Энергоколлапс человечества…?

Представьте себе мир, где последняя капля нефти уже добыта, последний кубометр газа израсходован, а последний пласт угля превратился в золу. Утопия или антиутопия?

Еще недавно мир пугали тем, что запасы нефти вот-вот иссякнут, и что тогда?

В 1980-х годах считалось, что запасов нефти хватит до 2000 года, в 1996 году эксперты предрекали истощение нефтяных запасов к 2011 году.

Все эти заявления и прогнозы были посланием мира искать альтернативные источники энергии. Однако в реальности в течение длительного времени объёмы добычи и производства нефти и нефтепродуктов неуклонно росли.

Кризис 2020 года был преодолен в 2024 году (в статистику год не вошел)

• Сегодня мы знаем, что эти прогнозы не оправдались. И никто и не думал снижать темпы добычи нефти...

Однако они заставили нас задуматься о более фундаментальном вопросе: как долго человечество будет полагаться на ископаемое топливо в качестве основного источника энергии?

В 2023 году доля нефти в энергетическом балансе человечества составляла 39%, 37% приходилось на уголь, 12% на сжигание биомассы и 13% на генерацию электроэнергии, куда входят традиционные и возобновляемые источники энергии.

Сегодня нефть – это не просто топливо. Это кровь современной цивилизации, питающая как двигатели наших автомобилей, так и тысячи производств, от пластиковых игрушек до космических технологий. И 39% мирового энергопотребления – такова цена нашей зависимости от этого ресурса. Но природа не спешит восполнять то, что формировалось миллионы лет.

Пятьдесят лет – таков предполагаемый срок, на который хватит разведанных запасов нефти при текущем уровне потребления, а учитывая, что потребление нефти растет с каждым годом, то даже при наращивании новыми месторождениями, то полвека – это тот срок, на который нужно ориентироваться, вырабатывая энергетические стратегии, которые смогут безопасно заменить нефть в энергобалансе человечества.

Сегодня текущий энергетический ландшафт выглядит следующим образом:

Мировое потребление энергии порядка 600 эксаджоулей (ЭДж) в год.

И тут важно понимать, что 600 ЭДж в год — это вся первичная энергия, потребляемая человечеством, включая не только электроэнергию, но и:

• Тепловую энергию (отопление и промышленные процессы),

• Химическую энергию топлива (бензин, дизель, керосин и т.п.),

• Кинетическую энергию (включая двигатели внутреннего сгорания),

• Энергию сырья для промышленности (уголь для металлургии, газ для удобрений и т.д.).

То есть это вся энергия, извлечённая из источников до преобразования.

Добытая нефть — затраты энергии. Производство нефтепродуктов — затраты энергии. Бензин, сожжённый в ДВС автомобиля, — это такие же затраты энергии, как уголь, использованный для выплавки стали, или газ, превращённый в электричество на ТЭС.

В 2023 году (полные данные есть только за этот год) на транспорт приходилось около 30% энергетического баланса человечества (180 ЭДж) — бензин, дизель, авиакеросин и т. д.

• На промышленность: 27% (162 ЭДж) — включая тепло для плавки металлов, пар для химических процессов.

• На электроэнергетику без учета КПД: 23% (138 ЭДж) — генерация электричества (уголь, газ, АЭС, ВИЭ и т. д.).

• На бытовую сферу: 20% (120 ЭДж) — отопление, приготовление пищи и прочие.

Разница между первичной и конечной сгенерированной энергией может быть существенна.

Например энергия в первичном виде (нефть, уголь, газ) преобразовывается в конечную энергию, дошедшую до потребителя (электричество, бензин в баке).

Так, 100 Дж угля в ТЭС превращаются в 35 Дж электричества, при КПД 35%, потери на преобразование составляют 65%.

• Однако учитывается 100 Дж, а не 35.

Кстати об угле, в то время как нефтяные резервы истощаются, уголь остается самым обильным ископаемым топливом на планете. 170 лет – такой запас прочности у этого старого источника энергии, даже с учетом роста наших энергетических аппетитов. Правда, кто-то скажет, что за каждой тонной сожженного угля стоит экологический счет, который природа выставляет всему человечеству.

Тут, конечно, есть нюансы. Например, повышение уровня CO₂ благоприятно сказывается на растительной экосистеме планеты, 95% которой сегодня испытывают углекислый голод. Для наиболее продуктивной растительной деятельности в атмосфере должно содержаться не менее 1000 (ppm) частей на миллион (0,1%). Сегодня этот показатель составляет 427 (ppm), или 0,0427%.

Сжигание угля наносит вред экологии не выделением CO₂, а созданием взвеси микрочастиц, которые и несут вред всему живому на земле.

Что по газу?

Природный газ часто называют «мостом» между эрой ископаемого топлива и эпохой возобновляемой энергетики. Чистый, эффективный, но такой же конечный, как его углеводородные собратья. Ему отводят самый маленький срок — двадцать лет, — и этот мост может оказаться слишком коротким для перехода в устойчивое энергетическое будущее.

Атомная энергетика?

Ядерная энергетика – на сегодня единственный доказанный источник энергии, который надежно может заменить углеводородное топливо как с точки зрения энергоэффективности и мощности, так и доступности.

Запасов природного урана хватит на восемьдесят лет, развитие технологий замыкания ядерного топливного цикла расширит топливную базу еще в 100 раз, и чисто теоретически десять тысяч реакторов могут заменить человеческие энергетические потребности в углеводородах. Правда, за всё время было построено около 600 реакторов, 450 из которых сегодня действуют, — и это цифры, за которыми скрывается вопрос: готово ли человечество принять этот вызов?

А может, солнце и ветер? Это неисчерпаемые источники энергии, дарованные нам природой. Но почему же, несмотря на десятилетия развития и миллиарды инвестиций, их доля в общем мировом энергобалансе растет очень медленно? Ответ кроется в фундаментальных законах физики и экономики: они не могут наравне конкурировать с традиционной энергетикой по стоимости и эффективности выработки энергии на 1 кВт·ч.

Да и для создания лопасти того же ветрогенератора нужно переработать в 2 раза больше нефти, чем составит масса его композитного волокна. Да, композиты — это тоже нефтехимия, и без добычи нефти современные ветряк не построишь.

Термоядерный синтез?

ITER – международный термоядерный экспериментальный реактор из научного проекта перешел в фазу долгостроя с постоянно отстающими сроками запуска. Это попытка человечества воспроизвести на Земле процессы, питающие энергией звёзды, снова перенесена на 15-25 лет.

А потому что нечего отступать от традиций, а то запланировали, видите ли, на 2025 год запуск реактора. Нет, до термоядерной энергетики всего должно быть 20 лет, потому старт экспериментов с дейтерий-тритиевой плазмой, ради которого и создается ITER, теперь произойдет в 2039 году, и еще спустя 10 лет начнутся эксперименты по преобразованию термоядерной энергии в электрическую, то есть продемонстрировать ту самую принципиальную возможность получать полезную энергию посредством управляемого термоядерного синтеза, а это 2049 год...

• Это уже не первый перенос. 2016 на 2025, с 2025 на 2033, потом на 2039 и на 2049 год...

Тем не менее ожидаемый спрос на энергию к 2050 году вырастет до 800–1000 ЭДж в год, население Земли увеличится до 9,7 млрд человек, урбанизация городского населения достигнет 68%, и всем нужна будет энергия...

Расклад энергобаланса при оптимистичном прогнозе будет таковым:

2050 год

У нас есть примерно полвека — жизнь одного поколения — чтобы совершить энергетическую революцию. Это будет гонка со временем, где ставкой является будущее цивилизации. Углеводороды, которые природа создавала миллионы лет, мы сожжем за ближайшие десятилетия, оставшихся ресурсов хватит только на удовлетворение нефтехимической промышленности. Но и это не может продолжаться вечно.

К тому же энергетические ресурсы всегда были причиной конфликтов. И в мире, где традиционные источники энергии истощаются, борьба за контроль над ними может принять новые, более острые формы, это уже наблюдается, а в будущем ситуация только обострится.

Потому даже ради банального выживания человечества и недопущения еще одной мировой войны к 2100 году нужно осуществить полный переход на безуглеродные источники.

Как это сделать при росте населения до 10 млрд человек и технологической сингулярности с ИИ — это вопрос, по сути, выживаемости человеческой цивилизации в том виде, в котором мы себя представляем в будущем.

Энергопотребление к 2100 году достигнет минимум 1500 ЭДж в год (в 2,5 раза выше текущего). И это по минимальной планке. Если энергопотребление будет расти медленней, то человечество ожидают энергетические кризисы и войны за энергоресурсы.

Прогноз до 2100 года:

Конечно, энергетическое будущее человечества не предопределено. Оно будет таким, каким мы его создадим. Термоядерный синтез может стать нашим спасением, но мы не можем позволить себе роскошь ждать его появления. Необходимо действовать сейчас, используя все доступные технологии и ресурсы.

Например, к 2050 году потребуются накопители энергии суммарной ёмкостью 100 ТВт·ч, что в 500 раз больше текущего уровня.

• Твердотельные батареи, разрабатываемые сегодня с ёмкостью в 500 Вт·ч/кг, должны стать повседневными источниками питания.

Технология замыкания топливного ядерного цикла должна стать основной при строительстве новых ядерных реакторов.

В конечном счете, энергетический вызов 21 века – это большая технологическая проблема. Фактически, это тест на зрелость нашей цивилизации, на способность человечества объединиться перед лицом глобальной угрозы и найти решения, которые позволят сохранить наш мир для будущих поколений.

Энергетика 2100 года требует концентрации еще больших ресурсов. Термоядерные станции должны не просто появиться как сам факт, а начать вытеснять традиционные АЭС с позиции обеспечения базовых нагрузок, появление орбитальных СЭС необходимо для покрытия пиковых потребностей мегаполисов, а водород станет универсальным «энергоносителем и накопителем энергии».

Проекты космических солнечных электростанций уже разрабатываются. Они критически зависят от массы выводимой полезной нагрузки на НОО

По водороду тоже нужен прорыв. А именно в создании методов синтезирования металлического водорода, который в 200 раз превосходит по удельной энергоёмкости (60 кВт·ч/кг) современные литий-ионные аккумуляторы.

• Поможет ли нам ИИ разработать все эти технологии? Так для ИИ тоже нужна энергия, и очень много энергии.

Как предупреждал Станислав Лем: «Цивилизация — это диалог между энергией и разумом». Наш следующий шаг в этом диалоге определит, будет ли 21 век эпохой расцвета или упадка.

Конец — это всегда начало чего-то нового. Конец эры углеводородов должен стать началом новой главы в истории человечества...

А вот станет ли? И что нас действительно ждет после углеводородной эры?

Один из выдающихся физиков своего времени Нильс Бор однажды сказал: «Прогнозировать очень сложно, особенно будущее». Но одно можно сказать наверняка: путь к устойчивому энергетическому будущему лежит через инновации, сотрудничество и мудрое управление ресурсами, которыми мы располагаем сегодня.

Нильс Хенрик Давид Бор