Технические инновации
Великий переход от растительного топлива к ископаемому и от одушевленных первичных движителей к механическим повлек за собой беспрецедентные изменения, касающиеся появления новых, по-настоящему эпохальных черт цивилизации, а также скорости их принятия. В 1800 году обитатели Парижа, Нью-Йорка или Токио жили в мире, чьи энергетические основы почти не отличались не только от мира 1700 года, но и от мира 1300-го: дерево, древесный уголь, тяжелый труд и тягловые животные приводили в движение все общество. Но к 1900 году многие люди в крупных городах Запада жили в обществах, чьи технические параметры почти полностью отличались от тех, что доминировали в мире век назад, и были в своей основе ближе к нашему миру, к году 2000-му. Как сказал по этому поводу историк Льюис Мамфорд (Mumford 1967, 294): «Мощь, скорость, движение, стандартизация, массовое производство, систематизация, количественные параметры, однообразие, астрономическая регулярность, контроль, свыше всего контроль – вот что стало паролями для прохода в современное общество западного стиля».
Примеров таких изменений много, из них я выбрал несколько глобальных достижений, чтобы продемонстрировать величину стремительных инноваций той эпохи. На фундаментальном уровне в 1800 году мир потреблял около 20 ЭДж энергии (эквивалент менее чем 500 Мт сырой нефти), из которых 98 % приходилось на фитомассу, большей частью на древесину и древесный уголь; к 1900 году общая первичная выработка энергии более чем удвоилась (до около 43 ЭДж, эквивалента 1 Гт сырой нефти), и половина этой величины происходила от ископаемого топлива, в первую очередь – угля. В 1800 году самый сильный (ну я не лез ранее в собственно текст, но сильный движитель – это ерунда, он может быть только мощным) неодушевленный первичный движитель, паровая машина Уатта, имел мощность чуть выше 100 кВт; в 1900-м паровой двигатель мог выдать 3 МВт, или в 30 раз больше. В 1800 году сталь была редкостью, к 1850-му даже в Великобритании она «была известна в коммерции только в сравнительно малых количествах» (Bell 1884, 435), и лишь несколько сотен тонн ее производили по всему миру, но к 1900 году общее производство выросло до 28 Мт (Smil 2016).
Но заметьте мою осторожность, слова «почти» и «на фундаментальном уровне», когда я описываю мир в 1900 году. Достигнутый сдвиг, как в качественном, так и в количественном отношении был глубок, и его скорость часто выглядит ошеломительной; но мир ископаемого топлива и неодушевленных первичных движителей был молодым, далеким от зрелости и очень неэффективным, и ассоциировался с сильным негативным воздействием на окружающую среду. К 1900 году США и Франция были большей частью обществами, жившими за счет ископаемого топлива, но мир в целом все еще получал половину первичной энергии от дерева, древесного угля и пожнивных остатков, и даже в США пик общего количества тягловых лошадей наступил только через 17 лет. И хотя лампы накаливания, электрические моторы и телефоны распространялись очень быстро, электричество, используемое большей частью семей в США или Германии, уходило на работу лишь нескольких ламп.
Основы нового энергетического мира были уже на месте, но на протяжении XX века все компоненты этой системы в значительной степени изменились благодаря комбинации дальнейшего быстрого роста и качественного совершенствования, иными словами – благодаря выигрышу в эффективности, продуктивности, надежности и безопасности. Прогресс был прерван Первой мировой войной, а затем кризисом 30-х годов. Вторая мировая ускорила развитие ядерной энергии и освоение газовых турбин (реактивные двигатели) и ракетной техники. Рост возобновился после 1945 года во всей энергетической отрасли и достиг новых высот в 1970-х, но затем во многих направлениях наблюдался застой. Значимые примеры включают мощность паровых турбин, тоннаж типичных нефтяных танкеров, объем передачи энергии по высоковольтным линиям.
Эта приостановка была большей частью не вопросом технических пределов, а скорее результатом роста издержек и неприемлемого воздействия на окружающую среду Другим важным фактором, замедлившим прогресс в области энергии, стало двухраундовое повышение цен на нефть ОПЕК (1973–1974, 1979–1980), за которым последовал спад потребления энергии. В результате большая эффективность, надежность и экологичность стали новыми целями в индустрии. Но цены на энергию в конечном итоге стабилизировались, и экономика США, на то время крупнейшая, пережила новое десятилетие быстрого расширения на протяжении 1990-х годов, и именно в это время на общее потребление энергии в мире стал влиять Китай.
После десятилетий бедности при маоистском режиме страна с самым большим в мире населением начала реформы, которые учетверили ее потребление энергии на душу населения между 1980 и 2010 годами. В 2009 году Китай стал крупнейшим в мире потребителем энергии (к 2015-му он примерно на 30 % опережал США). В 2015 году среднее потребление энергии около 95 ГДж было сравнимо с показателями Франции в начале 1970-х, но промышленный рост все еще продолжается, а домашнее потребление остается более низким, чем в странах Запада на сравнимой стадии развития. К 2015 году показатели роста китайской экономики и спроса на энергию неизбежно замедлились, но в Индии, Юго-Восточной Азии и Африке живут миллионы людей, которые надеются повторить успех Китая, и более 2 миллиардов людей добавятся к общему итогу 2015-го в 2050 году.
То, что спрос на энергию продолжит расти – трюизм, но никто из нас не в силах предвидеть, как он повлияет на мир, полный экономического неравенства и тревоги по поводу глобального состояния окружающей среды. В прогнозах и сценариях нет недостатка, но история энергетического прогресса показала, что никто не предвидел, по какому пути она пойдет на самом деле (Smil 2003). В этом разделе я обозреваю и подвожу итоги основных тенденций, которые определили распространение, совершенствование и трансформацию добычи, обработки и доставки ископаемого топлива, продвижение в освоении невозобновляемых и возобновлямых источников энергии, изменения композиции и эффективности механических первичных движителей. Но прежде чем я углублюсь в детали, я должен указать на несколько общих моментов, которые характеризовали производство ископаемого топлива, электричества и распространение первичных движителей.
Добыча ископаемого топлива после 1900 года характеризовалась тремя заметными тенденциями. Во-первых, глобальное расширение добычи угля и производства углеводородов подняло годовое извлечение ископаемого углерода, грубо, в 20 раз между 1900 и 2015 годами: от 500 Мт в 1900-м до 6,7 Гт столетием позже и до 9,7 Гт в 2015 году (Olivier 2014; Boden and Andres 2015); чтобы выразить эти суммы в терминах CO2, их нужно умножить на 3,67. Поскольку распределение ископаемого топлива неравномерное, то рост его добычи неизбежно привел к появлению по-настоящему глобальной торговли легко транспортируемой сырой нефтью и к росту экспорта как угля, так и природного газа (как через трубопроводы, так и с помощью танкеров, перевозящих сжиженный природный газ). Но более пристальный взгляд открывает некоторые важные оговорки и исключения, ведь глобальный рост поглотил многие сложные особенности в разных странах, в числе которых было и уменьшение, и полное прекращение добычи топлива.
Во-вторых, многочисленные технические достижения были самыми важными стимулами этой экспансии, приведшей к более дешевой и продуктивной добыче, перевозке и обработке топлива, и они же снизили степень специфического загрязнения (и в одном замечательном случае даже способствовали уменьшению абсолютных выбросов в глобальном масштабе). В-третьих, произошел очевидный сдвиг в сторону топлива высокого качества, то есть от угля к сырой нефти и природному газу, процесс, который имел результатом сравнительную декарбонизацию (рост соотношения Н: С) в глобальной добыче ископаемого топлива, хотя абсолютный уровень выбросов CO2 в атмосферу продолжает расти, несмотря на несколько лет небольшого падения. Соотношение Н: С при сжигании дерева варьируется, но не превышает 0,5, для угля оно составляет 1,0, для бензина и керосина 1,8 и 4,0 для метана, главного компонента природного газа.
Если сравнивать содержание энергии, то высокоуглеродное топливо (дерево и уголь) обеспечивали 94 % мировой энергии в 1900 году, 73 % в 1950-м, но только 38 % в 2000-м (Smil 2010а). В результате средняя величина углеродоемкости на мировом рынке ископаемого топлива продолжает падать: если выразить ее в терминах углерода на единицу глобальной тотальной первичной энергии, то она упала с почти 28 кг С/ГДж в 1900 году до менее чем 25 в 1950-м и чуть более 19 в 2010 году, грубо говоря, произошло падение на 30 %. Затем, по причине того, что Китай начал резко наращивать добычу угля, показатель немного вырос в первое десятилетие нового века (рис. 5.12). Глобальные выбросы углерода от сжигания ископаемого топлива выросли с 534 Мт в 1900 году до 1,63 Гт в 1950-м, 6,77 Гт в 2000-м, и 9,14 Гт в 2010 году (Boden, Andres and Marland 2016).
Производство электричества комбинировало технологические усовершенствования с масштабным пространственным расширением, и в случае последнего процесс удивительным образом затянулся даже в США и до сих пор далек от завершения во многих бедных странах. Начался он с небольших локальных энергетических сетей и двигался в сторону их увеличения: в Европе они покрыли целый континент, Россия обладает очень обширной сетью, с 1990 года Китай построил множество линий большой протяженности, и среди высокоразвитых экономик только у США и Канады нет интегрированной на национальном уровне сети. Последняя трансформация, повлиявшая на отрасль – появление ветровой турбины, солнечных батарей и солнечных электростанций. Эти новые возобновляемые источники энергии (в противоположность гидроэлектричеству, старой форме возобновляемой генерации) часто активно продвигаются и субсидируются, и объемы производства постоянно растут; но присущая им изначально прерывистость и низкая эффективность ставят нетривиальные проблемы на пути их интеграции в глобальную сеть.
Рисунок 5.12. Декарбонизация поставок первичной энергии на глобальном уровне, 1900–2010 годы. Основано на данных из Smil (2014b)
Уголь
Две универсальные тенденции в производстве угля сводятся к растущей механизации подземной добычи и увеличению доли разработок открытым способом. Продуктивность добычи в США, самая высокая в мире, поднялась с менее 4 тонн на шахтера за смену в 1900 году до средней по стране часовой выработки в 5 тонн на работника, отдельные показатели варьируются от 2–3 т/час в глубоких шахтах Аппалачских гор до около 27 т/час в открытых разработках бассейна Паудер-Ривер в Монтане и Вайоминге (USEIA 2016а). Высокой продуктивностью также отмечена добыча жирного лигнита (коричневый уголь) в Австралии и Германии. Уголь из таких крупных шахт во все больших количествах сжигался на мощных, расположенных рядом с местом добычи тепловых электростанциях. Его перевозку на удаленные рынки осуществляли на специальных поездах, состоящих из ста и более крупных, легких саморазгружающихся вагонов, тянут которые мощные локомотивы (Khaira 2009). В потреблении угля наблюдались две основные тенденции: падение спроса на него на традиционных промышленных, бытовых и транспортных рынках, и компенсирующие это падение преимущества генерации электроэнергии на основе угля, и, в гораздо меньшей степени, рост производства металлургического кокса и использования угля в качестве сырья для химического синтеза.
Уголь, сжигавшийся для отопления и приготовления пищи в частных домах, постепенно был заменен более чистыми и эффективными источниками энергии, и сейчас в этой области доминируют природный газ и электричество. Уголь оставался главным топливом в транспорте всю первую половину XX века, но переход локомотивов и кораблей на дизельные двигатели (начался в первом и третьем десятилетии века соответственно) ускорился после Второй мировой войны, и все новые скоростные поезда (сначала японские shinkasen в 1964 году, затем французские TVG в 1978-м, потом другие европейские и азиатские) приводились в движение уже электромоторами.
Сжигание угля для тепловой генерации энергии началось в 1880-х годах почти во всех странах с традициями добычи угля, и зависимость от него только выросла, когда после Второй мировой войны начали строить большие ТЭЦ, и когда рост доли поверхностной добычи сделал уголь еще более доступным. На протяжении 1950-х сжигание угля обеспечивало самую большую долю производства энергии в США, Великобритании, Германии, России и Японии. Нефтяное топливо обрело значение только в 1960-х годах, но большая часть стран перестала использовать его для генерации электричества после того, как ОПЕК подняла цены на нефть в 1970-х, и зависимость от угля остается высокой в Китае, Индии и США. Использование металлургического кокса (в показателях килограммов кокса на килограмм горячего металла) снижалось десятилетиями, но рост плавки железа, изготовление которого поднялось с около 30 Мт в 1900 году до около 1,2 Гт в 2015-м, увеличил и объемы производства кокса примерно до 1,2 Гт (Smil 2016).
История угольной индустрии в разных странах демонстрирует нам много предсказуемых и некоторое количество удивительных изменений, включая прекращение добычи в странах, которые долго были лидерами (рис. 5.13). Добыча угля в Британии достигла пика 292 Мт в 1913 году, и уголь обеспечивал не только промышленность страны, но и расширение колониальной империи в XIX веке и, благодаря доминированию на морях, процветание торговой империи. В 1947 году, когда лейбористское правительство национализировало отрасль и создало Национальный совет по углю, все еще добывали более 200 Мт (Smil 2010а). Пик в послевоенные годы пришелся на 1952-й (и затем на 1957-й) и составил 228 Мт, но рост импорта нефти и начало (с 1970 года) собственной нефтяной и газовой разработки в Северном море снизили зависимость страны от угля вдвое к 1980 году.
Рисунок 5.13. Производство угля в Британии, 1700–2015 годы. Основано на данных из Nef (1932) и Department of Energy & Climaye Change (2015)
Во время долгой стачки шахтеров в 1984 году добыча угля упала до 51 Мт, затем ненадолго поднялась и снова снижалась до реприватизации, случившейся в 1994 году (Smil 2010а). В 2000 году в стране добывали всего 31 Мт, а в июле 2015-го угольный холдинг Великобритании объявил о немедленном закрытии копей в Торсби и прекращении операций на последней британской шахте, Келлингли, в декабре того же года (Jamasmie 2015). После 400 лет подпитки экономики отрасль, которая сделала Британию великой в экономическом и политическом отношении (и чей пик с точки зрения занятости пришелся на начало 1920-х годов, когда в угольной индустрии работали 1,2 миллиона человек, или около 7 % от всей трудовой силы), ныне сведена к нескольким музеям и подземным маршрутам для туристов (National Coal Mining Museum 2015).
Добыча угля в США достигла 508 Мт в 1950 году и пика в 1,02 Гт в 2001-м. За этот период уголь совсем перестали использовать в транспорте и почти совсем в домашнем хозяйстве, производство кокса тоже уменьшилось, но зато вырос экспорт. Более 90 % всей добычи сейчас сжигают на тепловых электростанциях: в 1950 году в США 46 % электричества получали с помощью угля, и эта доля выросла до 52 % в 1990-м и оставалась такой же высокой более десятилетия; к 2010 году она все еще составляла 45 %, но к 2015-му (с закрытием старых ТЭС на угле и при обилии дешевого газа) уменьшилась до 33–37 % (USEIA 2015b; примечание 5.12).
Примечание 5.12. Производство угля в КитаеКак только коммунистическая партия Китая установила новый режим 1 октября 1949 года, она тут же запустила индустриализацию сталинского типа, опираясь на запасы угля в стране, обширные, но неравномерно распределенные. На протяжении следующих десятилетий относительная зависимость страны от угля падала, но объемы добычи выросли до рекордных уровней (Smil 1976; Thomson 2003; China Energy Group 2014; World Coal Association 2015). Рост произошел с 32 Мт в 1949 году до 130 Мт в 1957-м, и было заявлено, что он достигнет 400 Мт в 1960 году, во время бесславного (породившего голод) Большого скачка, который Мао Цзэдун инициировал, чтобы обойти Британию за 16 лет или быстрее в производстве железа, стали и других важных промышленных продуктов (Huang 1958). После того, как Скачок не состоялся, более спокойный рост добычи угля продолжился и достиг более 600 Мт к 1978 году, когда Дэн Сяопин начал долгосрочные экономические реформы, которые в конечном итоге превратили Китай в крупнейшего мирового экспортера промышленных товаров и подняли стандарты жизни почти 1,4 миллиарда человек.Две вещи, которые не изменились в стране – жесткий контроль партии за государством и зависимость экономики от угля. Относительная зависимость упала от более чем 90 % в 1955 году до 67 % в 2010-м, и доля электричества, полученного с помощью угля, тоже уменьшилась, хотя и составляет более 60 %. Но общая добыча угля в Китае выросла более чем в четыре раза между 1980-м (907 Мт) и 2013 годом (3,97 Гт), когда на Китай приходилось почти столько же, сколько на весь остальной мир. 2014-й стал первым годом, когда наблюдался спад в 2,5 %, и в 2015-м был отмечен спад еще на 3,2 %, но эти данные нельзя назвать точными. В сентябре 2015 года Национальное бюро статистики Китая без каких-либо объяснений подняло цифры добычи за годы между 2000-м и 2013-м. Громадная добыча угля была главным источником смертности на производстве в Китае и крупнейшим источником очень высокого загрязнения воздуха, при котором содержание мелких частиц (<2,5 μм) периодически на порядок превосходит предельно допустимые концентрации (Smil 2010а).
До 1983 года в СССР производили больше угля, чем в США, но после распада государства добыча уменьшилась в связи с переходом на сырую нефть и природный газ. Индия в данный момент является третьим производителем в мире (в 2014 году – только одна шестая от добычи в Китае), но индийский уголь намного худшего качества, чем китайский или американский, и продуктивность его добычи очень низкая. Индонезия и Австралия (обе – ведущие экспортеры) входят в топ-5, и за ними следуют Россия, Южная Африка, Германия, Польша и Казахстан, а некоторые важные производители угля в прошлом, включая Германию и Великобританию, стали его импортировать.
Поскольку при сгорании угля получается больше CO2 на единицу полученной энергии, чем при сгорании любого другого ископаемого топлива – значения обычно более 30 кг С/ГДж для угля, около 20 кг С/ГДж для жидких углеводородов и менее 15 кг С/ГДж для природного газа – то будущее этого вида топлива в свете заботы об окружающей среде выглядит нестабильным. Высокая зависимость от угля в производстве электричества в Китае, Индии и как минимум дюжине других стран предотвращает быстрый отказ от этого топлива, но в более долгой перспективе уголь может стать первым важным энергетическим ресурсом, чья добыча, несмотря на изобилие, будет ограничена, исходя из экологических соображений.
Углеводороды
В начале XX века нефть в значительных количествах добывали немногие страны, и она обеспечивала только 3 % от всей энергии, даваемой ископаемым топливом. К 1950 году доля выросла до 21 %, энергетический вклад сырой нефти превзошел вклад угля к 1964 году и достиг пика в 1972-м, когда составил 46 % от всего ископаемого топлива. Два распространенных мнения – что XX век был временем доминирования нефти, а девятнадцатый временем доминирования угля – оба ошибочны. Дерево было самым важным топливом до 1900 года и, если взять XX век в целом, то он в большей степени определялся углем (Smil 2010а). Мои лучшие расчеты показывают, что уголь примерно на 15 % опережает нефть (приблизительно 5,2 ИДж против 4 ИДж) и даже если включить неэнергетическое использование нефтепродуктов (смазки, дорожные материалы), то уголь все равно будет впереди жидких углеводородов. В лучшем случае, если учесть сущностную неопределенность при превращении извлеченной массы в эквивалент общей энергии, то кумулятивное производство двух типов топлива в XX веке окажется примерно одинаковым.
Но жидкое топливо, полученное очищением нефти, превосходит все виды угля, и в то время как угольный рынок XX века (как только что было показано) постепенно сократился до двух больших секторов, генерации электричества и кокса, рынок жидких углеводородов постоянно расширялся, и там, где они вытесняли другое топливо, и с появлением новых секторов потребления. Главные замены – это переход от угля к нефтепродуктам в морском транспорте (начался перед Первой мировой войной, ускорился в 1920-х годах), и в наземном транспорте (начался в 1920-х); так же от угля к нефтепродуктам (а затем к природному газу) в промышленном и домашнем отоплении, и от угля к жидким и газообразным углеводородам как базе для синтетической химии (после Второй мировой войны).
Первый новый большой рынок возник с появлением удобных автомобилей, начался этот процесс перед Первой мировой с «Модели Т» Форда, и быстро ускорился после Второй мировой войны. Второй – с появлением реактивных двигателей в 1950-х годах, инновации, которая превратила авиацию в масштабную индустрию (Smil 2010b). Нефтяная промышленность смогла справиться с растущим спросом, поскольку использовала множество технических достижений буквально в каждом аспекте своего существования. Список основных улучшений XX века в этой области содержит более дюжины пунктов (Smil 2008а).
Его нужно начать с прогресса в методах геофизической разведки: они включают идею измерения электрической проводимости (1912), диаграммы каротажа сопротивления скважин (1927) для идентификации углеводородсодержащих поверхностных слоев, потенциал собственной поляризации (1931) и индукционный каротаж (1949), предложенные Конрадом Шлюмберже (1878–1936) и его родственниками, и впоследствии усовершенствованные нефте- и газодобытчиками (Smil 2006). К инновациям в методах добычи необходимо в первую очередь отнести повсеместное распространение вращательного бурения (первый раз использовалось на нефтяном фонтане Спиндлтоп около Бомона, Техас, в 1901 году, см. рис. 5.7), затем внедрение шарошечной буровой головки Говардом Хьюзом (1905–1976) в 1909 году, изобретение трехшарошечного конического долота в 1933-м, и улучшения в наблюдении и регулировании потока нефти и предотвращении прорывов на скважинах. Рост использования вторичных и третичных методов добычи (применение воды и других жидкостей или газов, чтобы выдавить больше нефти на поверхность) продлевал сроки эксплуатации скважин и увеличивал традиционно очень низкую производительность (добывалось обычно всего лишь 30 % пластовой нефти).
Все большее значение в добыче нефти приобретали скважины на территории шельфа. Бурение с пирсов было распространено в Калифорнии к 1900 году, но первая скважина за пределами вида с берега появилась в 1947-м в водах штата Луизиана. Морские буровые установки (большей частью наполовину подводные) работают на глубинах более 2000 м. Платформы, смонтированные на главных шельфовых полях, относятся к числу наиболее массивных сооружений. И самые недавние достижения в продуктивности случились благодаря росту экстракции из нетрадиционных источников сырой нефти, включая высоковязкую нефть (во многих местах по всему миру), нефть, содержащуюся в битуминозных песках (Альберта, Венесуэла), и добыче сланцевой нефти с помощью гидравлических разрывов. Данная техника, впервые освоенная в США, оказалась столь успешной, что страна вновь стала одним из крупнейших в мире производителей сырой нефти и нефтепродуктов. Если рассматривать только сырую нефть, то Саудовская Аравия все еще немного впереди (на 2015 год), она производит 568,5 Мт против 567,2 Мт в США.
Система транспортировки сырой нефти претерпела трансформацию благодаря появлению бесшовных стальных труб, из которых состоят магистральные трубопроводы, способные пересекать континенты. Именно они являются самым безопасным, надежным, чистым и компактным способом транспортировки топлива по суше. Американские линии, переносящие нефть из Мексиканского залива на Восточное побережье, были построены во время Второй мировой войны, но их превзошли созданные в 1970-х годах структуры, призванные доставить нефть из
Западной Сибири в Европу. Нефтепровод Усть-Балык – Курган – Альметьевск (диаметр 120 сантиметров, длина 2120 километров) доставляет в год 90 Мт нефти из супергигантского Самотлорского нефтяного месторождения в европейскую часть России, а затем еще 2500 километров ветвящихся линий гонят жидкое топливо на европейские рынки, дотягиваясь до Германии и Италии. Послевоенный спрос на импортную нефть в Европе и Японии привел к быстрому росту размеров нефтяных танкеров (RatclifFe 1985). В результате нефть стала доступна повсюду, и расстояние между местом добычи и точкой потребления сделалось далеко не самым важным экономическим параметром (ежегодная торговля сырой нефтью на межконтинентальном уровне превосходит 2 Гт; примечание 5.13).
Примечание 5.13. Гигантские нефтяные танкеры
Первый танкер, построенный в Британии немецкий GIQckauf, спущенный на воду в 1886 году, мог перевозить только 2300 тонн нефти (Tyne Built Ships 2015). Последующий рост добычи привел к появлению кораблей водоизмещением 20 тысяч тонн к началу 1920-х годов. Во время войны наиболее широко используемые американские танкеры (Т-2) имели водоизмещение в 16 500 тонн, быстрый рост объемов начался только после возникновения глобальной торговли нефтью (поставки в Европу и Японию) в конце 1950-х. Universe Apollo был первым судном с водоизмещением в 100 тысяч тонн (1959); в 1966 году Idemitsu Маги достиг 210 тысяч тонн, и когда ОПЕК подняла цены в пять раз в 1973 году, самый большой корабль мог везти более 300 тысяч тонн (Kumar 2004).Постройка корабля, способного перевезти миллион тонн, была технически осуществимой, но непрактичной по многим причинам: размер и осадка ограничивали количество возможных маршрутов и портов назначения, например, такие корабли не могли бы ходить через Суэцкий и Панамский каналы, им требовалось большое расстояние для остановки, их было очень дорого страховать, и они становились причиной катастрофических разливов нефти, например Amoco Cadiz (Франция 1978), Castillo de Belver (Южная Африка 1983) и Exxon Valdez (Аляска 1989). Крупнейший в мире танкер Seawise Giant сошел со стапелей в 1979 году (водоизмещение 564 763 тонны), получил повреждения во время ирано-иракской войны, снова вышел в море как Jahre Viking (почти 459 метров длиной, 1991–2004), затем под именем Knock Nevis использовался как плавающий склад и наливная станция в Катаре (2004–2009), потом был продан индийским разрушителям кораблей и назван Mont для последнего путешествия в порт Аланг в Гуджарате (Konrad 2010).
Единственным важным достижением в очищении нефти стал каталитический крекинг. Термальный крекинг был нормой до 1936 года, когда Эжен Одри (1892–1962) начал производить высокооктановый бензин, главное топливо для автомобилей, на Sun Oil’s Pennsylvania refinery, где смонтировал первую установку для каталитического крекинга. Она дала возможность получать большую долю более ценных (легких) нефтепродуктов (бензин, керосин) из средних и тяжелых компонентов. Вскоре после этого подвижные катализаторы научились восстанавливать, не прекращая производства. Еще более высокий уровень производства высокооктанового бензина стал возможным с появлением порошкового, переносимого по воздуху катализатора (Smil 2006). На протяжении 1950-х годов жидкий каталитический крекинг был дополнен гидрокрекингом при сравнительно высоком давлении, и эти две технологии до сих пор обеспечивают большую часть производства. Для очищения также важен процесс десульфуризации жидкого топлива, который делает даже столь легендарно загрязняющее топливо как дизель приемлемым для личных автомобилей, где требуется низкий уровень выбросов (CDFA 2015).
Последствия у всех этих процессов оказались следующие.
Во-первых, глобальное производство нефти выросло, грубо, в 200 раз на протяжении XX века; к 2015 году оно было (свыше 4,3 Гт) на 20 % больше, чем в 2000-м, и с 1964 года, когда по содержанию энергии нефть обошла уголь, она стала самым популярным в мире топливом. Во-вторых, нефть сейчас добывают на всех континентах и морских скважинах в каждом океане за исключением арктических морей и Антарктики, из залежей на 7 км ниже уровня земли, а месторождение Тупи в Бразилии находится не только на дне океана в 2,1 км от поверхности, но еще и на 5 км подо дном. В-третьих, нефть – максимально ценный ресурс, торговля которым ведется в таком масштабе: в 2001 году (приняв среднюю цену 93$ за баррель техасской нефти среднего качества) годовая добыча стоила порядка 3 триллионов долларов, в 2015-м (цены упали примерно до 49$ за баррель) она стоила около 1,6 триллиона (ВР 2016).
Хотя добыча нефти широко распространена, крупнейшие нефтяные поля обнаружили на суше, в районе Персидского залива между 1927-м (Киркук в Ираке) и 1958 годами (Ахваз в Иране). Аль-Гавар, крупнейшее в мире нефтяное месторождение на востоке Саудовской Аравии, начало давать нефть с 1951 года, второе по размеру поле, Большой Бурган в Кувейте, находится в разработке с 1946-го (Smil 2015b; рис. 5.14). Ничто не в силах изменить этот фундаментальный факт: в 2015 году почти половина известных запасов конвенциональной (жидкой) нефти находилось в этом регионе, который, к сожалению, является постоянным источником сложных конфликтов и хронической политической нестабильности (ВР 2016).
На протяжении десятилетий природный газ вносил меньший вклад в поступление энергии: в 1900 году он давал всего 1 % от энергии ископаемого топлива, и к 1950-му его доля была около 10 %. Однако впоследствии три важных тенденции спроса подняли его глобальную долю до почти 29 % от всех ископаемых энергий к 2000 году, и двадцатый век увидел 375-кратный рост в объеме энергии, получаемой в год от самого чистого вида ископаемого топлива (Smil 2010а). Сравнительно маленький, но очень важный рынок возник при использовании газа как сырья и топлива при синтезе аммиака – самого важного азотного удобрения, в настоящее время из него обычно производят твердую мочевину (Smil 2001; IFIA 2015) – и для производства пластика.
Рисунок 5.14. Супергигантские и гигантские нефтяные месторождения Среднего Востока. В 2015 году регион содержал не менее 45 % мировых запасов сырой нефти (ВР 2015)
Крупнейший из новых глобальных рынков возник в ответ на возросший уровень загрязнения воздуха в большинстве западных городов во время ускоренной индустриализации после Второй мировой войны. Замена угля газом в промышленном и домашнем отоплении (и приготовлении пищи) устранила выбросы твердых частиц и уменьшила выбросы SO2 (нетрудно удалить серные компоненты из газа перед сжиганием). Города в быстро модернизирующихся странах Латинской Америки и Азии последовали за трендом, хотя многие из них, включая Токио и другие японские городские агломерации, Сеул, Гуанчжоу, Шанхай и Мумбай должны были делать это с помощью экспортного сжиженного природного газа (СПГ). И самый последний процесс, подхлестнувший использование газа, появился в энергетике, где для эффективной генерации электричества начали применять газовые турбины, а затем еще более эффективные турбины смешанного цикла (см. следующий раздел). Развитие технологии гидравлического разрыва после 2005 года не только остановило упадок добычи природного газа в США, но и вернуло страну в число ведущих мировых производителей.
Транспортировка природного газа по трубопроводам неизбежно обходится дороже, чем перекачка жидкостей, и длинные системы становятся экономически оправданными только при использовании стальных труб большого диаметра (до 2,4 м) и эффективных газотурбинных компрессоров (Smil 2015а). США и Канада пользуются интегрированной системой газпроводов с 1960-х годов, но самая протяженная национальная сеть возникла в Европе в конце 1960-х. Самые длинные линии – 4451 км от Уренгоя до станции Ужгород на границе Украины и Словакии, и 4190 км от Ямала до Германии – доставляют сибирский газ в Центральную и Восточную Европу, где соединяются с поставками из Нидерландов, Северного моря и Северной Африки.
Перевозка СПГ по морю, начавшаяся в 1960-х годах, обходилась очень дорого, и в последующие три десятилетия этот способ торговли использовали только страны Восточной Азии (Япония, Тайвань, Южная Корея), не имевшие своих запасов газа. Открытие новых запасов и постройка более крупных танкеров для СПГ привели к сравнительно быстрому расширению этой торговли, и к 2015 году почти треть экспортируемого газа перевозилась танкерами (ВР 2016). Япония по-прежнему является крупнейшим импортером, но в ближайшее время Китай станет самым важным потребителем. США, традиционно импортировавшие газ по трубам из Канады, построили множество установок по производству СПГ, надеясь стать ведущим экспортером, возможно, даже конкурентом Катара, маленькой богатой страны, продающей СПГ из крупнейшего в мире газового месторождения в Персидском заливе (Smil 2015а).
Электричество
Прогресс в электрификации потребовал экспоненциального роста показателей во всех компонентах энергетических систем. Первые, сравнительно маленькие котлы, топили кусками угля, загружаемыми на движущиеся решетки. С 1920-х годов их начали заменять многоуровневыми системами, работающими на измельченном топливе, оно впрыскивалось в камеру сгорания и нагревало воду, которая циркулировала в трубах из стали, проходящих вдоль стенок котла. Нефть и природный газ также стали обычным топливом для больших электростанций, но использование нефти (кроме как в России и Саудовской Аравии) было прекращено после того, как ОПЕК вторично подняла цены (1979–1980). Природный газ для получения электричества сейчас сжигается большей частью в газовых турбинах не только в богатых газом странах, но и в тех, которые вынуждены экспортировать дорогой СПГ. В США доля электричества, полученного с помощью газа, поднялась с 12 % в 1990 году до 33 % в 2014-м; в Японии с 28 % в 2010 году до 44 % в 2012-м из-за закрытия АЭС после катастрофы в Фукусиме (The Shift Projext 2015).
Большие котлы обеспечивали паром турбогенераторы на три порядка более мощные, чем использовавшиеся в 1900 году (крупнейший, во Франции на АЭС Фламанвиль, дает 1,75 ГВт), а их рабочее давление и температура позволили поднять пик эффективности с менее 10 % в 1900 году до свыше 40 % (рис. 5.15). Становится возможной даже более высокая эффективность, порядка 60 %, при использовании комбинации газовых турбин (крупнейшие дают свыше 400 МВт) и паровых турбин (горячий газ, покидающий газовую турбину, уходит на производство пара). Ничего удивительного, что турбины комбинированного цикла стали предпочитаемым способом генерации электричества, особенно чтобы закрыть потребности в пиковые периоды спроса (Smil 2015b). Большие дизельные генераторы были наиболее экономным выбором для производства электричества в отдаленных местностях и для обеспечения непрерывной подачи тока в случае экстремальных обстоятельств.
Рисунок 5.15. Максимальные мощности паровых турбогенераторов и эффективности лучших тепловых электростанций, 1900–2000 годы. Основано на данных из Dalby (1920), Termuehlen (2001) и Smil (2008а)
Расширение городских систем электроснабжения до национального масштаба началось после Первой мировой и ускорилось после Второй мировой войны. Оно преследовало следующие цели (Hughes 1983): достижение масштабной экономии, постройка более крупных станций рядом с большими городами или прямо в них, создание высоковольтных линий, чтобы передавать энергию от удаленных электростанций, продвижение массового потребления, объединение систем меньшего размера, чтобы обеспечить стабильную подачу энергии и более низкие номинальную и резервную мощности. После 1950 года забота о загрязнении воздуха привела к появлению новых крупных электростанций, расположенных рядом с источниками топлива. Переход к таким электростанциям повысил спрос на высоковольтную передачу.
Вследствие этого мощность крупнейших трансформаторов выросла в 500 раз, и самое высокое напряжение передачи увеличилось более чем в 100 раз по сравнению с 1890-ми годами. Передача начиналась с деревянных столбов и медных проводов, и постепенно дошла до вышек из стали, несущих усиленные сталью алюминиевые кабели, заряженные до 765 кВ; высочайшее напряжение постоянного тока сейчас ±800 кВ, несущих 6,4 ГВт между ГЭС Сянцзяба и Шанхаем. Внутридомовые системы выросли от нескольких розеток до разветвленных структур с десятками переключателей и выводов. Повышение мощности и рост генерации сопровождались увеличением надежности, особенно важной в мире, наполненном электронными устройствами и средствами контроля (примечание 5.14).
Примечание 5.14. Надежность поставки энергииНадежность поставки электричества часто выражают в количестве «девяток», иными словами, в проценте времени от стандартного года в 365 дней, когда отдельная сеть работает нормально и способна удовлетворить все требования. Система с четырьмя девятками, когда электричество доступно 99,99 % времени, может выглядеть надежной, но на уровне года это означает 53 минуты без энергии. Пять девяток снизят это время до чуть более 5 минут, а цель отрасли – достигнуть 99,9999 % (шести девяток) надежности, чтобы система оставалась без электричества всего на 32 секунды в год. Текущий показатель в США около 99,98 %, с перебоями, причиной которых становится не только погода (торнадо, ураганы, снежные бури, экстремальный холод), но также вандализм и нарушения в поставке топлива (Wirfs-Brock 2014; North American Electric Reliability Corporation 2015).Электронные коммуникации, средства контроля и запасы информации сейчас поддерживают каждый сектор экономики, начиная от диспетчерского управления доставкой продуктов до автоматизированного производства микрочипов, от биржевой торговли до контроля воздушных перелетов. Единственный способ обеспечить бесперебойное функционирование – установить системы резервной подачи энергии (батареи и генераторы, способные на быстрый ответ). Даже краткие перебои в снабжении могут обойтись очень дорого, издержки достигают 10 миллионов долларов в час в некоторых случаях, и между 2003 и 2011 годами потери по всем США варьировались от 18 до 75 миллиардов (в 2008 году, когда случился ураган Айк; Executive Office of the President 2013). Электрические сети являются первоочередными целями для кибератак со стороны террористических групп или враждебных государств.
Ядерный распад стал другим важным способом получения пара для тепловой генерации энергии после Второй мировой войны. За первой демонстрацией феномена Лизой Мейтнер и Отто Фришем в декабре 1938 года последовала первая цепная реакция, ее запустили в университете Чикаго 2 декабря 1942-го. Первую ядерную бомбу испытали в июле 1945 года, и две бомбы были сброшены с разницей в три дня в августе 1945-го (Kesaris 1977; Atkins 2000). Если не учитывать продолжительную разработку более мощного ядерного оружия (см. раздел об оружии и войне в следующей главе), то первой послевоенной ядерной программой в США стали ядерные реакторы для подводных лодок. Nautilus спустили на воду в 1955 году, и почти немедленно Хайман Риковер (1900–1986), военный руководитель программы, получил задание перестроить реактор для коммерческого производства энергии (Polmar and Allen 1982). Первая АЭС в США, Шиппингпорт в Пенсильвании, начала работу в декабре 1957-го, более чем на год позже, чем (в октябре 1956-го) заработала британская Колдер-Холл.
В ретроспективе видно, что это была не лучшая конструкция реактора из всех возможных, но она стала доминирующей во всем мире. И пусть он не был превосходным, его ранее внедрение открыло дорогу другим реакторам, которые разработали достаточно быстро (Cowan 1990). В середине 2015 года 277 из 437 работающих в мире ядерных реакторов являлись герметичными реакторами с водяным охлаждением, и большая часть их находилась в США и Франции. Изучив почти полвека коммерческой ядерной энергетики, я назвал ядерное электричество «успешным провалом» (Smil 2003), и этот вердикт только подкрепляют новые исследования. Проект был успешным, поскольку в 2015 году давал 10,7 % мирового электричества, и до недавнего прорыва Китая в области угольных электростанций эта доля составляла около 17 %. Во многих странах цифры еще выше, среди них почти 20 % в США, 30 % в Южной Корее (и в Японии до 2011 года), и 77 % во Франции. Но провалился проект по той причине, что громадные надежды, которые он вызвал (в 1970-х годах практически все ожидали, что к концу века АЭС станут доминировать в генерации энергии) остались по большому счету неоправданными.
Технические слабости доминирующей конструкции, высокие затраты на постройку АЭС и хронические задержки при введении в эксплуатацию, нерешенная проблема долгосрочного хранения радиоактивных отходов и широко распространенная тревога по поводу безопасности (ее подогревают, даже после 60 лет коммерческого использования, преувеличенные мнения о негативном влиянии на здоровье) ограничили дальнейший рост ядерной индустрии. Проблема безопасности и негативные оценки риска выросли после аварии на АЭС Три-Майл-Айленд (1979), а затем после катастрофы 1986 года в Чернобыле и взрыва реактора в Фукусиме в 2011 году, который последовал за землетрясением и цунами (Elliott 2013).
В результате некоторые страны отказались от постройки ядерных станций (Австрия, Италия), другие запланировали их закрытие в ближайшем будущем (Германия, Швеция), и большинство стран, имеющих АЭС, либо совсем перестали вводить новые мощности десятилетия назад (Канада, Великобритания) или вводили очень мало, куда меньше, чем нужно даже для замены старых электростанций. США и Япония – две наиболее заметные страны в последней категории: к середине 2015 года по всему миру работало 437 реакторов, из 67 строящихся 25 находились в Китае, 9-в России и 6-в Индии (WNA 2015b). Западные же страны в сущности отказались от этого чистого, лишенного выбросов углерода способа генерации электричества.
Возобновляемые источники энергии
Растущая зависимость от ископаемого топлива сделала биологическое топливо куда менее важным, но по причине быстрого роста населения в сельских регионах бедных стран (где очень ограничен доступ к современным источникам энергии, либо его совсем нет) мир сейчас потребляет больше дров и каменного угля, чем когда-либо. Согласно моим лучшим оценкам, валовая энергия традиционного биотоплива достигла около 45 ЭДж в 2000 году, почти в два раза больше, чем было в 1900-м (Smil 2010а), и на протяжении первых 15 лет XXI века эта величина почти не уменьшилась. Это значит, что в 2000 году биотопливо давало примерно 12 % первичной энергии в мире, и к 2015-му эта доля упала до 8 % (в 1900 году было 50 %).
К сожалению, даже такого снижения (эквивалент около 1 Гт нефти) недостаточно: с сотнями миллионов людей в сельских районах бедных стран Африки, Азии и Латинской Америки, где все еще жгут растительное топливо, спрос на дрова и древесный уголь остается ведущей причиной уничтожения лесов. Наиболее остро эта проблема стоит в районе Сахеля в Африке, в Непале, Индии, континентальном Китае и большей части Центральной Америки. Самый продуктивный способ справиться с деградацией окружающей среды – ввести новые, эффективные (2530 % по сравнению традиционными 10–15 %) печи: эта замена оказалась наиболее успешной в Китае, где такие печи были введены в 75 % домашних хозяйств до конца века (Smil 2013).
Вместе с тем, древесное топливо добывается не только в лесах. Во многих бедных странах значительную долю собирают семьями (чаще всего женщины и дети) в зарослях кустарника, на плантациях (каучука, кокосового ореха), и в придорожных посадках. Исследования в Бангладеш, Пакистане и Шри-Ланке показали, что добытое не в лесах дерево составляет более 80 % от всего, что сжигается (RWEDP 1997). По меньшей мере пятую часть всех пожнивных остатков в бедных странах до сих пор сжигают, и сухой навоз остается важным источником энергии в некоторых регионах Азии, хотя древесный уголь везде стал предпочитаемым видом биотоплива. Как ожидалось, Китай и Индия – крупнейшие в мире потребители традиционного биотоплива, за ними идут Бразилия и Индонезия, но по относительным параметрам всех опережает Африка к югу от Сахары, где в конце XX века некоторые страны получали более 80 % сельскохозяйственной энергии от древесины и пожнивных остатков, и это по сравнению с 25 % в Бразилии и менее 10 % в Китае (Smil 2013а). Если пересчитать на душу населения, то показатели варьируются от 5 до 25 ГДж /год.
Последние десятилетия XX века ознаменовались появлением сравнительно масштабного производства этанола. Эксперименты с этанолом как топливом для пассажирских автомобилей проводились еще перед Второй мировой войной (и Генри Форд принял в них участие), но современное массовое производство транспортного спирта началось в 1975 году в Бразилии, где его получали при ферментации сахарного тростника (Macedo, Leal and da Silva 2004; Basso, Basso and Rocha 2011). В США такое же производство, только на основе кукурузы, стартовало в 1980 году (Solomon, Barnes and Halvorsen 2007). Выработка в Бразилии начала стагнировать с 2008 года, а в США, где программа была утверждена Конгрессом в 2007-м, производство вряд ли вырастет. Также существует небольшая промышленность по производству биодизеля, где жидкое топливо делают из богатой маслом фитомассы – соевых бобов, рапса и плодов масличной пальмы (USDOE 2011). Глобальное производство жидкого биотоплива достигло около 75 Мт в нефтяном эквиваленте в 2015 году, то есть около 1,8 % энергии, извлекаемой ежегодно из сырой нефти (ВР 2016). Развертывание этой отрасли до такой степени, чтобы она заняла значительную долю на мировом рынке биотоплива, откровенно говоря, маловероятно (Giampietro and Mayumi 2009; Smil 2010a).
Использование потенциальной и кинетической энергии воды для производства электричества – второй наиболее важный возобновляемый источник энергии, идущий за традиционным и современным биотопливом. Водяная генерация электричества началась в 1882 году, одновременно с тепловой, когда маленькая мельница на Фокс-ривер в Апплетоне, штат Висконсин, привела в движение два динамо и дала 25 КВт для 280 слабых ламп (Dyer and Martin 1929). Еще до конца столетия все более и более высокие дамбы возводились в альпийских странах, в Скандинавии и США. Но первая большая гидроэлектростанция, построенная у Ниагары в 1895 году, казалась маленькой (37 МВт) рядом с проектами 1930-х в США, где поддержку начало оказывать государство через Службу мелиорации, и в СССР, где они были частью сталинской индустриализации (Allen 2003). Крупнейшими проектами в США были плотина Гувера на реке Колорадо (1936; 2,08 ГВт) и плотина Гранд-Кули на реке Колумбия, первую ступень которой закончили в 1941 году (окончательная мощность 6,8 ГВт).
За три послевоенных десятилетия ГЭС стали источником почти 20 % мирового электричества, крупные проекты были завершены в Бразилии, Канаде, СССР, Конго, Египте, Индии и Китае. В большинстве стран строительство станций замедлилось или прекратилось в 1980-х годах, но только не в Китае, где крупнейшая плотина в мире, «Три ущелья» (номинальная мощность в 18,2 ГВт в 26 единицах), была завершена в 2012 году (Chincold 2015). В 2015-м водяные турбины давали около 16 % мирового электричества, а в Канаде эта доля была 60 %, в Бразилии – 80 %, и даже выше в целом ряду малых африканских стран.
Два возобновляемых источника энергии, получившие немалую долю внимания – солнечная и ветровая. Интересом они обязаны быстрому увеличению мощностей – между 2010 и 2015 годами глобальная генерация с помощью ветра выросла в 2,5 раза, а с помощью солнца почти в 8 раз – и преувеличенным ожиданиям их значения в будущем. Быстрый рост – обычный признак первых стадий развития, но вклад этих двух источников энергии остается пренебрежимо малым на глобальном уровне (в 2015 году ветер давал около 3,5 %, прямое солнечное излучение – 1 % мирового электричества). Интеграция более объемных потоков этих прерывистых энергий (многие ветровые турбины работают только 20–25 % времени, находящиеся в море установки – 40 %) в существующие сети ведет за собой много проблем (J. Р. Morgan 2015).
Развитие современной ветровой энергетики началось с налоговых субсидий в США в начале 1980-х годов, и резко закончилось, когда субсидии были прекращены в 1985-м (Braun and Smith 1992). Европа стала новым лидером в 1990-х, когда несколько правительств – Дания, Великобритания, Испания, и в первую очередь Германия, в рамках программы Energiewende, – объявили политику перехода на возобновляемые источники. Издержки уменьшились, и более мощные установки (сейчас до 8 МВт, обычно 1–3 МВт) и крупные кластеры ветрогенераторов (включая расположенные в прибрежной зоне) обеспечили рост с менее чем 2 ГВт в 1990 году до 17,3 ГВт в 2000-м и 432 ГВт к концу 2015 года (Global Wind Energy Council 2015).
Фотоэлектрический эффект (генерация электричества, для которой используются металлические электроды, находящиеся под воздействием солнечного света) был открыт Эдмоном Беккерелем (1852–1908) в 1839 году, но только в 1954-м Bell Laboratories создали дорогой, низкоэффективный (сначала 4,5 %, потом 6 %) кремниевый солнечный элемент, который использовался в 1958 году, чтобы питать энергией (всего 0,1 Вт) спутник Vanguard-1. Четырьмя годами позже, в 1962-м, Telstar-1, первый коммерческий телекоммуникационный спутник, нес солнечные батареи мощностью в 14 Вт, в 1964 году спутники Nimbus могли похвастаться уже 470 Вт (Smil 2006). Применение этой технологии в космосе, где издержки не столь важны, развивалось десятилетиями, но наземное использование солнечных батарей было ограничено теми же издержками, и отрасль начала расти только в конце 1990-х. В терминах пиковой мощности (которая доступна, даже при солнечной погоде, всего несколько часов в день) фотоэлементы давали всего 50 МВт в 1990 году, 17 ГВт в 2010-м, и около 50 ГВт в 2015-м, при кумулятивном объеме 2272q ГВт (James 2015; REN21 2016).
Но этот вид генерации еще менее стабилен, чем ветровой (гарантированное время работы в более облачном климате 11–15 %, и даже в Аризоне – около 25 %), и в 2015 году солнечные батареи давали всего около 30 % от того, что получали с помощью ветряных турбин (рис. 5.16). И снова рост отрасли был не постепенным естественным процессом, его искусственно подталкивали с помощью правительственных субсидий. Ничто не показывает это лучше, чем тот факт, что в 2015 году облачная Германия производила почти в три раза больше солнечной энергии, чем солнечная Испания (ВР 2016). Нагревание воды, использование небольших домашних нагревателей на крышах и крупных промышленных установок предшествовало росту этого способа генерации. Номинальная мощность нагревателей на конец 2013 года составляла около 270 ГВт, и большей частью они находились в Китае и Европе (Maunthner and Weiss 2014). Концентрированная солнечная энергия (КСЭ), когда зеркала используются для концентрации солнечного излучения для нагрева воды (или соли) для генерации энергии, является полезной альтернативной солнечным батареям, но лишь несколько установок (общей мощностью менее чем 5 ГВт) работали в 2015 году.
По сравнению с большой четверкой (биотопливо, гидроэнергия, ветровая и солнечная), другие возобновляемые источники дают пренебрежимо малую мощность, хотя некоторые из них играют важную роль на национальном или региональном уровне, например, геотермальная энергия. Горячие источники использовали с доисторических времен, и более глубокие обеспечивают горячую воду для отопления и промышленных процессов во многих странах. Но места, где эта энергия может применяться в качестве натурального пара для производства электричества, встречаются редко. Первая геотермальная электростанция начала работать в Лардерелло (Италия) в 1902 году; Вайракей в Новой Зеландии запустили в 1958-м, и Гейзере в Калифорнии открылись в 1960 году. К 2014-му общая номинальная мощность у всех источников такого типа составляла 12 ГВт. США обладали самой высокой номинальной мощностью, а Исландия в наибольшей степени зависела от этого возобновляемого источника энергии (Geothermal Energy Association 2014).
Рисунок 5.16. Солнечная электростанция в испанской Андалусии (Corbis)
Не были реализованы и некогда существовавшие долгосрочные планы на большие приливные электростанции; работает всего несколько таких комплексов во Франции и в Китае. Новые посадки быстрорастущих деревьев (ивы, тополя, эвкалипта или сосны) дают возможность получать щепу для генерации электричества – вот выбор, стоящий на дороге у многих проблем окружающей среды, и пожнивные остатки и другие органические отходы сейчас также используют для крупномасштабного производства биогаза (в первую очередь в Германии и Китае), но его вклад имеет значение только на локальном уровне. Несмотря на разнообразие возобновляемых источников энергии, быстрое продвижение по отдельным направлениям и многие противоречивые заявления, вердикт очевиден: как и в случае других энергетических переходов, замена ископаемого топлива будет длительным процессом, и нам придется подождать, чтобы увидеть эволюцию различных видов конверсии, способных занять заметное место в новом энергетическом мире.
Первичные движители в транспорте
В свете той важности, которую имеет мобильность как людей, так и товаров для современной цивилизации, финальный раздел моего обозрения, посвященного техническим достижениям, определяющим текущие энергетические основания современного общества, будет отдан первичным движителям в транспорте во всех их разновидностях, от малых двигателей до мощных ракет. Развитие двигателей четырехтактного цикла (в наше время в основном бензиновых, с небольшой долей работающих на этаноле и природном газе) сильно замедлилось с первого десятилетия XX века, когда их начали производить массово. Наиболее важные изменения включают примерное удвоение коэффициента сжатия, снижение массы и рост мощности, результатом чего стало уменьшение соотношения масса/мощность: оно упало с почти 40 г/Вт в 1900 году до всего лишь 1 г/Вт столетием позже. Первый массово производимый в США автомобиль, Curved Dash компании Ransom Olds, имел одноцилиндровый двигатель в 5,2 кВт (7 л. с.). Двигатель Model Т Форда, производство которой закончилось только в 1927 году после 19 лет и 16 миллионов единиц, был в три раза мощнее.
Рост средней мощности американских автомобилей был прерван с повышением цен ОПЕК в 1970-х, но возобновился в 1980-х годах: средняя мощность легкового автомобиля выросла с 90 кВт в 1990-м до 175 кВт в 2015 году (USEPA 2015). Но «легковой автомобиль» на самом деле неверный термин, поскольку в США около 50 % персонального транспорта – микроавтобусы, грузовики-пикапы и внедорожники. Дизельные двигатели тоже стали сравнительно более легкими и мощными, и эти усовершенствования позволили им доминировать на нескольких важных транспортных рынках (Smil 2010b). Первые грузовики на дизеле появились в Германии в 1925 году, первые тяжелые пассажирские автомобили (тоже в Германии) – в 1936-м. Накануне Второй мировой большинство грузовиков и автобусов в Европе были дизельными, и после войны это стало нормой по всему миру. Автобусные дизельные движки с мощностью в 350 кВт имели соотношение масса/мощность 3–9 г/ Вт и могли проезжать до 600 тысяч километров без капитального ремонта.
Соотношение масса/мощность для автомобильных дизельных двигателей в конечном итоге уменьшилось до 2 г/Вт, а это значит, что дизели в пассажирских автомобилях лишь немного тяжелее, чем их бензиновые родичи (Smil 2010b). Относительно низкая цена на топливо сделала дизельные легковые автомобили обычным делом в ЕС, где они сейчас составляют более 50 % от становящихся на учет машин (ICCT 2014). Но такие машины остаются редкостью в США: в 2014 году на них приходилось всего 3 % автомобилей. Имидж этой разновидности транспорта сильно пострадал в 2015-м, когда «Фольксваген» был вынужден признать, что многие модели с дизельным двигателем, проданные после 2008 года, содержали незаконное ПО, которое выдавало фальшивые сведения о выбросах, чтобы обойти законодательство США в области окружающей среды.
Локомотивы на дизельном топливе (мощностью до 3,5 МВт) тянут (и толкают) грузовые поезда на всех неэлектрифицированных железных дорогах мира. Как уже было отмечено, дизельные двигатели начали завоевывать море до Первой мировой войны и стали незаменимым первичным двигателем глобализации, поскольку вся морская торговля энергоресурсами, сырьем, возвратными отходами, пищевыми и промышленными товарами сейчас приводится в движение этими массивными, эффективными машинами (Smil 2010b). Наиболее мощные морские двигатели в супертанкерах и огромных контейнеровозах разработаны в Европе компаниями MAN и Wartsila, построены в Южной Корее и Японии, и их мощность достигает почти 100 МВт.
Возвратно-поступательные авиационные двигатели совершенствовались очень быстро. Те, что приводили в движение Clipper в 1936 году (большой гидроплан концерна «Боинг», совершавший регулярные перелеты между Западным побережьем США и Восточной Азией), были примерно в 130 раз мощнее тех, которые использовали Райты в 1903-м, при соотношении масса/мощность в десять раз выше (рис. 5.17). Газовые турбины – совершенно новые первичные движители, повысившие эффективность как в авиации, так и во многих других отраслях – были теоретически разработаны в начале XX века, но первые практичные конструкции появились только в конце 1930-х. Фрэнк Уиттл в Англии и Ханс Пабст фон Охайн в Германии независимо создали экспериментальные газовые турбины для военных самолетов, но первые реактивные истребители появились слишком поздно, чтобы принять участие во Второй мировой войне (Constant 1981; Smil 2010b).
Быстрое развитие нового первичного движителя началось сразу после войны. Скорость звука впервые удалось превзойти 14 октября 1947 года на самолете Bell Х-1, сверхзвуковые истребители и бомбардировщики появились в конце 40-х и с тех пор развиваются; быстрейший из них, МиГ-35, дает максимум скорости в 3,2 Маха. Появление газовых турбин сделало возможными межконтинентальные перелеты: их низкий показатель масса/мощность (с тягой в 500 кН он всего лишь 0,06-0,07 г/Вт), высокое соотношение тяга/вес (>6 для коммерческих двигателей, 8,5 для лучших военных образцов), и высокая степень двухконтурности (12 к 1 самое высокое значение, 92 % воздуха, сжатого двигателем, обходит его камеру сгорания; это снижает потребление топлива и уменьшает шум двигателей) отличают конструкцию этих все более мощных и эффективных первичных движителей (рис. 5.17). Газовые турбины в авиации стали столь надежными, что самолеты с двумя двигателями не только пересекают Атлантику, но также задействованы на многих транстихоокеанских маршрутах (Smil 2010b).
Рисунок 5.17. Все более мощные, но при этом легкие авиадвигатели способствовали прогрессу в самолетостроении. Незадолго до того, как поршневые двигатели достигли предела мощности, появились и начали развиваться реактивные. Двигатели, приводящие в движение большие «Боинги» и «Аэробусы» имеют соотношение масса/мощность менее 0,1 г/Вт, то есть в 100 раз лучше, чем у братьев Райт. Двигатели военных самолетов еще легче. Основано на данных из Constant (1981), Gunston (1986), Taylor (1989) и Smil (2010b)
Как это часто случается со зрелыми отраслями, глобальный рынок реактивных двигателей в конечном итоге оказался поделен между четырьмя производителями. «Роллс-Ройс» был первым, кто создал коммерческий авиационный движок (в 1953 году), за ним последовали две американских компании, «Дженерал Электрик» и Pratt&Whitney, и CFM International, совместная компания «Дженерал Электрик» и французской Snecma Moteurs, созданная в 1974 году и сосредоточившаяся на создании двигателей для авиации малой и средней дальности (CFM International 2015). Полеты сверхзвукового «Конкорда» (коммерциализирован в 1976 году) оказались слишком дорогими для того, чтобы занять место на рынке, и были прекращены в 2003-м (Darling 2004).
В 1952 году британский Comet стал первым пассажирским реактивным самолетом, но структурные дефекты в большей степени, чем проблемы с двигателем, привели к трем фатальным случаям, и самолет перестали использовать. После изменений в конструкции он снова полетел в 1958 году, но коммерческого успеха добиться не удалось (Simons 2014). Первым успешным коммерческим реактивным лайнером стал «Боинг-707», представленный в 1958 году (рис. 5.18). Первый широкофюзеляжный «Боинг-747» полетел в 1969-м: образцовый лайнер приводился в движение большими турбовинтовыми двигателями с тягой более 200 кН и мог выдавать пиковое значение тяги в 280 МВт во время взлета (Smil 2000с). К 2015 году самый мощный реактивный двигатель, GE 90-115В, выдавал 513 кН тяги.
Рисунок 5.18. Схемы и вид спереди примечательных реактивных самолетов. «Боинг-707» (1957) был создан на базе самолета-заправщика. «Боинг-737» (1967) – самолет, продававшийся и продающийся лучше всего (почти 9000 штук продано на конец 2015 года, и еще 13000 заказано). Сверхзвуковой англо-французский «Конкорд», летавший по нескольким маршрутам в 1976–2003 годах, оказался крайне затратным курьезом. «Боинг-747» (летает с 1969 года) был первым широкофюзеляжным дальним лайнером. Для сравнения приведен нарисованный в масштабе самолет братьев Райт и маршрут их полета 7 декабря 1903 года. Основано на публикациях «Боинг», Aeroapatiale/Bae,Jakab (1990)
Единственным первичным движителем, который мог выдать больше мощности на единицу веса, чем газовая турбина, оказался ракетный двигатель для запуска военных ракет и космических аппаратов. Основатели современной ракетной науки – Константин Циолковский (1857–1935) в России, Герман Оберт (1894–1989) в Германии и Роберт Годдард (1882–1945) в США – совершенно верно предвидели окончательный успех старой идеи ракетного движения, которая с помощью современного инженерного искусства превратилась в самый мощный первичный движитель современности (Hunley 1995; Angelo 2003; Taylor 2009). Быстрый прогресс начался во время Второй мировой войны: в 1942 году работающий на этаноле Фау-2, спроектированный Вернером фон Брауном (1912–1977), достиг тяги на уровне моря в 249 кН (эквивалент около 6,2 МВт, с соотношением масса/мощность 0,15 г/Вт) и скорости 1,7 км/с. Дальность этой ракеты оказалась достаточно большой, чтобы атаковать Великобританию (von Braun and Ordway 1975).
Космическая гонка супердержав началась с запуском первого искусственного спутника Земли, советского «Спутника», в 1957 году, и появились мощные и более точные межконтинентальные баллистические ракеты. 16 июля 1969 года одиннадцать двигателей американской ракеты Saturn С-5 на керосине и водороде (разрабатывал которые Вернер фон Браун) отправили корабль «Аполлон» на Луну. Они работали всего 150 с, и их комбинированная тяга достигла почти 36 МН, эквивалент 2,6 ГВт, при соотношении масса/мощность (включая вес топлива и трех ракет-ускорителей) всего в 0,001 г/Вт (Tate 2009).
Назад: Великий переход
Дальше: 6. Цивилизация ископаемого топлива
