Время-не-ждёт (RUS4)
В прошлых частях нашего рассказа речь шла больше о получении энергии и об внутренней эффективности этого процесса.
Как мы помним, данный сектор экономики - топливно-энергетический комплекс (ТЭК) в случае его анализа на подходах, отличных от чисто бухгалтерских расчётов "прибыли", "затрат" и "доходов", можно анализировать по соотношению EROEI (энергии полученной из процесса, к энергии, затраченной в процесс).
Ведь, в самом деле - о какой бухгалтерии можно говорить, стоя у фонтана скважины, из которой за сутки сами по себе вытекает 6000 тонн нефти (скважина "Бурган-1", Кувейт, апрель 1938 год)? Может, записать в графу "расходы" 30 000 фунтов золотом, заплаченных за концессию площадью в 10 000 квадратных километров?
Или - могут ли расходы в полтора миллиона фунтов наличными и бурение 10 скважин соответствовать нахождению семи месторождений нефти с совокупными запасами в 4,3 млрд. тонн нефти и 1,4 трлн. м3 газа (Иран, 1940 год, месторождения Месджеде-Солейман, Хефтгель, Нефтшах, Гечсаран, Агаджари, Нефтсефид, Лали - по сути дела one shoot-one kill: "одна скважина - одно месторождение")?
Нет, это в чистом виде рента, доход, совершенно не привязанный к расходам и усилиям компании на его получение. Ранняя нефть служила капитализму верой и правдой, но сама при этом была совершенно вне капиталистических отношений. Есть грустная ирония в том, что социальный уклад, поборовший рентные отношения феодального строя, по факту сам базировался на ренте - правда, уже иного, энергетического плана.
Как можно учесть эту "энергетическую ренту" в рамках всей экономики и привести её к общему знаменателю с другими процессами, используемых различными секторами народного хозяйства?
Легче всего сделать это, "перевернув" параметр EROEI и превратив его, по сути дела, в более известный и более понятный многим коэффициент полезного действия - или КПД.
В самом деле, например, EROEI 100:1, характерный для эксплуатации ранних залежей нефти, это не что иное, как КПД в 10 000% (прописью: десять тысяч процентов). Копейку вложил, сто рублей с неба упало из под земли вылезло. Не бизнес, а мечта.
Собственно говоря, именно такие высокие значения для первых разрабатываемых залежей угля и нефти и сделали капитализм возможным. Проблема раннего капитализма была в том, что первичные механические двигатели утилизировали энергию минеральных топлив с жуткими, по нынешним меркам, КПД.
КПД паровых машин только к середине XIX века добрался до уровня в 10-12%, а до этого момента вообще барахтался в районе 1-2%. Соответственно, первые индустриальные механизмы, даже используя топлива с EROEI 100:1 (что, как мы теперь понимаем, соответсвовало КПД топливной части экономики в 10 000%), не всегда могли вытеснить лошадей и ручной труд из технологических цепочек.
Для понимания процесса в конкретных цифрах - человек может выдавать "на гора" 100-150 Ватт мощности в течении 8 часов. Это теоретический максимум. Для этого ему надо подать "на вход" около 2500 ккал пищи. Дальше можно посчитать КПД человека:
1 ккал = 0,001163 кВт-ч, 2500 ккал=2,9 кВт-ч. (затраты энергии)
150 Вт/ч*8часов=1,2 кВт-ч (выдача энергии)
1,2 кВт-ч/2,9 кВт-ч=41%
То есть, батрак (или раб) - на самом деле, не столь уж и неэффективный экономический механизм. Если забыть о том, что он тоже живой человек и заставить его работать "за еду", то десяток батраков вполне могут обеспечить едой, питьём и нехитрыми развлечениями одного патриция. Что, собственно говоря, Древний Рим нам с успехом и продемонстрировал.
У лошади же, за счёт большей массы тела, КПД ещё больший. Теоретический предел для работающих митохондрий живого организма - около 51% энергии пищи, превращённой в чистую энергию. Поэтому, собственно говоря, лошади и люди долго и не сдавали свои позиции механизмам "века угля".
Поэтому, исходя из данного примера уже становится понятно, почему первичный источник энергии должен иметь достаточно высокий EROEI - на его "плечах" надо выстроить всю сложную технологическую цепочку комплексной структуры экономики. В каждом следующем переделе и превращении энергии его начальный КПД ("перевёрнутый" EROEI) будет умножаться на КПД специфических процессов каждого из переделов и вполне может упасть ниже 1 (ну, или в терминах КПД - КПД всей экономики, построенной на таком ресурсе упадёт ниже 100% - экономика станет производить меньше, чем подаётся на её "вход").
Кроме того, надо учесть, что многие экономические и общественные процессы ничего не возвращают в экономику назад в виде энергии или материальной продукции, на которую эту энергию затратили. Самые простые примеры - наука, здравоохранение, образование. Люди из этих секторов, жизненно необходимые для сложного общества, всегда были, есть и будут нетто-потребителями энергии и благ, полученных из неё. Это в традиционном обществе можно иметь EROEI 2,5:1 (КПД процесса 250%). Крестьянин вырастил пшеницу "сам 2,5" - нормальный урожай доиндустриальной эпохи, пшеницу съел, преобразовал энергию пищи в полезную работу (с собственным КПД в 40-50%), один раз в год залез на жену и заделал ей ребёнка. Жена беременная пашет вместе с ним на грядках, дети с пяти лет уже пасут гусей. Зубы рвём себе сами, умираем от простуды в 30 лет, считаем в пределах десяти.
А почему так? А потому что, даже в таком коротком цикле "крестьянин-пшеница-крестьянин", если перемножить КПД первичной энергии и КПД её использования, то получаем, что чистый выход системы "крестьянин-пшеница-крестьянин" составляет жалкие 2,5*0,45*100%=112%. Вот и получается, что на одного бездельника - фараона, жреца или строителя пирамид - надо держать "на подхвате" 9 батраков или рабов.
Поэтому, для планирования будущего нужно чётко знать, что кроме EROEI первичных источников, не менее 4:1 (что соответствует КПД в 400%), надо иметь ещё и очень активные утилизирующие устройства, которые помогают превратить первичную энергию во что-то полезное. Поскольку первичная энергия в индустриальный век обычно состоит из всяких "невкусных" и "неполезных" вещей вроде атомов урана или цепочек углеводородов, сразу скажу, что батраки в моём забеге не участвуют - их принципиально нельзя накормить ни нефтью, ни газом. Кроме того, я принципиально не хочу, чтобы мои дети были батраками. Вот такое у меня, извините, граничное условие.
Поэтому - рассмотрим этих "крепких индустриальных ребят":
Участники весёлых стартов:
ГПУгт - ДВС на генераторном газе;
ПТУпг - ДВС на природном газе;
ГТУ - газотурбинные установки на природном газе;
ДДУ - двухтактные дизельные установки на дизельном топливе;
МТУ - микротурбинные установки;
ПДУ - установки с паровыми двигателями;
ПТУ - паротурбинные установки на природном газе;
ПГУ - парогазовые установки на природном газе;
СДУ - установки с двигателями Стирлинга;
ТЭУ - установки с топливным элементом;
ЧДУ - четырехтактные дизельные установки на дизельном топливе.
Отрешившись от возможности задействовать всех этих "крепких ребят" на транспорте - как мы помним, там есть весьма специфические требования к весу и запасу топлива (энергии) на тот или иной тип двигателя - поставим их всех на неподвижный постамент и посмотрим, насколько они конкурентны друг другу.
Ведь, в конечном счёте, всех этих "ребят" можно так или иначе подключить либо к инвертору, либо непосредственно - к обычной динамо-машине и заставить выдавать электричество в общую сеть. После этого, из такой глобальной электрической сети, уже можно запитать и тяговые двигатели на транспорте (с КПД 70-80%) и асинхронные двигателя на производствах (с КПД 90-95%), и аккумуляторы электровелосипедов, лампочки, кондиционеры, кухонные комбайны и холодильники для населения, и будущие заводы по синтезу синтетического топлива для самых автономных и самых ответственных процессов.
Что сразу бросается в глаза?
Во-первых - природный газ надо жечь только в ПГУ (установки комбинированного цикла - газовая турбина, на её выхлопе - паровая турбина). Такие комбинированные машины позволяют перегонять в электроэнергию до 60% энергии топлива. Жечь газ в паровых котлах - в будущем - недопустимая роскошь.
Во-вторых - паровозов будет немного. ПДУ (паровые поршневые установки), к сожалению, так всерьёз и не вышли за размер 1 МВт и так и не поднялись выше 25-27% по КПД. Все низкосортные топлива надо будет по максимуму утилизовывать в ПТУ (паротурбинные установки, если что). Эти многоступенчатые монстры могут работать практически на любом топливе и имеют самый высокий КПД при такой уникальной всеядности по топливу - самые мощные из них выдают до 41% превращения энергии топлива в электричество. Однако, наряду с большими проектами, безусловно, будут реализовываться и более мелкие ПТУ - поскольку топливо вида "говно обыкновенное биомасса" обычно плохо поддаётся какой-либо осмысленной транспортировке, и её часто имеет смысл утилизовать прямо на месте образования.
В-третьих - размер мощностей от 100 кВт до 10 МВт очень эффективно, по-прежнему, закрывается поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Чем лучше топливо, используемое в них и чем совершеннее термодинамический цикл самого двигателя - тем более впечатляющ результат.
Дальше в догонялках внутри этого сегмента - просто таки стандарт детской игры "камни ножница, бумага". Дизель бьёт двигатель с принудительным зажиганием на размерах больше 100 кВт, но проигрывает ему в более мелком размерном классе. Соляр эффективнее бензина, но в перспективе его будет труднее получать на заводах синтетического топлива - процесс Фишера-Тропша неэффективен для получения длинных цепочек углеводородов. Бензин эффективнее газообразного топлива, но в будущем газ низкого качества можно будет получать для ДВС и из коровьего навоза, и из древесины, и из угля. Поэтому, я думаю, что в этом сегменте нам ещё предстоит услышать о многих интересных изобретениях и концепциях.
Кроме того, надо учесть, что будущие источники энергии будут очень распределёнными по площади, поэтому часто и густо генерация энергии размеров от 100 кВт до 1 МВт мощности будет очень востребована и экономически выгодна - при местном использовании многие такие топлива имеют очень высокий EROEI, а вот при перевозке они эту эффективность теряют.
В-четвёртых - в будущем надо будет что-то делать с "трудными подростками ХХ века" - топливными элементами, микротурбинами и двигателем Стирлинга.
Каждый из этих концептов очень интересен сам по себе (как сферический конь в вакууме), но требует очень серьёзных усилий инженеров по его доводке до состояния готового изделия. Микротурбины имеют адские запасы по собственному ресурсу (120 000 часов без капитального ремонта уже сейчас при 8 000 часов у среднего ДВС), двигатели Стирлинга могут работать, как и паровики, практически на чём угодно (а с гелием в виде рабочего тела - и с очень высоким КПД), а топливные элементы, в перспективе, обеспечивают необыкновенный КПД преобразования - до 70% энергии топлива можно превратить в электричество.
И да, теперь все эти ребята выигрывают у батраков и лошадей. Человечество не зря два века ломало себе голову тем, как сделать наш мир интереснее, чище, эффективнее и добрее.
Как мы помним, данный сектор экономики - топливно-энергетический комплекс (ТЭК) в случае его анализа на подходах, отличных от чисто бухгалтерских расчётов "прибыли", "затрат" и "доходов", можно анализировать по соотношению EROEI (энергии полученной из процесса, к энергии, затраченной в процесс).
Ведь, в самом деле - о какой бухгалтерии можно говорить, стоя у фонтана скважины, из которой за сутки сами по себе вытекает 6000 тонн нефти (скважина "Бурган-1", Кувейт, апрель 1938 год)? Может, записать в графу "расходы" 30 000 фунтов золотом, заплаченных за концессию площадью в 10 000 квадратных километров?
Или - могут ли расходы в полтора миллиона фунтов наличными и бурение 10 скважин соответствовать нахождению семи месторождений нефти с совокупными запасами в 4,3 млрд. тонн нефти и 1,4 трлн. м3 газа (Иран, 1940 год, месторождения Месджеде-Солейман, Хефтгель, Нефтшах, Гечсаран, Агаджари, Нефтсефид, Лали - по сути дела one shoot-one kill: "одна скважина - одно месторождение")?
Нет, это в чистом виде рента, доход, совершенно не привязанный к расходам и усилиям компании на его получение. Ранняя нефть служила капитализму верой и правдой, но сама при этом была совершенно вне капиталистических отношений. Есть грустная ирония в том, что социальный уклад, поборовший рентные отношения феодального строя, по факту сам базировался на ренте - правда, уже иного, энергетического плана.
Как можно учесть эту "энергетическую ренту" в рамках всей экономики и привести её к общему знаменателю с другими процессами, используемых различными секторами народного хозяйства?
Легче всего сделать это, "перевернув" параметр EROEI и превратив его, по сути дела, в более известный и более понятный многим коэффициент полезного действия - или КПД.
В самом деле, например, EROEI 100:1, характерный для эксплуатации ранних залежей нефти, это не что иное, как КПД в 10 000% (прописью: десять тысяч процентов). Копейку вложил, сто рублей с неба упало из под земли вылезло. Не бизнес, а мечта.
Собственно говоря, именно такие высокие значения для первых разрабатываемых залежей угля и нефти и сделали капитализм возможным. Проблема раннего капитализма была в том, что первичные механические двигатели утилизировали энергию минеральных топлив с жуткими, по нынешним меркам, КПД.
КПД паровых машин только к середине XIX века добрался до уровня в 10-12%, а до этого момента вообще барахтался в районе 1-2%. Соответственно, первые индустриальные механизмы, даже используя топлива с EROEI 100:1 (что, как мы теперь понимаем, соответсвовало КПД топливной части экономики в 10 000%), не всегда могли вытеснить лошадей и ручной труд из технологических цепочек.
Для понимания процесса в конкретных цифрах - человек может выдавать "на гора" 100-150 Ватт мощности в течении 8 часов. Это теоретический максимум. Для этого ему надо подать "на вход" около 2500 ккал пищи. Дальше можно посчитать КПД человека:
1 ккал = 0,001163 кВт-ч, 2500 ккал=2,9 кВт-ч. (затраты энергии)
150 Вт/ч*8часов=1,2 кВт-ч (выдача энергии)
1,2 кВт-ч/2,9 кВт-ч=41%
То есть, батрак (или раб) - на самом деле, не столь уж и неэффективный экономический механизм. Если забыть о том, что он тоже живой человек и заставить его работать "за еду", то десяток батраков вполне могут обеспечить едой, питьём и нехитрыми развлечениями одного патриция. Что, собственно говоря, Древний Рим нам с успехом и продемонстрировал.
У лошади же, за счёт большей массы тела, КПД ещё больший. Теоретический предел для работающих митохондрий живого организма - около 51% энергии пищи, превращённой в чистую энергию. Поэтому, собственно говоря, лошади и люди долго и не сдавали свои позиции механизмам "века угля".
Поэтому, исходя из данного примера уже становится понятно, почему первичный источник энергии должен иметь достаточно высокий EROEI - на его "плечах" надо выстроить всю сложную технологическую цепочку комплексной структуры экономики. В каждом следующем переделе и превращении энергии его начальный КПД ("перевёрнутый" EROEI) будет умножаться на КПД специфических процессов каждого из переделов и вполне может упасть ниже 1 (ну, или в терминах КПД - КПД всей экономики, построенной на таком ресурсе упадёт ниже 100% - экономика станет производить меньше, чем подаётся на её "вход").
Кроме того, надо учесть, что многие экономические и общественные процессы ничего не возвращают в экономику назад в виде энергии или материальной продукции, на которую эту энергию затратили. Самые простые примеры - наука, здравоохранение, образование. Люди из этих секторов, жизненно необходимые для сложного общества, всегда были, есть и будут нетто-потребителями энергии и благ, полученных из неё. Это в традиционном обществе можно иметь EROEI 2,5:1 (КПД процесса 250%). Крестьянин вырастил пшеницу "сам 2,5" - нормальный урожай доиндустриальной эпохи, пшеницу съел, преобразовал энергию пищи в полезную работу (с собственным КПД в 40-50%), один раз в год залез на жену и заделал ей ребёнка. Жена беременная пашет вместе с ним на грядках, дети с пяти лет уже пасут гусей. Зубы рвём себе сами, умираем от простуды в 30 лет, считаем в пределах десяти.
А почему так? А потому что, даже в таком коротком цикле "крестьянин-пшеница-крестьянин", если перемножить КПД первичной энергии и КПД её использования, то получаем, что чистый выход системы "крестьянин-пшеница-крестьянин" составляет жалкие 2,5*0,45*100%=112%. Вот и получается, что на одного бездельника - фараона, жреца или строителя пирамид - надо держать "на подхвате" 9 батраков или рабов.
Поэтому, для планирования будущего нужно чётко знать, что кроме EROEI первичных источников, не менее 4:1 (что соответствует КПД в 400%), надо иметь ещё и очень активные утилизирующие устройства, которые помогают превратить первичную энергию во что-то полезное. Поскольку первичная энергия в индустриальный век обычно состоит из всяких "невкусных" и "неполезных" вещей вроде атомов урана или цепочек углеводородов, сразу скажу, что батраки в моём забеге не участвуют - их принципиально нельзя накормить ни нефтью, ни газом. Кроме того, я принципиально не хочу, чтобы мои дети были батраками. Вот такое у меня, извините, граничное условие.
Поэтому - рассмотрим этих "крепких индустриальных ребят":
Участники весёлых стартов:
ГПУгт - ДВС на генераторном газе;
ПТУпг - ДВС на природном газе;
ГТУ - газотурбинные установки на природном газе;
ДДУ - двухтактные дизельные установки на дизельном топливе;
МТУ - микротурбинные установки;
ПДУ - установки с паровыми двигателями;
ПТУ - паротурбинные установки на природном газе;
ПГУ - парогазовые установки на природном газе;
СДУ - установки с двигателями Стирлинга;
ТЭУ - установки с топливным элементом;
ЧДУ - четырехтактные дизельные установки на дизельном топливе.
Отрешившись от возможности задействовать всех этих "крепких ребят" на транспорте - как мы помним, там есть весьма специфические требования к весу и запасу топлива (энергии) на тот или иной тип двигателя - поставим их всех на неподвижный постамент и посмотрим, насколько они конкурентны друг другу.
Ведь, в конечном счёте, всех этих "ребят" можно так или иначе подключить либо к инвертору, либо непосредственно - к обычной динамо-машине и заставить выдавать электричество в общую сеть. После этого, из такой глобальной электрической сети, уже можно запитать и тяговые двигатели на транспорте (с КПД 70-80%) и асинхронные двигателя на производствах (с КПД 90-95%), и аккумуляторы электровелосипедов, лампочки, кондиционеры, кухонные комбайны и холодильники для населения, и будущие заводы по синтезу синтетического топлива для самых автономных и самых ответственных процессов.
Что сразу бросается в глаза?
Во-первых - природный газ надо жечь только в ПГУ (установки комбинированного цикла - газовая турбина, на её выхлопе - паровая турбина). Такие комбинированные машины позволяют перегонять в электроэнергию до 60% энергии топлива. Жечь газ в паровых котлах - в будущем - недопустимая роскошь.
Во-вторых - паровозов будет немного. ПДУ (паровые поршневые установки), к сожалению, так всерьёз и не вышли за размер 1 МВт и так и не поднялись выше 25-27% по КПД. Все низкосортные топлива надо будет по максимуму утилизовывать в ПТУ (паротурбинные установки, если что). Эти многоступенчатые монстры могут работать практически на любом топливе и имеют самый высокий КПД при такой уникальной всеядности по топливу - самые мощные из них выдают до 41% превращения энергии топлива в электричество. Однако, наряду с большими проектами, безусловно, будут реализовываться и более мелкие ПТУ - поскольку топливо вида "говно обыкновенное биомасса" обычно плохо поддаётся какой-либо осмысленной транспортировке, и её часто имеет смысл утилизовать прямо на месте образования.
В-третьих - размер мощностей от 100 кВт до 10 МВт очень эффективно, по-прежнему, закрывается поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Чем лучше топливо, используемое в них и чем совершеннее термодинамический цикл самого двигателя - тем более впечатляющ результат.
Дальше в догонялках внутри этого сегмента - просто таки стандарт детской игры "камни ножница, бумага". Дизель бьёт двигатель с принудительным зажиганием на размерах больше 100 кВт, но проигрывает ему в более мелком размерном классе. Соляр эффективнее бензина, но в перспективе его будет труднее получать на заводах синтетического топлива - процесс Фишера-Тропша неэффективен для получения длинных цепочек углеводородов. Бензин эффективнее газообразного топлива, но в будущем газ низкого качества можно будет получать для ДВС и из коровьего навоза, и из древесины, и из угля. Поэтому, я думаю, что в этом сегменте нам ещё предстоит услышать о многих интересных изобретениях и концепциях.
Кроме того, надо учесть, что будущие источники энергии будут очень распределёнными по площади, поэтому часто и густо генерация энергии размеров от 100 кВт до 1 МВт мощности будет очень востребована и экономически выгодна - при местном использовании многие такие топлива имеют очень высокий EROEI, а вот при перевозке они эту эффективность теряют.
В-четвёртых - в будущем надо будет что-то делать с "трудными подростками ХХ века" - топливными элементами, микротурбинами и двигателем Стирлинга.
Каждый из этих концептов очень интересен сам по себе (как сферический конь в вакууме), но требует очень серьёзных усилий инженеров по его доводке до состояния готового изделия. Микротурбины имеют адские запасы по собственному ресурсу (120 000 часов без капитального ремонта уже сейчас при 8 000 часов у среднего ДВС), двигатели Стирлинга могут работать, как и паровики, практически на чём угодно (а с гелием в виде рабочего тела - и с очень высоким КПД), а топливные элементы, в перспективе, обеспечивают необыкновенный КПД преобразования - до 70% энергии топлива можно превратить в электричество.
И да, теперь все эти ребята выигрывают у батраков и лошадей. Человечество не зря два века ломало себе голову тем, как сделать наш мир интереснее, чище, эффективнее и добрее.