С новым 1930 годом (Акулий плавник - 3)

Для полноты картины следует добавить в модель ВИЭ и ядерную энергию, как мы делали в прошлой главе, но начнём с другого конца «энергетического спектра». Халл и Клитгаард указывают, что сравнение по низкоэнтропийной энергии с 1960 или 1930 годом вполне приемлемо, но с более ранними периодами сравнивать напрямую нельзя. Во-первых, статистика «ВР»[10] (ссылки полностью: https://github.com/myak555/LIMITS_TO_LIMITS/blob/master/PDF/Ch_99.pdf) включают в «возобновляемые ресурсы» не всю биомассу, а только то, что перерабатывается промышленно. Дрова, солому и сушёный навоз в статистику включить затруднительно, но они явно используются и по сей день, составляя (особенно на селе) существенную долю бытовой энергии.

В эту же энергию включается прямое использование солнца: от древней как человечество сушки зерна до высокотехнологичного нагрева воды на бытовые нужды.

Во-вторых, до 1930-х, и даже много позднее, существенную часть «энергетики» (в том числе, и в промышленности) составляла мускульная сила животных. Ты послухай, как пындосы нашу насос-качалку называют? «donkey pump»! «Осёл-насос», ежели кто не понял. Да, в XIX веке усталые пони и ослики поднимали на поверхность уголь, нефть и другие ископаемые. Гужевой транспорт мы даже не упоминаем. Лошади успешно отвоевали во Второй мировой, a боевые слоны и буйволы отличились во время Четырёх Индокитайских войн (1946-79). Во многих местах животные успешно заменяют трактор и являются основой сельского хозяйства и по сей день (вспомним амишей в США).

Поскольку модель Халла-Клитгаарда вводит понятие «минимальной прожиточной энергии», для честного описания слегка модифицируем нашу модель. Добычу полезных ископаемых трогать не будем – никто не предлагает плавить сталь на дровах, – а просто сдвинем потребление энергии на душу, полагая для биотоплива и прямого использования солнечной энергии ERoEI_ext на пессимистическом уровне 2.5:1¹. «Межправительственная комиссия по изменению климата» (IPCC)[32] оценивает получение бытового тепла сжиганием биомассы на уровне 600-1'000 млн toe в год – это примерно как нефтедобыча России и Саудовской Аравии вместе взятых². Программа Chapter 16\Model_17_Residential_Biofuel.py

Весь XIX век потребление энергии на душу населения находилось на «полочке» около 650±150 кг нефтяного эквивалента, или в пересчёте на мгновенную тепловую мощность – 860±200 Вт. Вспомним, что для средневекового крестьянина в Уэльсе археологи насчитали «менее 850 Вт», а Халл и Клитгаард для семьи швейцарского лесоруба образца 1560-1720 года получили 1'100 Вт на душу. Последние два значения включают от 100 до 200 Вт в виде продовольствия, поэтому их надо на это же значение уменьшить, ведь мы продовольствие не считаем. Можно выдвинуть осторожное предположение, что «энергетический минимум технологической цивилизации» (staples в терминологии Халла и Клитгаарда) лежит где-то на уровне 500 кг нефтяного эквивалента на душу в год, так как весь XIX век, согласно нашим вычислениям, было на 30% больше, а цивилизация землян была несомненно «технологической»³.

Графики показывают, что биотопливо и мускульная сила животных останутся важной частью бытовой энергетики, однако в 1850 году дрова и лошадки делились (грубо) на миллиард человек, а в 2050 – на 10 миллиардов. Естественно, и полезной энергии от них на душу населения получается примерно на порядок меньше.

Разобравшись с дровами и навозом, нам осталось добавить в модель источники низкоэнтропийной энергии: ядерную, гидро, ветровую (речь только о ветряках с генерацией электричества), солнечные электростанции (photovoltaic), ну и «прочие» (геотермальные, приливные, сжигание биомассы для производства электроэнергии и промышленного тепла и т.п.) Прибавка существенная: в 2017 году⁴ мировая гидроэнергетика произвела 918.6 млн toe; в одном лишь Китае – 261.5 млн toe. «Прочие» отчитались в том же году о 486.8 млн toe. Суммарно по гидро и «прочим» получается примерный эквивалент добычи нефти в России, США и Саудовской Аравии вместе взятых. Для начала положим ERoEI_ext ЯЭ и ВИЭ оптимистично, как сделано в предыдущей главе: 10:1 для ядерной энергетики и 15:1 для всех возобновляемых. Развитие АЭС будем считать по умеренно-оптимистическому сценарию, как обсуждалось в главе 12, рост возобновляемых – оптимистично – по 2% в год. Технический предел ВИЭ – 4'600 ГВт(э) или порядка 9'000 млн toe в год – обсуждался в главе 2.

Программа Chapter 16\Model_18_Total_Renewable.py

В целом прогноз достаточно благоприятный. Уровень потребления Великой депрессии (780 кг эквивалента, включая бытовую энергию) будет достигнут в середине 2060-х, но затем человечество, даже с учётом стабилизации населения по «средней» модели ООН, гарантировано останется на этом уровне, или даже несколько выше, по крайней мере до конца XXI века. Без ядерной энергии и ВИЭ ситуация получилась бы куда хуже.

Отсрочка в 40 лет допускает как развитие новых источников энергии (например, управляемого термоядерного синтеза), так и нетрадиционное использование «классических» энергоресурсов для поддержки штанов добычи остаточных энергетических ископаемых: природного битума, торфа⁵, рудничного газа, метан-гидратов⁶, и т.п. Например, тепло от ядерных реакторов⁷ можно использовать для пиролиза природного керогена, а вторичное тепло – на технические нужды. Нефть и уголь – перевозить так же, как это делали в конце XIX – начале XX века.

Если речь зашла о парусниках, вероятно следует упомянуть и классическое применение ветра там, где непрерывная подача энергии совсем не нужна. От ветряков нельзя напрямую (без какой-либо системы хранения выработанного электричества или другого резерва мощности) запитать металлорежущие станки, но можно приводить в действие насосы, поднимая воду из скважин и шахт, или намораживать лёд в хорошо изолированных холодильниках. Полученная энергия тратится куда эффективнее, чем при зарядке батарей – с последующей разрядкой, или выработке водорода электролизом – с последующим расходом в топливных элементах.

Аналогично ветру можно использовать и солнечную энергию. Тепловые насосы обсуждались в главе 12 (https://github.com/myak555/LIMITS_TO_LIMITS/blob/master/PDF/Ch_12.pdf). Есть интересные разработки, когда солнечная панель комбинируется с элементами Пельтье и охлаждает обращенную в помещение часть потолка – именно тогда, когда снаружи светит горячее тропическое солнце и хочется прохлады; ночью солнца нет, и система не нужна – просто откройте пошире окна. По книжкам выживальщиков⁸ гуляют схемы «солнечных кухонь», позволяющих сварить суп или поджарить куриные крылышки вообще без шума и пыли использования топлива, правда только в солнечную погоду. Для России, Англии, Новой Зеландии – не актуально, а вот для Индии и Австралии, как и для Мексики с Техасом – в самый раз. Плита «Индиа МАРТ» сварена из нержавейки. Если аккуратно обращаться с зеркалом и стеклом – хватит лет на 80.

К несчастью, существуют и откровенно вредные изобретения, которые под видом «зелёной микро-энергетики» тупо переводят полезные ресурсы в мусор. В середине 2000-х китайские умельцы нашли способ, как избавляться от устаревших (и ядовитых) никель-кадмиевых батареек: их комбинировали с небольшими солнечными панелями и простейшей электроникой и продавали в богатых странах в качестве садовых фонариков. Бизнес взлетел. На картинке ниже – фонарик «Дурацелл» образца 2016 года (до сих пор продаётся в сети магазинов «Баннингс» и «Хоум Депо»). «У мене внутре… гм… не… неонка». Простите. Внутри находятся: три светодиода по 25 мА каждый, маленькая плата с двумя чипами и фототранзистором, одна пальчиковая никель-металлгидридная – спасибо – батарейка на 900 мА·ч (из урожая вроде бы 2011). Простейшим расчётом можно установить, что при полной зарядке фонарь должен давать вам свет более 10 часов – всю ночь, если надо.

А вот и хрен. С новой батарейкой светодиоды светили нормально часов 6-7, потом тускло тлели, изображая работу. Через примерно полгода (200 циклов зарядка-разрядка) батарейки уже хватало примерно на 3 часа приличного света. Самое главное, кроме батарей с безумной силой состарились маленькие солнечные панели, что под дужкой – тоже, видно, из некондиции. Для полной зарядки фонарик должен находиться под прямыми солнечными лучами... примерно 15 часов. Два световых дня заряжаем, один вечер светим. Умерший фонарик подарил мне сосед, я выдрал оттуда электронику. Светодиодами теперь освещает себе дорогу игрушечный робот, а внутри довольно крепкого корпуса фонаря – установлена… свечка. Невероятно романтично.

Но ладно бы потребители в Австралии. Кому там жалко 30 баксов? В 2017 году «Гринпис» принялся распространять аналогичные устройства, только побольше, в качестве замены центрального электроснабжения в индийских деревнях. В комплект поставки входит сгавняканная спаянная из той же некондиции, что и творение «Дурацелл», солнечная панель на 1.5 Вт, трёхметровый провод, литий-ионная батарея на 1'300 мА·ч и потолочный светильник с шестью светодиодами по 35 мА. Хорошая новость: благодаря бóльшей площади солнечных панелей штучка зарядится за 5-6 часов инсоляции. Счастливым индийским леди с картинки всучили микрокредит, чтобы они приобрели себе чудо техники. Которое чудо им прослужит, в лучшем случае, полтора года. Китайцы довольны – расширение рынка. «Гринпис» доволен: развиваем солнечную энергетику. И правительство Индии довольно: ещё одну деревню можно считать «электрифицированной»⁹.

Но никель-кадмиевые фонарики в Индии – это, натурально, эксцессы. Хорошая новость в том, что если всё пойдёт примерно по базовой модели Халла и Клитгаарда, то возвращения в Олдувай не случится. Человечество уцепится зубами и ногтями за уровень жизни 1930 года и провисит так достаточно, чтобы не погибнуть, взять под контроль численность населения и, вероятно, совершить новый виток технологической цивилизации. Перечислим предположения модели в явном виде:

• Начальные извлекаемые запасы ископаемого топлива: 1'400 млрд toe (к концу 2017 извлечено 500);

• Рост населения Земли согласно «средней» модели ООН: 10.2 млрд человек к 2060 году;

• Умеренно оптимистический рост ядерной энергетики: ввод в 2019 году не менее 10 ГВт электрической мощности, с последующим ежегодным увеличением вводимых мощностей по 2%¹⁰;

• Оптимистический рост ВИЭ (включая гидро) с увеличением по 2% в год вплоть до технического максимума 9'000 млн toe в год;

• ERoEI_ext для ядерной энергетики – 10:1, для ВИЭ – 15:1;

• Тонна нефти эквивалентна 16.3 ГДж электроэнергии (принимается коэффициент «ВР» 39%). К сожалению, из электричества трудновато делать пластмассу.

• Снижение потребления до уровня жизни времён Великой депрессии не приведёт к самым тяжёлым социальным последствиям, например, к глобальной ядерной войне. В этом смысле модель менее оптимистична, чем у Й.Рандерса, но не так пессимистична, как предсказания Г.Тверберг. Во всяком случае разработанная нами модель учитывает зомби-апокалипсис экономические кризисы.

Надо сразу отметить, что модель совершенно исключает ситуации, когда вследствие кризиса «каннибализируется» существующая работающая инфраструктура – процесс фактически обратный капвложениям. Воровство цветных металлов, например электропровода, пока отмечается лишь в небольших объёмах, зато повсеместно – от Центральной Африки до США. В дальнейшем воры могут перейти на другие дефицитные материалы. Ниже один из взглядов в будущее в книге Й.Рандерса¹¹. На этот раз в «холодное лето 2052» ездил Крис Таппен, владелец компании «Advancing Sustainability LLP» и почётный профессор в университете Киля, ранее – один из руководителей «Бритиш Телеком».

Добыча металла в городах

К 2052 году в «городских джунглях» будут добывать больше материалов (в особенности металлов), чем на месторождениях. Станет выгодней извлекать и переплавлять, чем копать и обогащать. Трансформация будет обусловлена сочетанием трёх ключевых факторов. Во-первых, будет увеличиваться дефицит некоторых встречающихся в природе металлических руд. Во-вторых, в городах уже сосредоточены огромные запасы более распространенных элементов, таких как железо и алюминий. Наконец, в-третьих, энергозатраты на обогащение руды станут неподъёмными[…]

Принимая во внимание эти факторы, довольно просто предсказать, какие металлы будут в достаточном количестве в ближайшие годы. К счастью, критически важные для промышленности элементы: алюминий, железо, кремний и титан можно пока добывать и из руд. Металлы, которые скоро увидим в списке «дефицита», включают индий, серебро и некоторые редкоземельные.

Индий по своей природе скуден. Экономически обоснованные доказанные запасы составляют около 11'000 тонн, что соответствует 15 годам при нынешних темпах потребления. Даже самая оптимистичная оценка прогнозируемых глобальных ресурсов составляет всего 50'000 тонн. За последние пятнадцать лет добыча индия возросла более чем в десять раз в связи с растущим использованием в оптически активных полупроводниковых элементах и использованием оксида индия и олова в качестве прозрачного электрического проводника на передней панели экрана компьютера, смартфона и телевизора, а также на тонкоплёночных солнечных панелях[…]

Серебро имеет экономически обоснованные доказанные запасы около 500'000 тонн, этого достаточно на семнадцать лет текущего потребления. Серебро широко используется как в промышленности, так и в ювелирных изделиях. Некоторые виды использования растут очень быстро; в частности, солнечные панели стали важным промышленным потребителем. Спрос на серебро в этом секторе вырос на 30% в 2009 году, и ожидается, что в ближайшие несколько лет он увеличится еще на порядок.

Редкие земли (лантаноиды): неодим, диспрозий и тербий – используются для создания сильных и лёгких магнитов, которые особенно эффективны в ветрогенераторах и электромобилях. С точки зрения естественных концентраций (кларков) лантаноиды не так уж редки, однако жизнеспособных месторождений мало. КНР не только обладает самыми большими запасами этих элементов, но и полностью доминирует в их промышленной переработке.

Исходя из доказанных и прогнозируемых запасов, индий, серебро, диспрозий и еще несколько металлов вполне могут стать дефицитом к 2052 году. Некоторые проблемы, несомненно, будут решены технологическими разработками и заменой на более доступные металлы, в то время как увеличение рыночной цены будет способствовать сбору лома редкий металлов.

Анализ приводит меня к выводу, что в течение следующих сорока лет [писалось в 2009 г] будет происходить значительное увеличение «городской добычи» – в некоторых случаях из-за того, что запасы больше не доступны, а в других из-за того, что такое занятие станет финансово привлекательным. Мечта о полной утилизации вторсырья осуществима, но только через традиционные экономические движущие силы, а не из-за философии [о спасении планеты].

К сказанному можно лишь добавить, что солнечные панели на крышах и ветряки в полях придётся кому-то охранять, как кое-где охраняют сейчас линии электропередач и нефтепроводы. У соседа ветряк? Ага. Был.

Разберём, что в модели может пойти «не так». Что произойдёт, если извлекаемые запасы нефти, газа и угля окажутся не 1'400, а 1'000 млрд тонн, мы разбирали выше. С добавлением ВИЭ и ЯЭ обвал произойдёт на 4-6 лет позже – в пределах погрешности модели. Сведём данные всех изменений в таблицу. Для краткости используется сокращение «ВВД» – «Вторая Великая Депрессия», то есть уровень материального потребления 1930 года.

Хорошие новости: уничтожение цивилизации не происходит ни в одном сценарии. Про Олдувайскую гипотезу можно пока забыть, во всяком случае до 2100 года. Существует один печальный сценарий – №1 по списку, который, к сожалению, от действий человечества уже не зависит: если (с вероятностью около 10%) окажется, что URR ≤ 1'000 млрд toe, за провалом к ВВД последует быстрое снижение уровня жизни; человечеству, с долей везения, удастся закрепиться на уровне XIX века. Новости плохие: провал на уровень ВВД почти неизбежен. Есть, однако, три сценария (3, 6 и 13), где уровень жизни снижается не к ВВД, а чуть выше: до показателей 1940-1950 годов.

Предсказать точно, куда человечество пойдёт, математическая модель, натурально, не может. Та же проблема стояла и перед моделью World-3 из «Пределов роста» 1972 года. Тем не менее, модель может показать, куда точно ходить не следует, и в отличие от неблагоприятного сценария №1, эти сценарии пока можно (и нужно) предотвратить:

• Сценарий №4 – рост населения Земли в соответствии с «верхней» моделью ООН приводит к ВВД в 2060 году и дальнейшему обвалу в XIX век. Ваш любимый политик орёт с трибуны, что в каждой семье надобно шесть детей? То же самое окормляет ваш священник? Пересмотрите ваши предпочтения, а то все шестеро детишек без машины времени попадут в 1850.

• Сценарии №7 и №8 – строить АЭС как строится, а на ВИЭ – забить (сценарий 7 – слегка, 8 – полностью). Ничего хорошего не происходит. Есть шанс опуститься на ВВД в 2058 и далее либо болтаться на уровне 1900-х, либо вообще провалиться в XIX век. Если некто говорит: «Ветряки неэффективны, анти-экологичны, портят вид из моего окна, строить их не надо», потребуйте продолжить фразу. Если субъект произносит: «Вместо ветряков надо делать X», а далее обосновывает, что это за X (АЭС, солнечные, гидро, добыча метан-гидратов…), и какая именно мощность может быть получена, – пациент вменяем, можно лечить вести конструктивную дискуссию. А если пациент зациклен на «просто не надо, мне птичек жалко», без предложения замены, то лучше сразу отдать психиатру.

• Сценарий №5 – то же самое, но для пациентов зелёных (наверно от печени). Если есть обоснованные сомнения в экологической безопасности ядерной энергетики – предлагайте конструктивную замену, а не то случится выход на ВВД в 2063, и придётся там остаться. Планы для Великобритании подробно обсуждались Д.Мак-Кеем в главе 12¹².

Конечно, никто не спорит, что и солнечные панели, и ГЭС, и ядерные реакторы надо применять так, чтобы не было потом мучительно больно™. Примеры разумного и неразумного применения – выше.

У землян есть один беспроигрышный сценарий №3: постараться удержать население ниже «нижней» оценки ООН. Куча преимуществ: и обвал на ВВД не происходит, и в середине XXII века будет жизнь не хуже, чем в конце XX (посередине XXI века – извиняйте, уж как получится). Что немаловажно, это единственный сценарий из тринадцати, который успешно работает в сочетании с неблагоприятным и неподконтрольным людям сценарием №1. То есть пик Хабберта (точнее Пик Всего) неизбежен, но последствия – если не для наших детей, то для правнуков – будут не такие уж суровые. Двойной сценарий считает программа Chapter 16\Model_20_Total_Renewable_3.py

Осталось сравнить нашу оценку с базовой моделью Й.Рандерса из главы 7 (https://github.com/myak555/LIMITS_TO_LIMITS/blob/master/PDF/Ch_07.pdf). Рандерс не учитывал в модели бытовое биотопливо, и мы не будем. Считается общая потребляемая энергия (без поправки за ERoEI). Напомним, что BRISE означает «Бразилия, Россия, Индия и сильные экономики», а ROW – «Остальной Мир»(то бишь экономики «несильные»). Итак, холодное лето 2052:

С вероятностью около 50% в 2050 году 4 миллиардa человек будут жить «примерно» за пределами цивилизации. Неплохо совпала и оценка Д.Мак-Кея для Великобритании: у него получалось для британцев по 2'650 кг на душу в год, у нас для жителей стран ОЭСР – 2'730.

Подведём итоги главы:

• При моделировании добычи следует учитывать не только значение ERoEI, но и характерное время задержки инвестиций. Любое месторождение с момента открытия проходит ряд стадий: принятие решения, подготовка освоения и т.д.

• Рассмотрена модель «Нефтяной шок» из книги Пола Пукайта «Таинственная бочка нефти» (2011-2014). Пукайт использовал для моделирования спада нефтедобычи фильтры («цепочки») Маркова. Нами воспроизведён работающий код на Python, проведены численные эксперименты с использованием «оценки Лагеррера» 2014 года и реальными данными добычи по 2017 год.

• Вслед за П.Пукайтом продемонстрировано, что пик добычи мало зависит от маловероятных открытий в будущем крупных месторождений («чёрных лебедей» в терминологии Н.Талеба), а также перевода в категорию подтверждённых запасов десятков тысяч малых, сверхмалых и карликовых залежей нефти, вне зависимости от года их открытия и формальной «привязки» карликовых к крупным месторождениям.

• Обсуждается качественная модель Чарльза Халла и Кента Клитгаарда о перекачке энергии из ресурсов планеты (и Солнца) сначала в капитал, а затем в потребление. Предпринята попытка численно воспроизвести эту модель. Численная модель учитывает задержку времени между инвестированием энергии и получением энергии в виде энергетического сырья.

• Численная модель показывает, что в любых обоснованных предположениях материальное потребление по тройке «уголь-нефть-газ» на душу населения возвращается к уровню 1930 года примерно к 2060. Абсолютный пик добычи энергетического сырья может при этом варьировать в широких пределах, особенно по времени наступления. Пик добычи энергетических полезных ископаемых не обязательно наступает при добыче примерно половины ресурса. Скорее, пик наступит после добычи ⅔ или ⅗ совокупных извлекаемых запасов угля, нефти и газа, то есть на уровне накопленной добычи порядка 1'000±200 млрд toe; извлекаемые запасы нефти (от 280 до 400 млрд тонн) к тому времени будут выработаны на 85-95%.

• Наступление абсолютного пика добычи нефти или абсолютного пика всех энергоресурсов никак не связано с пиком потребления на душу населения. Последний пик по тройке «уголь-нефть-газ» в большой долей вероятности уже прошёл между 2009 и 2017 годами (наиболее вероятно в 2014 году) на уровне около 1'480 кг эквивалента в год. Следует ожидать снижения уровня жизни в среднем по 2.5% за год; конечно, в некоторых развитых и экономически сильных странах такое снижение будет идти медленнее, за счёт «экспорта проблем» в страны недоразвитые и/или слабые.

• Учитывая «бытовую энергию» (дрова, солому и прочую биомассу) можно грубо оценить «энергетический минимум технологической цивилизации» (staples в терминологии Халла и Клитгаарда) на уровне 500 кг нефтяного эквивалента на душу в год. Потребление энергии в XIX веке оставалось практически постоянным на уровне 650±150 кг.

• Мы рассмотрели модель с учётом возобновляемых источников энергии. Развитие ВИЭ и ЯЭ позволяет растянуть «полочку» потребления уровня «Нового 1930 года» на 20-30 лет, и сгладить остроту кризиса, делая возможным ввод новых источников энергии. Модель получилась существенно менее плавная и несколько более пессимистическая, чем у Йоргена Рандерса.

• На полученной модели качественно протестирована чувствительность к изменению параметров. Во всех сценариях наступает снижение душевого потребления энергии высокой концентрации (включая бытовую) на уровень около 780 кг эквивалента в год.