Для належного розуміння чому і чи взагалі має «Tesla Motors» значення слід ґрунтовно розібратися в історії автомобілів і в історії енергії.

 

Джерело: Wait But Why — How Tesla Will Change The World
Автор тексту: Tim Urban

ЗМІСТ

Частина 1: Історія енергії

Частина 2: Історія автомобілів

Частина 3: Історія Tesla

Енергія необхідна. Але що таке енергія? У словнику ми знаходимо таке визначення — «властивість матерії і випромінювання, яка характеризується здатністю виконувати роботу». А в свою чергу «робота» — це «прикладання сили для протидії опору або для створення молекулярних змін».

Виходить трохи занудно, тому давайте називати енергію так: енергія — це те, що дозволяє речам виконувати щось.

Хитромудрий момент стосовно енергії — це закон збереження енергії. Енергія не може бути створена або зруйнована, а може бути тільки перетворена з однієї форми в іншу. У зв’язку з потребою всього живого в енергії для виконання своїх функцій, і враховуючи, що самостійно ми не в змозі створювати енергію, то нам залишається лише красти енергію в інших.

Практично вся енергія використовувана живими організмами на Землі бере свій початок від Сонця. Енергія Сонця змушує капати дощ, приводить в рух вітер і живить все живе на Землі — біосферу.

Джоуль є загальноприйнятою одиницею вимірювання енергії — це кількість енергії, потрібна для прикладання сили в один Ньютон на відстань одного метра. Сонячна енергія забезпечує тваринам тепло і світло, а джоулі, які живлять всіх нас зсередини, спочатку потрапляють в біосферу від сонця до рослин.

Саме так і створюється їжа — рослини знають, як вловити джоулі сонця і перетворити їх в їжу. Після чого і виникає тотальне буйство — організми починають один одного вбивати для викрадання чужих джоулів.

Ми використовуємо термін «харчовий ланцюжок» в якості милого евфемізму для опису цього циклу крадіжок і вбивств. І ми вживаємо слово «поїдання» позначаючи «вбивство і викрадання чужих джоулів». Не ідеальна система, звичайно, але вона працює.

Так тривало дуже-дуже довго, але протягом останніх кількох сотень тисяч років люди стали про щось здогадуватися — хоч і приємно насичувати своє тіло новими джоулями, а ось витрачати енергію не особливо радісно. Набагато приємніше сидіти і економити сили, ніж швидко бігати туди-сюди або ж піднімати всякі важкі речі. Тому люди зметикували і стали шукати шляхи змусити джоулі працювати за межами своїх тіл і виконувати роботу за них.

Але джоулі можна відшукати не тільки в живих організмах. Джоулі носяться і літають усюди довкола нас, і за допомогою технологій люди навчилися використовувати і їх. Людство спорудило вітряні млини, здатні красти частину джоулів у вітру і перетворювати їх на механічну енергію для перемелювання зерен. Люди побудували вітрильники, що перетворюють джоулі вітру в керовану кінетичну енергію човна. Вода ж поглинає випромінювані сонцем джоулі і трансформує їх у гравітаційну потенційну енергію пари, яка перетворюється в кінетичну енергію при випаданні опадів і стіканні води вниз. Люди і тут знайшли можливість вкрасти деяку кількість енергії, створюючи греблі і водяні млини.

Але найбільш зухвалою технологією викрадання джоулів, до якої змогли додуматися люди, є спалювання будь-чого. І у випадку з вітром, і у випадку з водою, можна захопити тільки рухомі джоулі, коли вони проносяться повз вас. Але зі спалюванням можна перенести предмет, що накопичував енергію роками, і вивільнити всі джоулі відразу там де хочеться. Справжній енергетичний вибух.

Таке вивільнення енергії назвали вогнем, і тому джоулі виділялися в корисному для людей форматі тепла і світла — спалювання стало масовим явищем.

Приборкання дракона

Навчившись отримувати джоулі вітру і води, нам вдалося підпорядкувати стихію собі. Але коли справа дійшла до найбільш багатого джоулями вогню — ми не зразу змогли додуматися, що ще з ним можна робити крім сидіння довкола і приготування їжі. Вогонь являв собою неспокійного дракона, і нікому не вдавалося підкорити його до певного часу.

І тут стався прорив. Пара.

Джоулі вогню виявилися складними для уловлювання, але якщо їх направити у воду — вони змушують молекули води поступово божеволіти, влаштовувати штовханину і в кінцевому підсумку молекули доходять до стану паніки і починають вилітати з поверхні, випаровуючись догори під дією палаючого знизу вогню. Таким чином, ми успішно перевели термічну енергію вогню (яку досі нам не вдавалося приборкати) в потужний потік контрольованої пари.

З парою в своєму інструментарії винахідники 18-го століття вибухнули інноваціями. У їх розпорядженні опинилася значна кількість джоулів для роботи, що дозволило відкрити горизонти досі неймовірних можливостей. Одні прориви вели до інших відкриттів, і на порозі 19-го століття апофеозом прогресу став винахід, якому присвоюють одну з найбільш значущих і поворотних ролей в історії людства — паровий двигун.

Уявіть собі чайник в момент закипання, коли він починає свистіти. Тепер уявіть, що замість того, щоб дозволяти парі вирватися через носик чайника, ви підключили до носика трубку, яка направляє пару в порожній циліндр, а потім випускає його на свободу. Коли потік проникає в циліндр і виходить із нього, пара штовхає поршень усередині циліндра і приводить його в потужний рух туди-сюди. Описане вище — найбільш простий приклад роботи парового двигуна. Залежно від конструкції апарату, рух поршня може виконувати різні завдання. Наприклад, в локомотиві поршень прикріплений до стрижня, рух якого туди-сюди призводить до обертання коліс:

Використовуючи паровий двигун, людство перейшло на пароплави замість вітрильників, і на локомотиви замість кінських возів. При цьому люди продовжили визначали потужність парового двигуна вказуючи скількох коней він зможе замінити — звідси і термін «кінська сила». На фабриках також були встановлення парові двигуни на зміну менш ефективним водяним млинам.

З новою здатністю транспортувати великі обсяги товарів і матеріалів на великі відстані з великою швидкістю на більш продуктивні фабрики індустріальна революція спалахнула з повною силою. Кажуть, індустріальна революція рухалася за рахунок пари, але ж пара була усього лише посередником у процесі. Таким чином, через сотні й тисячі років пасивного отримання вигоди від згорання, ми нарешті приручили дракона — індустріальну революцію рухав вогонь.

Золота жила

Таким чином людство забажало спалювати будь-що ще дужче. Основну частину історії людства при бажанні що-небудь спалити, ми йшли і шукали трохи дров. Просто. У дев’ятнадцятому столітті з новим апетитом до спалювання ми вже не задовольнялися дровами.

Нам було відомо, що в світі існують і інші види палива — у Британії крім дров спалювали також і чорну кам’янисту породу, що знаходили на узбережжях. Називалася вона вугіллям.

Труднощі з вугіллям в порівнянні з дровами полягали в тому, що вугілля в Британії не валявся під ногами — воно було під землею. На початку індустріальної революції англійці стали посилено копати — їм потрібно було багато вугілля. Коли індустріальна революція поширилася по Європі і почалася в Північній Америці, європейці з американцями теж почали ретельно копати — у них також з’явилася необхідність у великих обсягах вугілля для своїх потреб.

Під час розкопок люди взялися виявляти й інші корисні копалини. Були знайдені ущелини заповнені горючим природним газом, і підземні озера густої чорної горючої рідини — нафти. З’ясувалося, що люди весь цей час шастали поверхнею, не розуміючи, які величезні багатства насичених енергією горючих джоулів знаходилися у них під ногами. Точно так, якби собачка, зариваючи кісточку, натрапила б на підземну печеру наповнену тушонкою.

А як зробить собачка, що знайшла велику кількість тушонки? Чи задумається наш пес щодо подальших дій і можливих наслідків для здоров’я? Ні — він почне обжиратися під зав’язку. Без роздумів. З максимальною швидкістю.

І протягом 19-го століття повсюдно стали з’являтися вугільні шахти і нафтові вишки. Спалювання цих сховищ джоулів розігнало економіку до межі, з’явилися найпотужніші стимули до інновацій, і нові фантастичні технології народилися на світ.

Подібно технології парового двигуна, заслуга в появі електрики належить тривалій спільній роботі безлічі винахідників, і в 1880-их стався черговий значний прорив. Мабуть, трапилося найсуттєвіше технологічне зрушення за всю історію — генерування електрики дозволило конвертувати грубу енергію спалювання у вельми слухняну з можливістю широкого застосування електроенергію. З парою в якості посередника всі ці джоулі від спалювання стало можливим відправляти через мережі дротів на значні відстані в житлові та виробничі будівлі, де вони терпляче перебували в стані готовності розрядитися за бажанням споживача. Наступного разу побачивши лінію електропередач на вулиці — згадайте, що таким чином джоулі енергії вогню доставляються до вас у будинок. Тепер же з’явилася можливість перетворювати джоулі електрики практично в будь-який інший вид енергії — можна закип’ятити воду, заморозити лід, освітлювати кімнату або зателефонувати. Якщо за допомогою пари нам вдалося приручити дракона, то електрика перетворила дракона на чарівного вірного слугу, що завжди знаходиться в нашому підпорядкуванні. Вперше в історії людства перемикач опинився в положенні «вкл».

Приблизно в той же самий час відбувалися революційні зрушення і на інших напрямках. Вогонь постачав енергією наші кораблі, поїзди і заводи, і навіть не дивлячись на чудодійні можливості електрики особистий транспорт до того часу приводився в рух за допомогою сіна як і в 1775 році, і до кінця дев’ятнадцятого століття людство не додумалося ні до чого нового. Біологічні коні надзвичайно розчаруються, якщо ви спробуєте вогнем змусите їх рухатися — тому знову людство взялося за інновації, і через кілька десятиліть великі металеві коні з вогнем в циліндрах своїх двигунів стали носитися всюди.

У той час як вугілля, нафта і природний газ стимулювали безпрецедентний прогрес, хвилі нових технологій створили небачену раніше потребу спалювати все більше і більше палива — що в свою чергу спонукало шахтарів працювати старанніше. Компанії типу «Стандард Ойл» Джона Д. Рокафеллера, що спеціалізуються на копанні, висмоктуванні і перекачуванні все більших і більших обсягів підземних складів з джоулями, стали гігантськими корпоративними імперіями. Це був новий світ…

Повернімося в нинішній час.

Спалювання покладів насиченого джоулями палива для забезпечення енергетичних потреб нашого світу є інновацією віком у двісті років, але в 2015 році даний метод досі є основним джерелом нашої енергіі:

 

Джерела сукупного світового споживання енергії

— Викопне паливо 78,4%

— Відновлювальна енергія 19%

— Ядерна 2,6%

Характерна риса собак — якщо їм дати щось смачненьке, собачки почнуть об’їдатися до тих пір поки або ж не закінчиться їжа, або ж їм не стане зовсім погано. Сучасні суперечки щодо енергії по суті і зводяться до того, чи слід дозволяти собачці продовжувати обжиратися тушонкою в печері чи ні. Адже така нестримна поведінка може призвести до фатальних наслідків для тварини або ж зрештою до вичерпання ресурсу. Вичерпання ресурсу також викличе низку проблем, враховуючи наскільки істотно наш пес збільшився в розмірах з моменту виявлення заповітної печери, і вже втратив здатність вгамовувати свій неймовірний апетит за її межами.

Як ви вже можливо помітили, у світі існує маса людей з безліччю різних точок зору, що говорять різні речі з різних причин щодо даної ситуації. Деякі озвучують реальні речі, але більша частина людей або ж толком і не знають про що говорять, або ж у людей є якийсь прихований мотив говорити саме те, що вони і говорять. І складна темна багатогранна тема стає і без того ще більш незрозумілою.

Давайте розкладемо по поличкам вже відоме нам і спробуємо розібратися, що ж відбувається насправді.

Почнемо з того, що ж взагалі таке викопне паливо і звідки воно береться?

Викопне паливо називається викопним, оскільки є залишками стародавніх живих істот. Поняття «стародавні» в даному випадку розтягується на істотний період. Найбільш ранні організми, які внесли вклад у створення сьогоднішнього запасу корисних копалин, жили в Докембрійський період до появи будь-яких рослин або тварин на суші. У той час такими викопними організмами були океанські водорості. Люди іноді вважають, що викопне паливо утворилося з динозаврів, але та неістотна частка присутніх в бензині динозаврів бере свій початок протягом останніх кількох сотень мільйонів років, що є більш пізнім відрізком розглянутого нами проміжку часу. Велика частина викопного палива утворилася з рослин, тварин і водоростей, що проживали під час Кам’яновугільного періоду (Карбон) — відрізок часу в 50 мільйонів років, який завершився приблизно 300 мільйонів років тому, і протягом якого існувала безліч величезних неглибоких боліт. Ці болота відіграли істотну роль, тому збільшили ймовірність того, що загиблий організм виявиться «законсервованим». Неможливо стати викопним паливом, якщо померти і розкластися в нормальному середовищі. Але померши в болоті і опустившись на дно, організми кам’яновугільного періоду виявилися швидко покриті піском і глиною і зуміли зберегти джоулі своїх тіл недоторканими.

Через сотні мільйонів років ці організми виявилися розплющені під дією інтенсивного тепла і тиску і перетворилися на напхану джоулями тверду, рідку і газоподібну масу — вугілля, нафту і природний газ. Наводжу невелику таблицю для кращого розуміння:

Викопне паливо

Вугілля — чорна осадова порода, що знаходиться у складі підземних шарів, які називають вугільними басейнами. Є найбільш дешевим і поширеним із трьох видів викопного палива, в основному використовується для виробництва електрики. Також є найгіршим в плані викидів CO2 в атмосферу, тому при спалюванні виділяється на 30% більше CO2 в порівнянні з нафтою, і в два рази більше CO2 в порівнянні з природним газом при виділенні однакової кількості тепла. Вугілля для США це як нафта для Саудівської Аравії — США мають 22% запасів світового вугілля — найбільшою часткою в порівнянні з іншими країнами. У свою чергу Китай став найбільшим споживачем вугілля у світі — більше половини всього вугілля спаленого в останні роки, було спалено саме в Китаї.

Нафта — також відома як сира нафта, є чорною густою рідиною, як правило знаходиться в глибоких підземних резервуарах. Після видобування сирої нафти її перевозять на переробний завод, де її компоненти відокремлюються один від одного за допомогою різниці в температурах їх кипіння. Типовий барель нафти США в 2014 році переробляється на такі складові:

— 44,9% на бензин для машин;

— 29,8% на мазут і дизельне паливо;

— 13,8% різні похідні типу воску, синтетичної гуми, пластику;

— 9,5% авіаційний гас;

— 2,0% асфальт.

США з відривом лідирують у світовому споживанні нафти, поглинаючи більше 20% світової нафти, що в два рази більше в порівнянні з другим великим споживачем після США. США є одним з трьох найбільших виробників нафти разом із Саудівською Аравією і Росією, які виробляють приблизно однакові обсяги. Що стосується запасів нафти, то тут Близькому Сходу немає рівних. Поглянувши на цю карту (джерело) стає зрозумілим, наскільки небагатьма територіями над покладами нафти можна володіти, щоб вважатися багатою нафтою країною.

Природний газ розташований в підземних ущелинах зазвичай поблизу покладів нафти і утворюється шляхом її випаровування при нагріванні до надвисоких температур. Найбільш «чистий» з трьох типів викопного палива — саме газ горить на конфорці кухонної плити і обігріває квартири (за винятком квартир з електричними і масляними обігрівачами). Природний газ є одним з основних джерел електрики (в США його частка становить 20%). Обсяги споживання природного газу ростуть, ним забезпечується приблизно чверть світових енергетичних потреб. Однією з причин збільшення частки споживання природного газу у світі є відкриття вченими нового способу добування природного газу з надр (що називається гідравлічним розривом). За допомогою суміші води, піску та інших хімічних компонентів створюються тріщини в багатій природним газом сланцевій глині, що і дозволяє витягти газ. Такий спосіб виявився надзвичайно ефективним, але також і суперечливим зважаючи на деякі вельми серйозні проблеми із забрудненням навколишнього середовища. Можете подивитися цей ролик, якщо цікаво.

Ми зупинимося на двох найбільш типових причинах, через які постійно ведуться суперечки, чому використання викопного палива небажане.

ПРОБЛЕМА №1: Зміна клімату

Давайте забудемо про всіх політиків, професорів, керівників корпорацій з кіношниками і поглянемо на такі факти.

Факт №1. Спалювання викопного палива збільшує рівень CO2 в атмосфері

Ми звернемося до цифр через секунду, але спочатку пропоную задатися питанням — чому спалювання викопного палива призводить до виділення CO2?

Відповідь проста: спалювання — це процес фотосинтезу повернений у зворотному напрямку.

Жива рослина виробляє власні запаси їжі за допомогою процесу фотосинтезу. У неймовірно спрощеній формі можна сказати, що при фотосинтезі рослина забирає CO2 з повітря і використовуючи енергію сонця ділить CO2 на вуглець (С) і на кисень (O2). Рослина залишає собі вуглець і виділяє кисень у вигляді відходів у навколишнє середовище. Таким чином, енергія сонця запасається у вигляді енергії хімічних зв’язків, яку рослина може надалі використовувати для своїх потреб. Ми звикли вважати, що дерево росте з землі, але насправді виходить, що рослина все ж набирає масу (вуглець) з повітря.

Виходить, що ліс — це по суті шматок вуглецю з запасами хімічної енергії.

При спалюванні дерева ми лише запускаємо процес фотосинтезу у зворотному напрямку. У самому спрощеному схематичному варіанті процес описується таким чином. При нормальних умовах молекули кисню повітря відскакують від молекул вуглецю дерева — тому ліс не виявляється постійно оповитим язиками полум’я. Але у випадку, якщо молекули кисню починають рухатися неймовірно швидко і з силою врізаються в молекули вуглецю дерева — молекули стикаються і злипаються одна з одною, і таким чином кисень поєднується з вуглецем, що знову призводить до утворення CO2. При подібному об’єднанні виділяється хімічна енергія, яка змушує сусідні молекули кисню рухатися з підвищеною швидкістю, і за умови, що їх швидкість руху стає досить високою, відбувається зіткнення з вуглецем і нове злиття, що веде до виділення ще більшої кількості хімічної енергії. Відбувається ланцюгова реакція — наше дерево починає горіти. Виходить, що горіння дерева це процес возз’єднання вуглецю дерева з киснем повітря з виділенням в атмосферу CO2.

Звичайно, всі ці процеси несуттєві для людини, яка спалює дерево — його турбує лише виділена енергія в процесі формування CO2. Виділення всієї запасеної деревом хімічної енергії створює чудовий потік тепла і світла. Дерево витратило роки мовчки вловлюючи молекули вуглецю і сонячні джоулі, а в процесі спалювання моментально весь запасений вуглець і сонячна енергія вриваються назад в навколишній світ.

Для спрощення опису процесу я навмисне залишив воду за рамками. Не забувайте, що вода поглинається рослиною і є ключовим компонентом у процесі фотосинтезу. А під час спалювання водяна пара є одним з продуктів, що виділяються. Деревина та викопне паливо це не лише один вуглець — вони складаються з вуглеводнів, а водень потрапляє через коріння в рослину у вигляді води.

Інакше кажучи, під час фотосинтезу відбувається отримання вуглецю і енергії сонця з атмосфери, і після років утримування їх в заручниках процес горіння знову відпускає обох на волю. Вуглець звільняється у вигляді CO2 в димі, а сонячна енергія — у вигляді тепла вогню. Виходить, що вогонь — це всього лише концентрована сонячна енергія.

Але спалювання деревини і виділення всього CO2, що в ній міститься, не порушує рівень вуглецю атмосфери. Чому? Тому що випущений в атмосферу вуглець зовсім ще недавно вже був в атмосфері, і якби ви не спалили деревину — вона б швидше за все сама по собі згнила, що призвело б до викиду вуглецю в навколишній світ у будь-якому випадку. Наявний в деревині вуглець утримувався в заручниках лише тимчасово і звільнення його через спалювання не робить істотного ефекту.

Вуглець перетікає з атмосфери в рослини і в тварини, в землю і в воду, а потім знову повертається в атмосферу — в цьому і полягає так званий вуглецевий цикл (або кругообіг вуглецю в природі). У будь-який момент часу активний вуглецевий цикл Землі містить певну кількість вуглецю. Спалювання деревини не привносить змін в цю кількість, тому вуглецевий цикл «чекає», що певна кількість вуглецю присутня десь на суші, у воді або ж у повітрі.

Але іноді невелика кількість вуглецю все ж вивалюється з активного вуглецевого циклу на тривалий час — це відбувається, коли рослини або тварини гинуть, але з якихось причин не гниють як це зазвичай відбувається. Замість того, щоб згнити і випустити запасений вуглець назад у цикл, загиблий організм виявляється зануреним під землю. З часом невеликі кількості втраченого вуглецю накопичуються — і сьогодні запаси викопного палива Землі містять в собі величезну масу загубленого раніше вуглецю. Вуглецю, який організми взяли в заручники назавжди і який нинішній вуглецевий цикл «не очікує» повернути назад у свій кругообіг.

Коли людство виявило весь захоплений підземний вуглець, не забувайте, що для них сам по собі вуглець не був особливого цікавим. Вони бачили нескінченне море щільно упакованого сонячного світла віком в 300 мільйонів років — трильйони древніх рослин з їх недоторканими запасами джоулів. І зважаючи на те, що не було ніяких законів, що охороняли спадок рослин кам’яновугільного періоду, люди могли захопити все це багатство собі. Стався найграндіозніший грабіж джоулів за всю історію.

І в міру споживання виявлених запасів ми не особливо турбувалися, що, витягуючи джоулі, ми так само витягували вуглець, який виявився захованим під товщею землі ще під час Докембрійського періоду. Тоді ми думали про заправку локомотивів і про обігрів будинків, а перед знайденими запасами джоулів було неможливо встояти.

І до речі ті самі джоулі нам непогано послужили — можете їм подякувати за той рівень комфорту і якість сьогоднішнього життя. Але ті вивільнені молекули вуглецю теж залишили свій слід.

Починаючи з 1958 року дослідник Чарльз Кілінг почав вимірювання рівня CO2 в атмосфері з обсерваторії Мауна Лоа на Гаваях. Розпочаті вимірювання тривають і донині. Погляньте на графік:

 

Середнє щомісячне значення концентрації CO2 на Мауна Лоа 1958-2015

— Частка CO2 в сухому повітрі (вертикальна вісь)

— Рік (горизонтальна вісь)

— Відхилення від середньорічної концентрації (графік в лівій верхній частині)

Зигзагоподібний рух лінії обумовлений падінням рівня CO2 влітку, коли рослини утримують в собі вуглець, і збільшенням рівня взимку, коли відмирає листя. Але основну тенденцію зростання на графіку не помітити складно. Для порівняння — буріння льоду Антарктики дозволяє дослідникам виміряти рівні CO2 за останні 400 000 років. При глибокому бурінні витягуються стовпи льоду, і дослідники можуть проаналізувати склад бульбашок повітря в їх товщі — чим глибше бульбашки від поверхні, тим давніше в минулому він був замурований. Використовуючи такий спосіб можна визначити А) рівень CO2 атмосфери в кожен момент часу і Б) рівень температури повітря в кожен момент часу. Нижче наводяться дані цього дослідження:

 

Зміни рівня діоксиду вуглецю

— Індустріальна революція привела до значного підвищення CO2

— Тисяч років тому (горизонтальна вісь)

— Концентрація CO2 (вертикальна вісь)

— Цикли льодовикового періоду

Отже рівні CO2 в атмосфері коливалися між 180 і 300 мільйонних часток за останні 400 000 років, ніколи не перевищуючи 300, як раптом за останнє століття рівень підскочив до 400 (на сьогоднішній день він знаходиться на рівні 403 мд).

Коливання пояснюються тим, що ми знаходимося в середині льодовикового періоду тривалістю в 5 мільйонів років з циклами приблизно в 100 тисяч років. Між кожним льодовиковим циклом довжиною в 100 тисяч років відбувається «міжльодовиковий» період тривалістю в 10 тисяч років, під час якого хоч лід і залишається на полюсах, але температури на планеті стоять помірні. В даний час ми якраз переживаємо один із цих коротких міжльодовикових періодів.

Виходить, вміст вуглецю в атмосфері становить не 0,02% і не 0,03%, а 0,04% і росте у бік збільшення до 0,05% і вище. Але давайте поки не будемо робити ніяких висновків. Поки ми тільки лише усвідомили факт №1 — рівень CO2 стрімко збільшується.

Факт №2. При збільшенні рівня CO2 в атмосфері відбувається підвищення температури

Стрижні льоду здобуті дослідниками в Антарктиці розповідають нам не тільки про рівні CO2 в минулому, вони також повідомляють нам про температуру в минулому. Погляньте самі:

 

— Зміна температури

— діоксид вуглецю

Зрозуміти взаємозв’язок не так вже й складно. Причина цьому проста — CO2 є парниковим газом. Ваш парник на дачі функціонує таким чином — скло пропускає сонячну енергію і утримує її всередині у вигляді тепла. Існує безліч хімічних сполук, що виконують роль скла для атмосфери — сонячні промені проникають всередину, відбиваються від поверхні Землі і, коли вони опиняються на зворотному шляху в космос, парникові гази частково блокують і розподіляють їх в атмосфері, трохи її нагріваючи.

Середня температура на Марсі становить -55ºC, що не так вже й весело. А на Венері так взагалі знаходиться справжнє пекло з середньою температурою в + 462ºC. Жодна планета нашої сонячної системи поки ще не переплюнула Венеру в цьому плані! Чому? CO2. Атмосфера Марса набагато тонша в порівнянні з атмосферою Землі, тому сонячна енергія з легкістю її залишає. Атмосфера Венери ж набагато товща і з вмістом CO2 в 300 разів вищим, ніж на Землі — тому атмосфера Венери утримує неймовірну кількість тепла. Меркурій розташований ближче до Сонця порівняно з Венерою, але через відсутність у Меркурія атмосфери на ньому холодніше, ніж на Венері. Протягом дня Меркурій прогрівається приблизно до рівня Венери, але вночі на Меркурії стає надзвичайно холодно. Тоді як на Венері стоїть дика спека і вдень, і вночі, тому теплота постійно утримується в її товстій атмосфері завдяки наявності парникових газів.

Звідси стає логічним, що збільшення вмісту CO2 в атмосфері призведе до підвищення температури — але наскільки? Якщо порівнювати з середньою температурою доіндустріального періоду — наша нинішня температура збільшилася трохи менше ніж на один градус за Цельсієм. Але у зв’язку з тим, що рівень CO2 в атмосфері зростає, більшість дослідників припускають, що і температура продовжить збільшуватися. Підтримувана ООН міжурядова група експертів зі зміни клімату (МГЕЗК), що має в своєму складі 1300 незалежних наукових експертів з різних країн світу, вийшла з доповіддю з передбаченнями температур численних незалежних лабораторій. Нижче на графіку показані передбачення лабораторій у випадку, якщо ми не змінимо поточні тенденції у викидах CO2:

Передбачення глобального потепління

— Температурна аномалія в градусах Цельсія (вертикальна вісь)

Невелика група дослідників заперечує, що, мовляв, дані передбачення надто вже перебільшені. Вони відзначають, що такі прогнози ґрунтуються на загальноприйнятій теорії, в якій випаровування води в атмосферу збільшує ефект вуглецевого викиду у зв’язку з наявністю зворотного зв’язку. Невелике підвищення температури через зростання вмісту CO2 призводить до збільшення випаровування води. А зважаючи на те, що пароподібна вода також є парниковим газом, в атмосфері утримується ще більша кількість тепла, що, в свою чергу, призводить до ще більшого темпу випаровування і т.д. При відсутності такого механізму зворотного зв’язку підвищення температури у зв’язку зі збільшенням викиду CO2 буде в 2-3 рази менше. Але навіть найбільші скептики зазвичай погоджуються, що викиди CO2 дійсно призводять до підвищення температури.

Група експертів МГЕЗК також заявляє, що більш ніж на 90% збільшення рівня CO2 і підвищення температури викликані діяльністю людей (це типу як заявити, мовляв, ймовірність, що дощ викликаний діяльністю хмар вище 90%). Тепер же перед нами стоїть таке питання — наскільки повинна змінитися температура, щоб для нас стало все зовсім погано?

Факт №3. Через незначних змін температури все стане зовсім погано

Вісімнадцять тисяч років тому світові температури були приблизно на 5ºC нижче ніж в нинішній час. Цього було достатньо для того, щоб Канада, Скандинавія, половина Англії з США були покриті одним кілометром льоду. Ось на що здатні 5ºC.

Північна півкуля, льодовий покрив

— 18000 років до нинішнього дня (ліворуч)

— Нинішній день (праворуч)

— Континентальний лід

— Морський лід

— Суша над рівнем моря

Сто мільйонів років тому температури були на 6-10ºC вище, ніж зараз — тоді росли пальми на полюсах, ніде не було постійного льоду, а рівень океану був вищий на 200 метрів і творилася така фігня:

Загалом, зараз ми знаходимося в цьому не надто вже великому віконці, з якого, мабуть, нам не варто вибиватися:

 

— Нью-Йорк під 800 метрами льоду (нижче на 5 градусів)

— Середнє температура доіндустріального періоду

— сьогоднішній день

— сьогоднішній день

— Розмах температур, передбачений дослідниками до 2100 року у випадку якщо наша поточна діяльність залишиться без змін

— Нью-Йорк під водою на 150 метрів (вище на 6-10 градусів)

Все є набагато більш крихке, ніж може здатися інтуїтивно. По-перше, середній температурі можна і не підніматися до немислимих висот для настання катастрофи. Тому що середня температура хоч і підніметься всього лише на 3ºC, але максимальна температура зросте до набагато більшого значення. Припустимо, одного разу в нетипово жаркий день температура досягне 58ºC, цього виявиться достатнім для знищення більшості рослин і тварин на Землі. По-друге, нижнє значення межі температури планети може досягати абсолютного нуля в -273ºC. Тому різниця в 5ºC, достатня для занурення північної частини світу під воду, складає всього лише 1,5% коливання температури, а не, скажімо, 10%, як може здатися спочатку. Дивлячись на вікно, розташоване на шкалі діапазону температур, стає очевидним, що світ до якого ми звикли є таким тільки в зв’язку з вельми специфічним і делікатним балансом обставин.

 

— Абсолютний нуль (-273ºС)

— Нью-Йорк під льодом

— Нью-Йорк під водою

— При цій температурі (70ºС) океани повністю випаруються (оскільки водяна пара є парниковим газом, значне випаровування призводить до виходу з-під контролю парникового ефекту, що починається при цій температурі)

— Шалена спека (273ºС)

Як було сказано вище, зараз середня температура на 1ºC вище, ніж в доіндустріальний час (згідно МГЕЗК на +0,86ºC). Вчені сперечаються, наскільки високо має піднятися значення температури для того, щоб сталися значні зміни. Протягом останніх 20 років більше ста країн домовилися спробувати обмежити глобальне потепління збільшенням температури на 2ºC. Стосовно очікуваних змін при збільшенні температури на 2ºC — в процесі вивчення питання я натикався на деякі авторитетні джерела, які стверджують, що 2ºC це занадто низька межа, і що ми можемо дозволити піднятися температурі вище. У той же час інші джерела стверджують, що 2ºC це занадто багато, і що ми недооцінюємо до яких катастрофічних наслідків може призвести подібне підвищення. Стосовно нашої здатності обмежити підвищення середньої температури 2 градусами мені також довелося ознайомитися з різними думками. Деякі вважають, що за допомогою належних обмежень ми цілком можемо утримати підвищення середньої температури менше ніж на 2ºC. Інші переконані у неможливості обмежитися 2 градусами — ми вже надали значну інерцію процесу, і навіть якщо ми припинимо вуглецеві викиди в наступні роки, Земля все одно продовжить нагрівання більш ніж на 2ºC.

Так який же нам слід зробити висновок з усього зазначеного?

Нашим завданням не є продовжувати копати углиб всіх цих суперечливих думок в спробі виявити істину, тому що ніхто нічого однозначно точно не знає. Ми не станемо обговорювати окремі явища на зразок зростання рівня моря, забруднення навколишнього середовища і великої кількості штормів. Не будемо згадувати і той відеоролик про дуже сумного через танення льоду полярного ведмедя. Пропоную лише взяти три нами встановлених факти, скласти їх разом і подивитися, що з цього вийде:

Спалювання викопного палива веде до підвищення рівня атмосферного CO2.

При підвищенні рівня атмосферного CO2 росте температура.

Незначне зростання температури призводить до паскудних наслідків.

Все зводиться до такого твердження:

Спалювання викопного палива веде до паскудних наслідків.

Цікаво. Але не будемо закривати очі на скептиків — ми можемо трохи змінити нашу заяву, залишивши в ньому достатньо місця для сумнівів:

Якщо ми продовжимо спалювати викопне паливо тими ж темпами, що і зараз, паскудні часи можуть настати вже зовсім скоро.

Пам’ятаючи про це, пропоную перейти до розбору другої проблеми використання викопного палива.

ПРОБЛЕМА №2: Запаси викопного палива обмежені

Вже кілька разів в цій оповіді я називав наші запаси викопного палива — ці підземні моря щільно упакованої енергії — «нескінченними». Саме так і здавалося в 19-му столітті і часом саме так відчувається і сьогодні, коли розумієш скільки ще залишається в надрах. Але насправді запаси викопного палива на Землі не нескінченні — вони дуже обмежені.

Коли вони вичерпаються — складне і туманне питання. Деякі сайти типу ось цього цитують доповіді на зразок цієї, які стверджують, що продовжуючи в нинішньому темпі, кінець запасам прийде зовсім скоро:

На скільки ще років залишилось палива (на 2013 рік)

— Вугілля, природний газ, сира нафта

Крім того, існують інші сайти типу цього з посиланнями на Всесвітню книгу фактів ЦРУ, яка стверджує, що в міру вичерпання нафти і природного газу, рівень споживання вугілля стрімко збільшиться — тому у нас залишається ще менше часу:

Запаси енергії (мільярдів тонн нафтового еквівалента)

— Вугілля, газ, нафта

Інші сайти відзначають, що наведені вище дані посилаються на запаси вже виявлених родовищ, але з кожним роком ми відкриваємо нові джерела викопного палива. Наприклад, нафта міститься в бітумінозних пісках. Або ж згадаймо щедрі резерви гідрату метану під океанським дном. Згадаймо про технології гідророзриву пласта або горизонтального буріння. Всі ці джерела стверджують, що ми навряд чи вичерпаємо запаси викопного палива протягом ще багатьох століть. У свою чергу можна заперечити, що навіть і без вичерпання запасів з часом ми зіткнемося з серйозною проблемою збільшення вартості і підвищення складності видобутку палива.

Проблема з вичерпанням запасів, коли б воно не відбулося, полягає в сильній залежності світу від викопного палива і в подальшому колапсі економіки. У міру вичерпання запасів вартість палива стане істотно підвищуватися. Такі процеси викличуть шалений поспіх в розробці технологій відновлюваної енергії, але можливо, час на запобігання обваленню світової економіки буде вже втрачено.

Виходить, в даний час ми існуємо за рахунок свого роду підземного фонду добробуту, і треба б скоріше знайти інше джерело доходів поки фонд цей не вичерпається.

Для підведення риски під даним розділом скажемо таке:

У майбутньому — скоро або ж занадто скоро — у нас не залишиться вибору і нам доведеться припинити приводити все в рух за допомогою викопного палива, оскільки воно стане або ж надто дорогим, або ж повністю буде вичерпано.

Наведене вище твердження, взагалі-то, підкреслює факт нашого існування в період історії людства, який буде визначено Ерою Викопного Палива.

До початків людства (стрілка вліво)

До завершення епохи людства (стрілка вправо)

Ера, під час якої ми не особливо в курсі, як використовувати енергію, але коли ми її все ж використовуємо, вона чиста та відновлювальна

Ера викопного палива (з ~ 1 800 н.е. до?)

Ера невичерпної енергії

Наше перше твердження (якщо ми продовжимо спалювати викопне паливо тими ж темпами, що і зараз, паскудні часи можуть настати вже зовсім скоро) натякає, що якщо ми не припинимо валяти дурня в чорній зоні до того часу поки нестача ресурсів не виштовхне нас за її межі — ми сильно ризикуємо безповоротно ускладнити жовту зону для свого існування.

Ось чому Ілон Маск любить нагадувати, що продовження ери викопного палива без кінця є «найбільш тупим експериментом в історії». Він підкреслює цю думку так: «Чим істотніші зміни фізичних величин і хімічних складових океанів і атмосфери [у зв’язку із збільшеними вуглецевими викидами], тим значнішими стануть довгострокові наслідки. Враховуючи, що викопне паливо однозначно рано чи пізно закінчиться — навіщо продовжувати цей божевільний експеримент і переконуватися наскільки жахливим буде результат? Відомо, що підсумок стане поганим, а достатні наукові дані вказують на те, що він стане не просто поганим, а неймовірно поганим».

Інакше кажучи, довге перебування в чорній зоні має серйозні негативні наслідки, тому давайте скоріше перейдемо в жовту зону. Частина скептиків, з думкою яких мені довелося ознайомитися, робили дуже правильні зауваження, в той же час більшість скептиків погоджується, що спалювання викопного палива приводить в тій чи іншій мірі до потепління, яке в результаті може завдати істотної шкоди.

Так як же нам перебратися з чорного вікна в жовту зону нашого графіка?

Щоб відповісти на це питання, пропоную звернутися в Національну лабораторію ім. Лоуренса в Ліверморі (шт. Каліфорнія) і поглянути на їхні пізнавальні схеми про енергію. Схема для США оновлюється щорічно, ми поглянемо на неї через хвилину, але для початку пропоную зацінити кілька схем з їх доповіді за 2011 рік, в якому вони намалювали схеми для кожної окремої країни і для всього світу в цілому, використовуючи дані за 2007 рік. Не лякайтеся, на перший погляд ці схеми можуть здатися занадто складними, але по суті вони досить прості для розуміння — вони показують джерела енергії і на що ця енергія витрачається по секторах.

Ось так виглядає схема розподілу енергії для всього світу за 2007 рік:

  

зверху-вниз зліва-направо

— Вітряна, ядерна, гідро, сонячна, геотермальна, природний газ, вугілля, біомаса, нафта

— Електрика і тепло

— Житлові, комерційні, індустріальні, неенергетичні, транспортні

— Втрачена енергія, енергетичні послуги

Позначення PJ — петаджоуль. Один петаджоуль = 1 квадрильйон () джоулів. Деякі міркування:

— Найбільш характерний для всіх країн момент, який кинувся мені в очі, це обсяги сирої нафти, використовувані для забезпечення енергетичних потреб транспорту. Дев’яносто чотири відсотки (94%) світового транспорту використовує нафту, а в найбільш розвинених країнах цифра ще вища.

— Використання біомаси досить-таки значне — левова частка її використання припадає на країни, що розвиваються, багато з яких знаходяться в Африці. Типові приклади видобутку енергії з біомаси — спалювання дров, кукурудзяної олії, гною тощо.

— Величезна частка загубленою енергії в правій частині схеми. Загублена енергія — це втрати енергії (як правило у вигляді тепла) у зв’язку з низькою продуктивністю. Особливо низькою продуктивністю відрізняється транспорт — двигуни використовують лише чверть енергії спалюваного ними палива.

Тепер давайте поглянемо на Францію:

  

Деякі думки:

— Купа ядерної енергії. Відповідно — дуже незначна частина вугілля. Виходить, Франція продукує відносно небагато CO2.

— Транспорт, з іншого боку, забезпечується нафтою, як і у всіх інших країн.

— Крім того, Франція є ідеальним прикладом одного важливого аспекту, який ми не станемо в деталях обговорювати в нашому тексті. Викопне паливо відіграє величезну роль у геополітичних «іграх». Якщо виживання країни залежить від примхи іншої країни — виникає вибухонебезпечна ситуація. Таким чином, необхідність імпорту викопного палива є однією з найбільш істотних причин сучасної взаємозалежності країн одних від інших. Франція повністю залежить від нафти для забезпечення власних транспортних потреб, що ставить її у вразливе становище. США в цьому плані не так вже й залежні. Якихось десять років тому ми все ще покладалися на інші країни для забезпечення 60% потреб у нафті, але з тих пір ми ввійшли до трійки лідерів країн-виробників нафти. EIA прогнозує, що імпорт буде покривати лише 21% від усіх потреб США в нафті. Цікаво, що тільки 12,5% нафти надходить в США з Саудівської Аравії, а 20% взагалі з усієї зони Перської затоки. Набагато більше імпортується з країн західної півкулі — 37% з Канади, 9% з Мексики і ще стільки ж з Венесуели.

А як щодо Китаю?

  

Китай — енергетичний монстр, здебільшого через те, що він ще й індустріальний монстр. Також китайців можна назвати вуглеспалювальним чудовиськом — їх споживання становить половину від світового споживання вугілля в цілому за кожен рік. Споживання вугілля на позначці в 57 тисяч ПДж це божевілля — у п’ять разів більше всього споживання енергії Францією.

Саудівська Аравія:

  

Не особливо вирізняються різноманітністю в цьому плані.

У Північній Кореї справи очікувано йдуть вельми дивно:

  

При бажанні можете самі поглянути на доповідь вцілому і дізнатися про інші країни.

Перенесемося в 2013 рік і поглянемо на розподіл енергії в США. Одиниця виміру тут буде інша. Один quad = 1 квадрильйон BTU (британських термічних одиниць), що відповідає 1000 петаджоулів.

  

Очевидними стають два моменти:

— США стали найбільшим у світі чудовиськом-пожирачем природного газу.

— США є ще більш жахливим споживачем нафти — практично в два рази більшим порівняно з Китаєм, який займає друге місце в світі. І в чотири рази більший, ніж Японія, яка виявилася на третьому місці в списку.

Для порівняння та кращого розуміння обсягів енергії, споживаної США кожному штату я знайшов еквівалентну країну з таким же рівнем енергетичних потреб:

  

Кожному штату відповідає країна рівна за річним споживанням енергії.

А тепер пропоную згадати чому ми взагалі стали вивчати всі ці схеми. Ми хотіли з’ясувати, яким же чином ми зуміємо перебратися з чорної зони графіка, що відповідає ері викопного палива, в жовту. Національна лабораторія в Ліверморі також склала графік, що показує вуглецеві викиди США та їх джерела. США знаходяться на другому місці в світі за обсягами вуглецевих викидів (Китай займає перше місце з викидами на 50% більшими, ніж США) і світовим лідером по транспортним викидам — ​​тому давайте для початку визначимося як же ми можемо виправити ситуацію.

Для того, щоб вилізти з чорної зони в жовту, слід позбутися вуглецевих викидів. Дивлячись на графік викидів США, я бачу дві кричущі цифри:

  

Багато чого має здійснитися для переходу в жовту зону, але дві відмічені на графіку цифри, які становлять 72% всіх викидів США, здаються найбільш значущими і нагальними для вирішення проблемами:

1) Генерування електрики у світі становить приблизно 40% всіх енергетичних потреб, і близько двох третин виробництва електрики припадає на спалювання викопного палива, що викидає вуглець — особливо вугілля. Або кажучи простіше: виробництво електрики значне і в основному дуже брудне.

2) На транспорт припадає величезний шматок споживаної в світі енергії, близько третини в розвинених країнах, і практично весь транспорт світу рухається за рахунок нафти. Простіше кажучи — енергетичні потреби транспорту великі і практично повністю брудні.

Дотепер ми дивилися на все це з великої відстані. Прийшов час сконцентрувати нашу увагу на іншій значущій згаданій вище проблемі — на проблемі транспорту, а особливо автомобільного транспорту. Взагалі транспорт включає в себе літаки, поїзди, кораблі, вантажівки і машини, але машини є причиною набагато більших вуглецевих викидів, ніж всі інші згадані види транспорту разом узяті. І без суттєвих змін у споживанні нафти вуглецеві викиди від автомобілів за прогнозами виростуть на 50% до 2030 року. Сфокусувавши свою увагу на цьому значущому шматочку мозаїки (автомобільних викидах), дослідивши історію того, як автомобілі з часом перетворилися на проблему, чому вони досі продовжують бути проблемою, і вивчивши способи вирішення цієї проблеми, ми зможемо краще зрозуміти в чому взагалі полягають складнощі.