Книга: Мир на пике – Мир в пике - Алексей Анпилогов

По большей части, книга написана на основе отобранных и глубоко переработанных материалов с сайта автора. Книга, надо сказать, довольно специфическая - несмотря на богатое содержание, изложено оно довольно хаотично. Автор либо не планировал систематически изложить свои взгляды на энергетику, геополитику и эволюцию, либо просто не умеет этого делать. Даже внутри одной главы мысль часто скачет с одной темы на другую, так что после прочтения не удаётся сформировать представление о наиболее важных тезисах книги и о том, как каждый из тезисов опирается на утверждённый ранее. Несмотря на эту хаотичность, книга значительно повлияла на мои представления о логике развития современного человеческого общества.

К сожалению, из-за хаотичности изложения, мне не удалось написать сколь-нибудь осмысленный отзыв о ней сразу после прочтения в марте этого года. Однако недавно я прочитал ещё несколько книг, которые дополнили общую картину, и побудили меня вернуться к этой книге, составить для себя небольшой конспект и попытаться сформировать логически целостную картину мыслей, изложенных в книге.

Человеческая популяция (и популяция одомашненных им животных) существенно (примерно на 5 порядков) превосходит популяции животных сравнимой массы тела в естественных природных условиях. Численность природных популяций ограничена по понятным причинам: каждый вид животных занимает в пищевой пирамиде определённый уровень, который опирается на энергию, добытую животными нижестоящих уровней. Нижний уровень опирается на солнечную энергию. Секрет человеческой популяции, каким бы он ни был, заключается в более эффективном использовании доступной ему энергии. Человек использует в пищу либо растения, либо травоядных животных, тем самым снижая до минимума количество уровней в пищевой пирамиде. При выращивании растений используются удобрения, в процессе создания которых используется ископаемое топливо. Энергоэффективность в данном случае будет правильным считать как EROI - energy return on (energy) invested - отношение полученной энергии к затраченной. При переходе от охоты и собирательства к сельскому хозяйству и животноводству EROI для человечества упал, т.к. энергия стала тратиться на посев, выращивание, уход, а не только на сбор урожая и забой уже откормленного животного, но зато выросло основание пирамиды - она стала более устойчивой.

Таким образом, по критерию аномальной численности популяции в природе, человек является абсолютным хищником. Абсолютный хищник употребляет в пищу растения и других животных, но не является пищей ни для одного другого вида хищных животных. В прошлом на Земле были примеры абсолютных хищников, которые неизменно уступали своё место другим. Это и одноклеточные циклопы, и стрекозы, и динозавры. Абсолютный хищник находит источник энергии с наибольшим EROI и эволюционирует таким образом, что теряет возможность использовать какие-либо другие источники энергии.

Абсолютный хищник пожирает всех, но сам добычей ни для кого не является. Не встречая достойного сопротивления, он заселяет всю доступную территорию, размножаясь экспоненциальными темпами. Остановить его может только отсутствие пищи, которую он пожирает. Экспоненциальный рост потребления в условиях ограниченных ресурсов неизбежно превращается в логистическую кривую или S-образную кривую. Вначале добыча ресурса обходится довольно дёшево, потом, по мере накопления опыта или совершенствования технологий, как правило, ресурс обходится ещё дешевле, но по мере приближения к моменту исчерпания стоимость его добычи начинает расти. Совершенствованием технологий добычи и снижением потребления можно оттянуть момент, когда добыча ресурса становится нерентабельной, но избежать этого момента нельзя. Как правило, к моменту, когда привычный ресурс становится добывать нерентабельно, рентабельными становятся другие ресурсы.

Тот, кто начал осваивать перспективный ресурс до исчерпания прежнего, становится новым абсолютным хищником. Остальные хищники, лишённые доступа к этому источнику энергии, начинают эволюционировать, приспосабливаясь к употреблению других источников энергии, не интересующих абсолютного хищника. В течение долгого времени абсолютные хищники могут доминировать, даже не замечая появления претендентов на звание нового абсолютного хищника. Они существуют в двух независимых нишах, никак не мешая друг другу. Такое статус-кво может сохраняться в течение долгого времени до изменения в среде существования этих двух видов. В качестве примера приводятся динозавры и млекопитающие. Первые питались листьями и плодами деревьев, вторые - травой и семечками. Динозавры практически не замечали млекопитающих и сосуществовали с ними в течение как минимум 100 миллионов лет. Когда же условия изменились, динозавры вымерли и уступили своё место млекопитающим. Не столь важно что именно послужило спусковым крючком для этого - падение метеорита, ледниковый период, уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Переключателем мог быть любой фактор, который сдвинул равновесие, находящееся близ точки бифуркации.

Книга на самом деле вовсе не о том, что люди рано или поздно уступят своё место другому виду. Нет, автор приводит эту аналогию применительно к странам, доминирующим на геополитической арене. Доминирование Англии базировалось на энергии угля, доминирование США базируется на энергии нефти. Нефть оказалась более удобным и эффективным энергоносителем: её удобно добывать, делить на порции, транспортировать и употреблять. Поэтому нефть вытеснила уголь ещё до того, как был достигнут пик добычи угля. Но и уголь и нефть - ресурсы конечные. А так как нефть более удобна для употребления, закончится она раньше угля.

Американский учёный Кинг Хабберт на основании динамики открытия новых месторождений предсказал, что пик добычи нефти в США придётся на 1970-е годы. Его предсказание сбылось, рекордным годом добычи нефти в США стал 1971 год. Если применить ту же методику ко всему миру и к основным ископаемым энергоносителям - нефти, газу и углю, то получится, что пик комбинированной добычи придётся на 2020 год. Вклад альтернативных энергоносителей и возобновляемых источников энергии в общий энергобаланс составляет около 15%. В ближайшее время мы будем свидетелями повышения цен на энергию, которое особенно сильно ударит по лидерам её потребления.

В 1930 году EROI нефти составлял 100:1 и более, в 1950 году составлял 100:1, в 1970 году составлял около 30:1, в 2000 году - от 10:1 до 20:1. EROI атомной энергии сейчас составляет от 8:1 до 15:1, что довольно близко к нынешнему EROI нефти. Минимальнй EROI топлива, возможного к использованию в рамках современного технологичного общества, составляет по разным оценкам от 3:1 до 4:1, т.к. кроме добычи топлива требуется ещё выполнять ряд операций по его доставке до потребителя. Грубо говоря, дрова выгодны, когда их можно нарубить в лесу недалеко от дома для обогрева одного дома. Для обогрева многоквартирного дома везти дрова из тайги, а потом ещё собирать и транспортировать золу для переработки, уже будет не выгодно. Чем же можно заменить нефть?

На странице 136 имеется диаграмма, на которой по одной оси отображены относительная энергоёмкость различных видов топлива в пересчёте на объём, а по другой - в пересчёте на массу. Более удобным топливом, обладающим большей энергоёмкостью на единицу объёма и такой же энергоёмкостью на единицу массы, является только дизельное топливо. Сжатый пропан, по сравнению с бензином, обладает меньшей энергоёмкостью на единицу объёма и такой же энергоёмкостью на единицу массы. Все остальные виды топлива требуют больше места и объёма, чем бензин. Энергоёмкость электрических аккумуляторов скромно расположилась в уголке рядом с нулём - аккумуляторы занимают гораздо больше места и весят гораздо больше, чем бензин, заключающий в себе такое же количество энергии. Поэтому электромобили в обозримом будущем не смогут конкурировать с автомобилями, работающими на горючем топливе, а наиболее вероятным конкурентом для бензина скоро станет пропан. Собственно, это уже хорошо заметно, если обратить внимание на то, что большинство автобусов уже сейчас переоборудованы на использование пропана. Пока же нефтяные динозавры стараются выжать досуха привычный для них источник энергии - нефть, возлагая большие надежды на сланцевую нефть и битумозные пески.

Традиционная нефть залегает в пластах песчаника или известняка. Нефть через скважину из породы не вытягивают, а только лишь поднимают на поверхность. В скважину нефть поступает естественным путём, в том темпе какой позволяет давление внутри пласта. Давление это со временем падает, т.к. создаётся в том числе и весом нефти, залегающей выше. Чтобы обеспечить нужный темп поступления нефти, на месторождении бурят множество скважин с определённым шагом, покрывая поле месторождения сеткой скважин. Когда давление падает настолько, что нефть перестаёт поступать в скважину, скважина считается высохшей.

Колоколообразная кривая добычи нефти, которую описал Хабберт, формируется двумя плечами - левым и правым. Левое плечо формируется бурением новых скважин на нефтяном поле, правое формируется процессом убывающей отдачи от скважин. Для увеличения отдачи применяют различные приёмы. Например - обводнение пласта, при котором в пласт закачивают воду через водонапорные скважины. Когда из скважины начинает добываться около 90-99% воды, скважине дают "отдохнуть" или применяют более агрессивные методы добычи. Например, закачивают углекислый газ или поджигают нефть внутри пласта, чтобы в ней образовался углекислый газ. Углекислый газ впитывается в нефть, способствуя образованию более крупных капель и увеличивая её текучесть. Другие методы - горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта. Горизонтальное бурение увеличивает площадь поверхности, через которую нефть просачивается в ствол. Гидроразрыв пласта можно выполнять различными методами: закачкой газа под давлением, взрывчатыми веществами или даже тактическими ядреными зарядами, однако в большинстве случаев используют воду с химическими веществами.

В последнее время в нефть стали добавлять газовый конденсат, добываемый вместе с попутным газом. Сланцевая нефть, добываемая из менее проницаемых для нефти пород, тоже по качеству не является полным аналогом традиционной нефти. EROI сланцевой нефти составляет около 5:1, поэтому надолго не хватит и её. Битумозные пески нефтью же не являются вообще. Для отделения битума от песка и превращения его во что-то пригодное для употребления, нужно отпаривать его и перерабатывать, на что требуется дополнительная энергия. В итоге EROI битумозных песков составляет что-то около 3:1, что находится на грани рентабельности.

США плотно завязаны на использование нефти: у большинства американцев есть собственный автомобиль и дом, в который он добирается на автомобиле. Общественный транспорт и многоквартирные в США не в почёте. Трудно представить себе американца, передвигающегося на общественном транспорте. Именно поэтому в США освоения новых источников энергии практически не ведётся. Американская городская агломерация Даллас-Форт Ворс насчитывает 1213 тыс. жителей занимает площадь, на порядок большую площади Москвы, где только по официальным данным проживает 12 миллионов жителей. США являются нетто-импортёрами нефти, то есть ввозят больше нефти, чем вывозят.

Мир в целом испытывает жесточайший дефицит не только энергии, но и пресной воды. 60% мировых запасов пресной воды обладают Бразилия, Россия, Китай, Канада, Индонезия, США, Индия, Колумбия и Конго. Вода употребляется не столько для питья, сколько для ведения сельского хозяйства: на 1 килограмм пищи нужно потратить 1-3 тонны воды. Там, где недостаточно поверхностных вод, зачастую прибегают к использованию подземных вод. Однако подземные воды, как правило, потребляются быстрее, чем успевают восстанавливаться. Кроме того, из-за интенсивного потребления грунтовых вод, понижается высота поверхности почвы: Джакарта - 10 сантиметров в год, Бандунг и Семранг - 5-7 сантиметров в год, Шанхай - 10 миллиметров в год. В некоторых районах столицы Мексики - Мехико - усадка грунта с конца 19 века достигла 13 метров. Не стоит возлагать больших надежд на ГМО, т.к. лучшие сорта ГМО по урожайности, как правило, соответствуют лучшим селекционным сортам. Спектр потребления электроэнергии составляет от 12000 кВт-ч на человека в год в самых богатых странах и 78 кВт-ч в год - в самых бедных, с учётом электроэнергии, потребляемой промышленностью.

Во время предстоящего кризиса, вызванного недостатком нефти, можно будет наблюдать обособление экономик, "всплытие реликтов" - возврат к использованию устаревших, малоэффективных источников энергии. У экономик, подмявших под себя всю удобную к употреблению энергию - энергию нефти - нет стимула развиваться, зато такой стимул есть у периферийных экономик, которые испытывают постоянный энергетический голод и потому вынуждены искать перспективные источники энергии. Некоторые страны уже сейчас вынуждены использовать энергию угля - это и есть "всплытие реликтов". Например, это Китай, пик добычи угля в котором предсказывается на 2020-2025 годы. За Китаем в добыче угля лидируют США, Индия, Австралия и Индонезия. Среди передовых и развивающихся стран картина распределения экспорта и импорта энергии выглядит следующим образом: импортёрами углеводородов являются США, Япония, Германия, Италия, Франция, экспортёрами - Ближний Восток, Россия, Китай, Норвегия, Северная Африка, Австралия.

Солнечная энергия на роль нового главенствующего источника энергии не годится, т.к. имеет ограничение сверху около 1,3 кВт/м2 - столько энергии на каждый квадратный метр поверхности приходится на орбите Земли. Ближе к полюсам Земли эта энергия рассеивается под углом на ещё большую площадь, а ближе к экватору снижается КПД солнечных элементов, т.к. их КПД зависит от температуры окружающей среды - нагретый солнечный элемент имеет более низкий КПД. Кроме того, солнечная энергия имеет суточные режимы генерации. Касательно ветроэнергетики ситуация ещё безрадостнее - наиболее перспективные для ветрогенерации участки уже застроены.

Ближайшим перспективным энергоносителем после нефти станет газ. Наиболее дешёвым способом доставки грузов является доставка по воде. Рынок нефти потому является глобальным, что нефть удобна для транспортировки и, будучи добытой в любом месте, может быть и продана в любом другом с довольно незначительной наценкой за транспортировку. С газом всё по-другому. Глобального рынка газа не существует, существуют региональные рынки, формирующиеся вокруг основных поставщиков. В Европейском регионе это Россия, Норвегия, Голландия. Чем дальше потребитель находится от поставщика, тем по более высокой цене достаётся газ, потому что газ от месторождения до места потребления нужно транспортировать. Транспортировка осуществляется одним из двух способов - по трубопроводам и перевозкой по морю в сжиженном виде. Сжижение газа - процедура не простая и не дешёвая, поэтому потребители сжиженного газа покупают его не из-за его дешевизны, а из-за отсутствия поставщиков, которые могли бы поставлять газ по газопроводу, либо из-за высокой протяжённости газопроводов, при которой издержки на работу компрессорных станций становятся сравнимыми с издержками, необходимыми на сжижение, перевозку и регазификацию сжиженного газа. Газовозы, доставляющие сжиженный природный газ по морю, во время перевозки сами потребляют газ на то, чтобы поддерживать газ в сжиженном состоянии. Поэтому газовоз, в отличие от нефтяного танкера, нельзя держать загруженным до тех пор, пока не найдётся покупатель. Поэтому добыча и поставки газа происходят с планированием в будущее: для постройки газопроводов, постройки терминалов для приёма сжиженного газа, необходима уверенность в их длительной эксплуатации, которая окупит издержки на строительство.

Геополитическая доктрина Маккиндера, опиравшаяся на дешевизну доставки товаров морем, предписывала Англии разъединять регионы Евразии на изолированные части и выступать посредником в торговле между ними. Страны Евразии обладают заведомо большей экономической мощью, чем страны удалённых от неё континентов, поскольку сосредотачивают на своей территории большинство ресурсов - ископаемых, природных, человеческих. Страны Евразии относятся к группе сухопутных держав, поскольку для достижения собственного экономического могущества им не нужен доступ к морю - достаточно наладить сотрудничество с другими сухопутными странами. Страны других континентов относятся к группе морских держав. Единственный способ достичь собственного экономического могущества для морских держав заключается в том, чтобы подавить другие морские державы и разъединить сухопутные державы, осуществляя функции посредника монопольно. Именно этим и занимаются США.

Сжиженный природный газ является важнейшим товаром, доставка которого морем уже не столь очевидно дёшева, как доставка сухопутным путём, через газопроводы. В мире намечается закат морских держав. Сжиженный природный газ из США находится на глобальной периферии и не может конкурировать на региональных рынках Евразии, а посредничество при перевозке газа морем уже не столь дёшево, чтобы отменить экономический смысл постройки газопроводов. И если раньше для объединения Евразии не было особых экономических предпосылок, то теперь они появляются. США, до сих пор выполнявшая функции выгодного посредника при перевозке грузов морем, теперь теряет это преимущество и, в попытках сохранить доминирование, пытается приложить все силы для установления внеэкономических барьеров между странами Евразии.

В дальнейшей перспективе на смену нефти и газу придёт атомная энергия. В военном ядерном клубе состоят США, Россия, Франция, Китай, Великобритания, Индия и Пакистан. По состоянию на 2011 год по запасам урана лидируют Австралия - 31% мировых запасов, Казахстан - 12%, Канада - 9% и Россия - 8,9%. Разведанные ранее неретнабельные запасы запасы урана становятся рентабельными по мере развития технологий обогащения. В природном уране всего 0,71% составляет изотоп урана-235. Для использования в качестве топлива для АЭС уран обогащают до 5% изотопа урана-235. По расчётам, запасов урана для АЭС, работающих на таком обогащённом уране, должно хватить до 2050 года.

В изотопном ядерном клубе стран, имеющих технологии обогащения урана, состоят Аргентина, Бразилия, Великобритания, Германия, Израиль, Индия, Иран, Китай, Нидерланды, Северная Корея, Пакистан, Россия, США, Франция, Япония. Совместное предприятие с Францией имеют Бельгия, Италия и Испания. Израиль и Северная Корея имеют военные программы. Аргентина, Бразилия и Иран используют свои технологии в мирных целях. Германия и Япония отказываются от генерации энергии на атомных электростанциях. На Россию приходится 40% мировых мощностей по обогащению, на США - 20%, на Францию - 15%, на долю Германии, Великобритании и Бельгии - около 23%. Япония и Южная Корея топливо для своих АЭС закупают у других стран. США обладают лишь технологией газодиффузионного обогащения, которое, по сравнению с центрифужным обогащением, энергетически более затратно в 25-30 раз. EROI газодиффузионного обогащения применительно к топливу для АЭС составляет 14:1. При использовании центрифуг новейшего поколения этот показатель составляет 500:1.

В США попытки создать собственные центрифуги для обогащения топлива успехом не увенчались. Изначально ядерная программа США была нацелена только на военное применение. Военные денег не жалели, их интересовала только скорость изготовления бомб. Поэтому изначально в США технологии обогащения урана не развивались. В СССР картина была в общем похожей, но во-первых, СССР испытывал дефицит электроэнергии, поэтому вынужден был совершенствовать технологии обогащения урана, а во-вторых, ещё при Сталине был дан зелёный свет гражданским атомным электростанциям. Ещё до аварии на АЭС на Трёхмильном Острове в США снизилась востребованность в лицензиях на строительство АЭС, т.к. обогащение урана стоило дорого и для производства топлива в темпах, необходимых для загрузки АЭС, уже не хватало. После аварии США в течение около 30 лет не занимались ядерной энергетикой вообще, в результате чего потеряли время и ещё значительнее отстали в ядерных технологиях от СССР и России. После 1985 года США получали обогащённый уран из высокообогащённого военного урана от России по программе ВОУ-НОУ. США поставляли уран из своих боеголовок для их переработки в топливо для АЭС в рамках программы ядерного разоружения. Это ещё одна из причин, по которой в США не была создана собственная технология центрифужного обогащения урана.

В 2020-2030 годах мировой атомной энергетике потребуется чем-то заменить мощности большинства АЭС, у которых к этому времени закончится срок службы в 40-50 лет. Построить нужно около 192 реакторов, но строительство почти не ведётся. Тем не менее, в настоящее время уже ведётся пока не бросающаяся в глаза борьба за уран. США и Россия через цепочки владения компаниями, добывающими уран, ведут борьбу за доступ к месторождениям. Однако, для развития атомной промышленности имеются резервы, не столь очевидные, как доступ к месторождениям урана и более эффективные технологии обогащения.

В США обеднённый уран, оставшийся после обогащения по изотопу 235, то есть уран, состоящий преимущественно из изотопа 238, используют для изготовления сердечников боеприпасов. В России обеднённый уран складируют в виде гексафторида урана. Есть ли смысл складировать обеднённый уран? Оказывается - есть. Уран-238 можно использовать для выработки энергии в составе МОКС-топлива на традиционных АЭС и на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах. При облучении нейтронами изотоп 238, через цепочку радиоактивных превращений, становится реакторным плутонием, содержащим три изотопа плутония. Плутоний 239 хорошо известен как оружейный. Плутоний 238 используется в РИТЭГах - компактных источниках энергии, которыми были оборудованы космические аппараты для исследований дальнего космоса. Изотоп плутония 240 - это тот компонент, который является главным отличием реакторного плутония от оружейного. В оружейном плутонии такого изотопа должно быть не более 7%, т.к. в противном случае повышается риск спонтанного взрыва.

МОКС-топливо - это топливо из смеси оксида урана и оксида плутония. Реакторный плутоний нарабатывается в традиционных атомных электростанциях из урана-238. Интересно, что страной-первопроходцем в этом направлении была Бельгия. Однако, в настоящее время технологиями изготовления МОКС-топлива из отработанного ядерного топлива владеют лишь Россия и Франция. Ядерные отходы также возможно повторно использовать без обогащения на канадских тяжеловодных реакторах CANDU, изначально спроектированных для работы с необогащённым ураном.

Что касается АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, то в мире существовало только три проекта АЭС на быстрых нейтронах, в которых можно было вырабатывать энергию - французский, японский и советский. Из всех трёх проектов выжил только проект советского реактора БН-600. Рядом с действующим в России реактором БН-600 уже построен реактор БН-800, спроектированный в России. В дальнейшей перспективе, после изотопа урана 238, для выработки энергии возможно использовать торий-232. Торий - редкоземельный металл, рассеян по земной коре и добывать его специально не выгодно. Зато можно добывать попутно с другими редкоземельными металлами или тем же ураном.

В отличие от нефти, добыча и потребление урана будут происходить не стихийно, а планомерно. Первое время нефть из скважин била высоким фонтаном, потреблять нефтепродукты можно индивидуально - в двигателях внутреннего сгорания. В отличие от нефти, уран не бьёт фонтаном из под земли, его нужно добывать шахтным методом, после чего очистить и обогатить, а потреблять можно только на АЭС. Разработка руды, постройка и загрузка очистительных и обогатительных заводов, постройка АЭС планируются заранее - как минимум за 5-10 лет. Цена топлива для АЭС формируется на основании нескольких факторов - себестоимости добычи, очистки и обогащения. По мере выработки легкодоступных месторождений с высоким содержанием урановой руды всё большее значение будет приобретать экономичность методов обогащения. Т.к. будут расти в цене первые две составляющие, то снижения цены топлива можно будет достичь только за счёт использования более эффективных методов обогащения. И если сейчас газодиффузионный метод обогащения ещё может быть выгодным при использовании богатой руды из легкодоступных месторождений, то в дальнейшем, по мере исчерпания таких источников, газодиффузионный метод не сможет выдержать конкуренции с центрифужным, который потребляет меньше энергии, а наиболее эффективными центрифугами обладает Россия.

В более отдалённой перспективе энергию можно будет вырабатывать на термоядерных электростанциях. Экспериментальные термоядерные реакторы уже существуют и ещё в 2007 году на одной из таких установок было получено энергии больше, чем затрачено. Предполагается, что термоядерный реактор ITER к 2020 году выйдет на EROI 10:1. Использовать на термоядерных электростанциях реакцию синтеза двух ядер протия (водорода, ядро которого состоит из одного-единственного протона), в земных условиях будет трудновато. Всё, что имеется в распоряжении термоядерных энергетиков - это два изотопа водорода - дейтерий и тритий, а также элементы литий, бериллий и бор. Термоядерный реактор около 20% выделяет в виде непосредственно тепла, а около 80% излучает в виде высокоэнергетических нейтронов. Эти нейтроны можно использовать для превращения протия в дейтерий, для дробления урана-238 и тория. Дейтерий можно использовать на термоядерных электростанциях, а продукты деления урана-238 (реакторный плутоний) и тория (уран-233) можно использовать на традиционных атомных электростанциях в составе МОКС-топлива.

С термоядерными электростанциями, по утверждению автора, есть одна проблема - социальная. Человечество расходует гораздо больше денег и сил на борьбу за нефть, чем на исследования в области термоядерной энергетики. Остаётся только надеяться, что сложности с перевозкой сжиженного природного газа, сложности добычи, очистки, обогащения, использования и утилизации ядерного топлива переключат человечество с ажиотажной борьбы за легкодоступные ресурсы на планомерную слаженную работу над освоением перспективных источников энергии, таких как термоядерная энергетика, потянуть которую в одиночку может оказаться не под силу ни одной стране.