alex_leshy (alex_leshy) wrote,
alex_leshy
alex_leshy

Categories:

Полностью возобновляемая энергия или куда приведут мечты. Часть 3/III



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».



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.

1 Для полноты картины сравним оценку Мак-Кая и оценки экспертов с максимальной теоретической и технически-осуществимой выработкой из возобновляемых источников, посчитанных нами в главе 2. Если на каждого из 7.4 млрд жителей Земли вырабатывать 8 кВт, общая мощность 59 ТВт. Если вырабатывать 2.0 кВт, как в оценке CAT, – получается 14.8 ТВт. Наши оценки, включая продовольствие: 56±5 и 13±1 соответственно.

2 «Кларки», то есть концентрация элементов в земной коре – достаточно велики. К сожалению, «редкие земли» с большой неохотой собираются в коммерческие месторождения, из которых их можно было бы добыть без огромных энергетических затрат. Писатели-фантасты много писали про добычу редкоземельных (ну и золота заодно) – прямиком из морской воды. Технически это реализуемо, нужна лишь «мелочь»: бесконечный источник дешёвой энергии, навроде управляемого термоядерного синтеза.

3 На врезке инструкция зажиточным британцам: (1) Не используй автомобиль или мотоцикл для развлечений. (2) Не покупай новой одежды без особой необходимости. Не стесняйся носить старую одежду во время войны. (3) Не нанимай лишней прислуги. Подавай пример. Ты экономишь деньги и рабочую силу на нужды обороны. СТРАНА БУДЕТ ТЕБЕ БЛАГОДАРНА.

4 О ней речь была во второй главе. https://aftershock.news/?q=node/393532

5 http://www.standard.co.uk/news/i-think-ive-made-a-mistake-last-words-of-scientist-on-phone-before-g-wiz-crash-6438558.html Надо сказать, Надал была сама виновата в происшествии – разговаривала по мобильнику за рулём и въехала на перекрёсток под красный сигнал. Машинку G-Wiz буквально «размазало по асфальту». Водитель ударившей «Шкода-Октавия» Марсель Жоржá – отделался синяками.

6 https://industrial.panasonic.com/cdbs/www-data/pdf2/ACI4000/ACI4000C12.pdf

7 Такие насосы неправильно именуют «геотермальными». К геотермальной энергии, обсуждавшейся во 2 главе, они отношения не имеют, а теплота проходит от нагревающего землю Солнца.

8 Конечно, это не значит, что связь будет доступна в сельской местности. Однако, и там выключение не произойдёт одномоментно.

9 На 2007 в Британии было четыре нагнетательных водохранилища с общим эффективным запасом 30 ГВт·ч и эффективностью по циклу закачка-генерация около 75% (то есть потеря четверти энергии). Совместно, эти водохранилища могли сгладить флюктуацию производства в 2.8 ГВт мгновенной мощности. Флюктуация британских ветрогенераторов в том же 2007 – от 10 до 33 ГВт.

10 https://www.fas.harvard.edu/~histecon/energyhistory/data/Warde_Energy%20...

11 Предсказание Рандерса подробно разбиралось в главе 7.

Часть 1
Часть 2



Источник: aftershock.news




Tags: ВИЭ, Великобритания, анализ, комедия, энергетика
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment