Сто процентов возобновляемых (по следам "Возобновляемая энергия без вранья""

Примерно с 2005 года на просторах Интернет появилась новая мантра: «Сто процентов энергии из возобновляемых источников». Пишут и политики, и зелёные. Знаете, а я согласен. Сто процентов из возобновляемых – вполне достижимо. Вопрос только в том, какова абсолютная величина этих ста процентов и каков при этом будет средний уровень жизни.

Дэйвид Мак-Кай в книге «Возобновляемая энергия без вранья»[21] попробовал оценить, что получится в цивилизованной Великобритании, если перейти на 100% возобновляемых. Всё приводить здесь не буду, в книге почти 400 страниц. Читайте по-английски, а для умеющих в мову камарад Андрiй Копец даже сделал укороченный перевод и вроде бы скоро выпустит полный.

Для начала, Мак-Кай оценивает потребление британского «среднего класса» – а там сейчас большинство «средний класс» и есть. В качестве единицы мощности в книге выбран 1 кВт·ч/сутки. Такая единица понадобилась для лучшего охвата аудитории: британцы, как и россияне, платят за киловатт-час, оттого понятнее. Читателей этой книги физика не пугает, поэтому сразу перевожу в простые ватты, поделив на 24 и домножив на 1'000.

Итак, средний британец хорошо кушает (2'700 ккал, 280 г мяса или птицы в сутки), элегантно одевается («сделано в Китае»), ездит в личном автомобиле (изредка пользуясь общественным транспортом), один раз в год летает куда-то полежать под более интенсивным солнышком. Некоторые британцы летают на боевых вертолётах, гоняют на полицейских «перехватчиках» или возят пациентов на «Скорых» – то есть обеспечивают остальным порядок и покой. Пресная вода считается поступающей с неба бесплатно – на дождливых островах вполне нормальное допущение. Что получилось у автора, приведено в таблице.

Потребляемая британцами мощность – 8'150 ватт на человека. Примерно столько же в других странах Северной Европы: Германии, Франции, Австрии, Голландии… В Норвегии, США, Канаде потребление почти вдвое выше. Для сравнения. Во второй главе мы подсчитали, что в 2015 году 7.35 миллиарда землян потребляли 18.5 тераватт мощности из источников с низкой энтропией плюс как минимум 8.5 ТВт в виде продовольствия, то есть по 3'670 Вт на душу. Средний землянин потребляет вдвое меньше, чем средний британец.

Далее Мак-Кай принимается оценивать максимальное производство энергии из возобновляемых источников на территории Соединённого Королевства. Сначала вообразим, что в нашем распоряжении неограниченное количество стали, редких элементов для солнечных батарей и других ресурсов. Сколько можно произвести энергии на одного британца? Вычисление получилось такое:

Внимательные читатели наверняка заметят в таблице перекос в сторону ветровой и приливной энергетики. Ничего удивительного: речь идёт о конкретных Британских островах, с конкретной территорией и береговой линией. Ветра Бог дал вдоволь, вулканами и полноводными реками – обидел.

Автор неоднократно подчёркивает, что таблица для потребления – намеренно заниженная, а для производства – всё по максимуму. Если принять числа как есть, британцы при переходе к 100% возобновляемой энергии смогут сохранить существующий высокий уровень жизни. Скажем, летать ежегодно не на Мальдивы, а в Болгарию, сэкономив 110 ватт, вот и уложились в 8040. Примерно так художник представляет центр Лондона, когда уложатся:

Далее Мак-Кай переходит от максимальных оценок производства к реальным. Внезапно оказывается, восемь киловатт на душу произвести из возобновляемых источников никак не получается. Спросим экспертов:

IEE – «Британское Общество Инженеров – Энергетиков» в 2002 году оценило потенциал Британских островов по возобновляемым источникам в 1'130 ватт на душу населения;

Центр стратегических исследований Тайнделла в 2007 – 660 ватт;

IAG – межотраслевая аналитическая группа Правительства Великобритании считала только энергию по цене не более 7 пенсов за кВт·ч (в ценах 2003 года). Получилось всего 490 ватт;

PIU – «Центр инновационных исследований Великобритании», в 2002 обещал 2'350 ватт на душу из возобновляемых к 2020 году;

CAT – «Центр Альтернативных Технологий» в 2007 представил доклад «Остров Британия» под редакцией Хельвига-Ларсена и Булла: 2'000 ватт на душу.1

Все четыре организации не учитывали продовольствие, следовательно, для правильного сравнения, следует увеличить числа на 625 Вт. Оптимистическая оценка PIU, таким образом, 2'975 Вт, то есть на 60% ниже оценки Мак-Кая.

Центр Тайнделла отмечал, что даже для выработки 660 ватт на душу придётся напрягаться. Производство из возобновляемых источников (включая биомассу) в Великобритании 2006 года – 34 Вт на нос. От ядерных станций получали 142 Вт, остальное, в порядке возрастания: уголь, нефть, природный газ.

Большая работа и времени требует немало. В 2002 «Общество Инженеров-Ядерщиков» доклад PIU раскритиковало в пух и прах – не за абсолютные значения, а за сроки: 2020 год – совершенно не реалистичен. И как в воду глядели: с момента доклада прошло 13 лет, в 2015 Великобритания произвела из возобновляемых… 147 ватт на душу. В отместку, зеленоватые лирики перекричали ядрёных физиков: субсидии срезали, и производство электроэнергии на атомных станциях сократилось до 124 ватт на британца. Впрочем, в целом по планете ситуация ещё хуже.

Как видим, самые оптимистичные прогнозы едва дотягивают до 1/3 требуемой мощности и меньше чем среднедушевое потребление на планете. Отчего такая разница с максимальной оценкой? Рассмотрим только первые три строчки таблицы производства. Закатать 5% территории Британии в солнечные панели при использовании современных технологий нереально. Во всех месторождениях Земли просто нет такого количества редких элементов2, например, гадолиния для этих батарей.

Кое-где ведутся исследования по замене редкоземельных на дешёвую серу, а перцы уже вопят, что редкоземельные «скоро» станут не нужны. Ну, «скоро» у перцев – это лет пятьдесят минимум. А скорее – никогда. Бесплатный сыр бывает только в мышеловках: солнечные панели с серой имеют КПД в десятые доли процента, и над ними учёные бьются с начала прошлого века. Между делом, в 2011 году, единственный на планете серьёзный производитель гадолиния – КНР – вдруг заявила: «Конец экспорта, самим мало».

Более того, Солнце, конечно, светит миллиарды лет, а вот солнечная панель работает 20-30. Каждые 25 лет каждый британец должен будет оплатить установку новых панелей. Ну, или более реально: покупать по 10 м2 новых солнечных панелей ежегодно. Трата, сравнимая с покупкой микролитражки.

Установка ветряных турбин на шельфе Северного моря потребует не менее 60 миллионов тонн стали. Для сравнения, все нефтегазовые платформы Северного моря, со всеми трубопроводами и прочей инфраструктурой – всего 8 миллионов тонн. Во время Второй Мировой американские судостроительные компании спустили на воду 2'751 сухогруз класса «Либерти» – строили быстрее, чем немецкие подводные лодки успевали топить. Общая масса стали в пароходах – 19 миллионов тонн.

Однако, и ветряная турбина в море работает вечно лишь во влажных мечтах перцев. Реальный срок службы – те же 30 лет или меньше. Уже сейчас по всей Европе часть ветряков простаивает – нет запчастей. Значит, после постройки турбин Британии потребуется ежегодно скармливать на нужды ветроэнергетики не менее 2 миллионов тонн новой стали.

Ну и биотопливо. В США, Аргентине, Австралии – процесс уже идёт. Сахарный тростник и кукурузу перерабатывают в этанол, рапс – в биодизель. Площадь Великобритании невелика – всего 44 сотки на душу населения, включая и сельхозугодья, и городскую застройку, и бесплодные скалы. Лишней земли просто нет, да никто и не отдаст.

Какой уровень жизни получится, если ограничиться 2'650 ваттами на человека в день? «Сходите поглядеть в Бразилии» – не предлагать. Климат не тот. Напомню, всё исследование ведётся для конкретной страны в конкретных географических условиях.

Туризм убираем начисто: фиг с ней, с Болгарией, дома позагораем. Про личные автомобили придётся забыть и пересесть на велосипеды, автобусы, электрички, сократив расходы энергии на 85%. Аналогично поступаем с грузовыми перевозками, средствами связи, освещением, сокращая на 90%. На улицах будет темно, как в 1940. Категорически не сокращаем образование, а то население примется расти, и 2'650 Вт на душу никак не удержать. Чем нельзя поступиться? Примерно 1/5 предметов потребления, обогревом, продовольствием. Британия – не Бразилия, зимой бывает прохладно. Сколько отнимать у военных и полиции – решайте в меру вашей веры в добропорядочность среднего британца и соседей за Каналом. Много там сэкономить не удастся.

Уровень мирной жизни исключительно на возобновляемых источниках энергии соответствует скудной, пайково-голодной, воюющей Британии образца 1916 или 1941 годов

.3

Мак-Кай предложил 5 вариантов развития британской энергетики с целью вывести производство электроэнергии на уровень не ниже 2100 Вт на душу населения. Если ниже, просто загнутся остатки промышленности, а вслед за ней – и любые перспективы. Как у хорошего оператора мобильной связи, планы не по номерам, а по названиям.

План «Домашний». Ветровые генераторы с установленной мощностью до 100 ГВт и средней выработкой 330 Вт на душу потребуют 10 лет и 50 морских подъёмных кранов для установки платформ, аналогичных добычным в Северном море (в наличии сейчас полтора крана, правда). Кроме ветряков, потребуются нагнетательные станции на 400 ГВт·ч (сейчас в наличии 30). Солнечные панели из расчёта 20-30 м2 на каждое домовладение (все южные скаты крыш под солнечными батареями) дадут в среднем 125 Вт на душу. Сжигание твёрдых бытовых отходов: 3.25 ГВт установленной мощности дадут 55 Вт. Волновые станции вдоль атлантического побережья: 5 ГВт установленной, 85 Вт на душу. Достроить, наконец, приливную станцию в заливе Сванси Бэй4, да к ней ещё две-три такие же: 154 Вт. Гидроэнергетика уже есть: 8 Вт. Итого из возобновляемых 760 Вт. Внимание: нужны «чистые» угольные станции (на импортном угле) и ядерные станции: по 40 ГВт установленной мощности, с выработкой по 670 Вт на душу.

План «Для путешествий». Ветряков в Северном море построить «всего» 25 ГВт, с выработкой 80 Вт на нос. В Ливии(!) арендовать пять площадок размером с Лондон (45 км в диаметре) создав на каждой огромную солнечную электростанцию. Через Средиземное море и далее через Францию проложить высоковольтные ЛЭП общей мощностью (в пике) до 50 ГВт. (На сегодняшний день все кабели между Великобританией и Францией – 2 ГВт). Фермы обеспечат в среднем 830 Вт на душу. Ну и далее по списку, кроме волновых – не будем портить пляжи! Сжигание твёрдых бытовых отходов: 2.75 ГВт установленной мощности дадут 45 Вт. Приливная в Сванси Бэй: 45 Вт. Гидроэнергетика уже есть: 8 Вт. Итого из возобновляемых 1000 Вт. Внимание: опять-таки «чистые» угольные станции на 40 ГВт установленной и ядерные на 25, с выработкой по 670 и 430 Вт на душу, соотвественно. Преимущества плана: для тех, кто не хочет портить британскую природу. Недостатки: повторяем, солнечные батареи – в Ливии.

План «Безъядерный». Точно как «Домашний», только вместо ядерных станций – солнечные батареи в Ливии, как в плане «Для путешествий». Недостатки обоих планов в наличии, преимуществ вроде нет.

План «Зелёный». Опять-таки берём «Домашний» за основу, сносим и уголь, и ядерные станции. В Ливии разворачиваем всего две площадки вместо пяти, увеличиваем на 50% волновую энергетику… Остальное должно прийти в виде ветра! Придётся построить вокруг Великобритании 400 ГВт установленной мощности ветряков. Это примерно сколько всём мире есть в 2015 году. Кроме ветряков, понадобятся резервуары на 1500 ГВт·ч, то есть каждое озеро и вообще чуть ни каждую лужу Британии придётся перегородить плотинами с нагнетательными станциями.

Наконец, план «Экономический». Если поставить себе целью обеспечить 2100 Вт на душу наиболее экономичным способом, выиграют, как ни странно, ядерщики! 110 ГВт установленных реакторов обеспечат 1830 Вт на душу населения. Из возобновляемых нужно всего 270 Вт, из которых к 2015 году 150 уже в кармане. Осталось достроить чуть-чуть ветровых, ту же приливную станцию в Сванси Бэй, да мусоросжигатели.

Заметим, все пять планов, как бы фантастически они ни звучали, с точки зрения инженера – профессор Мак-Кай преподаёт инжиниринг и физику в Кембриджском университете – вполне реализуемы. Вопрос лишь в масштабах строительства и неимоверном ценнике. В Британии, как в России, много любителей потолковать о «переходе к солнечной энергетике», но отчего-то когда доходит до чисел – политики теряются. Процитируем Д.Мак-Кая:

Не удивлюсь, если вам не нравятся мои планы. В каждом из них есть что-то отвратительное. Сделайте собственный план, который вам по вкусу. Но сделайте свой план так, чтобы ваши числа были (а) достаточны и (б) физически реализуемы.

Все пять планов предполагают, что средний британец перестанет летать в отпуск на Багамы (и даже в Болгарию), перейдёт на вегетарианское питание три дня в неделю (один день рыбный), станет ездить на работу исключительно общественным транспортом (или на велосипеде) и вообще перестанет покупать дешёвое, но бесполезное барахло.

Мак-Кай предлагает ряд мер, как смягчить переход на низкий уровень потребления.

1. Пассажироперевозки наземным транспортом. Следует учитывать не только расход топлива на единицу пробега, но и затраты энергии на создание, ремонт, утилизацию транспортных средств, а также на поддержание инфраструктуры. Даже велосипед не перевозит седока бесплатно – истираются шины, изнашивается механизм, да и вращающему педали седоку требуется больше калорий. Общие расходы педального транспорта составляют 1-2 кВт·ч на 100 пассажиро-километров.

Магической серебряной пули под названием «сверхэкономичный автомобиль» в природе не существует. Иногда для студентов устраивают соревнования типа «максимальный пробег на 1 литре топлива» или «на солнечной энергии через Австралию». В рамках «Экологического марафона Шелл» в 2005 году творение студентов из Цюриха «PAC Car II» накрутила на 1 грамме водорода по идеально горизонтальному автодрому 20.6 км (дистанция совсем не автомобильная и даже не марафонская) со средней скоростью 30 км/ч. Автомобиль на велосипедных колёсах вёз одного пилота: студентку с массой тела около 45 кг. Для обучения будущих инженеров понятию «инженерный компромисс», а также мастерить руками – сгодится. Практический транспорт? Ну что вы! Из-за умопомрачительного «пробега между техобслуживаниями» 80 км, стоимость 100 пассажиро-километров на этой штуке оценивается в 2'000-3'000 кВт·ч, не хуже, чем у гоночных болидов «Формула-I».

«Омагничивание бензина» и прочие торсионные поля оставим лохам.

Перспективными с точки зрения экономии энергии являются, в порядке приоритетов: (а) уменьшение веса транспортных средств по отношению к весу пассажиров, (б) снижение потерь за счёт более ровного пути и оптимизации перекрёстков, (в) рекуперация энергии при торможении, (г) оптимизация заполненности транспорта, (д) оптимизация скорости транспортного потока.

Электрические автомобили, например, более эффективны, чем бензиновые, если считать по текущей стоимости киловатт-часов, полученных из сети против стоимости бензина на заправке. Однако, если учесть эффективность сжигания угля на тепловых станциях, потери при передаче энергии, потери при зарядке батарей, расходы на добычу лития, более короткий срок жизни электрического авто в целом, и прочие факторы – получаются сравнимые показатели: от 40 до 200 кВт·ч на 100 км пробега в зависимости от класса автомобиля и состояния проезжей части.

Какое-то время в Великобритании был популярен электромобиль индийского производства «REVAi», он же «G-Wiz». Британцы описывали его как «тележку для гольфа, которой разрешили ездить по улицам». В России тележки для гольфа не особо известны, поэтому лучше описать машинку как «электрическую инвалидку». Для сравнения возьмём увековеченную Моргуновым «С3А», так как идеально соответствует «G-Wiz» по габаритам; более современные «С3Д» и «Ока» – несколько длиннее и шире.

Как видим, инвалидка 1958 года с прожорливым двухтактным мотоциклетным мотором вполне сравнима со «сверхэкономичной» индийской машинкой. О комфорте и безопасности у обоих говорить не приходится. В 2010 году «G-Wiz» погубила видного британского специалиста в области строения белков доктора Джудит Надал5. Сейчас G-Wiz уже сняли с производства, заменив на «e20». Последняя находится в той же лиге, что и остальные электромобили своего класса: более 3 метров в длину, 50 кВт·ч на 100 км пробега. Британские учёные покупать новинку не спешат: к 2015 году продано не более 1500 единиц.

Для сравнения, сильно распиаренный «Тесла» потребляет (по городу) 25-30 кВт·ч на 100 км, если считать «из розетки». С учётом стоимости производства автомобиля с цельно-алюминиевой рамой, технического обслуживания электродвигателей с редкоземельными магнитами и, особенно, стоимости замены 7104 (sic!) литий-ионных батареек Panasonic 18650, энергетическая эффективность «Теслы» сопоставима с бензиновыми аналогами: около 65 кВт·ч на 100 км. Кстати, по данным самой «Панасоник»6 номинальная ёмкость батарейки 2.7 А·ч при напряжении 3.6 В, то есть номинальный запас энергии в «Tesla-85 кВт·ч» 2.7*3.6/1'000*7'104 = 69 кВт·ч. Откуда взялись «85 кВт·ч»? По паспорту, батарея требует примерно столько или чуть больше для зарядки: 2.9*4.2/1'000*7'104 = 86 кВт·ч. Представьте, что каждый раз покупая 50 литров бензина, вы заливаете 41 литр в бак, а оставшиеся 9 – поджигаете на газоне перед заправкой! Уважаемый Маск запросто поимел мозг тесловодов на 16 кВт·ч.

Далее по тому же паспорту «Панасоник», батарейка 18650 номинально рассчитана на 500 циклов зарядка-разрядка (при оптимальном времени зарядки 4 часа). Маск утверждает, что на одной зарядке «Тесла» с батареей «85 кВт·ч» прозжает по шоссе 425 км (в зависимости от вашего «стиля вождения» и качества дороги может быть вдвое меньше, но оставим официальные данные). Тогда, 500 циклов – это всего 210'000 км шоссейного пробега. Опытные любители «секонд-хэндов» скажут вам, что при правильно растущих руках на таком пробеге у бензинового «японца» едва-едва открывается второе дыхание молодости.

Ещё огорчение российским тесловодам. Обратите внимание на номинальные температуры зарядки и разрядки батарей! Даже на широте Сочи и Краснодара, гарантий нет. А на широте Москвы – потребуется тёплый бокс на зиму. Когда машинка стоит на улице, часть энергии используется для прогрева самой батареи. При свежем морозце 25 градусов, за сутки-двое вынужденной стоянки машинка батарею скушает. Простояв разряженной на морозе неделю, – батарея сдохнет в ноль. Заплатите кровные за новую батарею с установкой, и даже гарантия вам не светит, ибо «эксплуатировать надо по инструкции».

Ну и в других странах с «зелёным» тесловодством не всё в ажуре. Допустим, живёте вы в бесснежной солнечной Австралии, а на крыше 20 м2 коммерческих солнечных панелей. Тогда в день можно выработать в среднем (лето-зима, солнечно-пасмурно) около 30 кВт·ч электроэнергии, значит в день можно проезжать 60 км. Вполне достаточно, чтобы ездить на работу и за покупками, а если не шиковать, останется на кондиционеры, холодильники и прочую домашнюю «роскошь». На широте почти бесснежного, но пасмурного Лондона, имея реалистические по мнению автора 10 м2 солнечных панелей и учитывая погодные условия, дневная выработка около 5 кВт·ч, а на нужды личного транспорта с учётом ветровой энергетики можно выделить 0.25*24 = 6 кВт·ч (смотрим таблицу выше). Тогда средний дневной пробег автомобиля класса «инвалидка» 13 км, класса «Тесла» – 9 км. Электромобиль превращается из средства передвижения в игрушку: поездка раз в неделю летом на дачу или типа того. На широте Москвы и выше никто от солнечных панелей и ветряков заряжать машинку и не станет: придётся использовать энергию мирного атома, а за её недостатком – газ и уголь. О «возобновляемой энергетике» речь уже не идёт.

На волне глобального отупения позеленения на рынке появились «гибридные» бензин-электрические авто и даже работающий на водороде «Хаммер-H2H». Стоит ли объяснять, что при самых благоприятных условиях подобные монстры спасают не более 20% энергии? Иногда и наоборот бывает. «Лексус» выпустил в 2008 году гибридный «RX 400h», «официально по техпаспорту» потреблявший на 10% больше бензина, чем базовая модель. Творение BMW «Hydrogen-7» требует 254 кВт·ч на 100 км – почти вчетверо больше, чем средний британский автомобиль образца 2015 года. Бывший ведущий ТВ-шоу «Прямая передача» Джереми Кларксон про гибридное творение Тойоты «Приус» высказался так:

Автомобиль дорогой, очень сложный в обслуживании, не особенно «зелёный», медленный, сделанный кое-как и бесполезный в качестве средства передвижения.

Мак-Кай заключает, что совершенствование автопарка Британии с включением электромобилей (но не «водородных» и прочих чудовищ) вполне возможно, но в долгосрочной перспективе основным методом пассажироперевозок в «Великобритании на возобновляемой энергии» будет общественный транспорт: автобусы (общий расход порядка 10-30 кВт·ч на 100 пассажиро-километров) и железная дорога (порядка 2-15 кВт·ч на 100 пассажиро-километров). Предлагаются новации, навроде автоматических пунктов проката велосипедов. Ну и, натурально, британцам придётся, как 150 лет назад, инвестировать в пару крепких ботинок и трость – или длинный зонтик. И обходиться вообще без транспорта.

2. Грузоперевозки наземным/морским транспортом. Мак-Кай отмечает, что современный железнодорожный, речной и морской транспорт уже достигли максимальной эффективности порядка 0.1-0.2 кВт·ч на 1 тонну груза на 100 км. Морской транспорт, предположительно, может ещё уменьшить это значение за счёт прямого использования энергии ветра (если паруса будут ставить не матросы, а механизмы). Однако, основными методами сокращения энергозатрат станет прямое сокращение грузоперевозок. Порт, принимавший 10 контейнеровозов в неделю в 2008, будет в 2050 году принимать одно судно. Во вам и сокращение на 90%.

Сейчас в Великобритании для перевозок внутри страны предпочтение отдают прямой доставке автомобильным транспортом: страна не особенно большая, не требуется погрузка и выгрузка барж и поездов. В будущем вновь востребованной станет профессия «грузчик», а студентам – найдётся ударный приработок.

3. Воздушный транспорт, морские лайнеры. Самолёты летать не перестанут, но летать будут куда реже. Практическим пользователем авиации станут военные. Иногда они же могут возить тушку очередного премьер-министра. Ну и у мультимиллиардеров и их обслуги авиация останется, – кто же им-то запретит? Средний британец будет рассказывать об единственном в жизни воздушном путешествии, как бабушки в СССР образца 1960 года: «а вот я на самолёте летала…»

Что до морских лайнеров, навроде упоминавшегося в первой главе «Титаника», – вопреки расхожему убеждению, перевозка пассажиров морем далеко не так экономична, как воздухом. Наилучшие результаты были достигнуты в пятидесятые-шестидесятые годы прошлого века, когда через Атлантику в США ходили «экономические сестрички» «Маасдам» и «Рийнсдам». Первого класса с отдельными каютами у них не было вовсе, скорость хода 16.5 узлов, переход от Глазго до Нью-Йорка – 8 суток с небольшим. Энергии на 100 пассажиро-километров уходило 103-121 кВт·ч. Сравните с круизным лайнером «Куин Мэри – II», который сжигает 3'000 кВт·ч на каждого резвящегося туриста в сутки и 8-часовой перелёт от Хитроу до Нью-Йорка на аэробусе «А380» – 60-68 кВт·ч на 100 пассажиро-километров.

Конечно, для нищебродов могут воссоздать (на современном технологическом уровне) и парусные пассажирские суда – со средней скоростью 6 узлов и временем перехода через Атлантику до месяца. Можно заключить, если кто из простых британцев и соберётся «на пароходе в Америку», билет, скорее всего, будет в один конец. Смотрите последнюю версию «Титаник»: куда и зачем герой Леонардо Ди Каприо плыл?

4. Обогрев помещений. К счастью, кондиционирование (охлаждение) воздуха в умеренной Великобритании не является жизненной необходимостью. Экономить энергию на обогрев можно, с точки зрения физики, пятью путями, в порядке удобства: (а) теплоизоляцией помещений, (б) увеличением эффективности обогревателей, (в) климатической оптимизацией новых зданий – глухая стена на север, окна на юг, (г) уменьшением разницы между температурой внутри и снаружи жилища, (д) оптимизацией использования обогреваемых помещений.

К несчастью, большинство домов в Великобритании было построено или перестроено в 1950-70 годы, когда энергия была дешева, а про теплоизоляцию не задумывались. По подсчётам Мак-Кая, можно сохранить до 25% энергии, если просто вложить теплоизоляцию между кирпичными стенами и заменить типичное для Британии одинарное остекление на стеклопакеты.

Пункт (г) в Великобритании почти исчерпан: большинство британцев традиционно поддерживают температуру в помещениях вблизи забортной. «Нормальной комнатной температурой» считается зимой +15°Ц, летом +30°Ц. Впрочем, та же практика существует и в Китае: типичная домашняя одежда зимой состоит из трёх-четырёх слоёв, включая подбитый ватой халат. Ну и жители северных штатов Индии не греют жилища, а надевают весь гардероб.

Эффективность обогревателей (б) – поле пока нехоженое. По мнению Мак-Кая, в условиях Британии генерация электроэнергии на ТЭЦ менее эффективна, чем использование «тепловых насосов».

Сейчас в Европе (и в России) большая часть электроэнергии вырабатывается на Тепло-Электро-Централях. Как любая тепловая машина, ТЭЦ получает энергию от «нагревателя» и отдаёт «холодильнику». Источником тепла является сгорающее в топке или турбине станции топливо, а в качестве холодильника выступают в летнее время – градирни-испарители, а в «отопительный период» – радиаторы водяного отопления в квартирах граждан. Летом «лишнее» тепло просто улетает в атмосферу, зимой – используется на обогрев помещений. В Сибири (или той же Финляндии), где отопительный сезон длится более полугода, – ТЭЦ вполне энергетически оправданы. Другое дело на юге Великобритании. В году не так уж много дней, когда жилой фонд может выступать эффективным «холодильником», оттого почти вся энергия сбрасывается в градирни.

«Тепловые насосы» (думайте как о холодильнике, где конденсатор выведен в дом, а морозилка на улице) могут быть сконфигурированы по-разному. Некоторые выкачивают теплоту из окружающего воздуха. Есть системы, где вместо воздуха – закопанная по периметру садового участка витая медная труба или колодец с водой7.

В качестве бонуса, «тепловые насосы» могут утилизировать, помимо тепла от ископаемого топлива, электроэнергию солнечных батарей или ветряков.

Пущенный в обычный электрообогреватель, киловатт-час электроэнергии выделит в вашей комнате ровно на один киловатт-час тепла. С тепловым насосом, тот же киловатт-час доставит в комнату больше 1 киловатт-часа; насколько больше, зависит от конфигурации уличной «морозилки» и перепада температур. По той же причине, отчего домашний холодильник (при прочих равных условиях) потребляет тем больше электроэнергии, чем холоднее вам хочется пиво, чем холоднее на улице, тем интенсивнее должен работать тепловой насос, тем меньше «перекачка» на единицу электроэнергии. Температура уличной «морозилки» должна оставаться ниже забортной, а то тепло от земли в «морозилку» не потечёт!

В условиях мягкого климата Великобритании: среднегодовая температура почвы +11°Ц, минимальная комнатная +15°Ц, тепловые насосы могут перекачивать до 4 кВт тепла на каждый киловатт электрической мощности. Если принять электрический КПД современной газотурбинной станции (с потерями на передачу энергии) в 50%, каждый кВт·ч газа, сгоревший на электростанции, нагреет ваш дом, грубо, на 2 кВт·ч. В Сибири, если на улице минус тридцать, а в доме всё одно хочется +25°Ц, выгоднее нагревать воздух горячими батареям от ТЭЦ и держать про запас электрокамин.

Ну и оптимизация использования помещений, то есть «уплотнение» в терминах Булгаковского Швондера, (д). Истина, известная каждому туристу. дЕсли хорошо законопатить стены-окна-двери, да набить в помещение побольше народа, обогрев вообще не нужен! Вспомним, что человек в покое выделяет тепла как 130-ваттная лампочка. В Викторианские времена типичное жилище зимой в Лондоне вмещало 20-25 человек на 10 квадратных метрах. В складчину покупали несколько фунтов угля – и хватало на ночь.

5. Горячая вода и приготовление пищи. Мак-Кай замечает, что использовать для нагрева воды электричество – бесполезно греть атмосферу. В странах с холодным климатом за нагрев воды могут отвечать те же ТЭЦ. Где климат мягкий, солнечные водонагреватели на крышах могут сократить затраты потребного топлива примерно вдвое-втрое. В странах жарких используются и системы прямого воздушного нагрева воды. Например, на жарком севере Австралии (он к экватору ближе) холодную водопроводную воду пропускают под домом в десятиметровый медный теплообменник. В качестве бонуса, пол в доме прохладный, экономится кондиционер. На выходе получается вода с температурой окружающего воздуха, – то есть 35-45°Ц. Воду накапливают в дневное время в термостатированной ёмкости. Расход электроэнергии или газа – исключительно на подогрев воды в «холодные» (+23°) дни, такой ужас в городе Дарвине бывает раз в три года.

Если использовать для приготовления пищи природный газ, лучший способ, как ни странно – современная газовая плита, а не электрическая, энергию для которой вырабатывает далёкая ТЭЦ. Однако, помимо плит у населения есть микроволновки и электрочайники. Что делать с ними – непонятно.

6. Бытовая электроника, связь, Интернет. Как ни странно, большинство устройств проводной и беспроводной связи достаточно эффективны с точки зрения энергии. Исключение составляют, в порядке убывания: (а) принтеры и копировальные машины всех мастей, потребляющие не только электричество, но и бумагу – очень энергоёмкий ресурс, (б) сверхбольшие мониторы, особенно вошедшие в моду двухметровые телевизоры, (в) устаревшие (или плохо изготовленные) электроприборы, бесполезно потребляющие ток в режиме ожидания. В качестве примера последних: настольная светодиодная лампа IKEA (вроде бы уже снятая с производства), потреблявшая из розетки 10 Вт вне зависимости от положения выключателя(!) и производимого света. По мнению Мак-Кая, если систематически сдать в утиль «энергетических вампиров», в городах можно сохранить приемлемый уровень связи и не ликвидировать «ноосферу». Беспокоиться, что после «Пика Нефти» одновременно8 у всех откажет связь, может лишь тот, кто ни разу не бывал в беднейших странах Азии. И в Индии, и на Филиппинах, и в Бангладеш мобильный телефон не является заоблачной роскошью, а G4 работает иногда лучше, чем в том же Лондоне. На картинке – филиппинский уличный нищий пишет в Twitter. Синяя пластиковая кружка – для подаяния.

7. Проблема предложения / спроса. Спрос на электрическую энергию в сети крайне неравномерный: меняется в зависимости от времени суток, времени года, и погоды за окном. Ядерные (и угольные) станции не умеют быстро изменять производство энергии. Снижение или увеличение выработки занимает часы. С ветровыми, волновыми, солнечными ситуация ещё хуже: они изменяют выработку часто и непредсказуемо, в зависимости от скорости ветра и облачности. Традиционно, «броски» выработки и потребления компенсировались станциями на природном газе и гидроэлектростанциями. Если выводить из оборота уголь и газ, заменяя их возобновляемыми источниками и ядерными станциями, потребуется сооружение, в порядке приоритетов: (а) резервных накопителей – например, накачивать воду в водохранилище, чтобы использовать гидроэнергию в момент пика потребления9, (б) глобальных энергосетей – на уровне «вся Европа», (в) дополнительных (запасных) мощностей ветряков и солнечных панелей, (г) ограничение уровня потребления.

Методы (а)-(в) – весьма затратны, да и потери энергии существенные. Например, лучшие высоковольтные ЛЭП постоянного тока теряют 10-12% мощности на 1000 км расстояния. Пока у человечества есть опыт ограничения потребления. Типичный британский (или голландский) хозяин ветряной мельницы вкалывал день и ночь, когда ветер дует. А когда штиль – как выражаются моряки, «сидел на попе ровно» – и курил трубку. Аналогично поступали хозяева ветряных лесопилок. На рудных шахтах иногда использовали силу ветра для откачки воды – и уходили в вынужденный простой, когда ветра не было. Кстати, первые паровые машины как раз и предназначались для откачки шахт.

В Индии, Бангладеш и других странах Азии существует практика «превентивного отключения» жилых кварталов, когда ожидается особо жаркая погода. Городским инженерам ясно, что ежели в таком-то районе города население одновременно включит вентиляторы и кондиционеры, генерирующих мощностей не хватит на столько-то процентов. Если рано утром отключить людям свет, к обеду не случится аварии от перегрузки линий. К вечеру ток можно так же плавно включить. Население привыкло и не жалуется.

Теоретически, можно научить холодильники и кондиционеры реагировать на изменение частоты в сети и автоматически переходить в режим низкого энергопотребления, если частота падает. Затраты не так уж велики: маленькая коробочка с электроникой стоимостью в несколько долларов. Однако потребуется модифицировать миллионы единиц бытовой техники и как-то отучить особо одарённых пользователей эти коробочки выводить из строя. Пока мы не можем справиться с мастерами подкручивать электросчётчики! Кто-то всерьёз обсуждает планы иметь в каждом доме две отдельные линии: одну для освещения, электроники, холодильников, вторую для водонагревателей, кондиционеров и прочего.

На роботизированном заводе выключение электричества – большая проблема. А если у вас электролизная ванна с расплавленным алюминием, продолжительное выключение тока – катастрофа. Оттого, производство волей-неволей придётся перемещать поближе к источникам стабильной энергии.

Ну и для полноты картины добавим «видéние» И.Маска: если ввести в оборот электромобили с заменяемыми батареями, миллионы батарей могут сидеть на автозаправках и заряжаться в периоды низкого спроса / высокого производства энергии. Однако, как мы разобрали выше в пункте 1, такого количества электромобилей в «возобновляемой Британии» просто не будет. Маск также предлагает установить в каждом доме перезаряжаемую химическую батарею. Перечитайте про элементы «Панасоник» выше. Ага.

Проверим вычисления Мак-Кая по независимым данным. Мак-Кай считал «снизу» – от душевого потребления. Я буду считать «сверху», воспользовавшись статистикой производства и потребления энергии: угля, нефти, природного газа, ядерной, гидро и прочих возобновляемых по данным BP и с добавлением исторических данных Эдварда Халла, обсуждавшихся в 8 главе.

Заметим, что графики производства ископаемого топлива не являются простыми кривыми, навроде хаббертианы, функции Вейбулла или «капицианы» из восьмой главы. Однако, они удовлетворяют условиям Хабберта: ограничены сверху (бесконечный дебит невозможен физически) и выходят на ноль в плюс и минус бесконечности по времени. Общее количество ископаемого топлива на островах Великобритании, включая шельф, – 27.0 млрд тонн нефтяного эквивалента, из которых уже добыто 26.2 млрд тонн. Геологи не сомневаются, что «острова», включая шельф, изучены вдоль и поперёк, так что крупных новых открытий не предвидится. А «новое месторождение с гигантскими запасами 480 тысяч тонн нефти», о которых примерно дважды в год объявляют газетчики, – погоды не сделают. 480 тысяч тонн, даже если извлечь всё до капли, хватит Великобритании на… 60 часов!

Так как площадь Великобритании составляет 243'610 км2, на каждом квадратном километре до начала индустриальной революции было в среднем 111 тыс тонн «условной нефти». Считая по 41 ГДж на тонну, каждый квадратный километр содержал 4.6·1015 Дж ископаемой энергии. Теперь на квадратном километре в среднем осталось 0.13 ·1015 Дж.

Посмотрим, как обстоит дело с расходом энергии.

Следующий график – для ядерной и возобновляемой энергии. Вертикальный масштаб – 1/5 от графика выше.

На гидроэлектростанции закладываться не стоит: в Британии потенциал выбран ещё в XIX веке. По ядерной энергии и возобновляемым кроме гидро – наши предположения оптимистичны. Пик производства ядерной энергии Британией пройден в 1999 году, однако будем надеяться, хвалёный здравый смысл возобладает. На графике «кроме гидро» до 1980 отсутствуют биотопливо (солома и дрова) и мусоросжигание – они в статистике тогда не учитывались, данных просто нет.

Практический предел возобновляемой энергии, рассчитанный для всей планеты во второй главе: 4.6 ТВт. За год набегает 1.45 ·1020 Дж, переводя в нефть, получаем 3'540 млн тонн условного топлива. Великобритания после потери колоний имеет население 0.89% от общей популяции Земли. Если делить «справедливо и по-братски» (а как ещё можно делить наше родное Солнце?) от практического предела британцам достанется около 32 млн тонн. Естественно, ветряки и солнечные панели имеет смысл строить лишь там, где живут люди. Мы возьмём оптимистично: 50 млн тонн, благо ветром, волнами и приливами Бог Британию не обидел.

Сложим углеводороды и возобновляемые. Жёлтая кривая показывает импорт-экспорт углеводородного сырья.

Великобритания была экспортёром нефти и газа (но импортёром угля) с 1980 по 2003 годы. Точно как у Мак-Кая, примерно к 2050 году Великобритания откажется от нефти и газа. От угля – уже почти отказалась. «Сто процентов возобновляемых» в Великобритании не наступит много столетий, но «95% возобновляемых» – всего через четверть века.

Для проверки вычислений Мак-Кая надо добавить модель населения Великобритании. Опять-таки оптимистично предположим, что британцам удастся и далее сдерживать нелегальную миграцию, а население остановится на уровне несколько менее 70 млн человек.

Пересчитаем потребление энергии как мгновенную мощность на душу населения.

Внезапно оказывается, душевое потребление энергии в Великобритании уже опустилось до уровня мировых войн. Конечно, британцы в 2015 живут значительно лучше соотечественников образца 1940 года. Разница – те самые 2'000 Вт, получаемых в кредит из Азии в виде товаров потребления. Для полноты сравнения остаётся добавить импорт-экспорт товаров народного потребления (например, из Китая) и продовольствия (например, из Бразилии).

Проверка из независимых данных хорошо воспроизводит оценки Д.Мак-Кая 2008 года. Напоминаем, что он получил для 2007 года оценку 8'150 Вт, в том числе 2'000 Вт в виде импортных товаров народного потребления и 625 Вт в виде продовольствия. Наша оценка находится в пределах ±200 Вт от Мак-Кая – и вполне укладывается в погрешность.

По состоянию на 2015, материальное потребление Великобритании вернулось на уровень 1960 года. Страна импортирует до 25% энергоносителей, до 50% продовольствия, до 90% чёрных и цветных металлов, до 95% товаров народного потребления, до 98% удобрений. Конечно, имеется и экспорт (данные за «удачный» для британского экспорта 2011 год):

Снижение добычи нефти в Северном море больно ударило по торговому балансу. Страна живёт в кредит последние 17 лет:

Если не предпринимать самых серьёзных мер, писал Мак-Кай в 2008, к 2075 году средний британец станет жить на уровне середины XIX века. Добро пожаловать в Новую Викторианскую Англию! Вместо газа – светодиодная лампа, вместо газеты – телефончик с Интернет. Пожалуй, доктора разбираются в болячках несколько лучше костоправов 1850 года. Остальное – читайте у Диккенса!

Впрочем, и 1900 Вт на человека – ещё не самая пессимистичная оценка. Снизу есть хорошо рассчитанный историками суровый 1560 год, когда средний житель Англии и Уэльса имел чуть менее 850 Вт, исключительно из возобновляемых источников. Жизнь простая и удивительная: предметы потребления и транспорт на уровне 1% от нынешних, 4 кг дров на день (да, по всей Англии шумели леса); но грубой растительной пищи достаточно для физического труда – 2700 ккал.10 Мясо – дважды в год по праздникам. Ожидаемая продолжительность жизни – 27 лет, детская смертность до 5 лет – половина от числа живых при родах. Ренессанс, мля.

Теперь разберёмся с ядерной энергией. Если считать не термоядерные бомбы, а выработку электроэнергии из ядерного топлива на душу населения, Россия, Китай, Великобритания и США не являются «великими ядерными державами».

В 2007 году Россия находилась на 20 месте (117 Вт) из 31 страны с ядерными мощностями, между Испанией (150 Вт) и Великобританией (108 Вт). В первой тройке находились Швеция (817 Вт), Франция (792 Вт) и Бельгия (508.3 Вт). США были на 7 месте (313 Вт), КНР – на 29 (всего 5 Вт на душу).

В 2015 году состояние России несколько поправилось, и с 154 Вт на душу она поднялась на 16 место, между Тайванем (177 Вт) и Испанией (141 Вт). Лидеры гонки сдуваются: из первой тройки выбыла Бельгия (закрыла реакторы и переехала на 11 место), теперь там Франция (744 Вт), Швеция (665 Вт) и Финляндия (486 Вт) – все три с уменьшением по сравнению с 2007 годом. США спустились на 9 место (297 Вт), Китай поднялся на 25 (14 Вт). Кроме Бельгии и Швеции, сильную отрицательную динамику продемонстрировали Швейцария, Германия, Япония. Впрочем, у последней есть шанс восстановиться, – запускают реакторы снова после трагических событий 2011 года. Литва в 2009 закрыла Игналинскую АЭС и стала второй страной мира (после Италии), добровольно отказавшейся от ядерной энергии. К счастью на дистанцию бодро вошёл Иран, обогнав за 8 лет Пакистан, Индию и Японию.

Ежели вкратце, даже лидерам гонки до безжалостно-нищенских 1800-1900 Вт на душу надо утроить производство. Для «середнячков», навроде России, Великобритании и США, речь идёт уже об увеличении на порядок, а перед КНР стоит задача увеличить производство ядерной энергии в 150 раз за 25 лет, или по 22% роста в год. С одной стороны, под мудрым руководством Коммунистической Партии трудолюбивые китайцы и не такое вершили. С другой – реактор не сельская домна времён Культурной Революции. Как бухнет – мало не покажется.

В мире ситуация с ядерной энергетикой даже хуже, чем с возобновляемыми. Как говорили при Брежневе, есть повод для здорового пессимизма.

Мак-Кай даёт оценку необходимой мощности атомных станций и разведанное количество урана в мире. Теоретически, реакторы-бридеры способны обеспечить все энергетические потребности человечества на 250-1000 лет вперёд, однако их не строит никто, кроме России, да ещё Индия бесконечно экспериментирует с «Ториевым циклом».

Политикам куда приятнее слушать байки очередного лжеучёного и тратить народные бабки на энергетические пирамидки или "вакуум-энергию".  А инженеров слушать грустно и неинтересно.
Подведём итоги главы:

В 2008 году Д.Мак-Кай попробовал прикинуть уровень жизни Великобритании при условии перехода на 100% возобновляемых источников энергии. Инженерные прикидки показали, что сохранить существующий уровень жизни за счёт одних возобновляемых источников невозможно.

Комбинируя возобновляемые и невозобновляемые источники, а также с применением технологий энергосбережения можно к 2050 году обеспечить условно комфортные условия на уровне потребления порядка 2600 Вт на душу населения, что соответствует реальному 5.5 кг условного топлива в день (2.01 тонны в год). Эта оценка на 40% ниже, чем предсказание Й.Рандерса для стран ОЭСР11.

Прикидка Д.Мак-Кая подтверждена по независимым данным добычи и потребления Веикобритании.

До коммерческого управляемого термоядерного синтеза ещё довольно далеко. Чтобы не «провалиться» на уровень жизни Викторианской Англии середины XIX века, требуется развитие ядерной энергетики, в том числе реакторов-бридеров.