crustgroup (crustgroup) wrote,
crustgroup
crustgroup

Categories:

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.

Tags: Россия, новая энергетика, техноложество
Subscribe
promo crustgroup сентябрь 5, 2012 16:48 88
Buy for 100 tokens
Начиная цикл статей о ядерной энергии я постараюсь описать несколько моментов, которые часто проговариваются вскольз, либо вообще не упоминаются при разговоре о "ядерной альтернативе" ископаемым минеральным топливам. Стартанём собычных цифр и картинок, которые иногда гораздо более…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 25 comments