Диалектика энергетических укладов в новых геоэкономических условиях

В гелиоцентрической системе современного мира Солнце представляется уникальной константой, которая объективно существует в системе «пространство–время». От светимости (способности излучать лучистую энергию) Солнца с определенным уровнем плотности энергетического потока на верхней границе атмосферы (астрономической солнечной постоянной) непосредственно зависит все сущее на Земле в объективном хрональном поле, понимаемом как единство прошлого, настоящего и будущего. Длительное время, начиная со времен Аристотеля и практически до наших дней, отсутствовал инструментарий получения точного значения солнечной постоянной, неизменяемость которой с течением времени считалась аксиомой.

С началом регулярных спутниковых наблюдений в конце 1978 г. в процессе измерения значений солнечной постоянной постепенно были выявлены колебания последних. Причем эти колебания ожидаемо носят циклический характер с длительностью базового цикла в 11 лет. Такая же длительность базового цикла характерна для колебаний солнечной активности (определяемых по изменению количества солнечных пятен или сглаженных ежемесячных чисел Вольфа с 1755 г.) и присуща мировой циклической динамике в целом.

В частности, установлены [1] и рассчитаны для России [2] циклы экономической конъюнктуры с базовой составляющей в 11 лет (цикл Джанглера); в 1920-х гг. выявлены [3] циклические колебания военно-политической активности, показывающие зависимость возникновения войн и военных конфликтов от динамики солнечной деятельности. Также автором установлены циклические колебания об-разования/таяния арктического льда [4, с. 151-153] как частный случай единого климатического цикла с ветвями потепления и похолодания.

Следует особо подчеркнуть, что циклическая изменчивость солнечной постоянной интуитивно отмечалась уже в давние времена, задолго до активного индустриального воздействия человека на природу [5, с. 43–52]. Это позволяет усомниться в решающей роли антропогенного воздействия на современную климатическую повестку и подтвердить зависимость циклической смены периодов потепле-ния/похолодания от естественных особенностей солнечной динамики.

Первичные энергетические ресурсы и формирование энергетических укладов

Постоянное поглощение лучистой энергии территорией, акваторией (включая континентальный шельф и покрывающие воды Мирового океана) и аэроторией обеспечивает аккумуляцию последней в виде первичных энергетических ресурсов (ПЭР). Таким образом, непрекращающееся поступление лучистой энергии на Землю обеспечивает постоянную локализацию и накопление энергии в виде торфа, дров, угля, нефти и газа, которые лежат в основе углеродного энергетического уклада. Представителями неуглеродного энергетического уклада являются уран (ядерная энергетика), вода (гидроэнергетика и энергия геотермальных вод), ветер и собственно солнечная энергия, а также другие виды (энергия приливов в Мировом океане или объем биомассы, производимый ежегодно биосферой и др.), входящие в собирательное понятие ВИЭ (возобновляемые источники энергии). Потребление всей этой энергии – это вопрос компетенций и обладания технологиями добычи, транспортировки и переработки энергетических ресурсов.

Некоторое «технологическое отставание» России в области энергетики в новых геоэкономических условиях (санкции) наблюдается в отсутствие компетенций при создании буровых платформ и судов для добычи нефти, и газа в акватории арктического континентального шельфа в сложных климатических условиях высоких широт при сильном ветре в мощных ледовых полях. Такое же отставание наблюдается в строительстве нефтяных (челночных и магистральных) танкеров и танкеров-газовозов с ледовым усилением до класса

Arc7 с реализацией концепции «double acting ship» (суда двойного действия) ввиду отсутствия локализации в отечественном судостроении винто-рулевых колонок ВРК «Azipot».

Такие ВРК обеспечивают безопасность мореплавания в сплоченных льдах под класс Arc7 и выше кормой вперед. Отдельная проблема – обладание технологией создания криогенных комплексов (стационарных многотоннажных и морских транспортных) для газовозов Arc7 типоразмера «Yamalmax». Все это является следствием не столько «технической и научной отсталости» нашей страны, сколько – это величайшая геополитическая драма [6] – неоправданным стремлением России стать частью глобального мира в рамках сложившейся на «коллективном Западе» либеральной экономической модели. Неприятие России в этом мире ощущалось с обеих сторон, сначала на Западе [7], а затем и в России – «поворот России в сторону Запада был ошибкой» [8, 9].

Тем не менее, новые геоэкономические условия (санкции) отчетливо определили проблемные контуры аккумулирования и хранения, а, следовательно, и эффективности практического использования энергетических ресурсов различных видов. Сравнение ископаемых (содержащихся в Земле, которая выступает естественным аккумулятором энергии) и альтернативных (то есть не находящихся в Земле, входящих в собирательное понятие ВИЭ, аккумуляция энергии которых происходит с помощью инженерных технических устройств) ПЭР свидетельствует о низком энергетическом потенциале последних, следовательно, природа оказалась мудрее человека. Вопрос о возобновляемости/невозобновляемости ПЭР является надуманным и научно не обоснованным: светимость Солнца – явление постоянное, хотя и циклическое, поэтому процесс создания ПЭР в недрах и на поверхности Земли идет также постоянно, однако для возобновления ископаемых ПЭР требуются долгие годы, а неископаемые возобновляются на наших глазах.

В мировом потреблении энергетических ресурсов исторический максимум около 620,0 ЭДж (1 ЭДж – 1 экзоджоуль составляет 1018 джоулей), или 15,8 млрд т н.э., достигнут в 2023 г. [10], в том числе 81,47% приходятся на ПЭР углеродного уклада. Это, прежде всего, нефть, абсолютный лидер мирового потребления (31,70%), природный газ (свободный и сжиженный) – 26,47% и уголь – 23,30%. Остальные 18,53% – неуглеродные ВИЭ, в том числе 8,16% – ветровая и солнечная энергетика, 6,40% и 3,97% приходится на гидро- и ядерную энергетику, соответственно. В зависимости от масштабов экономики происходит мировое распределение энергетических ресурсов, из которых порядка 80% приходится на 20 крупнейших (от 0,8% от мирового или более 120,0 млн т.н.э.) потребителей, в том числе на четверку лидеров – Китай (27,60%), США (15,20%), Индию (6,30%) и Россию (5,05%).

В энергетическом балансе этих стран предпочтение отдается традиционным ПЭР, в Китае и Индии это – уголь (54,8% и 56,1% используемых ПЭР, соответственно). Потребление угля в Китае в 2,8 раза превосходит этот показатель по нефти и в 6,3 раза по природному газу. Нефть и газ являются основой энергетического баланса США с долей в последнем в 37,2% и 33,8% используемых ПЭР, соответственно. Лидером в потреблении угля является Индия (56,47% энергетического баланса страны), этому виду ПЭР отдается явное преимущество по сравнению с нефтью (28,09%) и природным газом (5,77%). В России доля природного газа составляет 52,2% используемых ПЭР, что в 2,3 раза превышает потребление нефти.

Следует особо подчеркнуть преобладание нефти как в мировой структуре потребления (31,70% от общего), так и в европейской (36,39%). В структуре потребления 20 ведущих энергетических держав нефть преобладает в тринадцати. В восьми странах лидирует нефть: это Япония, Бразилия, Южная Корея, Саудовская Аравия, Германия, Турция, Австралия и Испания. В пяти – нефть и газ (разница не более 10%) – это США, Канада, Мексика, Великобритания и Италия. Структура баланса трех стран, которые относятся к крупнейшим газовым державам, строится на основе газа – Иран, Россия и ОАЭ – доля которого составляет 69,55%, 52,16% и 46,98%, соответственно. На уголь, кроме Китая и Индии, ориентирована экономика Индонезии (42,73%). И только одна страна, Франция, использует, главным образом, ядерную энергию (34,96%) наряду с нефтью (31,87%), а доля ВИЭ оказалась существенной (на уровне более 20%) только в двух странах – Бразилии и Германии, что и привело к отрицательному экономическому росту (–0,2%) последней в 2024 г.

Геоэкономика и политика «энергетического перехода»

Для определения возможности взаимозаменяемости ПЭР последние можно сравнивать друг с другом по степени энергетической эффективности, которая реализуется в таком показателе как плотность энергетического потока. Этот показатель, называемый со времен Аристотеля солнечной постоянной

(так как Солнце феномен постоянный сам по себе) представляет собой отношение скорости энергетического потока (Дж/сек), направленного по нормали на один м2 определенной поверхности. Таким образом, важнейшим показателем эффективности в общем ряду ПЭР по понятным причинам является именно солнечная постоянная.

С началом регулярных спутниковых наблюдений в конце 1978 г. удалось установить колебания потока излучения Солнца. Эти вариации, как и колебания солнечной активности, наблюдаемые и исчисляемые по числу солнечных пятен с 1755 г., имеют циклический характер с базовым 11-ти летним циклом и глобальной практически двухвековой циклической вариацией, которая впервые непосредственно была обнаружена в 2005 г. [5, с. 47]. Выявлена и прямая связь между количеством поступающей на Землю солнечной энергии с величиной радиуса, то есть с площадью излучающей поверхности Солнца: Солнце «дышит» (конечно, это фигура речи) с амплитудой колебаний радиуса до 250 км в 11-летнем цикле и до 750 км – в двухвековом (см.: [5, с. 51] со ссылкой на [11–14]). При этом, вариации солнечной постоянной определяются базовыми и большими циклическими колебаниями потока солнечного излучения и составляют до 0,07% в 11-летнем и 0,2% в двухвековом цикле [5, с. 100].

В частности, исторический максимум солнечной постоянной за период спутниковых наблюдений с 1978 г. был исчислен в ноябре 1989 г. (в максимуме двухвекового цикла) и составил 1365,99 Вт/м2 [15, с. 34-42], это означает, что в этот период на каждый м2 сферы Земли на входе в атмосферу ежесекундно поступает такое (в Дж) количество солнечной энергии. Тогда полное количество поступающего на Землю потока солнечной энергии в год, проецируемое на площадь круга с радиусом Земли (составляющую ¼ общей площади Земли), это столько, сколько получает Земля в верхних слоях атмосферы, то есть на высоте порядка 18 км, за год, что составляет по имеющимся данным [5, с. 45] порядка 5,49.1024 Дж. Таким образом, усредненная по времени солнечная постоянная в максимуме составит порядка 342 Вт/м2.

Теоретически при наличии технологий преобразования этой энергии в полезную работу и отсутствии потерь при существующем мировом объеме потребления ПЭР (6,2.1020Дж) годового поступления на Землю солнечной энергии хватило бы на 8850 лет. Однако, в реальности первичное поглощение в коротковолновом инфракрасном диапазоне составляет 49,1% от общего солнечного излучения, остальное, 50,9%, отражается облаками, аэрозолями и атмосферой (22,5%) и поверхностью Земли (8,8%), а также поглощается атмосферой (19,6%). При этом, по данным [16], на верхней границе атмосферы существует лучистое равновесие (приход энергии равен выходу) между общим солнечным излучением, то есть энергией, поступающей от Солнца на верхнюю границу атмосферы и излучением Земли и атмосферы в длинноволновом инфракрасном диапазоне за пределы этой границы в космическое пространство.

Последнее состоит из энергии, отраженной облаками, аэрозолями, атмосферой (22,5%), поверхностью Земли (8,8%) и излученной собственно атмосферой (48,2%), последнее, в том числе, включает турбулентное тепло (7%), испарение и транспирацию (22,8%) и в большей части ранее поглощенную энергию (18,4%). К этой группе также относятся излучения отдельно облаками (8,8%) и через окно прозрачности (11,7%). Одним из экономических эффектов показанной солнечной динамики является образование известных и активно используемых в мировой хозяйственной деятельности ПЭР. При этом одним из побочных продуктов переработки и потребления лучистой энергии, как в естественной среде, так и в результате хозяйственной (антропогенной) деятельности человека является углекислый газ, увеличение концентрации которого в атмосфере в определенной степени способствует развитию актуального в наши дни процесса глобального потепления.

Известные ПЭР образуются в различных условиях аккумулирования энергии, в этом смысле наилучшим и наиболее эффективным аккумулятором являются недра Земли и технические (технологические) аппараты для извлечения энергии из основных продуктов аккумуляции, то есть нефти, газа, угля и урана. Причем мобилизационная готовность использования этих ресурсов является основой национальной безопасности и экономики России, в том числе и в части наполнения доходной части федерального бюджета РФ за счет нефтегазовых доходов [17; 18, с. 38–54].

Распределение ПЭР по странам и континентам, но, самое главное, по видам свидетельствует о весьма ограниченной заменимости «углеродных» ПЭР «неуглеродными» или «зелеными». Весь вопрос в различной плотности энергетического потока отдельных видов ПЭР. Концентрированный поток, который формируется долгие годы и столетия в недрах Земли, то есть естественным путем, и надежно, как показала практика, сохраняется в залежах нефти, газа и угля, имеет большую плотность в отличие от рассеянного. Рассеянный поток формируется на поверхности Земли и имеет существенно меньшую плотность, поскольку концентрация и хранение энергетического потока ветра, солнца, термальных и речных вод – процесс трудоемкий и, как правило, нерентабельный.

Для сравнения: плотность энергетического потока для нефти и природного газа составляет 195 и 482 Вт/м2, а для Солнца и ветра 6,6 и 1,8 Вт/м2, соответственно [19], также дизельное топливо превосходит водородное по этому показателю в 30 раз, а газовое – энергию ветра и Солнца в 270 и 70 раз, соответственно [20]. Это еще раз подтверждает предсказание П.Л. Капицы на заре «зеленого перехода» в 1976 г. о возможности глобального энергетического кризиса из-за недостаточной эффективности всех видов альтернативной энергетики [19].

Заключение

В целом вопрос о так называемом «энергетическом переходе» с позиций экономической целесообразности и обеспечения оптимальной рентабельности уровня производства и рационального качества жизнедеятельности населения сегодня представляется риторическим, не имеющим фундаментального научного обоснования. Весьма вероятно, что развитие технического прогресса в будущем позволит существенно повысить эффективность использования всех видов лучистой энергии в практической плоскости.

Что касается углекислого газа, то повышение концентрации последнего в атмосфере носит исключительно естественный характер и является прямым следствием циклического повышения температуры Мирового океана и суши в периоды повышательной волны циклов солнечного излучения. При этом, определяющая роль активизации промышленной деятельности человечества в формировании контуров современной эпохи глобального потепления представляется весьма, как минимум, спорной, поскольку представленные выше данные свидетельствуют о том, что в зоне антропогенной деятельности находится не более 0,02% от общей энергии, поглощаемой планетой Земля в ходе солнечного цикла. Это не существенно.

Все происходит как раз наоборот. Увеличение количества лучистой энергии приводит к повышению глобальной температуры Земли, что создает более комфортные условия хозяйственной деятельности в северных (более экономически развитых) регионах, обеспечивая последним гарантированный доступ к энергетическим запасам и ресурсам, в том числе и в арктических районах; при этом повышается рентабельность всего цикла освоения этих ресурсов от поиска и разведки до хранения и потребления. Повышение температуры моря и суши через определенное время приведет к увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере, главным образом за счет высвобождения CO 2 из вод Мирового океана, где количество растворенного CO 2 в 57–60 раз превышает содержание последнего в атмосфере.

С началом цикла глобального похолодания температура постепенно снизится, вслед за этим с известным временным лагом уменьшится концентрация углекислого газа и климатическая ситуация вернется в прежние контуры. Таков сложившийся веками естественный порядок вещей.

Работа выполнена в рамках темы FMEZ–2023–0009 «Стратегическое планирование развития Арктики в новых геоэкономических и политических условиях» по государственному заданию ФИЦ КНЦ РАН.