Дешёвая инфраструктура 2. Баланс углеводородов. Статика

[vasiliynikon]

Дисклаймер: данная статья является перепечаткой моей публикации с сайта aftershock.news.
1. Для начала давайте разберёмся, что такое "дешёвая инфраструктура", что такое дёшево, что такое дорого. Всё "цены" мы будем считать в углеводородах, и только в них. Почему? Потому что они начинают подходить к концу, и именно они становятся ограничивающим фактором (нет углеводородов - нет развития). И даже если речь идёт о бумажных деньгах - зачастую эта цена является адекватным отражением "углеводородной цены" того или иного решения. Потому что опять-же дефицит.
При этом глобально углеводородов в мире - ещё огромное количество: на сотни лет при нынешнем уровне потребления. Но проблемы начинаются уже сейчас. Почему? Давайте разберёмся.

Всего углеводородов существует пять видов (в порядке убывания удобства обращения):
- нефть;
- природный газ;
- уголь;
- торф;
- лес.
Нефть, хоть и является самой удобной (прежде всего - в транспортировке и хранении), при этом - самый редкий вид. Отсюда и проблемы нынешней цивилизации: она построена на дешёвой нефти, и не слишком торопится перестраиваться, когда нефть дорожает.
В пересчёте на теплотворную способность, в джоулях, природного газа в природе примерно в 2 - 2.5 раза больше, чем нефти. Торфа - примерно столько же, сколько и газа. Угля - то-ли в 4, то-ли в 10, то-ли в 30 раз больше, чем газа. (Все расчёты - приводятся для условий России; в остальном мире соотношение нефть-газ-уголь будет примерно таким-же.)

Выходит, что большая часть "того, что горит" - это уголь, а нефть и газ, хоть и являются для нас "самыми вкусными", лишь крошечная добавка. Это логично, учитывая историю их зарождения. В конце девона - начале карбона в земной флоре стали господствовать голосеменные, которые благодаря тёплому климату и высокому содержанию кислорода в атмосфере очень активно росли, и заселили всю сушу. При этом фауна для их переработки (термиты прежде всего) появилась много позднее. В течении 60 миллионов лет деревья погибали от старости, просто падали на землю, укладывались друг на друга штабелями, в много сотен слоёв. Затем перемежались другими геологическими слоями, и под их давлением - спрессовывались в уголь. Потому и период этот называется - карбон.
Совсем другая история - нефть и газ. Для их появления залежи морской органики должны были:
- сосредоточиться в одном месте;
- быть погребены;
- попасть в строго определённые геологические условия;
- пробыть в этих условиях до наших дней.
Это не одноразовое явление, в отличие от карбона: нефтеобразование шло всегда, идёт и сейчас. Но - гораздо более редкое.

2. "Цена" конкретного углеводорода, т.е. его доступность - показатель очень комплексный, и зависит от многих факторов:
- стоимость добычи;
- стоимость переработки, транспортировки и хранения;
- стоимость вовлечения в полезную работу (создание электростанций и т.п. устройств);
- стоимость ликвидации последствий.
К примеру: нефть всё более трудна (и дорога) в добыче, и дороже газа (по джоулям) в 2-2.5 раза. Перерабатывать её так-же сложнее. Однако её проще всего транспортировать (что по трубам, что танкерами) и хранить. Поэтому в электростанциях (где цена топлива сильно превышает кап.затраты) нефть полностью вытеснена газом, а в средствах передвижения (где кап.затраты выше цены топлива) - пока нефть вне конкуренции.
Уголь - очень лёгок в извлечении и переработке, сравнительно прост в хранении, но сложен в перевозке, особенно посуху (по воде - всё проще). Электростанции на угле - сильно дороже, чем на газе, а экологические последствия очень велики (их предотвращение - ещё более удорожает электростанции). Поэтому станции на угле - стараются строить вблизи дешёвых месторождений угля, и подальше от скоплений людей.
Торф - в добыче ещё более прост, в транспортировке - ещё сложнее, чем уголь, зато экологические последствия много меньше. Поэтому станции на торфе - строят в максимальной близи от добычи (не далее 50 км).
И так далее. У каждого есть свои плюсы и минусы. Поэтому в современной энергетике нефть, газ и уголь занимают примерно равные позиции.

Но есть, как водится, нюанс. Если расходы на переработку, транспорт, вовлечение и ликвидацию - как правило фиксированы, и могут быть уменьшены за счёт прогресса, то затраты на добычу - зависят в основном от разработанности ресурса, со временем исключительно растут, и прогресс их сильно удешевить не может (закон сохранения, что поделать).
Следовательно, с течением времени доля нефти будет падать (по мере роста её цены), а доля газа, а затем и угля - расти. Экстраполируя этот процесс лет на 100 вперёд, к примеру, мы придём к тому, что нефть и газ будут использоваться на нужды химии, а жечь мы будем уголь, и ничего кроме угля.

3. Представим себя хозяином, сделавшим запасы на зиму. Допустим, у нас в погребе есть пара бутылей горилки (нефть), пара ящиков тушёнки (газ) и беспредельное количество картошки (уголь). Когда настанет весна (приход ядерной эры) - мы примерно знаем (порядка 100 лет), но лучше не подходить к этому моменту с пустыми закромами. Надо понимать, что углеводороды будут нужны человечеству и в ядерную эру.

Как поступит в этой ситуации голытьба (капиталистическое общество)? Закатит пьянку на две недели, и будет обжираться тушёнкой. А остаток зимы - сидеть на картофельной диете. Не помрёт от авитаминоза - счастливчик.
Как поступит рачительный хозяин (социализм)? Он посчитает все запасы, и распределит их так, чтобы вкусного (тушёнки и горилки) хватило на всю зиму. По чуть-чуть зато стабильно.

4. Выходит, что в предвестии холодов потребление картошки - надо наращивать, а тушёнки и горилки - снижать.
На что вообще мы тратим углеводороды? В порядке полезности для экономики:
1) химпром;
2) промышленность;
3) транспорт;
4) экспорт;
5) электрогенерация;
6) отопление.
Пирамида достаточно условная, но общая тенденция понятна: чем выше звено - тем меньше на него требуется углеводородов, и тем больше эти углеводороды приносят экономике пользы.
В России к примеру (как и по всему миру, практически) нефть ушла из п.5. Зато осталась в п.6, и достаточно широко, увы.
В идеальном обществе нефть пребывает только в п.1, газ - в п.п. 1, 2 и 3, а 4, 5 и 6 - удел угля и атома. Насколько мы далеки от идеала, какие есть диспропорции, и как их выправить - ещё будет разговор.

5. Что у России в "закромах"? С какими запасами мы подошли к зимнему периоду?
В целом подсчёты "запасов" - очень сложное занятие, с множеством нюансов, которые много раз обсуждались. Абсолютно точно мы их подсчитать не в состоянии физически, а считать предельно точно - просто никому не нужно. Как правило, подробно считают только те месторождения, которые уже работают, или собираются включить в работу (дабы рассчитать срок службы оборудования). Геологические оценки разнятся порой в разы, и кому верить - непонятно.
Я буду брать средне-оптимистические оценки, чтобы наверняка. Всё-же подготовка к зиме - дело серьёзное, лучше перебздеть.
Дабы привести данные к единообразному виду, пересчитаем все эти бочки, кубометры и тонны в систему Си, а именно - в петаджоули (PJ).

Нефть. ПО оценкам BP нефти в России - 14 млрд. тонн, но оценки BP известны своей пристрастностью. По оценкам Министерства природных ресурсов, по категории A+B+c1, по консервативной методике (КИ=0.36), извлекаемых запасов - 29 млрд. тонн. Примем эту цифру за отправную, учитывая, что сюда не входит:
- КИ выше 0.36 (порой он доходит до 0.7);
- неоткрытые ещё традиционные месторождения Восточной Сибири и Дальнего Востока;
- шельфовые месторождения;
- сланцевая нефть и битуминозные пески.

Разработка всех этих источников какую прибавку даст? Неизвестно. Может в 3-4 раза, а может только в 2. А может - и всего на 60-70%. Более ясно можно будет сказать только тогда, когда эти источники войдут в оборот.
Но на цифру 29 млрд. тонн можно рассчитывать. Считая удельную теплоту сгорания нефти за 42 кДж/кг, это даёт 1215 тыс. PJ.

Газ. По данным BP - 33 трлн. кубометров. По данным Минприроды, A+B+C1 - 73 трлн. кубометров.
Ясно, что к этим цифрам можно сделать такие же прибавки: будущие месторождения восточнее Ванкора, шельф, сланцы. С тем-же неопределённым результатом.
Считая теплоту сгорания газа как 40 МДж/кубометр, получаем 2920 тыс. PJ (в 2.4 раза больше, чем нефти).

Уголь. С углём - меньше всего ясности. В баланс записывают только запасы действующих месторождений (т.е. конкретных шахт и разрезов, но не угольных бассейнов в целом). По данным Педивекии, в России 150 млрд. тонн угля (из них 100 млрд. - бурого, 50 млрд. - каменного). Но это совершенно абсурдные цифры: в одном только моём родном Канско-Ачинском бассейне 640 млрд. тонн, из них 143 - пригодны к добыче открытым способом. Если верить этой картинке:


(на ней показаны то-ли запасы A, то-ли A+B), в России 1380 млрд. тонн угля. Если же не учитывать запасы, лежащие за полярным кругом (Тунгусский, Ленский, Салехардский бассейны) - получается 700 млрд. тонн. Эту цифру будем считать за отправную.
Если просто сложить оценки A+B+C1 (а именно так мы считали нефть и газ) крупнейших бассейнов (Тунгусский, Ленский, КАТЭК, Кузбасс, Печорский), то суммарные запасы в них будут 4974 млрд. тонн, а если приплюсовать C2 - ещё в 2-3 раза больше.
По сути, я принял такую, предельно заниженную оценку, дабы на её фоне нефть и газ не смотрелись совсем уж блекло.
Если считать весь уголь бурым (15 ГДж/тонна), то 700 млрд. тонн дают 10,5 млн. PJ.

Торф. Торфа в России - 188 млрд. тонн, удельную теплоту сгорания примем за 12 Гдж/тонна. Итого - 2256 тыс. PJ.

Лес. Лес хоть и является углеводородным ресурсом, но - не ископаемым, а возобновляемым. Поэтому посчитать суммарные запасы невозможно, можно лишь оценить годовой прирост (то, что можно использовать, не уменьшая площадь лесов). Прирост молодого сосняка, в естественных условиях - 1 тонна с гектара в год. Считая, что в России 118 млн. гектаров леса, а теплота сгорания древесины - 15 ГДж/тонну, это даёт 17.7 тыс PJ в год.
Стоит отметить, что это не гигантская величина - около 60% современных потребностей страны. Но учитывая, что при рациональном лесопользовании продуктивность леса может быть много выше (до 10 тонн/га в год), можно в перспективе перевести ВСЮ экономику страны ТОЛЬКО на лес, и всё равно - не просесть по энергопотреблению.

Сколько всего Россия потребляет энергии? В 2010г. - около 950 млн. т.у.т., что даёт 28 тыс. PJ. Всего-же запасы - 16.920 тыс. PJ, чего хватит нам на 600 лет. Из них уголь - 62%, торф - 13%, газ - 17%, нефть - 8%.
Помимо прочего это означает, что добычу нефти придётся сократить вдесятеро, а потребление, соответственно, впятеро. Как это сделать - отдельный вопрос. Будет это непросто. Зато через 600 лет, когда во всём мире уже и думать забудут об этой чёрной жиже, мы её будем потреблять как и столетия до этого: понемногу, зато стабильно.

Можно нарисовать другой сценарий: энергопотребление в России будет расти, и очень сильно. Население будет расти, а уровень жизни - подниматься до европейско-американского. Потребление энергии вырастет, допустим, втрое (до 84 тыс. PJ). Тогда наших запасов хватит нам на 200 лет. Тоже неплохо: вдвое больше заданного срока до наступления ядерной эры.
Ну и надо понимать, что даже по прошествии этих 200 лет, после исчерпания всей нефти и всего газа, у нас ещё останется беспредельное количество угля. Так что даже если с созданием реакторов-бридеров у нас не заладится, без отопления мы сидеть не будем.