Мир на пике – Мир в пике Анпилогов Алексей
Короче, если хотите модельную страну с недрами максимально изученными, разбуренными и исчерпанными – это будут именно США. Сланцевая нефть и сланцевый газ – это лебединая песня американского нефтегаза. Больше там уже ничего не найдут и не добудут – там уже яблоку негде упасть, за XX век предприниматели успели все исследовать, найти и разбурить. Остались только сланцы, и на них вся надежда США. И надежда, надо сказать, призрачная и слабая.
Собственно, вот эти нефтяные месторождения. Эти сланцевые гиганты по общим запасам даже больше любого из классических нефтяных «слонов», но проблема здесь, как я уже сказал, в темпе извлечения нефти на свет Божий и в расходах на эту нефть. Сланец, в отличие от традиционной нефти, это даже не «парадокс ремонта в России», это прямо-таки какие-то «Равшан и Джамшут» нефтяной индустрии. Потому что получается медленно, не все и очень дорого.
Как видите, Баккен, как самый известный из «сланцевых слонов», на пике, возможно, выдаст около 1,25 миллиона баррелей в день. Оставшиеся же сланцевые гиганты, числом около десятка (причем это почти полный список всего имеющегося, да еще и при удачном стечении обстоятельств и выполнении сакраментального условия «drill baby, drill»), выдадут на-гора не более 4,5 миллионов нефти баррелей в день вдобавок к миллиону из Баккена. Поэтому, прочитав все вышеизложенное, вы, пожалуй, посмотрите совсем другими глазами на вот этот прогноз по поводу добычи нефти в США.
Это прогноз Агентства Энергетической Информации США (Energy Information Agency, EIA) касательно добычи традиционной нефти, сланцевой нефти и газоконденсата на территории США.
Как видите, даже EIA признает, что производство традиционной нефти падает в США, как и падало до сих пор. Производство конденсата в США, в соответствии с прогнозом, выходит на плато уже сейчас и рост будет незначительным. Ну а «сланцевая нефть», скорее всего, выйдет на пик около 2020 года. За счет этого совокупное производство всех «более-менее жидких» углеводородов в США сможет выйти на общий пик в 2020 году (то есть уже через 6 лет!). Консилиум врачей пытается изо всех сил «поставить больного на ноги», но тщетно. Туберкулез, цирроз и сифилис. В смысле – «пик нефти» все равно вырисовывается. Несмотря на и вопреки. Ибо…
При этом величина пика составит цифру около 12,3 миллионов баррелей «жидкого» в день (Мбд). На масштабе выбранного графика «горб» выглядит впечатляюще.
Однако реальность ситуации с производством «жидкого» в США гораздо печальнее.
Все дело во временном масштабе графика и некоторых дополнительных фактах.
Факт № 1. Производство нефти и потребление нефти в США.
На графике нетрудно увидеть, что дает современным США рост общей добычи «жидкого» до уровня в 12,3 Мбд.
Зависимость от импортной нефти, организованная экономической и инфраструктурной политикой США еще в начале 1950-х годов, никуда не денется. Нефтяной динозавр по-прежнему ест нефти больше, чем добывает из своих скважин.
Безумная дыра между потреблением и собственным производством по-прежнему будет закрываться импортом жидких углеводородов. Да, возможно, за счет добычи жидких фракций природного газа и «сланцевой нефти» она немного уменьшится, но ее размер по-прежнему будет достигать 30–35 % от общего потребления. И это произойдет лишь в случае, если планы по стабилизации потребления нефти в США около текущих 19 Мбд осуществятся в полной мере, даже невзирая на продолжающийся рост населения самих США.
Столь же пессимистичен и другой отчет американского национального статистического бюро EIA (Energy Information Agency) на эту тему. Снова патологоанатом столь же категоричен. В морг – значит в морг. И нечего потеть. В целом, положения этого отчета зеркально копируют положения отчета Международного энергетического агентства, однако он добавляет немного данных, специфических чисто для США и являющихся их «пунктиком», а именно: соотношение между добычей и потреблением нефти. Вот этот график из отчета.
Как видите, США к 2035 году на 63 % независимы по нефти. Ну и, соответственно, на 37 % – зависимы. Помните, как в старом анекдоте: «Штирлиц оказался при этом чуть-чуть разоблачен, а радистка оказалась немножко беременна».
Факт № 2. Жидкие фракции природного газа, как мы сказали, это «не совсем нефть». Точнее – это нефть на 60–70 %. Все другие «альтернативы», которые обычно плюсуют чохом к сырой нефти, и того хуже. Так, например, биоэтанол содержит всего 50 % энергии нефти, если считать его в литрах. То есть, если считать что-то в баррелях (литрах, кубометрах), получается здорово. Просто не надо забывать, что плюсуем мы груши с арбузами. И «беременность» американцев энергетическим кризисом может возрасти с 37 % до 40 %, а то и до 45 %.
Факт № 3. Главный, но не последний. Сланцевая нефть, которая весело горбится на графике EIA, тоже «сожрет» на свою добычу, где-то 20 % от добытой нефти. Причем, что интересно, эти деньги и ресурсы надо будет инвестировать в добычу данного ресурса постоянно и авансом, начиная от текущего момента и вплоть до 2030 года включительно. EROI сланцевой нефти составляет лишь около 5:1. А именно этот параметр задает грустный факт расходования 20 % лишь на «поддержание штанов» у добычи. Помните, плохой медведь должен охотиться больше, чтобы добыть себе побольше нерп за свою бездарную беготню.
«Да быть такого не может! – скажет читатель. – Что, вся эта беготня вокруг сланца ради того, чтобы получить 5 «бочек» энергии на одну вложенную?»
Да, именно так. Согласно последним исследованиям, буровые установки, грузовики и поезда, обслуживающие нефтедобычу в Северной Дакоте, потребляют приблизительно 53 тысячи баррелей (8 426,3 тысячи литров) дизеля в день. Перевести всю эту ораву на электроэнергию очень трудно – скважины «дохнут» быстро, а месторождение Баккен, как и другие сланцевые месторождения, очень большое. На сайте EIA приведены данные, согласно которым в январе 2013 года уровень добычи в штате составил 738 тысяч баррелей (117 332,5 тысячи литров). Приведем эти показатели к общему основанию. Пусть это будут джоули.
Литр дизеля содержит порядка 37,3 МДж, а сырая нефть Баккена – 37 Мдж. Отличия несущественные, тем не менее. Штат отдает порядка 4 341 304,5 тысячи МДж энергии в виде нефти и потребляет 314 301,7 тысячи МДж в виде топлива (около 7,2 %). EROI на границе штата будет равно 13,8. Если учесть, что на переработку нефти в топливо уходит около 10 % энергии, то EROI после НПЗ будет примерно 4 341 304,5 / (434 130,4 + 314 301,7) = 5,8.
Данную оценку можно рассматривать как верхнюю границу для EROI, поскольку в ней не учтены расходы энергии на производство оборудования, доставки нефти на НПЗ и доставки топлива до конечного потребителя. Как не учтены и гамбургеры для пропитания оравы нефтяников в Северной Дакоте.
Получается, что бизнес «сланца» в Северной Дакоте – это сбор хвороста в опустевшем нефтяном лесу, в котором уже вырубили все деревья. Мороки с этим хворостом много, а тепла в доме он дает совсем чуть-чуть.
Но у нас есть и еще более экзотические заменители нефти. Эдакие гнилые пни, которые мы нашли у себя на холодном заднем дворе.
Ведь вторая надежда, о которой часто рассказывают в связи с «пиком нефти», это битуминозные пески в холодной Канаде, в которых содержится некая «тяжелая» нефть. Если нефть Баккена – это обычная нефть, которая попала в неудобную для добычи породу, то тяжелая нефть Канады или Венесуэлы – это, наоборот, неудобная нефть в обычной породе – песчанике или даже выветрившемся заново песке.
Вначале стоит разобраться с самой нефтью. На самом деле нефть – это никакое ни химическое вещество, а, скорее, целый коктейль различных веществ. В ней есть вещества вредные, есть вещества бесполезные, а есть вещества очень даже востребованные. И вся нефть в мире – разная. Есть месторождения с «хорошей» нефтью, а есть с нефтью, которая «не очень». Именно такой «не очень» нефтью была и российская нефть сорта Urals (в которой содержится много серы), пока нефть не стала стоить дороже, чем свобода.
Кроме того, полезные вещества нефти – углеводороды, из которых она состоит на 79–88 %, по отдельности гораздо более востребованы в экономике, чем необработанная, сырая нефть. Поэтому после добычи нефть разделяют по фракциям углеводородов, изначально содержащихся в ней, и продают их отдельно. Коллективная Золушка нефтепереработки денно и нощно путем возгонки и крекинга нефти отделяет мух от котлет, зерна от плевел и волков от агнцев.
Вот они, альфа и омега индустриальной нефтяной экономики:
Наиболее ценны так называемые «легкие» продукты перегонки нефти: весь верхний ряд – от нефтяного газа до соляра. Кроме того, ценность фракции нефти растет (в общем случае) в верхнем ряду справа налево – соляр дешевле газойля, газойль дешевле бензина, бензин дешевле эфира и так далее. Особняком стоит лишь нефтяной газ, который продается в целом дешевле жидких фракций. Иногда его вообще не заморачиваются утилизировать, а сжигают прямо на месторождениях, как на Баккене.
Почему же нефтяной газ не используется для получения чего-нибудь путного? Ответ прост: его качество часто и густо гораздо хуже того газа, который предлагает для продажи наш любимый «Газпром». В попутном нефтяном газе полно всяких вредных примесей – что насочилось в ствол, то и качаем наверх. Сероводород, азот, углекислый газ. Кроме того, количество нефтяного газа, получаемого от нефтяной скважины, обычно в разы меньше, чем количество природного газа, поступающего из скважин, изначально «заточенных» именно на газ. Поэтому не всегда раньше, на высоких значениях EROI и, как следствие, при низких ценах на газ и нефть, получалось экономически выгодно дотянуть трубу до каждой нефтяной вышки, выбрасывающей факел такого газа. Да и сами фракции конденсата, которые составляют большую часть нефтяного газа, не так удобны в добыче, переработке и использовании, как сырая нефть.
В России проблема нефтяного газа отягощается тем, что часто нефтяные месторождения расположены в столь отдаленных Мухосрансках, откуда транспортировать куда-либо попутный нефтяной газ экономически просто смерти подобно. На его доставку потребителям будет затрачено больше энергии, чем содержится в нем самом. Впрочем, проблема нефтяного газа остро стояла и стоит не только у нас, но и во всем мире. В английском языке он, собственно говоря, и называется flare gas или, в переводе на русский, «факельный газ», что, в общем-то, символизирует его назначение в современной человеческой деятельности.
В последнее время на фоне роста цен на минеральное топливо попутному нефтяному газу все же нашли достойное применение. Любой нефтяной промысел остро нуждается в электроэнергии для питания электричеством различного промышленного оборудования. В России, как мы помним, эта проблема отягощается расположением промысла где-то в никому не известном Скотопригоньевске. И нефтяники наловчились утилизировать нефтяной газ прямо на промысле, используя его как топливо для производства электроэнергии с помощью всяких новомодных штучек типа газопоршневых установок или газовых микротурбин. Именно отсюда растут ноги у 10 % попутного нефтяного газа в газовом балансе современных США. Нет нефти – начинаем думать о неудобном газе.
Вдобавок к неудобной фракции нефтяного газа, из которой все же наловчились получать конденсат, хоть и не везде, в традиционной нефти, на другом конце спектра углеводородных молекул, содержится столь же трудная к утилизации фракция – мазут и гудрон. И если в нефтяном газе, к удовольствию нефтяников, собираются все бесполезные и вредные газы из пласта, то в мазуте и гудроне собирается все, что есть бесполезного и вредного в самой нефти, – сера, карбиды и даже зола. Самые тяжелые фракции нефти практически нереально поджечь, даже нагрев их до высоких температур, поэтому их ценность как топлива – минимальна. В силу этого основные количества гудрона сейчас используются для дорожного строительства – это известный всем битум, который мы часто видим на дорогах нашей страны или на своих автомобилях.
Однако нефть из разных мировых месторождений содержит разное количество тяжелых фракций. Чем меньше тяжелых фракций в нефти, тем она дороже – большее удельное количество легких фракций позволяет сделать из нефти больше бензина. А бензин всегда можно дороже продать. Эта особенность рынка нефти, кстати, и определяет многие разночтения в оценках мирового производства, торговли и потребления нефти. Ведь легкая нефть стоит дороже, хотя весит меньше. Поэтому попутно возникает интересный парадокс – каждый производитель хочет продавать свою нефть именно как «легкую».
Мнений много, производитель обычно хочет считать больше баррелей нефти в своей тонне, покупатель – меньше. Саудовская Аравия спорит по этому вопросу с ВР, а российские экспортеры – с правительством России, но для нас же важно, что большая часть традиционной нефти имеет вес, соответствующий 7–8 баррелям в метрической тонне. Это равносильно плотности в пределах 780–900 кг/м для тех, кто, как я, был в детстве испорчен использованием системы СИ для построения научной картины мира.
Мазут и гудрон, содержащийся в традиционной нефти, важны для понимания того, что представляет из себя так называемая «тяжелая» нефть. Для тяжелой нефти характерно высокое содержание этих фракций, и, как следствие, ее плотность выше, чем у традиционной нефти.
Долгое время понятие «тяжелой» нефти было размытым. Было понятно, что надо где-то провести грань между обычной и необычной нефтью, между «легкой» и «тяжелой». Но тут опять-таки было много политики и экономики, но мало здравого смысла и математики.
В итоге лишь в 1987 году на XII Мировом нефтяном конгрессе в городе Хьюстон была принята общая схема классификации нефти и природных битумов, мировой консенсус был найден, и нефть все же была поделена по следующим группам:
• легкие нефти – с плотностью менее 870,3 кг/м;
• средние нефти – 870,3–920,0 кг/м;
• тяжелые нефти – 920,0–1000 кг/м;
• сверхтяжелые нефти и природные битумы – более 1000 кг/м.
Вот к этим двум последним категориям и относятся те месторождения, о которых вы сейчас слышите под именем «нефтеносных песков канадской провинции Альберта» и «тяжелой нефти долины реки Ориноко». Как и конденсат, как и «сланцевая» нефть – это уже «не совсем» нефть. Точнее – это уже совсем не нефть, как мы ее знаем. Это «осетрина второй свежести», которая «протухла» еще в тот момент, когда наши предки таки «замочили» динозавров.
Как это происходит? Нефть, для того чтобы превратиться в нефтяное месторождение, должна встретить на своем пути наверх структуру определенного вида – ловушку, которая позволит сконцентрировать и собрать в удобной для дальнейшего использования человеком форме значимые количества нефти.
Ловушка, как геологическая структура, обычно достаточно устойчива (иначе ей не светит собрать в себя значительные количества нефти или газа), но, как и любая геологическая структура, может быть разрушена из-за стечения различных геологических событий.
Что же произойдет в этом случае с нефтью и газом, которые столь долго копились «под спудом» крышки разрушающейся ловушки? А будет с ними следующее…
При разрушении запирающего купола ловушки первым, практически мгновенно в рамках геологического времени, наверх просачивается природный газ. Молекулам газа всегда легче «протиснуться» в порах пород и выйти на поверхность, нежели молекулам битума или соляра.
Дальше уже в самой ловушке начнутся два интересных процесса.
Первый из них связан с падением давления внутри ловушки, вызванным разрушением купола и уходом природного газа из пласта. При падении давления понижается температура кипения многих легких фракций конденсата, тех самых этана, пропана и бутана. Эти фракции, учитывая высокие температуры внутри пласта, тоже легко газифицируются вслед за метаном и последовательно выходят на поверхность, одновременно забирая с собой и излишки пластового давления. В результате давление в пласте падает практически до равновесного с породами на данной глубине.
Но, кроме того, если месторождение располагается достаточно близко к поверхности, а нефть, как и вода, «всегда дырочку найдет», то нефть неизбежно вытечет поближе к поверхности. И, рано или поздно, нефть на пути наверх встречается с жизнью – с мельчайшими бактериями. А жизнь, как мы помним это, в целом, абсолютный хищник, который всегда голоден и всегда хочет есть. И тут стартует второй процесс.
Несмотря на то, что лишь немногие живые организмы в чистом виде «едят» нефть, тем не менее многие из них совершенно ею не брезгуют. И поэтому при попадании нефти в верхние слои земной коры неизбежно, вдобавок к процессу ее медленного химического разложения при воздействии кислорода, добавляется более быстрый процесс ее биологического распада. При этом и химический, и биологический распад затрагивают в первую очередь легкие фракции нефти – битум же слабо поддается влиянию как кислорода, так и бактерий с их ферментами. Результатом такой многомиллионной разрушительной эпопеи является обычно месторождение нефти, практически полностью состоящее из битума.
И в мире есть пример такого месторождения. Оно громадно, и оно полностью состоит из битума. Оно не единственное – в России, в Казахстане и в Венесуэле тоже есть такие и даже более интересные объекты, но, как говорилось в старом анекдоте о хомячке и крысе, пиар у этого «хомячка» – самый лучший.
Канадские битуминозные пески (tar sands) вышли на поверхность Земли уже в меловом период, когда по Земле еще ходили динозавры, а Фокстерьер Судного Дня еще только растил свои зубки. В своем «мезозойском детстве» они, скорее всего, были обычным песчаником, который содержал в себе достаточно высококачественную нефть. Однако динозавры не были, в отличие от Homo sapiens, сильно заинтересованы в добыче природных углеводородов и поэтому оставили пылиться и разлагаться эту нефть практически на поверхности формирующегося континента Северной Америки. 60 миллионов лет – громадный срок. За такое время песчаник, в котором была нефть, превратился в обычный песок, а нефть пришла в полную негодность согласно промышленным стандартам. Но даже остатки былой роскоши поражают нас своими размерами и запасами.
Согласно проведенным геологическим оценкам, месторождение битуминзных песков в канадской провинции Альберта содержит около 1,7 трлн баррелей нефтяного эквивалента. Это в пять раз больше, нежели оценка геологических ресурсов «трудной» сланцевой нефти для группы месторождений Баккен. Однако если нефть Баккена, по крайней мере, все же является «трудной», «сланцевой», но в целом – обычной жидкой нефтью, которая еще может течь при нормальной температуре, то битуминозные пески Канады нефтью не являются. Поэтому-то и выскакивает такое интересное слово, как «эквивалент». Доллар – это эквивалент золота. Но не золото. И если сланцы – это «еще не нефть», то битуминозные пески – это «уже не нефть».
Как и для случая сланцевой нефти, в случае битуминозных песков наблюдается разительное различие между оценкой геологических запасов и извлекаемых резервов. В случае канадских битуминозных песков даже самые смелые оценки пока говорят лишь о 177 млрд баррелей нефтяного эквивалента в качестве извлекаемых резервов, то есть лишь о 10 % от величины общих геологических запасов.
При комнатной температуре природный битум представляет собой практически твердую массу, в случае же канадских месторождений – еще и перемешанную с песком. «Течь» такая гадость не может в принципе – это не в ее природе вещей. Единственным преимуществом канадских песков является то, что некоторая часть из них (около 20 %) лежит практически у поверхности – просто-таки в состоянии «копай и грузи».
Однако после достаточно простой, быстрой и веселой процедуры добычи и перевозки горной массы в дальнейшем пути битуминозного песка к бензобакам рядовых североамериканцев наступает гораздо более печальный этап, который легко описывается русским словом, синонимом слова «счастье», но состоящим из букв «Ж», «П», «О» и «А».
Во-первых, предстоит отделить мух от котлет, а песок – от битума. Делать это приходится путем тотальной обработки горной массы острым паром – в противном случае битум просто не хочет куда-либо течь. При этом полностью отделить битум от песка практически невозможно даже при нынешнем высоком уровне технологии, в силу чего вокруг карьеров вырастают еще более масштабные отстойники битуминозного шлама – адской смеси остатков битума, песка и загрязненной воды. При этом организовать полностью замкнутый по воде производственный цикл не получается – приходится практически всю воду сбрасывать в шламоотстойники, которые сейчас уже занимают площадь около 50 км. Этот процесс приводит к тому, что на 1 баррель синтетической нефти производителям приходится тратить около тонны свежей воды и попутно, при росте производительности, увеличивать площади отстойников, чтобы хоть как-то обеспечивать использование воды в замкнутом цикле. Собственно говоря, именно с «водным вопросом» и связаны основные претензии экологов к проектам по разработке битумозных песков. Однако экономически это вряд ли остановит производителей – даже сейчас, на уровне производства в 1,5 Мбд, производство синтетической нефти отбирает на свои нужды не более 2 % природного стока реки Атабаска – главной водной артерии бассейна.
Но гораздо более серьезная проблема битуминозных песков состоит в низкой энергетической эффективности процесса экстракции и последующей переработки полученного битума. Согласно оценкам самих производителей, около 1,5 ГДж (гигаджоуля) энергии надо затратить на производство каждого барреля такой нефти. Около 0,8 ГДж энергии покупается извне (это природный газ) и еще 0,7 ГДж энергии дает сам процесс переработки битума. Полная энергия, которая используется в производстве, включает и энергию, которую завод генерирует внутри процесса в качестве побочного продукта. По большей мере, это электрическая энергия, по которой завод имеет даже определенный избыток.
Завод по производству синтетической нефти также производит большие количества попутного газа в своем процессе, который используется для питания газовых турбин. Кроме того, в процессе получаются большие количества тепла, которое тоже используется – для производства пара и питания паровых турбин. Это делает процесс гораздо более эффективным.
Дальше можно сделать простой расчет, который нам уже понятен для параметра EROI: 5,8 ГДж (выход) делится на 1,5 ГДж (вход) и выводится значение EROI, который даже до стадии синтетической нефти уже составляет всего лишь 3,9:1. Дальше справедливо добавить, что полученная синтетическая нефть гораздо более трудна к переработке на нефтеперегонных заводах и, как следствие, итоговый EROI по всей цепочке до нормального бензина и соляра можно принять как 2,9:1.
Как видите, EROI битуминозных песков еще хуже, чем EROI «сланцевой» нефти самого раскрученного Баккена. Это явно гнилые пни, которые прогнили под землей еще во времена динозавров.
Итак, даже по состоянию на сейчас, когда почти все битуминозные пески добываются «без зонтика, на свежем воздухе», в открытых карьерах, внутренняя энергетическая эффективность этого процесса отнюдь не играет веселыми и радостными красками. Кроме того, построенное производство по экстракции битума из песков достаточно современное. Как пример – установки комбинированного цикла (газовая и паровая турбины), которые используются на переработке битума. Это вообще одни из наиболее совершенных машин по производству энергии. Поэтому надеяться на некие «новые технологии», которые как-то поднимут эффективность процесса, достаточно самонадеянно.
Однако гораздо более мощная мина замедленного действия заложена в проекте расширения переработки канадских битумозных песков.
В ближайшие 15 лет Канада собирается увеличить переработку песков более чем вдвое – от текущего уровня в 1,5 Мбд до 3,7 Мбд. Это позволит закрыть около 18 % потребности двух стран (Канады и США) в жидком топливе по состоянию на 2011 год. Цель, безусловно, благородная, масштабная и при должном финансировании – вполне выполнимая. Но, как видно из приведенной картинки, предыдущие 1,5 Мбд производительности, на самых простых к отработке запасах, канадцы строили 30 лет – с 1980 по 2010 год.
Однако проблема в большей мере состоит в том, что простые для отработки открытые залежи песков сейчас уже вовлечены в производственный процесс. Напомню, карьерными самосвалами можно вывозить не больше 20 % от общих извлекаемых резервов в 170 млрд баррелей.
Как видно даже по упрощенной схеме будущего технологического цикла, об эффективном использовании пара, попутного газа и тепла самого процесса для обеспечения энергией производства экстракции битума можно с сожалением забыть и, скорее всего, навсегда. Сколько составит EROI для скважинной добычи битума на канадских битумозных песках – отдельный, пока достаточно непредсказуемый вопрос. В 2009 году были проведены первые опытные бурения и экстракции битума непосредственно из-под земли, которые показали, что только процесс извлечения битума на «свет Божий» такими скважинами будет иметь EROI в районе 3,3:1. Исходя из этого, не исключено, что оценки, указывающие на совокупный EROI для будущих проектов разработки битумозных песков в пределах 1,5–2:1, не являются сильно пессимистичными.
Исходя из вышесказанного, нам, пожалуй, можно новыми глазами посмотреть на этого замечательного канадского осетра на графике прогноза добычи нефти в Северной Америке.
Канадский осетр, скорее всего, минимум треть энергии будет тратить на свой собственный прокорм, как и «сланцевая нефть» Северной Дакоты. Потому что они будут сами очень и чень хотеть кушать гигаджоули и гигаджоули тепла, пара и электроэнергии. Мы немного опоздали к этой нефти. Где-то на 65 миллионов лет, плюс-минус миллион роли уже не играет.
В общем, динозавру холодно и страшно. Нефти нет – и не будет. Как ни старайся, а упрямая нефть рисует пик на своей добыче и только сверхусилиями можно превратить этот пик в очень короткое плато, на котором еще можно с масштабными затратами денег постараться усидеть с десяток лет. Хабберт оказался прав. Альтернатива – это утки.
В чем же загвоздка? Почему американцы медлят? Почему у них на повестке дня этот идиотский сланец и неудобный канадский битум, а не прорыв в светлое будущее? Рассказываю.
Ключевые слова: нефть, отличия, сланец, исчерпаемые ресурсы.
Ключевые смыслы: нефть – это нефть; посчитать ресурс не для прессы.
Глава 10. Нефтяной Динозавр
В этой главе читатель с удовольствием узнает о неоспоримом удобстве «розовых очков», которые позволяют смотреть на мир слегка затуманенным оптимизмом взглядом. Этот подход позволят замечать удобные вещи, а неудобные игнорировать. Ну, не совсем игнорировать, но откладывать их исследование на более поздний срок. Реально каждому нормальному человеку (и государству) не очень хочется погружаться в море новых проблем и искать их возможные решения. Ведь всегда есть надежда, что кто-то решит похожие проблемы для себя и это решение можно будет легко и просто применить и на собственной территории. А пока понятно и без особых знаний и дополнительных исследований: нефть – самое классное топливо. Его не только просто добывать, но и удобно утилизировать! Это просто мечта, американская мечта.
Читатель, который внимательно прочитал предыдущие части моего opus magnum, касающегося перспектив перехода к новому, дивному миру, лишенному дешевой и доступной нефти, мог уже невольно задать себе простой вопрос: «А на фига, ну, зачем американцам закапывать свои усилия – и в прямом, и в переносном смысле – во все эти непонятные проекты по получению жидкого топлива с неясными перспективами и слабопрогнозируемой экономикой? Почему они, елки-палки, не строят АЭС, не развивают альтернативы нефти, не инвестируют в новую энергетику, а раз за разом пытаются реанимировать старое? Они что, идиоты?».
Ответ на этот вопрос интересен и нетривиален – и требует отдельного рассмотрения. Помните фразу Диксона о том, что «царящий в мире энергетический гегемон всегда слишком глубоко интегрирован в существующую систему»? Вот именно эта «интеграция» и держит США привязанными к нефти. Потому что нефть – это и есть США.
При анализе энергобаланса любой страны мира всегда необходимо учитывать, что, кроме источников энергоресурсов, экономика страны как минимум на 9/10 состоит из потребителей различных форм энергии. Потребители энергии есть как в самом топливно-энергетическом секторе (как мы помним, «энергия производит энергию»), так и во всех других производящих и обслуживающих секторах экономики. Часто именно структура промежуточного и конечного потребления энергии диктует направление усилий, которые та или иная страна будет прикладывать в деле развития источников первичной энергии.
И часто в рамках сложившейся структуры экономики можно получать энергоноситель в процессе с все более и более низким внутренним EROI, но такой энергоноситель оказывается гораздо выгоднее в момент его утилизации. Речь идет опять-таки об энергетической выгоде, а не о бухгалтерской прибыли! Это связано с утилизацией нефти в эффективных оконечных устройствах, поскольку устройства эти обладают большими значениями удельной энергии (specific energy), пиковой удельной мощности (peak energy) и большим КПД. Кроме того, на замену всех конечных потребителей и, особенно, на перестройку используемой ими инфраструктуры просто может не хватить никакого рыночного экономического ресурса.
Вот модельный энергобаланс США.
Видите, почему же основная часть усилий западного мира, и особенно усилий США, сосредоточена вокруг «продолжения банкета» жидкого топлива?
Ответ ведь достаточно прост – такое топливо легче всего хранить, транспортировать, оно обладает очень высоким значением удельной энергии. Устройства, утилизирующие жидкое топливо, являются одними из наиболее мощных – в расчете на килограмм своего веса. Весовая эффективность устройств, которая характеризуется параметром пиковой удельной мощности, для них тоже одна из лучших. Кроме того, такие устройства обладают одним из самых высоких КПД (коэффициентом полезного действия).
Что еще важно, так это то, что сами по себе эти устройства могут быть очень малыми по мощности (вплоть до единиц киловатт), поэтому их можно продавать буквально всем и каждому. Кроме того, в силу высоких значений пиковой удельной мощности и удельной энергии такие устройства легко использовать в быту и в транспорте, и особенно – в автомобильном транспорте.
Жидкое топливо – это, вообще-то, просто мечта индивидуалиста. А индивидуалист – это, собственно говоря, и есть идеальный американец. Идеальный житель идеального западного «свободного» мира, в который, как мы помним, Россия не входит. Вы представляете себе американца в троллейбусе? Во-во. Американец – это, в первую очередь, автомобиль. Забери автомобиль у американца – и кем он будет? Лохом на троллейбусе?
И дальше немного цифр, выкладок и умозаключений касательно того, могут ли вообще США без революции уйти от нефтяной иглы. Может ли динозавр взять и стать фокстерьером? Или скорлупа его яйца так и не даст ему это сделать?
Для понимания эффективности различных видов топлив и устройств, их утилизирующих, приведу вашему вниманию один интересный график.
Что можно сказать, внимательно рассматривая этот график?
Во-первых, бегло посмотрев на него, не зря мы все так любим бензин. Штука удобная, мощная и энергоемкая. Даже модный сейчас в США водород на фоне бензина выглядит весьма тускло. В водородных топливных элементах он на треть менее энергоемок, нежели связка «бензин и ДВС», и в два раза проигрывает бензину по пиковой удельной мощности. И если перевести это на русский язык, то водородные топливные элементы – тяжелые и гораздо менее мощные, чем бензиновые ДВС.
Если же заливать водород в ДВС, как бензин, то, помимо чисто технических вопросов с детонацией, надо учесть, что мы потеряем в три раза по удельной энергии устройства. Связано это с тем, что лукавая цифра всегда говорит нам о «килограммах водорода», но это в корне неверно.
Где вы видели килограмм этого вещества? В ракетах? Так он там при –255 градусах по Цельсию. Ну, или при 15 градусах по Кельвину, если так кому-то приятнее думать. Все равно для целей домохозяйств такой «водород в килограммах» категорически непригоден – в реальной жизни приходится возиться с водородом в газообразной фазе, в которой он проникает даже через сталь баллонов высокого давления, надо тратить энергию на его сжатие, а потом – таскать за собой тяжелые и опасные баллоны, ну и так далее. Хотя, как вариант, можно подумать и о новом устройстве этих баллонов, и о новых материалах для них, да все равно енергоемкость поднять не получится.
Итак, «сказка о водородной экономике» быстро сказывается, да непросто делается. Все попытки хоть как-то поднять инфраструктуру водородной экономики пришли, по сути дела, к весьма дорогостоящему «пшику». Сейчас, де факто, гораздо более серьезные усилия направлены на проекты по производству метанола, этанола, бутанола, синтетического бензина и дизельного топлива (тех самых GTL, CTL и BTL, которые мы уже упомянули чуть раньше), и, посмотрев на график, можно понять почему – все эти топлива, в отличие от водорода, жидкие при нормальных давлениях и температурах. Ну а их удельная энергия и удельная пиковая мощность позволяют, по сути дела, «подморозить» структуру оконечного потребления и инфраструктуру экономики. По этому пути сейчас активно движутся и США, и Западная Европа. Другой вопрос состоит в том, куда Америка сможет прийти с такими синтетическими, по сути дела, жидкими топливами. График стоимости из главы о технологиях добычи нефти как бы символизирует, что процесс этот будет и затратен, и непрост.
У США, по факту, переход на какие-нибудь суррогаты нефти – это вообще единственно возможный путь развития. Ибо вся американская инфраструктура транспортной отрасли ориентирована именно на использование огромного количества жидкого топлива.
Размещение основных масс населения, сложившееся в Америке за тучный XX век, – это печально известная Сабербия (Suburbia – или масштабные и протяженные пригороды. Пригороды, которые так любят показать в Голливуде и в которых живет больше половины городского населения самих США. Это и есть ахиллесова пята нефтяного динозавра. Сабербия делает любые усилия по быстрому слому ситуации с потреблением нефти просто бесперспективными – мало кто решится разово переселить как минимум 200 миллионов человек за сотни километров для создания более эффективной транспортной инфраструктуры. Таким образом, для выживания после «пика нефти» у американца надо будет отобрать не только автомобиль, но и его дом. А это уже, извините, социальная катастрофа.
Для того чтобы обычный читатель мог представить себе масштабы глобальной «американской логистической катастрофы», я приведу вам пример сравнения двух городов – американской городской агломерации Даллас-Форт Ворс (1 213 тыс. жителей) и Москвы (12 000 тыс. жителей).
Вот это сравнение.
Как говорится, ребята, почувствуйте разницу. И это мы посчитали в общий «зачет» только официальное население столицы России.
Для желающих наложить какой-либо из американских городов на свою местность – вот удобный сервис для этого:
http://mapfrappe.com/?show=5468
Контур Далласа можете использовать сразу.
Американцы прекрасно понимают проблему размещения своего населения. В последнее время все чаще раздаются голоса: «С этим надо что-то делать!».
Если кто-то хочет посмотреть на проблему глазами самих американцев – в сети легко найти фильм «Конец пригородов» («The End of Suburbia»). Все проблемы там очерчены максимально ясно и четко.
Но пока инерция американского динозавра столь велика, что этот критический вопрос, являющийся к тому же еще и одним из «краеугольных камней» американской мечты, всерьез никто обсуждать не хочет. Есть вопросы, нет ответов.
Предложения типа «корову надо меньше кормить и больше доить», понятное дело, в расчет не берем. Желающих снова строить скоростные трамваи для связи пригородов с центрами городов в США пока нет.
Возвращаясь к скучному графику удельной энергии и пиковой мощности, можно заодно посмотреть и на новую мечту американского автопрома – электромобили. Сразу видна еще более печальная картинка «аккумуляторного послезавтра». Даже самые продвинутые литий-ионные аккумуляторы уступают в 10 раз бензину по удельной энергии и в полтора раза – по пиковой мощности. Если человеческим языком, то это значит, что автомобиль на аккумуляторах, выражаясь кратко: очень тяжелый и совсем не мощный. Ну – или совсем без мощи.
В чистом остатке, по факту, транспортная революция в США – это только пригородные электрички, метрополитен, трамваи и троллейбусы. Только провода, только хардкор. Полумеры американского динозавра не спасут уже никак.
Хорошо, с транспортом разобрались. А что там с электроэнергией? Можно ли там что-то сэкономить нашему нефтяному динозавру?
Если начать разговор об энергии с самого начала, то мы должны начать с человека. Человек может выдавать «на-гора» 100–150 Ватт мощности в течение 8 часов. Это теоретический максимум. Для этого ему надо подать «на вход» около 2500 ккал пищи. Что интересно, по формальному энергетическому расчету человек имеет КПД в 41 %.
Отсюда вытекает, что 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, питьем и нехитрыми развлечениями одного патриция. Что, собственно говоря, Древний Рим и Древний Египет нам с успехом и продемонстрировали.
Однако проблема в том, что человек потребляет не минеральные, а пищевые калории, то есть не нефть, а вкусные и питательные белки, жиры и углеводы. Как я покажу в отдельной главе, для того чтобы произвести одну «пищевую» калорию, нам надо затратить 10 калорий минерального топлива. Поэтому, к сожалению, сэкономить что-то в потреблении энергии за счет возврата к ручному труду ни США, ни всему миру нереально. Ведь тогда получится, что многие процессы будут идти не с КПД в 40–50 %, как сейчас, а с 1/10 КПД раба, то есть с эффективностью в 4–5 %. Современная индустриальная экономика просто рухнет в таком случае.
У лошади, за счет большей массы тела, КПД еще больший, чем у людей. Теоретический предел для живого организма – это около 51 % энергии пищи, превращенной в чистую энергию. Поэтому, собственно говоря, лошади и люди долго и не сдавали свои позиции механизмам «века угля».
И, исходя из данного примера, уже становится понятно, почему первичный источник энергии должен иметь достаточно высокий EROI – на его «плечах» надо выстроить всю сложную технологическую цепочку комплексной структуры экономики. В каждом следующем переделе и превращении энергии его начальный КПД («перевернутый» EROI) будет умножаться на КПД специфических процессов каждого из переделов. Ну и внезапно, в ходе длинной технологической цепочки, результат умножения вполне может упасть ниже 1. Тогда КПД всей экономики, построенной на таком ресурсе, тоже упадет ниже 100 %. И экономика станет производить меньше, чем подается на ее «вход». А это уже не экономика, а медленное вымирание.
Итак, для планирования будущего нужно четко знать, что, кроме EROI первичных источников не менее 4:1 (что соответствует КПД в 400 %), надо иметь еще 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 моем 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. Даже для США, потому что это тоже люди. Да и неэффективны рабы, как я показал выше.
Рассмотрим этих «крепких индустриальных ребят» утилизации энергии.
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 счете 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 двигатели 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 ее 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 всерьез и не вышли за размер 1 МВт и так и не поднялись выше 25–27 % по КПД. Все низкосортные топлива надо будет по максимуму утилизировать 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 специфического вида «говно обыкновенное биомасса» обычно плохо поддается какой-либо осмысленной транспортировке, и его часто имеет смысл утилизировать 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 бьет 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. И я думаю, что именно в этом сегменте нам еще предстоит услышать о многих интересных изобретениях и концепциях.
Кроме того, надо учесть, что будущие источники энергии будут очень распределенными 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 EROI, а вот при перевозке они эту эффективность теряют.
В-четвертых, в будущем надо будет что-то делать с «трудными подростками XX века» – топливными элементами, микротурбинами и двигателем Стирлинга.
Каждый из этих концептов очень интересен сам по себе (как сферический конь в вакууме), но требует очень серьезных 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 чем 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 над тем, как сделать наш мир интереснее, чище, эффективнее и добрее.
Однако пока Америка продолжает увлеченно участвовать в безнадежном ралли жидкого топлива. Ни инфраструктура транспортной энергии, ни производство электроэнергии в США никак особо не изменяются. Сланцевая нефть, канадские битумозные пески, нефть Мексиканского залива, война в Ливии, Сирии и «далее везде»… Что есть еще в активе у американского нефтяного динозавра? Цивилизационный гегемон ведь вступил в последний бой за энергию прямо на наших глазах. Рассмотрим все эти альтернативы вместе – и каждую по отдельности.
И начнем все же с фокстерьера, которого мы как-то незаслуженно забыли в тени нефтяного динозавра.
Вот состояние нашего фокстерьера в мире современной нефти.
Как видите, на самом деле даже сейчас, на фоне существующей, старой инфраструктуры, Россия тратит на себя лишь 25–30 % добытой сырой нефти, или около 2,5 Мбд. Оставшиеся 70 % уверенным потоком льются за рубежи страны. То есть, в отличие от нашего нефтяного динозавра, у фокстерьера еще нет призрака нефтяного голода даже и на горизонте. Но дело и не в том, что у фокстерьера полно нефти.
За последние полвека наш фокстерьер, оказывается, сильно подрос, и уже может показать нефтяному динозавру острые зубки. Причем зубки отнюдь не нефтяного плана, а связанные с совсем другой энергией. С энергией, за которой стоит будущее.
Ключевые слова: добыча, утилизация, ДВС.
Ключевые смыслы: может, что-то в консерватории поменять; продолжение банкета.
Приложение к главе: «Модель и возможности ее интерпретации».
Азимов Алексу:
Имя бога Урана упоминается в современной науке до того часто, что с ним не могут сравниться никакие богини Земли. В 1781 году английский астроном Уильям Гершель, немец по происхождению, открыл новую планету, удаленную от Солнца намного дальше любой известной к тому времени… планета имела весьма слабое свечение, еле различимое для человеческого зрения. В 1789 году Клапрот открыл новый металл. Тут же вспомнил стародавний обычай химиков Средневековья называть металлы именами планет. Клапрот решил, что должен назвать металл в честь новооткрытой планеты, и дал имя уран.
Алекс Азимову:
Свечение различимо, дозиметры сходят с ума.
Азимов Алексу:
В самом начале XIX века астрономы внимательно наблюдали планету Уран, изучая ее точную орбиту вокруг Солнца Кое-кто из них предположил, что за Ураном может быть еще одна планета, чье притяжение слабо воздействует на путь Урана.
Алекс Азимову:
Догадываюсь, что уран – это только вход в новый мир энергии.
Вассерман Алексу:
Особо отмечу возможное решение многих проблем ядерной энергетики, упомянутых в книге. Мой друг Нурали Нурисламович Латыпов ещё лет десять назад предложил развернуть комплекс полного цикла – от первичной переработки руды до захоронения отходов – на Семипалатинском полигоне испытаний ядерного оружия. Я уже около двух десятилетий сотрудничаю с Латыповым во многих интересных делах – в частности, помог ему проработать эту идею. По примерным оценкам, предлагаемый комплекс может, по меньшей мере, на несколько тысячелетий вперёд обеспечить все нынешние потребности Старого Света в электроэнергии (что, впрочем, приведёт к появлению новых потребностей: как указано в книге, новые ресурсы неизменно порождают новые попытки экспоненциального роста). К сожалению, все попытки продвинуть предложение по аппаратным каналам оказались неудачны: как справедливо отмечает в этой книге Алексей Анпилогов, сложившиеся системы боятся перемен. А проект Латыпова несколько лет назад опубликован,
И надеюсь, всеобщее осознание – после изучения книги Анпилогова – неизбежности радикальных изменений всего мирового хозяйства поспособствует, помимо прочего, и осуществлению идеи Латыпова.
Алекс Вассерману:
Работаем, поехали дальше!
Глава 11. Шпайш машт флоу
Выбросив наконец очки и вставив контактные линзы, глубокоуважаемый читатель может вдруг заметить: «Чем больше я изучаю эти новые данные, хотя они не совсем проработаны, тем более любопытными я их нахожу». Это глава историй, связанных с ядерным энергетическим потенциалом мира. Читатель помнит, что как-то на исторической сцене появились странные стрекозы и загнали термитов разлагать мертвые остатки биомассы, что создало предпосылки для остановки удачных метаморфоз по превращению природного мусора в углеводороды. Из-за чего, собственно, мы и страдаем теперь.
В этой же главе на сцене повествования появляется уже во всей красе новый герой – уран, который-то и заставит читателя посмотреть на мир иначе. Правда, чтобы увидеть явление нового мира, нужна определенная читательская смелость. Смелость, которую ранее проявляли ученые-ядерщики.
Сколько надо урана, чтобы заменить 200 тонн тринитротолуола? Где-то около ста граммов. Что, неужели это эквивалент 200 тонн тринитротолуола? Трех вагонов взрывчатки?
Да, цифры не врут.
Смесь изотопов урана 238U и 235U, обогащенная до реакторной чистоты, обладает плотностью энергии, превосходящей плотность энергии бензина в 2 000 000 раз (прописью: в два миллиона раз). Той самой specific energy или удельной энергии, о которой мы говорили в прошлой главе.
Для этого начальное содержание 235U в природном уране, которое обычно составляет 0,71 % надо увеличить до 2–4 %, то есть всего лишь в 3–5 раз. Задача, как мы увидим, сложная, но отнюдь не неразрешимая.
Ну а если сравнивать такой обогащенный уран с модными ныне Li-Ion батареями, то плотность урана по энергии окажется выше плотности энергии в аккумуляторах «всего-то» в 120 миллионов раз.
Со свинцовыми аккумуляторами даже сравнивать не буду – уж очень смешные цифры получаются.
Короче, магия больших чисел начинается.
Сам «ядерный клуб», который использует столь концентрированную энергию, по факту, это гораздо более закрытая структура, нежели ЕС, НАТО или G20. В него нельзя попасть «просто так» – по «праву рождения», как в Лигу Арабских Государств, или «по убеждениям», как в Движение Неприсоединения. Это лига настоящих ядерных фокстерьеров, которые кого угодно в этом мире порвут на мелкие тряпочки своими острыми зубами.
Для входа в «ядерный клуб» приходится положить жизнь и усилия как минимум одного поколения страны на различные научные, технологические и инженерные исследования, на масштабные организационные и производственные проекты.
А потом надо день за днем, год за годом поддерживать и совершенствовать свои структуры и своих людей, которые вовлечены в процесс обеспечения присутствия страны в «ядерном клубе». Членство в «ядерном клубе» – это самый что ни на есть Бег Красной Королевы. Каждый новый год приносит новые вызовы и новые задачи.
Кроме того, судя по опыту США, ЮАР или Украины, – «вход в клуб – рубль, выход – копейка, второй раз билет не продаем».
Это значит, что, единожды войдя в клуб, но не уделяя потом должного, постоянного внимания развитию всего букета ядерных технологий, второй раз обычно уже невозможно вытянуть из страны все жилы для создания сверхусилия по возврату утраченного знания. Второй раз в ядерную реку уже не пускают.
Кто сейчас состоит в «ядерном клубе»?
Сначала – группа лидеров. В полосатых купальниках плывут они вперед, к светлому ядерному будущему.
Это – «Большая ядерная семерка»: США, Россия, Франция, Китай, Великобритания, Индия и Пакистан. Военный ядерный клуб, люди, у которых есть возможность устроить вам персональный армагеддец прямо на вашем заднем дворе.
Против названия каждой из стран из этого списка незримо стоит количество ядерных зарядов, накопленных ими за XX и за начало XXI века. Кто-то из них может изничтожить шарик десяток раз, а кто-то только разок – роли это не играет, ведь любой из членов «Большой семерки» может легко втоптать небольшую страну в каменный век.
Нефтяной динозавр, хоть сам и состоит в «ядерном клубе», но уже не может диктовать этим ядерным фокстерьерам свою волю – у них очень острые зубы. Пусть у него самого есть ядерное оружие, но применять его он не станет. Страшно. А во многих других аспектах ядерной гонки наш нефтяной динозавр отстает от фокстерьеров уже сейчас. И связано это именно с обогащением природного урана до энергетических стандартов.
Все эти страны успешно наладили у себя обогащение природного урана в промышленных количествах, поставив на своей территории достаточно мощные заводы по разделению изотопов. Именно на этих заводах и производятся основные объемы промышленного ядерного топлива, поскольку страна, просто добывающая природный уран, обычно не может превратить его во что-то путное и пригодное для ЯТЦ.
ЯТЦ – это ядерно-топливный цикл, очень сложный процесс, который превращает простой уран в породе какой-нибудь шахты в стабильную электроэнергию в сети 220 вольт в вашем доме. И любой простой добытчик урана – Намибия ли, Нигер или даже Украина – продает свой природный уран кому-то в «Большой семерке» либо еще нескольким странам в мире. У этих стран есть технологии разделения изотопов урана, и они могут превратить выкопанный природный уран в реакторное топливо. Ну а потом желающие (например Украина, у которой, кроме урановых шахт есть и свои ядерные реакторы) уже получают обогащенное урановое топливо назад в виде красивых топливных «таблеток».
Для понимания ответим на еще один простой вопрос: а зачем вообще разделять уран на два изотопа?
Природный уран, который вот прямо в земле лежит, представляет собой «коктейль» из двух основных изотопов: 238U и 235U. Для современных реакторов нужен только легкий изотоп урана 235U. Именно он «горит» в современных реакторах. Ну а второй, тяжелый изотоп урана – 238U, это просто невзрачный серого цвета металл, который никак не заставишь гореть в современной конструкции реактора. Из 238U можно сделать сердечник артиллерийского снаряда, ну или… пустить его на фарфоровую краску. Впрочем, именно на 238U у нас основная ставка в будущем, но пока мы его в реакторах не сжигаем.
А вот что можно сделать из 235U? Ну, во-первых, атомную бомбу (в мировом хозяйстве нужная вещь), а во-вторых – топливо для АЭС.
Начиная с этого момента уже ощущается разница в подходах между русскими и западными технологиями. Фокстерьеры у нас разные. Одни зеленые, другие красные, желтые.
Американский (западный) ЯТЦ работает на закиси-окиси урана (U3O8), называемой еще «желтым кеком».
Российский же ЯТЦ изначально строился на использовании в качестве сырья другого соединения – тетрафторида урана (UF4).
И когда мне начинают рассказывать о том, что «русские всю бомбу украли у американцев прямо в чертежах», я их отсылаю к этому малоизвестному факту. Ибо моя бабушка как раз со всей этой гадостью и работала в Днепродзержинске, на одном из первых обогатительных предприятий советского ЯТЦ.
На желтом кеке и на тетрафториде урана заканчивается обычная жизнь природного урана и начинается то, за чем пристально следит МАГАТЭ, – разделение изотопов урана.
Для этого и желтый кек, и тетрафторид урана превращают в газ – гексафторид урана (UF6), который уже легко, за счет мельчайшей разности в весе изотопов (всего 3 нейтрона на каждое ядро урана!) разделяется на очень сложных обогащающих установках – газовых центрифугах и газовых диффузорах. В настоящее время около 35 % обогащения делается на диффузорах, а 65 % – на центрифугах.
И вот тут мы подходим к ключевому вопросу, как отделяют эти два, почти идентичных атома друг от друга? Ведь с точки зрения обычной химии и то, и другое – обыкновенный уран, который практически одинаково взаимодействует в рамках любых химических реакций.
В самом начале ядерной гонки величайшими учеными как в СССР, так и в США, осваивалась идея диффузионного разделения – пропускать уран через очень мелкое «сито». Точнее – через очень тонкие длинные трубочки, в которых более легкий изотоп 235U двигался бы чуть-чуть быстрее. В результате газ на выходе из этой тончайшей трубочки получается уже немного обогащен 235U и содержит меньше 238U. Поскольку «толстый», тяжелый уран тоже сочится в готовый продукт, обогащение получается на деле копеечное – на выходе из одной ступени газового диффузора уран обогащается всего в 1,00429 раза. Поэтому газодиффузные обогатительные предприятия – это циклопические по размерам, состоящие из тысяч и тысяч ступеней обогащения громадные заводы.
По-другому устроена газовая центрифуга. Это просто очень качественный агрегат, работающий по принципу молочного сепаратора, который отделяет нам сливки от молока. Степень разделения молекул гексафторида урана в центрифугах пропорциональна квадрату отношения скорости вращения к скорости молекул в газе. Отсюда очень желательно как можно быстрее раскрутить центрифугу. Типичные линейные скорости вращающихся роторов обогатительных центрифуг – 250–350 м/с, а у современного поколения – и более 600 м/с. Для того чтобы обеспечить такую линейную скорость ротора, центрифуги должны крутиться не быстро, а очень быстро. Где-то со скоростью в 2000 оборотов ротора в секунду. Это безумная скорость оборотов, современная центрифуга крутится где-то в 60 раз быстрее, чем коленчатый вал в двигателе вашего автомобиля на спокойных оборотах.
Типичный коэффициент сепарации для центрифуг уже выше, чем для диффузоров, и составляет 1,01–1,1, в зависимости от совершенства их конструкции. И для полного понимания процесса: самая плохая центрифуга где-то вдвое лучше самого хорошего диффузора. А хорошие современные центрифуги лучше газовых диффузоров в десятки раз.
Список стран, которые могут разделять изотопы чуть шире, чем «Большая семерка», но все равно сжат донельзя – за обогащение изотопов урана без спроса и без должного контроля со стороны МАГАТЭ бьют по рукам, и больно. Все вопросы к Северной Корее, Израилю и Ирану часто возникают именно по этому поводу. Хотя рано или поздно при должном упорстве и наглости, понятное дело, бомбу себе делают все желающие.
Вот эти счастливчики-обогатители: Аргентина, Бразилия, Великобритания, Германия, Израиль, Индия, Иран, Китай, Нидерланды, Северная Корея, Пакистан, Россия, США, Франция, Япония.
Кроме того, совместное с Францией предприятие по обогащению имеют Бельгия, Италия и Испания.
Таким образом, в «Изотопном клубе» у нас состоят – более или менее официально – 15 стран, и еще 3 страны ассоциированы с этим клубом.
Две страны из «Изотопного клуба» – Израиль и Северная Корея, судя по всему, в настоящее время обладают только военными программами. Они потихоньку наполняют свои ядерные арсеналы, забив болт на мирный атом. Еще три страны – Аргентина, Бразилия и Иран – находятся в «предпороговом» состоянии, имея собственные программы по разделению изотопов, но используя их пока исключительно на цели мирного атома, а еще две страны – Германия и Япония, под нажимом своего «обезьяньего» лобби («Назад, в пастораль!») сказали нет атомной генерации.
Однако для того, чтобы понять, кто чего стоит в «Изотопном клубе», приведу вам данные о мощности предприятий по конверсии урана в гексафторид и мощности заводов по разделению изотопов урана в мире.
На долю России приходится 40 % от мировых мощностей по разделению изотопов, на долю США – 20 %, на долю Франции приходится 15 % мощностей, на объединенную долю Германии-Великобритании-Бельгии – еще около 23 % мощностей по обогащению. В таблице же мощность обогатительных заводов представлена в безразмерных единицах измерения – так называемых ЕРР (Единицах Работы Разделения) или по-английски – SWU. Чем больше у вас этих магических ЕРР, тем больше урана вы сможете обогатить.
Все остальные обогатители мира, включая и Японию с ее мощной ядерной энергетикой, имеют не более 3 % от мировых мощностей по обогащению. На ядрен-батон, может быть, им и хватит, а вот на создание своего замкнутого ЯТЦ уже нет. И Япония или Южная Корея для своих АЭС вынуждены покупать готовое урановое топливо за рубежом, например во Франции или США.
Внезапно выясняется, что нищая Россия в два раза превосходит США по обогатительным мощностям, что, оказывается, фокстерьер уже вырос и в ядерной энергии оказался в два раза больше нефтяного динозавра.
Да, именно так. Россия, несмотря на свои скромные 33 реактора, по состоянию на начало 2013 года, против 104 ядерных реакторов у США на ту же дату, вдвое превосходит США по количеству разделительных мощностей. С чем это связано?
А ответ прост: Россию, как и наших общих предков в конце мезозоя, которые таки съели своих угнетателей-динозавров, спасла бедность. Именно из-за бедности и нищеты, которая всегда дамокловым мечом висела над севером Евразии, во времена СССР пришлось считать каждый рубль и киловатт-час и разработать сверхэффективную технологию обогащения урана на газовых центрифугах.
Почему же свет сошелся именно на центрифугах? И зачем отдельно особым значком (* на рис. 67) в таблице World Nuclear Association выделено газодиффузное обогащение, которое, судя по информации этой уважаемой организации, надо по всему миру закрывать как можно быстрее? Понятно, что центрифуги производительнее, но существующие диффузоры-то зачем выкидывать?
А ответ прост: энергия, энергия и еще раз энергия.
Малая степень обогащения урана на каждой из ступеней газодиффузного процесса заставляет тратить уйму энергии на разделение изотопов.
Ведь газодиффузное обогащение изначально создавалось под запросы военных.
Американским военным в 1950-е годы, когда и закладывались основные подходы к атомной промышленности во всех странах, на энергетические затраты по разделению изотопов было элементарно наплевать. Воякам был нужен оружейный, высокообогащенный уран. Для реакторов подводных лодок нужен был уран от нескольких десятков процентов обогащения и до 90 % чистого 235U, а для атомной бомбы – не менее 75 %. Процент же содержания 235U в топливе для реакторов, напомню, всего 2–4 %! Причем на фоне гонки вооружений времен «холодной войны» уран нужен был быстро. Нефти и энергии у США в то время было полно, деньги лились рекой и о затратах никто не думал, вот и построили быстро газодиффузные заводы.
О том, что завтра заводы по обогащению урана будут использовать для наработки топлива для АЭС, в 1950-е годы никто не думал. В СССР тоже вначале собрали газодиффузное производство. Но это был монстр.
Из доклада Исаака Константиновича Кикоина на научно-техническом совете при Совете Народных Комиссаров:
«В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1 000 мм, т. е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении.
Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т. е. в условиях хорошего вакуума.
Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90 % легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2 000 таких ступеней.
В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75–100 г урана–235 в сутки.
Читать бесплатно другие книги:
