Два перца и тринадцать шариков. Как обманывают "зелёных".

Внезапно, два Переца, Ричард и Марк (отец и сын, вроде бы) нам предлагают поглядеть весёлую картинку [http://www.asrc.albany.edu/people/faculty/perez/Kit/pdf/a-fundamental-lo....

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. Суммарные запасы природного газа, нефти, урана-235 и каменного угля в земной коре срисованы у «Бритиш Петролеум» [British Petroleum. World Energy Report, 2015.] – 1445 тераватт-лет, то есть, при потреблении 2009 года – хватит на 90 лет. Не надо паниковать, говорят авторы. Видите, сколько мы можем получить от Солнца? 23'000 тераватт ежегодно! А ещё есть же: ветер! Волны! Приливная энергия! Нет проблем.

Энергии на планете Земля – завались! В этой главе очень часто придётся употреблять тераватты и ставить десятки в крутые степени. Начнём рассматривать шарики.

Нам говорят: от приливов, можно получить мощность 0.3 ТВт. Земля вращается вокруг своей оси, делая один оборот за 86'164.1 секунды. От влияния Луны и Солнца, вращение Земли замедляется – приблизительно на 1.6-1.8 миллисекунд каждые сто лет. Кинетическую энергию Земли можно прикинуть по формуле для шара равномерной плотности:

Масса планеты Земля приблизительно 5.972^.·10²⁴ кг, средний радиус 6.371·10⁶ м. Получается огромное число: 2.6·10²⁹ Дж. На самом деле, момент инерции Земли несколько меньше, так как масса сосредоточена вблизи ядра. Более точные подсчеты проведены К. Ламберком и Ф.Д. Стейси в восьмидесятые годы прошлого века: 2.14·10²⁹ Дж. Вычислим мощность:

Замедлению на 1.8 мс за 100 лет, то есть Δt=1.8·10^-5 секунд в год, соответствует ежегодное сокращение кинетической энергии Земли на 8.9·10¹⁹ Дж/год, или мгновенная мощность 2.7±0.1 ТВт. Площадь планеты 5.1·10⁸ км², то есть на квадратный километр поверхности в среднем приходится 0.005 МВт приливной энергии. Здесь и далее, мы будем широко использовать это понятие: единиц энергии на квадратный километр. К несчастью, большинство приливной энергии рассеивается в мантии в виде тепла (это мы рассмотрим ниже). В виде непрерывно бегущей по Земле водяной «горки» остаётся около 10%.

Можно ли собрать все 0.3 TВт? Нельзя! Предположим, что вы подвесили груз массой один килограмм. Какова потенциальная энергия груза? Чтобы не решать зубодробительную задачу с тремя телами, ограничимся одной лишь Луной. Луна притягивает массу, и по формуле Ньютона легко прикинуть создаваемое ею ускорение свободного падения:

Масса Луны 7.348^.·10²² кг, средний радиус орбиты 3.8·10⁸ м. Итого, ускорение 3.4^.·10^-5 м/с² или 3.5^.·10^-5 от земного ускорения свободного падения g. Если опустить Ваш килограмм на один метр, он совершит работу – выделит энергию. Причём, если Луна у Вас над головой, работы будет сделано чуть меньше, а если Луна на противоположной стороне Земли – чуть больше. Разница в произведённой работе – определяет КПД системы:

Оказывается, просто подвесив груз, от приливных сил можно получить впечатляющий КПД: 0.007%. Это, прямо скажем, немного. Но именно поэтому Земля замедляется на 1.8 мс в столетие, а не на секунду в год.

Есть и хорошие новости: в некоторых местах, приливная «горка» морской воды встречается с сушей, и получается – переток. Земля сама концентрирует энергию приливных сил в кинетическую энергию! В некоторых бухтах и устьях рек уровень воды поднимается на десяток метров дважды в сутки. Это не Луна воду поднимает, а кинетическая энергия приливной волны, накопленная на многих тысячах квадратных километров океана! В таких вот местах и можно строить приливные электростанции, как показано на картинке. Утёнок – шутка, но не выдумка. Огромного резинового утёнка запустили в 2009 году. Безумству «зелёных» нет предела.²

Водяные мельницы на приливной энергии строили ещё римляне. На сегодняшний день успехи приливной энергетики – не особенно впечатляют. В мире есть полтора десятка мелких и экспериментальных станций и только две – крупные коммерческие: Ранце во Франции (с 1966 года) и Озеро Сихва в Южной Корее (введена в строй в 2011 году). Суммарное производство приливной электроэнергии в мире – 1100 ГВт·ч/год, что соответствует средней мощности 1.25·10^-4 ТВт. В Южной Корее строят огромную приливную станцию в районе аэропорта Инчеон. Вроде бы ввод в строй намечается в 2017 году, и тогда мировое производство приливной электроэнергии – сразу утроится. Ещё строит Великобритания в заливе Сванси Бэй – примерно размером с Ранце или Сихва. Пока построено менее 10% огромной плотины, когда введут в строй – неизвестно. Все остальные крупные проекты – фантазии художников.

Однако, термодинамика – штука неумолимая. Если облепить все моря-океаны турбинами, как показано на врезке, с фантастическим КПД 33%, с планеты Земля удастся получить не более 0.1 ТВт. На приливной энергетике мы так подробно остановились, чтобы показать технологию обмана перцев. Число 0.3 ТВт – правильное, но это ВСЯ энергия – без учёта КПД и технической осуществимости миллиардов подводных турбин.

Продолжим по нашим шарикам. Следите за руками.

Второй практически вечный источник энергии на Земле – естественный радиоактивный распад. Радиоактивные вещества представлены главным образом двумя изотопами урана (235 и 238), торием-232 и калием-40, остальные, навроде радия, являются короткоживущими продуктами распада главной четвёрки, и учитываются в общей энергии распада (энергией улетающих в космос нейтрино пренебрегаем). Концентрации изотопов на Земле известны достаточно хорошо, как и время полураспада. Сколько именно килограммов распадается в год, подсчитаем по формуле:

Выделение энергии при естественном распаде приведено в таблице ниже.

Изотоп	Масса на Земле в настоящее время, кг	Естественный распад в год, кг	Энергия при полном распаде 1кг, Дж	Энергия естественного распада в год, Дж	Тепловая мощность, ТВт
238U	1.2·1019	1.8·109	2.1·1011	3.9·1020	12.2
235U	8.6·1016	8.5·107	8.7·1011	0.7·1020	2.3
232Тh	5.4·1019	2.7·109	1.8·1011	4.7·1020	14.9
40K	1.8·1019	9.7·109	3.2·1010	3.1·1020	9.9
Всего:	12.4·1020	39±10

 

Последний миллиард лет, Земля потихоньку отдаёт через поверхность приблизительно 47±2 ТВт [Dye, S. T. (2012). Geoneutrinos and the radioactive power of the Earth. Reviews of Geophysics, 50(3)]. Таков внутренний баланс энергии: от радиоактивного распада и приливных сил³ получаем 41±10, а отдаём 47±2. То есть, в настоящую геологическую эпоху изнутри Земля может либо немножко нагреваться, либо, что более вероятно, – слегка остывать. В любом случае, планетка продолжит отдавать через поверхность примерно 47 ТВт ещё миллиард лет и более, и особо волноваться по этому поводу не стоит.

Площадь планеты 5.1·10⁸ км², то есть квадратный километр поверхности в среднем греет снизу 0.092 МВт тепловой энергии. Если бы тепло выделялось равномерно по всей поверхности, тоже было бы очень грустно. К счастью, земная кора – не одинакова, и некоторые места, например, Исландия или Камчатка – отдают тепло куда быстрее. Именно там и можно использовать геотермальную энергию. По данным «British Petroleum», в 2014 году планета Земля дала человечеству целых 0.0126 ТВт электро-тепловой⁴ мощности, причём лидирует не Исландия, а вулканические Индонезия и Филиппины.

Если по всей планете (включая океаны) пробурить сетку геотермальных скважин с шагом около 200 метров и аккуратно отбирать тепловую энергию, сколько тепла можно получить? Посчитаем КПД системы при использовании в качестве теплоносителя – воды. Как глубоко придётся бурить? В разных местах – по разному. В Индонезии и на Камчатке можно найти участки, где порода имеет более 100°Ц прямо на поверхности. В большинстве мест, однако, геотермальный градиент порядка 3°Ц на 100 м, то есть глубина скважин должна быть порядка 4 км. Средняя температура поверхности Земли 14°Ц или 287°К. Жить как на Венере (средняя по больнице 460°Ц) или как на Марсе (-40°Ц) – нам почему-то не хочется, значит, менять не будем. Вода кипит при 100°Ц, но можно увеличить, подняв давление. Итого, максимальный тепловой КПД:

Больше 12 ТВт мощности из геотермальной энергии никак не выжать, даже в фантастическом предположении о бурении скважин каждые 200 м, включая океаническое дно. Если же моря-океаны из программы бурения исключить, а бурить геотермальные лишь на суше (с Гималаями и Антарктикой) – получится всего 3.6 ТВт. Конечно, геотермальные скважины через каждые 200 м никто бурить не будет, а геотермалка так и останется уделом счастливых обладателей аномалий: от Исландии до Филиппин. Вероятно, минимальная оценка Перецев: 0.3 ТВт – несколько оптимистична.

Теперь поглядим, что в среднем греет сверху. Кроме Солнца, других серьёзных источников не наблюдается. Желающие могут на досуге посчитать количество солнечной радиации, отражаемое к нам Луной, а также тепло далёких звёзд.

Число, которым любят бросаться любители солнечной энергетики: w_s = 1.3615 кВт на квадратный метр. Именно столько даёт нам в виде излучения Солнце на радиусе земной орбиты. По формуле:

Считая радиус планеты 6371 км, на всю Землю приходится 173'000 ТВт, а на квадратный километр поверхности – в среднем ¼ w_s, или 340.4 МВт энергии⁵. Выходит, радиоактивный распад и приливные силы мы считали совершенно зря, потому как в энергетическом балансе планеты они занимают жалкие 0.03%, и их можно не учитывать.

Однако, если на квадратный километр попадает 340 МВт, это не значит, что все эти мегаватты можно прямиком послать в розетку. Максимальный перепад температур на Земле от -91°Ц (182°К) зимой в Антарктиде до +56°Ц (329°К) летом в Сахаре. Предельный КПД термодинамической системы легко вычислить по формуле:

Рассмотрим энергетический баланс Земли по версии NASA. Существуют и другие картинки, где циферки отличаются от этих на пару процентов, неважно.

От облаков и атмосферы отражается 77.0 МВт и примерно 77.1 – поглощается в верхних слоях атмосферы и переизлучается в виде тепловой радиации. Ещё 22.9 МВт – отражается от поверхности. Итого, 52% лучистой энергии Солнца покидает окрестности Земли через миллисекунды после прибытия, так и не начав работать на человечество. Это на самом деле очень хорошо: атмосфера отражает или задерживает/переизлучает не только свет и тепло, но и вредные высокочастотные части солнечного спектра: рентген и ультрафиолет.

Можно ли увеличить предельный КПД планеты Земля? Конечно, можно. Для начала, посыпаем всю сушу угольной пылью, а океаны – заполняем зачернёнными пенопластовыми шариками. Двадцать два МВт получим дополнительно, а предельный КПД увеличится до 55%. В Антарктиде зимой – слегка потеплеет: -60°Ц. Зато летом в Сахаре можно кипятить воду: ровно сто Цельсия.

Много ещё чего хорошего придумать можно. Разбрасывать с самолётов какую-нибудь химию – разгонять облака. Тогда на дневной стороне станет теплее, а на ночной – холоднее. Вот вам и прибавка к КПД. Ах, если ещё и атмосферу убрать! Закачать весь воздух в баллоны! Жить, конечно, придётся в подземных убежищах, так как на поверхности условия станут лунными: температура на экваторе днём +110°Ц, ночью -140°Ц, ну и про рентгены и ультрафиолет забывать не будем.

Может, не надо экспериментов? Во-первых, не знаю как вам, а мне в «Метро-2033» почему-то не хочется. Во-вторых, если на Земле не станет атмосферы, большая часть нашей естественной всепланетной энергетической машины – поломается.

Итак, на квадратный километр прилетело 340.4 МВт, 52% тут же умчалось обратно в космос. 18.4 МВт – превращаются в восходящие потоки воздуха. 86.4 МВт – уходит на испарение. Именно эти 104.8 МВт – выполняют основную работу. Вода выпадает где-то в виде дождя, собирается в ручейки и реки и куда-то течёт. Дует ветер. Разрушаются скалы, собирая золотишко в россыпные месторождения. И так далее.

А как же биомасса? На картинке она тоже есть: в среднем по планете, 0.6 МВт/км² – оседают в виде глюкозы, крахмала, белков, костной ткани, коралловых рифов, и так далее. Эти мегаватты могут использоваться позже: иногда на полгода (мышка в норке хряпает собранный летом урожай), иногда – на сотни миллионов лет (шахтёр в забое рубит уголёк). А могут и не использоваться: что в коралле, то пропалло – извините за каламбур.

К сожалению, биологические процессы утилизации солнечной энергии не очень-то эффективны. Природа – не двигатель внутреннего сгорания, а в лучшем случае – паровоз. Большинство зелёных растений имеет КПД по процессу «солнечный свет в сахар» – менее 1%. Изрядное исключение – сахарный тростник. Растение-паразит научилось сосать из почвы все соки, зато добилось умопомрачительного КПД – до 6%. Собственно, оттого этот тростник и называется сахарным! По крахмалу соотношение примерно как у сахара (топинамбур лидирует), а вот по аминокислотам и белкам – менее 0.1%.

Тут мы глядим на огромный жёлтый шар: 23'000 ТВт = 23·10¹⁵ Вт Итак, на квадратный километр в среднем прилетело 340 МВт, из них 150 тут же отразилось от атмосферы, осталось 190. При фантастическом КПД солнечной батареи 30%, чтобы получить 23'000 ТВт, нам понадобится 23·10⁹ / 190 / 0.3 = 4·10⁸ км² солнечных панелей. Вся площадь планеты Земля (с океанами) – 5.1·10⁸ км². Натурально, полюса солнечными батареями обкладывать не будем. Как-то так.

На деле, в 2014 году в мире выработано 185.9 ТВт·ч солнечной электроэнергии, то есть мизерные 0.021 ТВт. В «солнечной» Германии на душу населения выработано 430 кВт·ч, в реально солнечных Испании и Австралии –290 и 190 кВт·ч соотвественно. Если 7.2 миллиарда землян могли повесить солнечные батареи на каждую крышу, как в Германии, общее производство электроэнергии перевалило бы за 3000 ТВт·ч в год, то есть мощность 0.34 ТВт. Про снег, короткие полярные ночи и элементарное воровство обсуждать не будем, однако согласимся, что 0.34 ТВт с крыш – это не 23'000 ТВт с картинки наших перцев. Сколько нужно солнечных панелей, чтобы обеспечить каждому землянину комфортабельные 2 кВт электрической мощности? При КПД 30% – 2'000/190/0.3 = 35 квадратных метров. Большинство землян не могут позволить себе минимальные пять квадратов шифера над головой, а вы хотите – солнечные батареи?

«Ветер, ветер, ты могуч, ты гоняешь стаи туч, ты волнуешь сине море, всюду реешь на просторе, не боишься никого, кроме Перца моего…» На производство ветра и волн расходуется 18.4 МВт на квадратный километр, или по всей Земле 9'400ТВт. Вот бы захомутать всю эту энергию! Всю – не получится. Даже если обставить всю планету (включая океаны) – ветряками, а на дирижаблях поднять огромные пропеллеры в стратосферу – следует учитывать КПД. Сто процентов КПД – это остановить движение атмосферы от слова совсем.

Перецы заявляют: можно добыть 25-75 ТВт. Отлично. Посчитаем. В 2014 выработано по всему миру 706.2 ТВт·ч, то есть мощность 0.08 ТВт. Самая ветряная страна мира, Германия (а не Голландия, как вы подумали) – застроила всю территорию (357 тыс км²) – ветряками, потратив невероятное количество Евро и получив в 2014 году 56 ТВт·ч. Если распространить практику Германии по всей суше планеты, получится 2.6 ТВт. А если ещё в океане поставить башни через равные интервалы, да на них ветряки – целых 9.1 ТВт выйдет.

А сколько нам надо, чтобы получить 25 ТВт? Ветряк «Vestas V164» имеет высоту 220 м при размахе крыльев 164 м и электрической мощности 8 МВт. Конечно, на полной мощности штучка работает от силы 10% времени, значит в среднем 1 МВт. Какую площадь занимает ветряк? Сама башня – около 100 м². Жить в полукилометре не рекомендуется: лопасти, как дятел, продолбят вам виртуальную дырку в думалке. Прикиньте, Вы ночью пытаетесь заснуть, а стёкла дрожат: вушь… вушь… вушь… Однако, площадь вполне можно использовать под сельское хозяйство (что и делается в Германии). Для того, чтобы обеспечить 25 ТВт мощности, как на весёлой картинке у перцев, потребуется двадцать пять миллионов башен «Vestas V164». На деревню с населением 288 человек – одна башня.

 

Вот великолепный шарик: гидроэнергетика. Построим на каждом ручейке – по электростанции. Падающий с неба дождик – улавливать и превращать в полезную энергию. Каждую секунду, солнышко испаряет и переносит 16 млн тонн воды, затрачивая на это дело 44'000 ТВт мощности. Правда, большая часть осадков падает обратно, откуда испарилось. Суммарный сток с континентов в океаны 40'000 млрд тонн в год – 1.26 млн тонн в секунду. Средняя высота континентов – 840 метров над уровнем моря. Гидроэнергия стока огромна: 1.26·10⁹·9.81·840=10.4 ТВт.

Перецы нарисовали нам 3-4 ТВт, то есть суммарный КПД гидростанций – 30-40%. Реально – плотина на каждой луже. В реальном мире в 2014 выработано, по данным «BP» 3884.6 ТВт·ч, то есть мощность 0.44 ТВт. Безусловно, потенциал у гидроэнергетики ещё есть, так как Амазонку пока плотинами перегородили недостаточно. Если выжать все осадки суши до последней капельки, можно, наверное, получить и 1-1.5 ТВт, но вряд ли больше.

Тепловая энергия океанов – OTЕC. Масса океанов – 1.35·10²¹ кг, а для нагрева килограмма воды на один градус Цельсия требуется 4120 Дж. Вообще, неплохая идея – опустить на глубину несколько километров холодильники, на поверхности – нагреватель. Аммиак или что-то вроде – в качестве теплоносителя. Если вы на острове, можно и просто качать из глубины холодную воду и использовать в домашних кондиционерах – экономим электроэнергию. Допустим, мы решились опутать весь океан трубами и поднимать среднюю температуру на один градус за сто лет. За год нельзя никак, а то океан закипит. Как там будут рыбы себя чувствовать – неважно. Итого, каждую секунду можно перекачивать 1.35·10²¹· 4120 / 100 / 365 / 24 / 3600 = 1760 ТДж, то есть мощность 1760 ТВт. А КПД? Средняя температура по больнице, как указывалось выше, 287°К, а максимальный перепад температур – около 10 градусов.

 

Больше 60 ТВт никак не выжать. И для этого потребуется совсем немного теплоносителя. Удельная теплота парообразования аммиака – 1370 кДж/кг. Каждую секунду наши компрессоры должны перекачивать «всего» 1.3 млн тонн. Для сравнения, годовое производство аммиака на Земле в 2010 году – 131 млн тонн. Какой там реально будет КПД на многокилометровых трубах? Сколько миллиардов километров труб и теплообменников понадобится? Я полагаю, вопросы риторические. По-любому, плотность полезной энергии несильно отличается от геотермальной: там 0.092 МВт/км² всей планеты, а у OTEC – 0.168 Мвт/км², но только океанов.

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.

Вид энергии	Потребление в 2014 году	Эквивалент солнечной мощности
Ископаемое углеродное сырьё (нефть, газ, уголь, торф)	11'262 млн т нефт. экв.	14.60 ТВт
Ядерная энергия6	2'536.8 ТВт·ч (электрич.)	0.96 ТВт
Возобновляемые «солнечные»: солнечная, ветряная, гидро, сжигание биомассы	6'685.8 ТВт·ч (электрич.)	2.54 ТВт
Возобновляемые «земные»: геотермальная и приливная	110 ТВт·ч (электрич.)	0.02 ТВт
ИТОГО «технологической энергии»:	Около 18 ТВт
Пресная вода7	4'250 млрд м3	375 ТВт
Продукция сельского хозяйства и рыболовства	Не менее 13.96 млн км2 обрабатываемых сельхозугодий	Более 8.50 ТВт, вероятно до 35 ТВт
ИТОГО в виде пресной воды и продовольствия:	Более 382 ТВт
ВСЕГО:	Более 400 ТВт

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:

Вид энергии	В статье у Перецев	Теоретическая максимальная	Практически осуществимая	Реальная, 2014 г
Приливная	0.3 ТВт	0.1 ТВт	1.25·10-2 ТВт	1.25·10-4 ТВт
Геотермальная	0.3-2 ТВт	3.6 ТВт	1.00·10-1 ТВт	1.26·10-2 ТВт
OTEC	3-4 ТВт	0.1 ТВт	1.00·10-6 ТВт	Нет
Гидроэнергия	3-11 ТВт	4.0 ТВт	1.50 ТВт	4.40·10-1 ТВт
Ветро-волновая	25.2-72 ТВт	9.1 ТВт	2.60 ТВт	8.00·10-2 ТВт
Солнечная (электро)	23'000 ТВт	30 ТВт	3.40·10-1 ТВт	2.10·10-2 ТВт
ИТОГО	23'090 ТВт	46.9 ТВт	4.6 ТВт	0.6 ТВт
ИТОГО, %	49230%	100%	10%	1%

 

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.