добывают по 50 млн тонн в год, но А использует на собственные нужды 1 млн тонн, В – 3.5 млн тонн, С – 10 млн тонн. Остальной уголь направляют на экспорт на материк D, откуда на острова импортируют продовольствие и предметы потребления (а также роскоши). По формуле {15.7}, ERоEI_soc получается 50, 14.3 и 5 соответственно. Следует ожидать в стране A рассвета высоких искусств, образования, медицины и науки, в стране В – приемлемый уровень жизни, а в стране С – ад кромешный, на уровне регулярных голодоморов населения.

Табличка ниже показывает, что всё совсем наоборот:

Показатель	Страна А	Страна В	Страна С
Добыча угля, млн т в год	50.0	50.0	50.0
Потребление угля, млн т в год	1.0	3.5	10.0
В том числе на собственные нужды угледобычи, млн т в год	0.5	2.0	7.0
ERoEIsoc по формуле {15.7}	50.0	14.3	5.0
ERoEIst по формуле {15.2}	100.0	25.0	7.1
Потребление угля в домашнем хозяйстве, млн т в год	0.5	1.5	3.0
Население, млн	10.0	1.0	0.1
Эквивалентная мощность по добыче на душу населения, Вт	3'165	31'650	316'460
Эквивалентная мощность по расходу на душу населения, Вт	63	2'215	63'291
Эквивалентная мощность по расходу в домашнем хозяйстве, Вт	32	949.0	18'987
Эквивалентная мощность за вычетом затрат на добычу, Вт	3'133	30'380	272'152
Доходы от экспорта угля, млн $	4'900	4'650	4'000
Доход на душу населения, $ в год	490	4'650	40'000
Ожидаемая продолжительность жизни, лет	30	60	80
Среднее число лет образования	3	10	12
HDI по формуле {15.8}	0.189	0.602	0.849

В стране А проживает 10 миллионов народа, из них около 50 тыс «элиты»: от многочисленной семейки короля до охраны и шестёрок – со среднегодовыми доходами по $25'000 на душу. Остальные 9'950'000 имеют по доллару в день и работают «за миску похлёбки», выкапывая уголёк кайлом и перемещая на тачке к пристани¹⁸. Детишки полноправно участвуют в трудовом процессе лет примерно с десяти, детская (да и взрослая) смертность – сами понимаете. На хозяйственные нужды средний гражданин имеет 32 ватта – ни о каком электричестве не идёт и речи; общая печка в бараке на пятьсот рыл – вершина технологии. Показатель гуманитарного развития – 0.189 (такого в списке ООН нет; на 188 месте – Центрально-Африканская Республика с индексом 0.367).

В стране В проживает 1 миллион человек, среднегодовой доход по $4'650. Типичная семья: родители и двое детей, папаша – натурально, шахтёр (отбойным молотком уголёк рубит), мама – учительница, повариха, продавщица или фельдшерица. Электричество в доме имеется почти у всех (ну кроме самых нищебродов): лампочка Ильича «Osram», да ещё приёмник или телевизор. У соседей вот даже холодильник есть – комфорт! Уровень жизни соответствует Бангладеш (там 0.608).

Население страны С – всего лишь 100'000, а живут они примерно как в Португалии (0.847). Средний взрослый мужчина – государственный служащий или уже пенсионер. Среднегодовой доход на душу населения – $40'000. На местном угольном разрезе трудится всего 400 мужиков – десять сменных операторов трёх самоходных лопат (это там, где один ковшик – 100 тонн угля), полста водителей карьерных самосвалов, да всякие там геологи, механики и менеджеры. Естественно, и медицина, и образование – на высоте. Футболистов выписываем из Испании, хоккеистов – из России. И наука академическая есть – Цэшенский институт угольной геологии – слыхали? Имея почти по 19 киловатт тепловой мощности на душу, среднему жителю страны гарантируется порядка 5 кВт домашнего электричества. Сейчас залезу в домашнюю электрическую сауну, ага!

Приведённое выше рассуждение не для того, чтобы убедить читателя, будто со снижением ERоEI_soc повышается благосостояние страны, а для демонстрации, что уровень жизни конкретного региона зависит от массы факторов: популяции, климата, наличия или отсутствия средств производства, точек сбыта, ну и от геологии месторождений, конечно. Пытаться коррелировать уровень жизни исключительно с ERоEI, то есть с только с местной геологией, игнорируя всё остальное, – бесполезно.

В пределах конкретной страны или провинции снижение ERоEI, естественно, приводит к ухудшению качества жизни. Допустим, что таблица выше относится к условному 2000 году (напоминаю, что у нас гипотетическая Земля, на которой паропанк!) В связи с истощением месторождений ожидается снижение ERоEI_soc в два раза за 25 лет, то есть снижение по 2.7% в год.

В стране С к условному 2025 году расходы на добычу остаются прежними – в новые экскаваторы никто, натурально, инвестировать не собирался; добыча опускается до 20.0 млн тонн в год (остальное – пустая порода). На материк теперь вывозят не 40 млн тонн, а всего 12. Сократилось и потребление электроэнергии населением: вместо 3 млн тонн угля в год местные ТЭЦ тратят 1 млн тонн, а электричества вырабатывают по 1.7 кВт на душу. Домашние сауны в наличии, но их включают крайне редко – средний доход на душу населения рухнул с $40'000 до $12'000, не до излишеств! Вместо университетов у детишек обязательная десятилетка. Из-за нехватки денег на продвинутую медицину ожидаемая продолжительность жизни – 75 лет. HDI = 0.721, как сейчас в реальном Узбекистане или на Ямайке.

В стране В добыча выросла с 50 млн т до 57, но теперь на нужды добычи уходит куда больше энергии: 8 млн тонн. Шахты стали глубже, рабочий день шахтёра – полных 13 часов, из которых 10 в забое. На шахты идут в 15 лет, а в стране всеобщее семилетнее образование. Ожидаемая продолжительность жизни мужчин – 39 лет, женщин – 61, а в среднем – 50. Но есть и положительные стороны! Вместо телевизоров теперь – китайские подделки под iPhone, а средние доходы повысились с $4'650 до $4'900, потому что хозяин шахты щедро платит пособия по инвалидности и потере кормильца. Жить стало легче, жить стало веселее™, а когда веселее, и HDI = 0.488, как на неунывающем острове Чунга-Чанга Гаити (0.498).

Страна A в 2025 году… Простите, такой страны нет! К 2009 году добыча сократилась до 39 млн тонн (ERoEI=39), на душу населения стало приходиться менее $1 в сутки, возник голод. Местная «элита», собрав золотишко, рванула когти. Я слышал, наследный принц стал владельцем сети супермаркетов и кормит престарелых родителей. Вся семейка живёт в столице D, уже без особых почестей. В 2011 разразилась «народная революция», в которой кирками забили и на тачках вывезли полмиллиона народу. Пара удачливых миллионов кое-как добралась до побережья D… где их встретили цветами бронепоездами. Что конкретно сейчас происходит на острове А – неизвестно. Возможно, каннибализм. Проверять опасаемся, а HDI = XZ.

Из примеров следует, что ERoEI=2.5 совсем не обязательно означает уничтожение народного образования и медицины, а ERoEI=40 – вовсе не гарантия, что добыча в этой стране будет продолжаться. Опять-таки всё зависит от кучи параметров за пределами геологии.

Короче, показанную выше пирамидку Абрама Маслоу следует засунуть туда же, куда и «биорезонансные» пирамидки Александра Голода, и сразу следом – формулу {15.7}. Сомневаюсь, что можно что-то полезное подсчитать по формуле {15.6} – слишком много допущений. С другой стороны, и ERoEI_st по формулам {15.2} и {15.3} не даёт полной картины. Действительно, нефть в цистерне посреди аравийской пустыни сама по себе обществу бесполезна. Чтобы принести конкретную пользу, нефть должна доехать на танкере до конкретного нефтезавода в Амстердаме, пламенно соединиться там с природным газом хиреющего Северного моря, а потом в виде бензина и дизтоплива попасть на конкретные автозаправки хереющей Европы. Значит, имеет смысл рассматривать в дальнейшем только ERoEI_pou и ERoEI_ext по формулам {15.4} и {15.5}.

В качестве рабочей гипотезы выскажем предположение, что уровень жизни зависит от нетто (полезной) энергии на душу населения:

Член (1-1/ERoEI_ext) имеет тот же физический смысл, что и термодинамический КПД по формуле {2.1}. Выразим ERoEI_ext как функцию от накопленной добычи ископаемого углеродного топлива Q(t):

Три модели показаны программой Chapter 15\Model_04_ERoEI_estimates.py

Параметр	Модель 1	Модель 2	Модель 3
ERoEI2017	20	30	40
URR, млрд toe	1'000	1'400	3'300
σ	0.010	0.006	0.003
ERoEI при Q=1'000	1.1	1.8	8.9

Далее на основании формул {15.9} и {15.10} приведём чисто качественную прикидку выхода полезной энергии из ископаемого топлива, используя в качестве входных данных гипотетическую модель «Полочка после пика», которая была представлена выше. Программа Chapter 15\Model_04_Plateau_Per_Head_Production.py

Три группы сценариев представлены цветом:

• С вероятностью около 10% начавшийся в 2012 году глобальный спад уровня жизни продолжится довольно быстрыми темпами – примерно по 5% в год – вплоть до 2050 года (красные линии). В 2050 году, при населении планеты от 9.0 до 10.6 млрд, уровень жизни будет соответствовать 1890 году, с потреблением порядка 200 кг нетто ископаемого топлива на душу в год, что соответствует 270 Вт мгновенной тепловой мощности. Электричество будет в каждом доме… примерно у 500 миллионов. Остальной мир можно не описывать – откройте вашу любимую книжку про пост-апокалипсис. Как примечание, вряд ли при продолжении спада по 5% в год применима плавная модель – скорее начнётся опережающее разрушение социальных институтов, как продемонстрировано в гипотетической стране А из таблицы выше, и о чём так любит бложить Гайл «Наше-всё» Тверберг¹⁹.

• Также с вероятностью около 10% никакого обвала не будет до 2049 года, а уровень жизни останется примерно там, где он был в последней четверти XX века (синие кривые). Пик добычи по полезной энергии происходит между 2040 и 2052 годами, наиболее вероятное значение – 2049 год, 14.0 млрд toe. При увеличении населения планеты мы увидим не 1.2 млрд систематически недоедающих, а 1.5 (из них примерно 800 млн в Африке), электричества в 2018 году нет у 800 млн, а в 2050 не будет у миллиарда. Читатель почти наверняка принадлежит к лучшей трети человечества, проживая в стране с «сильной экономикой». Если в 2018 вам стукнуло 40, можете особо не беспокоиться… О себе, но не о своих детях и внуках.

• Наконец, наиболее вероятный сценарий (зелёные кривые). 2050 год. «Сланцевые» компании, следуя правилу «улыбаемся и машем» «бурим, детка, бурим», продолжают делать в земле дырки, чтобы текло больше нефти и газа. Всё бóльшая часть добытого тратится на бурение всё большего числа дырок. Качество угля упало с 0.5 toe/т до 0.3 (это лигнит!), но поезда везут дóбытое куда надо. Пик добычи нетто ископаемого углеродного топлива на душу населения прошёл в 2012 году на уровне 1'390-1'550 кг нефтяного эквивалента. Наиболее вероятное значение – 1'500 кг или 1.99 кВт тепловых. С тех пор происходит спад уровня жизни по 1.5% в год, что большинству населения не заметно: принцип лягушки в кастрюльке. Средний уровень жизни по планете – как в 1960 году. Это не значит, однако, что Америка будет жить как США образца 1960 года. Скорее Америка, Европа и Китай в среднем станут жить как КНР образца 2000 (то есть относительно неплохо, но далеко не на уровне потребления богатеньких американцев середины XX века). Африканский 1960 год наступит, как ни удивительно, в большинстве стран Африки, а индийский 1960 – в Индии, Пакистане и Бангладеш. Проверять опасно – а вдруг каннибализм? Природный газ – это не только электричество в розетке, но и удобрения, пестициды и прочая сельхозхимия; нефть – это не только Формула-1, но и трактора.

Предвижу, что сторонники ВИЭ уже плотоядно потирают руки, собираясь обвинить автора в недооценке их любимых ветряков и солнечной панели. Для полноты картины следует добавить в графики все остальные источники индустриальной энергии, как мы это делали в главе 7. Однако статья нерезиновая, оттого добавим в следующей.  Обещаю: станет полегче. Но не на много.

Удачи.

 

Литература:

[29]    Hall, C., Klitgaard, K., Energy and the Wealth of Nations: Understanding the Biophysical Economy, Springer Publishing Company, 2012, New York, USA, ISBN 978-1441993977.
[30]    Lambert, J.G., Hall, C.A.S., Balogh, S, et al, EROI of Global Energy Resources: Status, Trends and Social Implications, SUNY – ESF / NGEI, USA.  Электронная версия бесплатно:
https://assets.publishing.service.gov.uk/media/57a08a0340f0b652dd000508/...