Ерой-2, или когда мы все умрём

Вторая часть главы "Ерой нашего времени" (https://aftershock.news/?q=node/695057)

...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.

Чтобы не обвинили в пессимизме, будем считать ERoEI_ext для возобновляемых источников энергии на уровне 15:1 (у ветряков порядка 18, у солнечных электростанций – около 7), а для ядерной энергетики примем это значение как 10:1. Из 9 моделей выше будем рассматривать только 3: умеренно пессимистическую, среднюю и оптимистическую – остальные 6 моделей находятся в «коридоре» между пессимистической и оптимистической моделями, и для оценки несущественны.

Опять-таки, чтобы не обвинили в излишнем пессимизме, пересчёт из тераватт-часов электрической энергии в тонны нефтяного эквивалента будем делать так же, как это делается у «ВР»[10]. Один тераватт-час – 3.6·10⁶ ГДж. Если считать по тепловой энергии, тонна нефти даёт 41 ГДж на тонну, то есть нужно всего 0.087 млн тонн нефти. «ВР» по традиции считает в три раза больше: 0.227 млн тонн на ТВт·ч, молчаливо предполагая при этом КПД современной ТЭС или ТЭЦ (включая утилизацию вторичного тепла) на уровне 0.087/0.277 = 39%. Могут возразить, что у двигателей внутреннего сгорания (включая изготовление бензина) КПД несколько ниже; на это есть контр-возражение, что из природного метана или угля можно делать азотные удобрения, а из чистого электричества от ГЭС – затруднительно¹. Аналогично, тепловую энергию газа и угля можно использовать и напрямую, например для поджаривания гамбургеров в забегаловке незабвенного Уильяма Харта из 1821 года.

Программа Chapter 15\Model_06_Plateau_Nuclear_and_Renewable.py

В 2017 году в мире выработано (по данным «ВР»[10]) 596.4 млн toe электроэнергии из ядерных реакторов, 918.6 млн toe гидро, 74.3 солнечной и 254.0 ветровой. Сжигание биомассы и всякие гео-термо-приливные прибамбасы дали ещё 132.6 млн toe. Из биомассы также было выработано 84.1 млн toe этанола и другого жидкого биотоплива. Итого от ВИЭ получено 1'460 млн toe, а ядерная энергетика добавила к этому ещё 40%. Число 2'060 млн toe, несомненно, впечатляет. Пока вы не сравните его с общей добычей нефти и газа (включая битум и жидкости): 7550 млн toe. Каменный уголь добавляет сюда ещё 3770 млн toe. Итого, по самым оптимистическим подсчётам, доля ядерных станций и ВИЭ в современной мировой экономике – менее ⅕, а производство ядерной и возобновляемой энергии на душу населения – всего лишь 273 кг нефтяного эквивалента в год.

Даже с наиболее оптимистическим сценарием развитием ВИЭ, обвал на уровень потребления 1960 года неизбежен; это произойдёт где-то между 2038 и 2072 годами, наиболее вероятно (зелёные линии) – в 2054 году. Что существенно, в наиболее вероятном сценарии спад уровня жизни остаётся плавным и постепенным: примерно по 0.8% в год вплоть до 2045 года. Большинство населения в «развитых» странах успешно продолжает тянуть одеяло на себя, и принцип «лягушки в кастрюльке» сохраняется. Крупных социальных потрясений в этих странах не происходит, мелкие универсально замалчиваются, а государственные дефолты, кризисы и перевороты экспортируют в страны «недоразвитые». Доля возобновляемых в экономике плавно вырастает до ⅓, о чём с упоением докладывают миру Перецы и прочие пропагандоны (не об уровне жизни же писать, в самом деле!)

Средний уровень жизни 1913 года может случиться на планете с 2053 по 2097 годы, наиболее вероятно – в 2070 году. Это два поколения, времени на подготовку достаточно. Среднее потребление энергии высокой концентрации составит 520 кг эквивалента на душу в год, это тепловая мощность 675 Вт, при доле ВИЭ около ⅔. Следует признать, что с примерно с 2045 года гладкая модель вряд ли реализуется. Снижение уровня жизни с 2045 по 2070 годы в наиболее вероятной модели – по 4% в год, а это уже населению заметно. Представьте, что ваши дети должны жить в среднем как жила в молодости ваша бабушка!

Тут, однако, самое время вспомнить о Гайл Тверберг с её критикой плавного решения Рандерса. Рассмотрим на той же модели гипотетических стран А, В и С. Нарисуем программой Chapter 15\Model_07_Production_Decline.py

Для простоты, пусть на островах А, В и С и континенте D проживает суммарно 100 млн человек, и население стабильно. Значит, в 2000 году на каждого жителя нашей учебно-тренировочной планеты приходилось, по формуле {15.9}, (150-0.5-2-7)/100 = 1.4 тонн нетто угля в год, то есть почти столько, как в среднем по стране В, примерно в 20 раз меньше, чем у угольных магнатов из C, и раз в тридцать больше, чем у нищего жителя страны А. У 89 млн жителей страны D, натурально, существует неравенство, но в среднем житель D потреблял в год 135.5/89 = 1.5 тонны угля – точно, как в B. Согласно нашей гипотезе, и уровень жизни среднего гражданина D был примерно как в B.

В 2000 году суммарная добыча трёх стран – 150 млн тонн, а общий усреднённый ERoEI_st по трём странам – около 16:1.

Теперь перенесёмся в условный 2008 – революция в А уже созрела, но пока не началась. Считайте, что низы уже не могут, но верхи пока хотят. Или наоборот, неважно. Общее производство угля на нашей учебной планетке – 140 млн тонн, нетто 128, душевое потребление с 2000 года плавно снижалось по 1.2% в год и в среднем по планете 1.28 тонны; в стране D – 1.39 тонны в год на душу. Народ в D почти ничего не заметил, не говоря уж о странах В и С, которым борьба голодающих пролетариев в A глубоко по барабану.

В 2009 году в стране А происходит революция, оттого наша мировая добыча падает за год примерно до 95 млн тонн, а общемировой ERoEI_st при этом за два года скачком снижается с 12:1 до 8:1. В самой стране А показатель уже отсутствует, потому что потребление угля на нужды добычи прекратилось, как, собственно, и сама добыча. Ноль поделить на ноль – неопределённость!

Состояние дел в послереволюционном 2010 грустное: мировая добыча угля – 96.7 млн тонн (падение по 34% за два года). За вычетом потраченного на добычу остаётся 85 млн тонн, то есть по 0.85 тонны нетто на жителя планеты в среднем. В стране А… не будем о плохом. Нас интересует страна D, куда влилось 3 млн встреченных бронепоездами и гуманно пущенных на удобрения размещённых в лагерях для беженцев. Население D теперь – 92 миллиона, а на душу населения – всего 0.85 тонны угля. Уровень жизни за 2 года рухнул на 40%. Приведёт ли это к гражданской войне в D и, как следствие, голоду в странах В и С? Неизвестно. Вполне может получиться и так, что страна D введёт на остров А войска и кое-как восстановит часть добычи.

В 2041 году происходит плановое закрытие угольного разреза на острове С. «Мировая добыча» при этом довольно быстро снижается на 10 млн тонн, а вот ERoEI_st… внезапно слегка увеличивается! Всё правильно: закрытие уже нерентабельного в 2040 году месторождения и должно приводить к улучшению экономических показателей. Никакого социального катаклизма, однако, не происходит. В 2041 году на острове C есть город-призрак, где вахтовым методом трудятся 500-600 человек; их семьи уже лет 10 как вывезены на «большую землю» D. Конечно, большинство из понаехавших из С живут не лучше коренного населения D: 230 кг угля в среднем на год.

Пример выше приведён не для того, чтобы конкретно предсказывать будущее саудовских нефтяных магнатов и китайских шахтёров из Шанси, а для математической иллюстрации положения Гайл Тверберг о том, что вызванное истощением месторождений плавное снижение добычиможет приводить к экономическим либо политическим катаклизмам, а они, в свою очередь, приводят к обвальному снижению добычи. Далее возникает порочный круг: дальнейшее снижение добычи вызывает падение уровня жизни, дальнейшее обнищание – новые политические потрясения, и так далее.

Великолепный пример – Нигерия. Население стабильно удваивается каждые 27 лет. В 2017 году – 190.9 млн, в 1990 – 95.3, в 1963 – 48.0 миллиона². Промышленная добыча нефти началась в 1957 году, пик по нефти и конденсату пройден в 2005, по сумме нефти и газа – в 2010.

Угля мало. Четыре гидростанции с установленной мощностью 2040 МВт (по состоянию на 2017 г) могли бы дать на душу населения целых 10.6 ватта (!) электричества, то есть 21 кг нефтяного эквивалента. Дали, правда, в районе нуля, так как линии электропередач непрерывно срезают для отправки алюминия в Китай. Контракт с китайской «Синогидро» по постройке ГЭС Мамбилла был разорван в 2013 году после того, как местные борцуны за свободу захватили и вероятно обезглавили 10 китайский специалистов³.

Нефтедоллары тратятся на вооружение банд; к каждому инженеру с карандашом теперь надо приставить правительственного солдата с «Калашом», а вдоль нефтепроводов регулярно гонять бронетранспортёры. Значит, увеличиваются затраты. Умные инженеры ехать в страну опасаются, приходится довольствоваться специалистами второсортными, что технические решения, натурально, не улучшает. В Нигерии уже несколько раз и боевики, и взбунтовавшиеся бравые полковники захватывали нефтеналивные терминалы и вежливо просили у правительства «ну там скинуться и помочь кто чем может». Можно грубо оценить ERoEI_pou на уровне где-то между 5:1 и 10:1.

Добыча нефти и газа на душу населения в Нигерии уже снизилась до 700 кг нефтяного эквивалента, а с учётом ERoEI_pou получается между 560 и 630 кг нетто, то есть втрое ниже, чем у среднего землянина. Практически вся не использованная для содержания и защиты нефтяной инфраструктуры нефть идёт на экспорт в обмен на зеркальца и бусы продовольствие и оружие. Индекс гуманитарного развития – 0.532 (147 место в мире). Страна – член ОПЕК, мля.

Шестьсот килограмм нефтяного эквивалента в год – это 800 Вт мгновенной мощности; вместе с местными огородами и лесоповалами получается порядка 1.0-1.2 кВт на душу, что соответствует уровню жизни швейцарского лесоруба из 1700 года. Конечно, лесоруб был тёмен, не цивилизован, про бананы, мобильные телефоны и Калашникова ничего не знал, а из-за более сурового климата тратил куда больше дров на обогрев жилища. Зато у него под окнами гораздо реже стреляли.

Замкнутый круг: снижение ERoEI вызывает снижение уровня жизни, затраты вверх, эффективность вбок, а ERoEI продолжает падать.

Вам нравится такое объяснение? Мне – не очень. Попробуем переписать этот абзац другими словами:

Замкнутый круг: в связи с истощением месторождений, добыча плавно снижается, что при постоянной высокой рождаемости вызывает постепенное снижение уровня жизни. Рано или поздно снижение уровня жизни приводит к социальной напряжённости, что, натурально, приводит к скачкообразному росту затрат на добычу. Добыча плавно вниз, затраты резко вверх, эффективность куда-то вбок, как следствие уровень жизни и далее вниз. Может возникнуть ситуация, когда система катастрофически (скачкообразно) разрушится.

Как видим, ерой этой главы для объяснения ситуации в Нигерии совсем не нужен. ERoEI – это просто технический показатель, отражающий увеличение затрат при снижении добычи ресурса. Примерно так же мы бы сказали, что «в стране Z гражданская война оттого, что отношение государственного долга к ВВП стало хуже». График роста госдолг/ВВП полезен для понимания скорости процесса, но надо всегда говорить о факторах, приведших к падению ВВП и/или к росту долга.

Если же говорить о конкретной Нигерии, то причиной существующей ситуации является: «5.53 родов на женщину»⁴. В переводе с международно-банковского на человеческий это значит: «90% живущих в 2016 году женщин старше 36 лет рожали 9 и более раз». Ну и эффективность современной медицины, если на то пошло, хотя с прививками от полиомиелита страна в начале XXI века страна успешно боролась и вроде почти поборола⁵. К геологии это никакого отношения не имеет.

Если вы полагаете, что в Нигерии – хана и ужас, обратите внимание на их западного соседа – Бенин. Вообще-то королевство Бенин находилось поначалу на севере Нигерии, а на государственном флаге этой добросердечной и мягкой страны был изображён правоверный, исполняющий мечом декапитацию безоружного унтерменша (вероятно, неверного). Доупражнялись с мечами до того, что в 1897 специальная британская карательная экспедиция королевство зачистила в ноль, а столицу и флаги сожгла дотла. Современная республика Бенин (бывшая Дагомея) получила независимость от Франции в 1960 и успела даже немножко строить коммунистическое грядущее – с 1975 по 1990 годы. В 1990 весь социализм кончился (с чего бы это?) В 2004 в Бенине ВНЕЗАПНО кончилась нефть! Правда, в отличие от Нигерии, много нефти в Бенине не было: на пике добычи в 1985 страна производила всего 400 тыс тонн в год. Сейчас HDI в республике – 0.515, а минимальное количество нефтепродуктов 11±1 млн жителей получает из Нигерии. Плюс-минус миллион – не описка. Многие жители не знают, что надо где-то зачем-то регистрировать роды и смерти. По данным американского DOL, до 15% детишек в возрасте до 5 лет вообще не отражены в статистике, a 680 тыс детей в возрасте от 5 до 14 лет работают наравне со взрослыми, не посещая школу⁶.

С севера с Нигерией граничат ещё две весёлые страны: Нигер и Чад, с HDI 0.354 (самый низкий из 189 стран, где этот показатель вообще можно подсчитать) и 0.404 (186 место в мире) соответственно. На восток от Нигерии – Камерун с HDI 0.556, далее через границу – Центрально-Африканская республика с HDI 0.367 (почётное 187 место в мире). Добыча нефти в Камеруне прошла пик в 1985 на уровне 9 млн тонн в год. В 2017 добыли всего 4 млн тонн, при этом население за то же время выросло с 10 млн до 24.1±0.5 млн.

Как-то не хочется, чтобы наши внуки в 2070 году жили как в Нигерии конца XX века, оттого попробуем соорудить ещё пару моделей. Первая модель вводит «энергию Х», а на роль Х можно выбрать (пока) реакторы-бридеры или термояд по вашему вкусу. Другие известные науке источники мы уже учли. Программа Chapter 15\Model_08_Energy_X.py

Предположим, поставлена задача удержать цивилизацию не ниже уровня потребления 1960 года. Тогда с 2025 по 2075 надо увеличить производство «энергии Х» до 8'600 млн toe в год (тепловых). Энергоблок типа РБМК-1000 (того самого, который случайно, ага) вырабатывает 1 ГВт электрической мощности или 3.2 ГВт тепловой. Последнее значение соответствует 2.5 млн toe в год. С учётом того, что реакторы надо обслуживать, а ERoEI_st (оптимистично) 10:1, потребуется 8'600/2.5/0.9/0.9 = 4'250 энергоблоков, или более тысячи АЭС с мощностью как Чернобыльская (там было четыре реактора). Каждый год надо строить по 85 энергоблоков; и после 2075 года строить дальше, ибо новые реакторы понадобятся взамен изношенных. Если население Земли – 10 млрд, на каждые 2.35 миллиона народа надо энергоблок. В той же Нигерии, на 620 млн народу⁷ придётся построить 65 эквивалентов Чернобыля.

Могут возразить, что поровну всем не надо. Пусть в новом удивительном мире 3 миллиарда потребляют по 3 toe в год на человека, а остальные 8 миллиардов – как получится, как бы грустно им ни было. Ну что же, грустно остальным и будет! По (1000·11-3000·3) / 8 = 250 кг эквивалента на душу. Тогда в Нигерии за 50 лет надо построить не 65 Чернобылей, а всего 30 – по три ЧАЭС в пятилетку. В России, с населением 140 млн, для достижения вожделенных 3 toe, надо запускать каждые 2 года по 7 «энергоблоков X». Заметим, что РБМК тут просто для масштаба величин. Энергетическая цепочка реальных реакторов на быстрых нейтронах наверняка получится гораздо сложнее – поглядим на чудеса техники: пущенный на Белоярской АЭС в 2015 году БН-800 и строящийся там же БН-1200 – оба с натриевым теплоносителем. Насколько сложны реакторы термоядерные – пока рано обсуждать.

В КНР в 2016 пущено 4 реактора общей мощностью 3.6 ГВт электрических, в 2017 – 2 реактора (2 ГВтЭ), в 2018 вроде будет целых 7 (7.75ГВтЭ). Опять-таки, речь пока о «классических» водо-водяных реакторах на обогащённом уране, а не о бридерах и тем более не о термояде. По нашей «программе минимум» в Китае надо строить «всего» по 35 «энергоблоков Х» в год.

Программа максимум – удержать среднее мировое потребление энергии высокой концентрации на уровне свыше 1'500 кг нетто условной нефти на душу. Тогда общее количество реакторов – 15'000/2.5/0.9/0.9= 7'400 (штрих-пунктирная линия на графике с обозначением «энергия Y»), а на планете надо строить по 150 «гигаваттников» ежегодно. Но и жизнь в странах «третьего мира» получается послаще: 1.08 toe на нос, почти вдвое больше, чем сейчас в Нигерии.

Почти нет сомнений, что в развитых странах массовое строительство бридерных АЭС организовать можно, но что делать со странами недоразвитыми? Опыт показывает, что даже эксплуатация ГЭС там небезопасна, а вы хотите дать террористам возможность захватить АЭС и понаделать короткоживущих изотопов для «грязных бомб»? К тому же, с нефти жители имеют по 600 кг эквивалента на нос, а с АЭС – всего 250. Не увеличится ли число желающих обвязаться динамитом?

Второй вариант «спасения цивилизации» – уменьшение рождаемости с плавным сокращением населения, так, чтобы «безопасной» возобновляемой энергии из ГЭС, ветра, солнечных батарей и прочих приливов хватило всем. Подсчитаем программой Chapter 15\Model_09_Population_Z.py

Для сравнения показано малиновым пунктиром раскритикованное Тверберг «плавное» решение Йоргена Рандерса[18] из главы 7. В нашей модели вероятное сокращение популяции начинается в том же 2040 году, однако максимум на 0.8 млрд выше. После этого возможны несколько сценариев: в базовой модели среднее потребление падает на уровень конца Великой депрессии – 725 кг/душу, а население стабилизируется на уровне 5.3 млрд. Примерно два миллиарда живёт как современные китайцы на уровне 1'300 кг в год, остальные имеют по 375 кг (и бесплатные бананы). Если население снизится до 3.2 млрд, есть надежда удержать цивилизацию не ниже уровня 1960 года. Если же пытаться стабилизировать население на уровне свыше 7 млрд, то сваливание на уровень жизни начала XX века неминуемо.

Подведём итоги главы:

• Реалистические модели не должны включать обвального сокращения добычи полезных ископаемых «в ноль за два года». В пределах одной страны или одного месторождения это вполне возможно, но по общей сумме в мире – крайне маловероятно. Нужен природный катаклизм масштаба удара сверхкрупного астероида, а в этом случае полезные ископаемые зомбей людей интересовать уже не будут. Наибольшая скорость спада добычи нефти зафиксирована в Израиле – 98% в год. Типичное значение – 1.5%.

• Рассмотрен один из любимых показателей «Нефтепикников» – ERoEI. Продемонстрировано, что все считают его по-разному, часто получая результаты, отличающиеся на порядок величины. Приведено 6 формул для подсчёта 4 версий ERoEI: «стандартного», «транспортного», «потребительского» и «социального». ERoEI можно считать и через денежную стоимость – получается значительно проще, но не точно. В качестве полезного совета, если ваш оппонент начинает оперировать понятием ERoEI, спросите у него, какой конкретно ERoEI имеется в виду. Если оппонент затрудняется назвать конкретную методологию подсчёта, полезнее и интереснее будет спорить о точном количестве ангелов/чертей на кончике швейной иглы.

• Показано, что по мере истощения месторождений энергетических полезных ископаемых ERoEI_st снижается; развитие технологий добычи, перевозки и обогащения/переработки ресурсов может временно повышать ERoEI_pou и ERoEI_ext.

• В 2014 году Джессика Ламберт со товарищи предложила коррелировать социальный ERoEI_soc с индексом человеческого/гуманитарного развития HDI. Из статей Ламберт по Интернету пошла гулять специальная олимпиада версия пирамидки Маслоу, где уровню ERoEI_soc сопоставляется развитие науки, медицины, образования, и т. д. Мы поставили мысленный эксперимент, который подход Ламберт полностью опровергает. Уровень жизни гораздо лучше коррелирует с добычей/использованием ресурса на душу населения (что, впрочем, замечает и сама Дж. Ламберт).

• Из четырёх версий для моделирования полезны только ERoEI_pou и ERoEI_ext. «Стандартный», вероятно, может быть интересен в пределах индивидуальных месторождений, но считать затруднительно. Методика подсчёта ERoEI_soc через ВВП – слишком ненадёжна.

• Сравнение стран и территорий «по ERoEI» – бессмыслица. Низкий ERoEIне означает низкого уровня жизни или социальной нестабильности, а высокий ERoEI не гарантирует от социальных потрясений. В конкретных условиях конкретной страны снижение ERoEIприводит к снижению уровня жизни, но абсолютная величина показателя никакой роли не играет.

• Нами высказано предположение, что из-за уменьшения ERoEI_ext (вследствие выработки месторождений) падение уровня жизни будет происходить быстрее, чем снижение добычи; скажем, если мировая добыча падает по 1% в год, полезная энергия снижается по 1.5%. Существует период, когда абсолютная добыча растёт, а полезная (нетто) энергия уменьшается. В этой модели уровень 1960 года в среднем по планете будет достигнут между 2032 и 2070 годами, наиболее вероятная оценка – 2050.

• Добавление в модель возобновляемой и ядерной энергетики, при самых оптимистических предположениях отсрочит наступление «нового, 1960 года» до 2038 или 2072 годов, наиболее вероятно – в 2054 году. Вся зелёная и все ядерные дают всего лишь 4 года отсрочки, однако позволяют избежать обвала в ноль во второй половине XXI века.

• Удержать цивилизацию выше уровня 1960 возможно, но потребует либо массового – пара тысяч электростанций – внедрения новых источников энергии (пока единственный достойный кандидат – реакторы-бридеры), либо сокращения населения планеты до порядка 3 млрд человек. По-видимому, оптимальное решение находится где-то посередине.

• Расчёты выше приведены не для каких-то особых предсказаний, а с целью показать, что ситуация с ископаемым топливом не так печальна, как представляют хардкорные «Нефтепикники», но и не такая радужная, как воображают «Корнукопианцы». В любой публикации по пику нефти в комментариях можно прочитать с одной стороны «песец пик пришёл, всё пропало, мы все умрём», а с другой: «будем бензин из угля делать, на тысячу лет хватит». «Хватит», вероятно (и при благоприятном раскладе), на одно поколение – до 2045 года. Дальше будет слегка нерадостно, и хватать будет уже далеко не всем. Лишние самовыпилятся, но цивилизация выживет, и каменный век не наступит.