Энергетический вопрос

Невозможно "планировать будущее" и создавать "образ желательного мира", не понимая, на какие вызовы человечеству придется отвечать сегодня, завтра и послезавтра.

 Есть проблемы, о которых думать не только не хочется, но и у многих при одном только их упоминании включается психологическая защита и проблема грубо «изымается» из поля зрения. Одна из таких ключевых проблем – перенаселение Земли и нехватка природных ресурсов.

Разумеется, первый вопрос состоит в том, а если проблема вообще?

Первый шаг к осознанию реальности состоит в том, что у человечества есть единственный неисчерпаемый в течение нескольких следующих миллиардов лет источник энергии – это энергия термоядерного синтеза, частыми случаями которого является энергия Солнца и искусственный синтез, осуществляемый практически в водородных бомбах и, теоретически, возможно доступный в управляемой форме. Практически все остальные источники энергии – это либо аккумулирования за миллионы лет часть солнечной энергии (уголь, нефть, газ), либо ее проявления (ветер, гидроэнергия). Впрочем, можно еще упомянуть и еще два, но крайне незначительных источника – это кинетическая плюс гравитационная энергия системы Земля-Луна, проявляющаяся приливами и геологическая энергия связанная отчасти с продолжающейся сепарацией более плотного и более легко вещества «первичной Земли» и распадом в недрах остаточных радиоактивных веществ, прежде всего урана. Но потоки этих видов энергии ничтожны по сравнению с энергией, поставляемой на Землю Солнцем и посему ими можно практически пренебречь.

Итак, солнечная энергия. Любая цивилизация использующая общий энергетический поток, превышающий возможности переработки солнечной энергии без риска радикальной смены планетарного энергетического баланса нестабильна. Рано или поздно, запасы аккумулированной в химической форме ископаемого топлива запасы солнечной энергии будут исчерпаны (когда это произойдет мы обсудим ниже) и человечеству так или иначе придется переходить на энергию Солнца, а поскольку уровень жизни достаточно жестко коррелирует с потоком энергии на душу населения, то в любом случае, чем больше будет население, тем ниже, при данном уровне развития технологии будет индивидуальная обеспеченность среднего человека энергией и, следовательно, тем ниже будет его уровень жизни. Более того, можно ввести «естественную» для измерения единицу потока энергии: это нечто вроде «лошадиной силы», только привязанной к биологическому человеку: это поток энергии, минимально необходимый для стабильной человеческой жизнедеятельности.

Назовем эту единицу мощности «Human» (Hm ). Нетрудно пересчитать эту единицу в привычные Джоули. Мужчине в среднем для поддержания жизнедеятельности 9630 кДж в сутки. В сутках 86400 секунд. Значит, 1 Hm равен 111.458 Ватт. С учетом того, что энергетическая потребность женщин несколько ниже, можно для лучшего согласования с метрической системой принять, что 1 Hm=100 Вт. Это значит, что минимальная мощность, необходимая человечеству биологического просто для выживания равна 1 Гигахьюману, или, иначе 0.1 Тераватт на миллиард населения.
 

Поскольку солнечный поток примерно постоянен, энергопотребление на земле можно измерять, как это ни странно на первый взгляд, в квадратных метрах. Солнечная постоянная – то есть поток солнечной энергии на единиц площади на орбите Земли составляет 1367 Ватт на кв. метр. В реальности , поток солнечной энергии на поверхности Земли заметно меньше этой величины: часть энергии отражается облачного покрова и поверхности суши и океанов. Если в зоне пустынь вследствие наличия облаков теряется всего 20% прямой солнечной радиации, то в муссонном климате потеря прямой радиации вследствие облачности составляет 75%. Кроме того, Земля не плоскость, а шар, поток солнечной энергии падает на элементы Земной поверхности под углом и, полный поток энергии, получаемой землей пропорционален не площади полушария , а площади плоского круга равного радиуса. В результате, годовая норма радиации в тропических и субтропических широтах около 6 ГДж на кв.м в год, а а средних широтах, например в России эта величина падает до 2.5-3 ГДж на кв. м в год (Хромов, Петросянц, 2004). В связи с эти примем в качестве базовой, характеризующей доступную солнечную энергию, величину в 5 ГДж на кв. м в год, или 161 Ватт на кв.м. в среднем или около 200 Вт на кв. метр в пустынных регионах. Формально, это значит , при 100% КПД использования солнечной энергии, естественному человеку понадобилась бы для удовлетворения его биологических энергетических потребностей всего чуть больше чем пол квадратных метра площади.
 

Увы, реальная эффективность производства энергии ничтожна. Человек потребляет пищу почти в форме зерновых и для удовлетворения его энергетических потребностей ему нужно примерно 300 кГ зерна в год, тогда как натуральная урожайность зерновых составляет в благоприятных агрономических условиях в лучшем случае примерно 10 центеров ( 1000 кГ) с гектара (10000 кв. метров) в год. Современные технологии позволяют увеличить сбор зерна в несколько раз, или даже на порядок, но они сами требуют энергоемких технологий, поэтом мы будем использовать «чистую», естественную продуктивность. Иными словами, чтобы прокормить одного человека, нужно как минимум 3000 кв. метров в год, что примерно соответствует потребности в площади на одно сельскохозяйственное животное, имеющее массу человека - 50-100 кГ.
 

Учитывая то, что вся площадь суши составляет примерно 149 млн. кв. км, а площадь земель, пригодных для ведения сельского хозяйства по оценкам не превышает 30% земной суши (за вычетом площади гор, пустынь, тундры), человечество может рассчитывать максимум на 50 миллионов квадратных километров пригодных для ведения сельского хозяйства угодий, что составляет 5 миллиардов гектар, из которых только половина пригодна для выращивания зерновых, а остальные площади могут использоваться только в качестве лугов.
 

Иными словами, абсолютный максимум численности населения людей исходя из чисто биологической потребности в еде не может превышать по наилучшей оценке 10 миллиардов человек.

При этом надо учесть, что при этом базовом расчете мы не учитывали такие факторы, как, например, конкуренция с другими видами.
 

Но главное состоит в том, что современный уровень жизни требует на два порядка большего количества энергии, чем потребляет «биологический человек». Так, в современных США , одним человеком в год потребляется эквивалент 7000 кГ бензина, что составляет 322 ГДж в год, или, с учетом того, что в году 31536000 секунд, это составит 10206 Ватт или примерно 100 хьюманс. Иными словами, средний американец потребляет энергии столько же, сколько 100 «естественных человек». При этом, общее энергопотребление со всеми его голодными миллиардами составляет сегодня около 480*10^18 Дж в год (15.2 ТераВата или 2270 Ватта на человека – в пять раз меньше, чем потребление в США – впятеро меньше, чем в США... но кто готов принять на себя африканский образ жизни).
 

Соответственно, при 100% КПД использования солнечной энергии, потребовалась бы площадь ее сбора равная 50 кв. метрам на человека, а при современных примерно 17% - 300 квадратных метров солнечных преобразователей.
 

Полагая численность человечества равной 10 миллиардам человек, это значит, что под сбор солнечной энергии придется задействовать примерно 3000000 квадратных километров земли. Если считать, что сухопутная часть экватора примерно втрое коороче и составляет 15 тысяч километров, солнечная батарея нужной мощности займет полосу шириной в 200 километров, но и даже при средней по миру, то есть не-американской потребности в энергии – 40 километров.
 

Для сравнения, площадь пустыни Гоби составляет - 165 300 км.кв., площадь Сахары - 8,6 млн км (30% территории Африки). При плотности материала батареи в 3000 кГна куб.м. и толщине конструкции в 1 мм (0.001 м), масса солнечной только батареи составит 9 миллиардов тонн.

Для сравнения, мировое производство чистого кремния сегодня составляет около 20000 тонн в год. Иными словами, при современных масштабах производства кремния потребуется около 450000 лет.
 

Но интереснее другое – это энергия, которая потребуется для получения такого количества кремния. Кремний получается из SiO2 – вещества с очень прочными химическими связями. Поэтому, энергоемкость получения кремния весьма велика: 12-18 кВт*час/кг, или 64 МДж/кГ.
 

Таким образом, только единоразовое создание кремниевой «солнечной энергетики» потребует 576 000 000 000 000 000 000 Дж= 576*10^18 Дж. Это превышает годовое потребление энергии всем человечеством вообще.
 

Что бы хоть что-то осталось на потребление – сверх затрат на восстановление амортизирующеймя батареи, - потребуется мировая солнечная батарея еще большего размера, чем только что посчитанная исходя только из энергетических потребностей человечества. Величина потребной батареи будет зависеть от того, насколько быстро предполагается ее построить и как велик будет период ее амортизации. Нетрудно сообразить, что если человечество не сможет производить больше кремния, чем нужно для покрытия амортизации материала батареи, она вообще никогда не будет достроена в принципе. Одновременно, приведенный расчет показывает, что никакая «зеленая энергетика» не в состоянии будет покрыть человеческие потребности в энергии на сколько-нибудь приемлемом уровне, ибо «КПД» преобразования солнечной энергии в энергию биомассы гораздо, на порядки, ниже, чем даже у современных солнечных батарей .
 

Вот что важно понимать: мы рассмотрели выше единственный действительно возобновляемый источник энергии.
 

Но есть еще «неисчерпаемый» источник – это термоядерный синтез. Вот уже 60 лет человечество пытается приручить этот источник энергии, но безрезультатно. В настоящее время есть только две принципиальных возможности его осуществления, не противоречащие накопленным знаниям: плазма низкой плотности, удерживаемая магнитым полем специальной конфигурации и инерциальный способ, удерживающий короткое, но достаточное для осуществления синтеза время сверхплотное вещество. Оба способа столнулись с проблемой внутренних неустойчивостей, которые разваливают нужную конфигурацию вещества быстрее, чем происходит энерговыделение, достаточное для компенсации затрат энергии на создание нужной конфигурации. Этот критерий называется критерием Лоусона. Хотя создаваемая в настоящее время установки ИТЕР (токомак) позволит, по-видимому, удовлетворить критерию Лоусона, перспективы УТС пока весьма неопределенны, а все остальные источники, во первых исчерпаемы – и не важно, насколько быстро они исчерпаемы, - причем одновременно они создают непреодолимые экологические проблемы.
Ясно, что все здание современной человеческой цивилизации базируется на практически исключительно на использовании не возобновляемых энергетических ресурсов, которые с неизбежностью рано или поздно закончатся. В принципе, не имеет значения, когда это произойдет: через год, через 20 лет, через 200 или через 500. Важно, что это неизбежно. Вопрос только будет ли переход человечества в новое состояние катастрофическим или постепенным и приведет ли он к значительному – на порядок – сокращению численности населения?