Использование энергии в современном мире

Какие изменения принесла эта мобилизация экстрасоматической энергии? Глобальные энергоресурсы обычно относят к общей (валовой) продукции, но более наглядным было бы оценить энергию, доступную для преобразования в полезные формы. Для этого мы должны вычесть предварительные потери (во время сортировки и очистки угля, перегонки сырной нефти и обработки природного газа), неэнергетическое использование (преимущественно в качестве сырья для химической промышленности, а также смазочных материалов для машин и механизмов, от насосов до авиадвигателей, и как дорожное покрытие) и потери при передаче электроэнергии. С этими поправками – и округлением, чтобы избежать впечатления неуместной точности, – мои расчеты показывают, что в XIX в. потребление ископаемого топлива выросло в 60 раз, в XX – в 16 раз, а за последние 220 лет – в 1500 раз^[16].

Усиливающаяся зависимость от ископаемого топлива – самый важный фактор, объясняющий достижения современной цивилизации, а также наши опасения относительно уязвимости его поставок и воздействия его сжигания на окружающую среду. В реальности прирост энергоресурсов был значительно больше 1500-кратного, о котором я упоминал, поскольку следует учитывать сопутствующее повышение эффективности преобразования энергии^[17]. В 1800 г. эффективность сжигания угля в печах и бойлерах для получения тепла и горячей воды не превышала 25–30 %, и только 2 % угля, потребляемого паровыми машинами, превращались в полезную работу, так что общая эффективность преобразования не превышала 15 %. Сто лет спустя усовершенствованные печи, бойлеры и двигатели повысили эффективность до почти 20 %, а к 2000 г. средняя эффективность преобразования составляла около 50 %. Следовательно, XX в. дал почти 40-кратный рост полезной энергии, а с 1800 г. ее выработка увеличилась почти в 3500 раз.

Чтобы еще лучше оценить масштаб этих перемен, следует привести эти показатели в пересчете на одного человека. Численность населения нашей планеты увеличилась с 1 миллиарда в 1800 г. до 1,6 миллиарда в 1900 г. и до 6,1 миллиарда в 2000 г. Таким образом, поставки полезной энергии (все величины выражены в гигаджоулях на душу населения) увеличились с 0,05 в 1800 г. до 2,7 в 1900 г. и 28 в 2000 г. Стремительный рост экономики Китая после 2000 г. стал главной причиной увеличения поставок полезной энергии в 2020 г. до 34 ГДж на человека. В среднем современный житель Земли имеет в своем распоряжении почти в 700 раз больше полезной энергии, чем его предки в начале XIX в.

Более того, на протяжении жизни людей, родившихся непосредственно после Второй мировой войны (с 1950 по 2020 г.), этот показатель вырос более чем в три раза, с 10 до 34 ГДж на человека. Для наглядности можно воспользоваться следующей метафорой: как будто в личном распоряжении каждого жителя Земли находится около 800 килограммов (0,8 тонны, или почти 6 баррелей) сырой нефти или около 1,5 тонны хорошего битуминозного угля. Это количество энергии можно также перевести в трудозатраты: на каждого из нас круглосуточно работают 60 взрослых мужчин. А если речь идет о богатых странах, эквивалент непрерывного труда будет составлять от 200 до 240 человек, в зависимости от конкретной страны. Другими словами, в нашем распоряжении находится беспрецедентное количество энергии.

Последствия этого очевидны – с точки зрения интенсивности труда, рабочего времени, отдыха и общего уровня жизни. Изобилие полезной энергии подчеркивает и объясняет все достижения – от лучшего питания до массовых путешествий, от механизации производства до транспорта и личных электронных средств связи, – которые в богатых странах являются скорее нормой, чем исключением. Эти недавние изменения отличаются в разных странах: естественно, они менее заметны в странах с высоким доходом, где использование энергии на душу населения уже 100 лет назад было относительно высоким, и явно видны в странах, модернизация экономик которых резко ускорилась с 1950-х гг., особенно в Японии, Южной Корее и Китае. В период с 1950 по 2020 г. Соединенные Штаты практически удвоили производство полезной энергии на душу населения из таких источников, как ископаемое топливо и первичное электричество (приблизительно до 150 ГДж на человека); в Японии этот показатель вырос более чем вчетверо (почти до 80 ГДж на человека), а Китай стал свидетелем невероятного роста в 120 раз (почти до 50 ГДж на человека)^[18].

Траектория ресурсов полезной энергии чрезвычайно информативна, потому что энергия не просто один из компонентов сложной структуры биосферы, человеческого общества и экономики, не просто еще одна переменная в сложных уравнениях, описывающих эти взаимосвязанные системы. Преобразование энергии – это основа жизни и эволюции. Современную историю можно рассматривать как необычно быструю последовательность переходов к новым источникам энергии, а современный мир – как совокупный результат этих преобразований.

Значение энергии в жизни человеческого общества первыми поняли физики. В 1886 г. Людвиг Больцман, один из основателей термодинамики, говорил о свободной энергии – то есть энергии, доступной для преобразования, – как о Kampfobjekt (объекте борьбы) за жизнь, которая в конечном итоге зависит от приходящего к нам солнечного излучения^[19]. Эрвин Шрёдингер, лауреат Нобелевской премии по физике 1933 г., так определил основу жизни: «Отрицательная энтропия – вот то, чем организм питается» (отрицательная энтропия, или негэнтропия = свободная энергия)^[20]. В 1920-х гг., после этих фундаментальных физических открытий конца XIX и начала XX в. американский математик и статистик Альфред Лотка пришел к выводу, что эволюционным преимуществом обладают организмы, способные лучше улавливать доступную энергию^[21].

В начале 1970-х гг. американский эколог Говард Одум объяснил, что «весь прогресс обусловлен специальными субсидиями в энергию и, как только они прекращаются, прогресс исчезает»^[22]. Уже после него физик Роберт Эйрес в своих работах постоянно подчеркивал центральную роль энергии во всех экономиках: «в сущности, экономическая система предназначена для извлечения, усвоения и преобразования энергии как ресурсов в энергию, воплощенную в товарах и услугах»^[23]. Другими словами, энергия – это единственная по-настоящему универсальная валюта, и без ее трансформации невозможны никакие процессы (от вращения галактик до жизни эфемерных насекомых)^[24].

Учитывая все эти легко проверяемые реалии, трудно понять, почему современная экономика, этот свод объяснений и правил, знатоки которых имеют большее влияние на политику общества, чем любые другие специалисты, в большинстве своем игнорируют энергию. Как отметил Эйрес, в экономике не только отсутствует систематическое осознание значения энергии для физического процесса производства; экономика предполагает, «что энергия не имеет значения (большого), потому что доля затрат на энергию в экономике настолько мала, что ее можно игнорировать… как если бы продукция могла быть произведена только за счет труда и капитала – или как если бы энергия была просто формой созданного руками человека капитала, который может быть произведен (а не добыт) трудом и капиталом»^[25].

Современные экономисты не получают наград и премий, занимаясь энергией, а современные ученые начинают беспокоиться только тогда, когда возникает угроза поставки той или иной коммерческой формы энергии или цены на нее начинают расти. Эту ситуацию иллюстрирует поисковый сервис Ngram Viewer компании Google, позволяющий увидеть популярность терминов, использовавшихся в печатных источниках в период с 1500 по 2019 г. В ХХ в. частота использования термина «стоимость энергии» оставалась пренебрежимо малой до внезапного пика начала 1970-х (вызванного тем, что ОПЕК в пять раз повысила цены на сырую нефть; более подробно об этом чуть ниже), а затем еще одного подъема в начале 1980-х. После снижения цен наблюдался такой же крутой спад частоты упоминаний, и в 2019 г. термин «стоимость энергии» использовался не чаще, чем в 1972 г.

Не обладая хотя бы начальной энергетической грамотностью, невозможно понять, как на самом деле функционирует мир. В этой главе я сначала покажу, как сложно дать определение энергии, но легко сделать весьма распространенную ошибку, спутав ее с мощностью. Мы рассмотрим, как разные виды энергии (каждый со своими преимуществами и недостатками) и разные плотности энергии (энергия на единицу массы или объема, что очень важно для хранения и транспортировки) влияли на разные стадии экономического развития. Кроме того, я предложу реалистичные оценки некоторых труднорешаемых проблем, с которыми сталкивается общество по мере последовательного отказа от ископаемых углеводородов. Как мы увидим, наша цивилизация настолько сильно зависит от ископаемого топлива, что следующий переход займет гораздо больше времени, чем нам кажется.

Что такое энергия?

Как определить это фундаментальное понятие? Греческое происхождение этого слова очевидно. Аристотель в своей «Метафизике» соединил ἔν («в») с ἔργον («работа») и сделал вывод, что существование любого объекта поддерживается ἐνέργεια^[26].

За последующие 2 тысячи лет никаких существенных изменений в понимании энергии не произошло. Затем Исаак Ньютон (1643–1727) сформулировал основные физические законы, связывающие массу, силу и движение, и его второй закон движения позволил определить основную единицу энергии. В терминах современных единиц измерения 1 джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы, равной 1 ньютону на расстояние одного метра в направлении действия силы^[27]. Но это определение относится только к кинетической энергии и явно не дает интуитивного понимания энергии во всех ее формах.

Практическое понимание энергии было значительно расширено в XIX в. благодаря большому количеству экспериментов с горением, теплотой, излучением и движением^[28]. В результате появилось наиболее распространенное определение энергии: «способность производить работу». Это определение правомерно только при условии, что термин «работа» обозначает не только некий вложенный труд, но и, как выразился один из ведущих физиков той эпохи, общий физический «акт изменения конфигурации системы, направленный против силы, сопротивляющейся этому изменению»^[29]. Тем не менее это определение все еще очень похоже на ньютоновское и далеко от интуитивного.

Пожалуй, на вопрос «что такое энергия?» лучше всего ответил один из самых выдающихся и разносторонних физиков XX в. Ричард Фейнман, который в своих знаменитых «Лекциях по физике» со свойственной ему прямотой подчеркнул, что «энергия имеет множество разных форм и для каждой из них есть своя формула: энергия тяготения, кинетическая энергия, тепловая энергия, упругая энергия, электроэнергия, химическая энергия, энергия излучения, ядерная энергия, энергия массы».

А потом сделал обескураживающий, но очевидный вывод:

Важно понимать, что физике сегодняшнего дня неизвестно, что такое энергия. Мы не считаем, что энергия передается в виде маленьких пилюль. Ничего подобного. Просто имеются формулы для расчета определенных численных величин, сложив которые мы получаем число… всегда одно и то же число. Это нечто отвлеченное, ничего не говорящее нам ни о механизме, ни о причинах появления в формуле различных членов^[30].

Так оно и есть. Мы можем использовать формулы для очень точного вычисления энергии летящей стрелы или реактивного самолета, потенциальной энергии массивного камня, готового скатиться с вершины горы, тепловой энергии, получаемой в результате химической реакции, световой (лучистой) энергии мерцающей свечи или сфокусированного лазера – но не можем свести все эти виды энергии в единое, легко определяемое понятие.

Тем не менее неуловимая природа энергии не смущала армии современных экспертов: с начала 1970-х гг., когда энергия стала темой широкого обсуждения, они с необыкновенным невежеством и вдохновением рассуждали об энергии. Энергия относится к самым трудным для понимания и неверно интерпретируемым понятиям, и плохое знание основ привело к многочисленным иллюзиям и заблуждениям. Как мы видели, энергия существует в разных видах, и, для того чтобы извлечь из нее пользу, необходимо преобразовать один ее вид в другой. Но раньше эту многогранную абстракцию рассматривали как нечто целое, словно разные виды энергии легко взаимозаменяемы.

Некоторые из этих замен на самом деле относительно просты и полезны. Польза от замены свечей (в них химическая энергия воска превращается в лучистую энергию) электрическими лампочками, для которых требуется электроэнергия, вырабатываемая паровыми турбинами (химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепло, а затем в электрическую энергию, которая затем превращается в лучистую энергию), совершенно очевидна – безопаснее, ярче, дешевле и надежнее. Замена паровозов и тепловозов электровозами обеспечила более дешевую, чистую и быструю перевозку грузов и людей: все скоростные поезда электрические. Но многие желательные замены остаются дорогостоящими, нереализуемыми в настоящее время или невозможными в требуемых масштабах – независимо от того, как громко рекламируются их достоинства.

Самым распространенным примером из этой категории являются электромобили: в настоящее время они доступны, а лучшие модели достаточно надежны, но в 2020 г. они все еще были дороже автомобилей того же класса с двигателем внутреннего сгорания. Что касается второй категории, то в следующей главе я подробно расскажу о том, что синтез аммиака, необходимого для производства азотных удобрений, в настоящее время в значительной степени зависит от природного газа как источника водорода. Водород можно получить путем разложения (электролиза) воды, но этот способ почти в пять раз дороже, чем процесс извлечения водорода из весьма распространенного и дешевого метана, – масштабное промышленное производство водорода нам еще предстоит создать. Ярчайшим примером последней категории может служить использование самолетов на электрической тяге для дальних перелетов (эквивалент Boeing 787 с керосиновыми двигателями для путешествия из Нью-Йорка в Токио): как мы убедимся, это преобразование энергии еще долго будет оставаться нереалистичным.

Первый закон термодинамики утверждает, что при преобразовании энергии не происходит ее потерь: из химической в химическую при переваривании пищи, из химической в механическую при сокращении мышц, из химической в тепловую при сжигании природного газа, из тепловой в механическую при вращении турбины, из механической в электрическую внутри генератора или из электрической в электромагнитную в виде света, освещающего страницу этой книги. Тем не менее любое преобразование энергии приводит к рассеиванию тепла: энергия не теряется, но уменьшается ее полезность, способность совершать нужную нам работу (второй закон термодинамики)^[31].