Большие паттерны в использовании энергии

Долгосрочная взаимосвязь между человеческими достижениями и доминирующими источниками энергии и меняющимися первичными движителями лучше всего, вероятно, раскрывается, если описывать ее в терминах энергетических эпох и переходов. При этом нужно избегать жесткой периодизации (поскольку некоторые переходы происходили очень медленно) и признавать, что обобщения относительно отдельных периодов должны учитывать различия в формах и скорости ключевых основополагающих процессов. Возможно, лучшим недавним примером является исключительно быстрое развитие Китая после 1990 годов, когда за одно поколение было достигнуто то, на что у многих наций на более ранней стадии индустриализации ушло три поколения. Существует также множество национальных и региональных особенностей, движущих подобные комплексные изменения и придающих им форму.

Наиболее очевидные общие черты, определяющие отдельные энергетические эпохи, можно обнаружить в видах деятельности, относящихся к извлечению, преобразованию и распределению энергии. Человеческие мускулы и запряженные волы схожим образом ограничивают территорию, которую можно обработать за день, буть то в Пенджабе или Пикардии; производство древесного угля традиционным способом в Тохоку (север острова Хонсю) мало отличается от той же процедуры в Йоркшире (север Англии). После возникновения современной глобальной цивилизации черты сходства стали абсолютными: те же самые источники энергии и первичные движители в настоящее время используются по всему миру в одинаковых процессах, и часто производятся или доставляются потребителю небольшим числом доминирующих компаний.

К числу таких глобальных компаний относятся «Schlumberger», «Halliburton», «Saipem», «Transocean» и «Baker» в обслуживании нефтяных месторождений; «Caterpillar», «Komatsu», «Volvo», «Hitachi» и «Liebherr» в области тяжелой строительной техники; «General Electric», «Siemens», «Alstom», «Weir Allen» и «Elliott» в случае больших паровых турбин; «Boeing» и «Airbus» – крупных реактивных самолетов. Когда корпорации охватывают сервисом и продуктами весь мир, международные различия в эффективности и надежности значительно уменьшаются или даже полностью исчезают, и в некоторых случаях те, кто начал позже, в настоящий момент имеют более высокую долю продвинутых технологий, чем те, кто был среди пионеров индустриализации. Несмотря на большие различия в культурных и политических условиях, существует удивительно широкий диапазон для генерализации социально-экономических последствий фундаментальных энергетических изменений.

Поскольку наиболее выгодная эксплуатация идентичных энергетических ресурсов и первичных движителей требует одинаковых технологий, это единообразие также подразумевает множество идентичных или очень похожих последствий не только для культивации злаков (начиная с доминирования нескольких коммерческих сортов и массового производства животной пищи), промышленной активности (специализация, концентрация и автоматизация), организации городов (начиная с роста деловых центров внутри городов, субурбанизации и необходимости создавать зеленые пространства) и для средств транспорта (в больших городах одинаково требуются шоссе, пригородные поезда, личные автомобили и такси), но также для паттернов потребления, способов отдыха и нематериальных стремлений.

В каждом зрелом высокоэнергетичном обществе и в городских районах многих до сих пор сравнительно быстро растущих экономик телевизорами, холодильниками и стиральными машинами обладает более 90 % домохозяйств, а в число других предметов, которыми владеют почти все, входят разные вещи от персональных электронных устройств до кондиционеров и легковых автомобилей. Глобальные тренды в области питания включают интернационализацию вкусов (курица тикка масала является самым популярным блюдом в Англии, и ее же знают под названием карэ райсу в Японии), широкое распространение фастфуда, круглогодичную доступность сезонных фруктов и овощей, что подразумевает значительные затраты энергии на межконтинентальную перевозку в рефрижераторах и доставку по воздуху Среди почти универсальных в настоящее время способов отдыха находятся полеты к теплым морям, визиты в тематические парки (американский «Диснейленд» ныне имеется во Франции, Китае, Гонконге и Японии), круизы на специальных лайнерах (изначально это развлечение появилось в Европе и Северной Америке, сейчас оно переживает рост популярности в Азии). И если сделать шаг вперед, то общие энергетические основания в конечном итоге влияют на многие нематериальные стремления, особенно в области продвинутого (и элитного) образования.

Но раз за разом возникает огромный разрыв между малообеспеченными обществами (в энергетических основаниях которых лежит сочетание традиционного биологического топлива и одушевленных первичных движителей с растущими долями ископаемого топлива и электричества) и высокоэнергетичными (индустриальными или постиндустриальными) странами, где потребление ископаемого топлива и электричества на душу населения достигло или почти достигло уровня насыщения. Этот разрыв можно видеть на любом уровне, когда смотришь на общий объем производства или на средние стандарты жизни, на производительность труда или доступ к образованию. И этот разрыв основан не только на международных различиях, но гораздо больше на недоступных большинству привилегиях (образование, широкие возможности), и его реальность лучше всего иллюстрирует обеспеченный класс в Китае и Индии. В 2013 году один филиал китайского Sports Car Club требовал от своих членов, чтобы у них во владении находился автомобиль лучше, чем Porsche Carrera GT за 440 тысяч долларов (Taylor 2013), в то время как самое дорогое частное жилое здание в Азии, 27-этажный небоскреб Мукеша Амбани за 2 миллиарда долларов, позволяет видеть огромные трущобы во всей «красе».

Энергетические эпохи и переходы

Любая реалистичная периодизация того, как люди использовали энергию, должна учитывать как доминирующий тип топлива, так и главные первичные движители. Поэтому нам не подходят два концептуально привлекательных разделения истории на две энергетические эры. Противопоставление «одушевленное против неодушевленного» вроде бы отличает традиционное общество, где мускулы человека и животных были доминирующими первичными движителями, от современных цивилизаций, зависящих от машин на топливе и электричестве. Но это разделение приводит нас к неверным выводам как насчет прошлого, так и настоящего. Значительное количество высоких культур древности видело рождение двух классов неодушевленных первичных движителей, а именно водяных и ветряных мельниц, за много столетий до появления современных машин.

А подъем Запада в значительной степени обязан мощной комбинации двух неодушевленных первичных движителей. Сила ветра и порох использовались на океанских парусных кораблях, вооруженных тяжелыми пушками (McNeill 1989). Более того, расхождение между одушевленными и неодушевленными первичными движителями полностью достигнуто только у богатейшей пятой части человечества. Опора на тяжелый труд человека и животных все еще остается нормой в беднейших сельских районах Африки и Азии, утомительные (и часто опасные) ручные работы выполняют каждый день сотни миллионов людей, занятых в добывающей, обрабатывающей и производящей промышленности малообеспеченных стран (варьируются от разбивания камней с целью получения гравия до разборки старых нефтяных танкеров).

Второе упрощение, возобновляемые источники энергии против невозобновляемых, охватывает базовую дихотомию между тысячелетиями, когда доминировали одушевленные первичные движители и биологическое топливо, и недавним прошлым, когда возникла зависимость от ископаемого топлива и электричества. И снова реальная картина выглядит несколько более сложной. Общества эпохи дерева не имели гарантии стабильной возобновляемости: чрезмерные вырубки, за которыми следовала разрушительная эрозия почв на уязвимых склонах, уничтожили условия для постоянного роста леса на больших пространствах Старого Света, особенно вокруг Средиземного моря и в Северном Китае. В сегодняшнем мире, где доминирует ископаемое топливо, энергия воды, возобновляемый источник, дает примерно одну шестую электричества, и многие земледельцы все еще полагаются на одушевленный труд в полевых работах и в поддержании оросительных систем.

Четкие границы между отдельными энергетическими эпохами не являются реалистичными не только по причине очевидных национальных и региональных различий во времени появления инноваций и широкого принятия новых видов топлива и первичных движителей, но также по причине эволюционной природы энергетических переходов (Melosi 1982; Smil 2010а). Установившиеся источники энергии и первичные движители могут быть удивительно постоянными, и новые технологии могут стать доминирующими только после долгих периодов постепенного распространения. Комбинация функциональности, доступности и затрат большей частью определяет эту инерцию. Пока старые источники или первичные движители работают хорошо в пределах сложившейся обстановки, вполне доступны и приносят прибыль, их заменители, даже с очевидно лучшими качествами, будут распространяться очень медленно. Экономисты могут видеть этот факт как пример зависимости от пути развития, концептуализированной одним из исследователей (David 1985), основавшим свои положения на использовании клавиатуры QWERTY (которой противостояла предположительно лучшая раскладка Дворака).

Но нам не требуются новые сомнительные ярлыки, чтобы описывать очень широко распространенный и заметный процесс медленного эволюционного развития, тот, который затрагивает как саму жизнь, так и принятие решений, технический прогресс и управление экономикой. Можно найти множество примеров из истории энергии. Римские водяные мельницы впервые начали использовать в V веке до н. э., но широко они распространились только через 500 лет. И даже тогда их применение было почти всецело ограничено помолом зерна. Как отметил исследователь (Finley 1965), освобождение рабов и животных от их тяжкой работы не было достаточно сильным стимулом для быстрого распространения водяных мельниц. К концу XVI века морские путешествия вокруг света на парусниках стали обычным делом, но в битве при Лепанто в 1571 году каждая сторона использовала более 200 галер, в 1588-м Непобедимая Армада отправилась завоевывать Англию, имея в составе четыре больших галеры и четыре галеаса, которые приводились в движение более чем 2 тысячами осужденных гребцов; снабженные мощными пушками шведские галеры использовались, чтобы уничтожить большую часть русского флота во Втором Роченсальмском сражении в 1790 году (Martin and Parker 1988; Parker 1996).

Тягловые животные, водяные мельницы и паровые двигатели сосуществовали в индустриализирующихся Европе и Северной Америке более ста лет. В США, где было много леса, уголь превзошел древесину в качестве топлива, и кокс стал более значимым, чем древесный уголь, только в 1880 годах (Smil 2010а). Механическая энергия в сельском хозяйстве пришла на смену энергии лошадей и мулов только в конце 1920-х, и в начале 1950-х миллионы мулов оставались в использовании на юге США, а государственные органы перестали подсчитывать сельскохозяйственных животных лишь в 1963 году. И во время Второй мировой войны массово производимые транспортные корабли типа «Либерти» (ЕС2) приводились в движение не новыми, эффективными дизельными машинами, но хорошо себя показавшими трехцилиндровыми паровыми двигателями, котлы которых работали на нефти (Elphrick 2001).

Только значительные приближения возможны при попытке очертить долгосрочные паттерны развертывания первичных движителей в доиндустриальных обществах Старого Света. Самой заметной чертой здесь является долгое доминирование человеческого труда (рис. 7.1). Человеческие мускулы были единственным ресурсом механической энергии от начала эволюции гоминин и до одомашнивания тягловых животных, которое началось лишь 10 тысяч лет назад. Доступная человеку мощность увеличивалась благодаря все более широкому набору все более качественных инструментов, в то время как эффективность животных по всему Старому Свету тысячелетиями была ограничена плохой упряжью и неадекватным фуражом, а в Океании и Америке тягловые животные отсутствовали вовсе. Человеческие мускулы, таким образом, оставались незаменимым первичным движителем во всех доиндустриальных обществах.

Рисунок 7.1. Продолжительное доминирование человеческого труда, медленное распространение машин, приводимых в движение ветром и водой, и быстрый рост использования двигателей и турбин после 1800 года – три наиболее заметных вехи в истории первичных движителей. Примерные доли оценены и рассчитаны с помощью широкого набора источников, процитированных в этой книге

Заметная дихотомия характеризовала использование человеческого труда во всех древних цивилизациях. По контрасту с его массовым применением для выполнения исключительно сложных задач в капитальном строительстве, ни одна старая высокая культура, базировалась ли она на рабстве, барщине или на свободном труде, никогда не предпринимала шагов по крупномасштабному производству товаров. Атомизация производства оставалась нормой (Christ 1984). В Китае времен династиии Хань было разработано некоторое количество методов, которые потенциально могли использоваться в массовом производстве. Возможно, наиболее замечательно, что тогда удалось усовершенствовать литье железа, создав технологию, практически идентичную той, что применяется сейчас для изготовления большого количества одинаковых металлических предметов во время одной-единственной плавки (Ниа 1983). Но самая большая из найденных плавильная печь того времени была всего 3 метра в ширину и менее 8 метров в длину. За пределами Европы и Северной Америки сравнительно маломасштабные ремесленные мануфактуры оставались нормой до XX века. Отсутствие дешевого наземного транспорта было очевидно главным фактором, мешающим массовому производству.

Затраты на дистрибуции за пределы сравнительно малого радиуса превзошли бы любую экономию от масштаба, которую могло бы обеспечить централизованное производство. Многие древние строительные проекты не требовали на самом деле экстраординарно больших вложений человеческого труда. Несколько сотен или несколько тысяч работников на основе сезонной занятости, то есть работающих лишь от двух до пяти месяцев каждый год, могли возвести громадные религиозные или защитные сооружения, выкопать длинные каналы для орошения и транспорта, построить протяженные дамбы за период в 20–50 лет. Но многие удивительные проекты потребовали куда больших сроков: например, ирригационный комплекс Кала Вева на Цейлоне создавался около 1400 лет (Leach 1959), а постепенное возведение и ремонт Великой Китайской стены растянулось на еще больший период (Waldron 1990). И столетие или два вовсе не было исключительно долгим временем для постройки кафедрального собора.

Рисунок 7.2. Средняя мощность единицы традиционного первичного движителя оставалась ограниченной даже после появления более крупных водяных колес в начале современной эпохи. Изменения начались лишь после изобретения паровых машин в XIX веке. Максимальные пределы начерчены по материалам источников, посвященных первичным движителям

Первые неодушевленные первичные движители начали значительно влиять на жизнь в некоторых частях Европы и Азии только около 200 н. э. (водяные мельницы) и 900 н. э. (ветряные мельницы). Постепенное усовершенствование этих устройств позволило использовать их для выполнения и ускорения многих тяжелых, повторяющихся задач, но замена одушевленного труда была медленной и неравномерной (рис. 7.2). В любом случае, водяные и ветряные мельницы почти не могли облегчить полевые работы, разве что с их помощью удавалось качать воду. Именно по этой причине приблизительные оценки для Англии (Fouquet 2008) показывают, что усилия человека и животных составляли в 1500 году около 85 % от всей мощности, в 1800-м – все еще 87 % (когда вода и ветер обеспечивали около 12 %), но только 27 % в 1900 году; к этому времени пар занял свое место в промышленности. Но даже в эпоху паровых машин одушевленный труд оставался незаменимым при извлечении и распределении ископаемого топлива и в бесчисленных производственных задачах; ну а в сельском хозяйстве он доминировал на протяжении всего XIX века.

Но задолго до того, как максимальная мощность работающих животных увеличилась в три раза (более сильные лошади и совершенная упряжь), водяные мельницы стали самыми мощными первичными движителями. Их последующее развитие было медленным: первое увеличение максимальной эффективности в десять раз потребовало около 1000 лет, второе – около 800. Пиковая мощность на единицу в результате превысила мощность паровой машины конца XIX века, а доминирование водяных мельниц закончилось только с появлением двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин. Оба эти изобретения были представлены в 1880 годах, но лидерство захватили только в 1920-х, и остаются ведущими первичными движителями, как стационарными, так и мобильными, в начале XXI века.

Примечание 7.1. Устойчивость одушевленного труда

В Америке лошади, мулы и волы помогли освоить большую часть ныне культивируемой земли во время распашки обширных травянистых пространств в США. Великие Равнины, канадские прерии, бразильский cerrado и аргентинская пампа были освоены в последние десятилетия века девятнадцатого и в самом начале двадцатого. Только к 1963 году, когда мощность американских тракторов более чем в 12 раз превзошла рекордный показатель всех животных в 1920-м, министерство сельского хозяйства США перестало считать тягловую рабочую силу. В период позднего императорского и раннего республиканского Китая вклад ветряных, водяных мельниц и пара оставался пренебрежимо малым по сравнению с вкладом человеческого труда, чья агрегированная мощность значительно превосходила ту, которую выдавали тягловые животные. Лучшие оценки показывают, что даже к 1970 году человеческий труд в Китае давал около 200 ПДж полезной энергии, и это по сравнению с чуть более 90 ПДж, которые приходились на тягловых животных (Smil 1976).

Доминирование человеческих мускулов ограничивало мощность наиболее широко распространенных рабочих единиц до 60-100 Вт постоянного (на протяжении дня) полезного труда. Это значит, что во всех обстоятельствах, кроме нескольких исключений, высочайшая концентрация мощности под единым командованием (от сотен до тысяч работников на стройках) давала не более 10-100 тысяч ватт постоянной мощности, хотя пиковые усилия могли превосходить это значение в разы. Архитектор или строитель каналов традиционной эпохи, таким образом, контролировал потоки энергии, эквивалентные тому, что сегодня выдает единственный двигатель, приводящий в движение небольшую землеройную машину.

Несмотря на некоторые важные континентальные и региональные различия, типичные уровни потребления топлива и превалирующие способы использования первичных движителей в высоких культурах древности были практически идентичными. Если и существовало общество, которое можно выделить в качестве исключения по причине значительных отличий в потреблении топлива и развитии первичных движителей, то это Китай эпохи Хань (207 до н. э. – 220 н. э.). Инновации, возникшие в его пределах, появились по всему миру столетия, а иногда и тысячелетия спустя. Наиболее значительные достижения ханьского Китая – использование угля при производстве железа, бурение с целью добычи природного газа, изготовление стали из чугуна, широкое распространение отвальных железных плугов, начало использования хомутов и применение многотрубной сеялки. Позже почти тысячелетие не случалось так, чтобы скопление подобных достижений возникло в краткий период времени.

В ранних мусульманских государствах появились инновации в области водоподъемных машин и ветряных мельниц, и морская торговля много выиграла от эффективного использования треугольного паруса. Но у них не было никаких радикальных инноваций в области топлива, металлургии и упряжи для животных. Только средневековая Европа, заимствуя одновременно у Китая, Индии и мусульманских стран, положила начало движению вперед во множестве важных областей. Что в самом деле ставит европейские средневековые общества особняком в области использования энергии – это растущая зависимость от кинетической энергии воды и ветра. Эти потоки обеспечивали работу все более сложных машин и беспрецедентную концентрацию мощности для разных целей. Ко времени первых великих готических соборов самые большие водяные колеса давали до 5 кВт, эквивалент более трех человек. Задолго до эпохи Ренессанса некоторые регионы континента стали зависеть от воды и ветра, сначала в обмолоте зерна, затем в черной металлургии и в изготовлении одежды, и эта зависимость также внесла вклад в развитие и распространение многих навыков, связанных с механизмами.

Поздняя средневековая и ранняя современная Европа, таким образом, была местом расширяющихся инноваций, но, как свидетельствуют отчеты путешественников того времени, посетивших Поднебесную Империю, общие технические достижения Китая выглядели более впечатляющими. Но путешественники не могли знать, как скоро все изменится. К концу XV века Европа вступила на дорогу ускоряющегося прогресса и экспансии, в то время как в утонченной китайской цивилизации началась долгая техническая и социальная инволюция. Западное техническое превосходство позволило быстро преобразовать европейские общества и начать колонизацию других материков.

К 1700 году уровни типичного использования энергии в Китае и Европе, а следовательно, и среднее материальное изобилие, выглядели по большому счету одинаковыми. К середине XVIII века доход строительных рабочих в Китае был примерно таким же, как у их «коллег» в менее развитых странах Европы, но находился далеко позади относительно лидирующих экономик континента (Allen et al. 2011). Затем прогресс в Европе набрал скорость. В терминах энергии он проявился в комбинации роста урожаев, металлургии на коксе, лучшей навигации, нового оружия, улучшения торговли и в постоянных экспериментах. Исследователи утверждают (Pomeranz 2002), что этот взлет был связан не столько с общественными институтами, отношениями или демографией в основных экономических регионах Европы и Китая, сколько с удачным расположением залежей угля и с очень разными взаимосвязями между районами добычи и их соответствующими перифериями, а также с внедрением инноваций.

Другие считают, что основания этого успеха были заложены еще в Средние века. Благоприятное воздействие христианства на технический прогресс в общем (включая идею о достоинстве ручного труда), и стремление средневекового монашества к самообеспеченности в частности были важными составляющими успеха (White 1978; Basalla 1988). Даже те ученые, которые ставят под сомнение важность этих связей (Ovitt 1987), признают, что монашеская традиция, которая поддерживала фундаментальное достоинство и духовную пользу труда, была позитивным фактором. В любом случае, к 1850 году наиболее экономически развитые районы Китая и Европы принадлежали к двум разным мирам, и к 1900 году они были разделены огромным разрывом в производительности: потребление энергии в Западной Европе по крайней мере в четыре раза превышало среднее значение для Китая.

Период очень быстрого развития после 1700 года начался благодаря нескольким гениальным изобретениям. Но величайшие успехи XIX века были достигнуты в результате тесной взаимосвязи между расширением научного и технического знания с одной стороны, и коммерциализацией новых изобретений – с другой (Rosenberg and Birdzell 1986; Mokyr 2002; Smil 2005). Энергетические основания прогресса XIX века включали развитие паровых двигателей и их широкое распространение в качестве как стационарных, так и мобильных первичных движителей, плавку железа с помощью кокса, крупномасштабное производство стали, начало генерации электричества и появление двигателей внутреннего сгорания. Масштабы и скорость этих изменений были обусловлены сочетанием энергетических инноваций с новыми методами химического синтеза и улучшением организации производства на фабриках. Активное развитие новых видов транспорта и телекоммуникаций тоже имело важное значение как для наращивания производства, так и для развития национальной и международной торговли.

К 1900 году аккумуляция технических и организационных инноваций обеспечила западному миру, к которому присоединилась новая сила в виде США, контроль над беспрецедентной долей глобальной энергии. С долей населения лишь 30 % от общего количества, западные страны потребляли около 95 % ископаемого топлива. На протяжении XX века западный мир увеличил общее потребление энергии почти в 15 раз. Неизбежно его доля потребления энергии снизилась, но к концу столетия Запад (ЕС и Северная Америка) с населением менее 15 % от глобального потреблял почти 50 % всей первичной коммерческой энергии. Европа и Северная Америка оставались ведущими потребителями топлива и электричества на душу населения и сохраняли техническое лидерство. Экономический рост Китая изменил абсолютные рейтинги: страна стала крупнейшим потребителем энергии в мире в 2010 году, к 2015-му она на 32 % опережала США, но потребление на душу населения составило всего треть от среднего в США (ВР 2016).

Другие грубые приближения возможны в описании долгосрочных паттернов потребления первичной энергии в Старом Свете (рис. 7.3). В Великобритании уголь заменил дерево в XVII веке, во Франции и Германии дерево быстро потеряло важность после 1850 года, а в России, Италии и Испании биологическое топливо оставалось все еще доминирующим в XX веке (Gales et al. 2007; Smil 2010a). Когда базовая энергетическая статистика доступна, то можно количественно оценить переходы и различить длинные волны замещений (Smil 2010а; Kander, Malanima and Warde 2013). В глобальных терминах это можно сделать с достаточной точностью с середины XIX века (рис. 7.3). Скорости замещения были низкими, но, учитывая разнообразие всяческих факторов, можно только удивляться, насколько одинаковыми.

Моя реконструкция глобальных энергетических переходов показывает, что уголь (замещая древесину) достиг 5 % мирового рынка около 1840 года, 10 % к 1855-му, 15 % к 1865-му, 20 % к 1870-му, 25 % к 1875-му, 33 % к 1885-му, 40 % к 1895-му, и 50 % к 1900 году (Smil 2010а). Отрезки времени в годах, которые проходили между этими вехами: 15-25-30-35-45-55-60. Интервалы для нефти (замещавшей уголь), которая добралась до 5 % глобальных поставок в 1915 году, были практически теми же самыми: 15-20-35-40-50-60 (нефть никогда не достигала 50 %, и сейчас ее доля уменьшается). Природный газ достиг отметки в 5 % от общих первичных поставок в 1930 году, и 25 % – через 55 лет, то есть, ему потребовалось значительно больше времени, чем углю или нефти. Схожее протекание трех глобальных переходов – уходило два или три поколения, или 50–75 лет, чтобы новый ресурс отвоевал значительную долю на глобальном энергетическом рынке – выглядит достойным внимания, поскольку три вида топлива требовали различных технологий производства, распределения и конверсии, и поскольку масштаб замещения был очень различным. Переход от 10 до 20 % для угля потребовал годового роста потребления менее чем на 4 ЭДж, а тот же переход для природного газа – примерно 55 ЭДж/год (Smil 2010а). Два наиболее важных фактора, которые позволяют объяснить сходство в скорости перехода – предпосылки для громадных инфраструктурных инвестиций и инерция материально воплощенных энергетических систем.

Рисунок 7.3. Примерные оценки долей розных видов топливо в первичной выработке энергии Старого Света за последние три тысячи лет (сверху). Достаточно точная (за исключением потребления традиционного биологического топлива) статистика после 1850 года позволяет обнаружить последовательные волны энергетических переходов (снизу): к 2010 году сырая нефть была лидирующим видом ископаемого топлива, но уголь и природный газ отставали не так сильно. Основано на данных из UNO (1956) и Smil (2010а)

Хотя последовательность трех замещений не значит, что четвертый переход, сейчас находящийся на самой ранней стадии (когда ископаемое топливо заменяется возобновляемыми источниками энергии), будет происходить с той же скоростью, и шансы, что он затянется, велики. В 2015 году два новых способа генерации электроэнергии давали все еще менее 2 % мировой выработки первичной энергии (солнечная 0,4 %, ветровая 1,4 %; ВР 2016). Два прорыва ускорили бы этот сдвиг: быстрое строительство новых атомных станций на основе улучшенных конструкций и появление недорогих способов запасать энергию ветра и солнца в больших масштабах. И даже тогда еще останется проблема замены миллиардов тонн высокоэнергоемкого жидкого топлива в сфере транспорта и необходимость наладить производство чугуна, цемента, пластмасс и аммиака без ископаемого углерода.

Долгосрочные тенденции и снижение затрат

Постоянные переходы к более мощным первичным движителям могут быть достоверно прослежены в терминах как типовой, так и максимальной производительности (рис. 7.4). Размер мощности, соединяющий пиковую производительность первичного движителя, сдвинулся с примерно 100 Вт для постоянного человеческого труда до 300–400 Вт для тягловых животных где-то в 3-м тысячелетии до н. э.; затем линия поднялась до около 5000 Вт (5 КВт) для горизонтальных водяных колес к концу 1-го тысячелетия н. э. К 1800 году показатель превысил 100 тысяч Вт (100 кВт) в паровых двигателях, и они оставались самыми мощными источниками энергии до середины XIX века, когда водяные турбины обрели краткосрочное превосходство между 1850 и 1910 годами (достигнув 10 МВт). Впоследствии паровые турбины стали наиболее мощными единичными первичными движителями, достигнув потолка в более чем 1 миллиард ватт (1 ГВт) в виде мощнейших представителей своего класса, установленных после 1960 года.

Иную картину мы получаем, взглянув на общую производительность первичных движителей. После 1700 года базовый глобальный паттерн можно оценить с достаточной точностью, и отличная историческая статистика делает ретроспективу легкой для США (рис. 7.5). В 1850 году одушевленный труд все еще составлял более чем за 80 % производительности мировых первичных движителей. Половиной столетия позже его доля была около 60 %, а паровые машины давали около одной трети. К 2000 году вся мировая мощность, кроме незначительной доли, воплощалась в двигателях внутреннего сгорания и генераторах электричества. В США этим глобальным изменениям предшествовала замена первичных движителей. Конечно, двигатели внутреннего сгорания (в автомобилях, тракторах, комбайнах или насосах) редко работают непрерывно, как электрические генераторы. Автомобили и сельскохозяйственные машины обычно работают менее 500 часов в год, по сравнению с более 5 тысячами часов для турбогенераторов.

Ну а в терминах фактического производства энергии глобальное соотношение между двигателями внутреннего сгорания и генераторами электричества сейчас составляет около 2 к 1.

Рисунок 7.4. Максимальная производительность первичных движителей, существовавших до 1700 года, и введенных за последние три столетия. Самые большие турбогенераторы сейчас на шесть порядков (почти в 2 миллиона раз) более мощны, чем тяжелые тягловые лошади, наиболее мощный одушевленный первичный движитель. Водяные колеса были превзойдены паровыми машинами до 1750 года, к 1850-му водяные турбины ненадолго стали самыми мощными первичными движителями, и паровые турбины являются таковыми со второго десятилетия XX века. Основано на данных из источников об отдельных первичных движителях, информация из которых приводилась в разделе

Две важные общие тенденции сопровождались ростом удельной мощности неодушевленных первичных движителей и аккумуляцией их общей производительности: соотношение масса/мощность падало (генерация все большего количества энергии все меньшими объектами), а эффективность конверсии росла (больше полезной работы на то же количество затраченной начальной энергии).

Рисунок 7.5. Глобальные доли первичных движителей в 1700 году лишь незначительно отличались от тех, которые существовали 500 или даже 1000 лет назад. По контрасту, к 1950 году вся доступная мировая мощность, кроме небольшой доли, была воплощена в двигателях внутреннего сгорания (большей частью в пассажирских автомобилях) и паровых и водяных турбинах (сверху). Неагрегированные статистические данные по США (снизу) показывают эту быструю трансформацию с большой точностью и детальностью. Глобальные показатели были оценены и начерчены по данным из UNO (1956), Smil (2010a), и Palgrave Macmillan (2013); нижний график начерчен по данным из USBC (1975) и из последующих выпусков The Statistical Abstract of the United States

Первая тенденция вела к возникновению все более легких и, следовательно, более удобных конвертеров энергии (рис. 7.6). Самые первые паровые машины, более мощные, чем лошади, были чрезвычайно тяжелыми, поскольку соотношение масса/ мощность у них принадлежало к тому же порядку, что и у тягловых животных. Более двух столетий последующего развития снизили соотношение масса/мощность для паровых двигателей до примерно одной десятой от первоначальных значений, но оно все равно осталось слишком высоким, чтобы эти двигатели можно было использовать на дорогах или в летательных аппаратах.

Рисунок 7.6. Каждый новый неодушевленный преобразователь энергии становился в конечном итоге легче и эффективнее. Постоянное уменьшение соотношения масса/мощность ведущих первичных движителей привело к тому, что лучшие современные двигатели внутреннего сгорания весят менее 1/1000 от веса тягловых животных или первых паровых двигателей равной мощности. Основано на данных, приведенных в этой книге

Соотношение масса/мощность у двигателей внутреннего сгорания (сначала бензиновых, потом дизельных) упало на два порядка менее чем за 50 лет, после того как появились первые коммерческие образцы, горизонтальные движки на угольном газе, представленные в 1860-х. Это стремительное падение открыло дорогу механизации дорожного транспорта (легковые автомобили, автобусы, грузовики) и развитию авиации. Появившиеся в 1930 годах газовые турбины (как для стационарного использования, так и для самолетов) преодолели еще два порядка в том же направлении, сделав возможными высокоскоростные реактивные путешествия по воздуху, которые начались в 1957 году, а большой масштаб приобрели после появления широкофюзеляжных авиалайнеров («Боинг-747» в 1969 году). Одновременно газовые турбины стали ведущим средством чистой и гибкой генерации электричества.

Эффективность первичных движителей ограничена фундаментальными законами термодинамики. Технический прогресс сузил разрыв между наилучшей эффективностью и возможным максимумом. Эффективность паровых машин выросла с доли процента для двигателя Севери до более 40 % для больших турбогенераторов начала XXI века. Для турбогенераторов сейчас возможны только незначительные усовершенствования, работают ли они на пару или на воде, газовые турбины комбинированного цикла могут достичь эффективности 60 %. Схожим образом, лучшие камеры сгорания в данный момент функционируют близко к максимальной эффективности. И котлы на больших электростанциях, и домашние газовые котлы могут достигать эффективности до 97 %. По контрасту, повседневная эффективность двигателей внутреннего сгорания, первичных движителей с наибольшей агрегированной установленной мощностью, все еще очень низка. Двигатель у машины, за которой плохо ухаживают, часто работает всего лишь на треть от возможного максимума.

Улучшения в эффективности освещения выглядят еще более впечатляющими (примечание 7.2).

Примечание 7.2. Эффективность и отдача освещения

Свечи превращают в свет минимум 0,01 %, и не более 0,4 % химической энергии горящего воска, жира или парафина. Первые лампы Эдисона, в которых использовались овальные петли карбонизированной бумаги, прикрепленные платиновыми зажимами к платиновым проводам, пропущенным через стекло, давали 0,2 %, на порядок выше, чем свечи, но не больше, чем современные им газовые светильники (0,15-0,3 %). Осмиевая нить, появившаяся в 1898 году, превращала почти 0,6 % электрической энергии в свет. Эта величина выросла более чем вдвое после 1905 года, при свечении вольфрамовой нити в вакууме, и затем удвоилась еще раз после начала применения инертных газов в лампочках. В 1939 году первые лампы дневного света подняли эффективность выше 7 %, и показатель стал больше 10 % после Второй мировой войны (Smil 2006).

Но лучше всего можно оценить этот выигрыш в терминах световой отдачи. Это соотношение светового и лучевого потока (выраженного в люменах на ватт) показывает эффективность, с которой источник лучистой энергии производит видимый свет, и его максимум составляет 683 лм/Вт. Здесь приведены растущие показатели световой эффективности, все в лм/Вт (Rea 2000): свечи – 0,3; газовые светильники – 1–2; первые лампы накаливания – менее 5; современные лампы накаливания – 10–15; лампы дневного света – до 100. Натриевые лампы низкого давления в настоящий момент являются наиболее эффективным коммерческим источником света (с максимумом чуть выше 200 лм/Вт), но их желтоватый свет используется только для уличного освещения. Светодиоды, подходящие для внутреннего освещения, уже подобрались к 100 лм/Вт, и вскоре будут выдавать больше 150 лм/Вт (USDOE 2013).

Более мощные, более эффективные и более легкие механические первичные движители увеличили типичную скорость дальних путешествий более чем в десять раз и на суше, и на воде, и обеспечили возможность полетов (рис. 7.7). В 1800 году экипаж с запряженными лошадьми обычно двигался не быстрее 10 км/ч, а тяжелые грузовые фургоны – в два раза медленнее. В 2000 году движение на шоссе происходило со скоростями более 100 км/ч, а высокоскоростные пассажирские поезда достигали 300 км/ч, а иногда и больше; стандартная крейсерская скорость реактивных самолетов равна 880–920 км/ч на высоте примерно 11 км над землей. Рост скоростей сопровождался растущими показателями грузоподъемности и дальности в транспортировке как товаров, так и людей.

Рисунок 7.7. Максимальные скорости пассажирского транспорта выросли с менее 20 км/ч для экипажей дожелезнодорожной эры до много более 100 км/ч всего за несколько десятилетий развития локомотивов. Современные быстрые поезда обычно движутся на скоростях 200–300 км/ч, а реактивные самолеты следуют по своим маршрутам со скоростью, превышающей 900 км/ч. Основано на данных из многочисленных источников, которые цитировались в разделах книги, посвященных транспорту

На земле эта механическая эволюция достигла пика недавно, с появлением многоосевых грузовиков, грузовых составов (перемещающих до 10 тысяч тонн твердых материалов) и быстрых электричек (до 1000 человек). Супертанкеры перевозят до 500 тысяч тонн сырой нефти; крупнейшие пассажирские самолеты, «Боинг-747» и «Аэробус-380» могут нести около 500 человек, а самый большой грузовой самолет «Антонов-225» может поднять 250 тонн. Рост дальности был ничуть не менее впечатляющим: величайшее расстояние, которое может покрыть пассажирский автомобиль без заправки, сейчас около 2600 км – рекорд установил в 2012 году дизельный «Фольксваген Пассат ТДИ» (Quick 2012) – а «Боинг-747-200ЛР» может пролететь более 17 500 км.

Рост скорости и дальности средств транспорта имел свою деструктивную сторону – точно так же выросли скорость, дальность и эффективная мощность метательного оружия. Радиус действия для копий был всего несколько десятков метров; опытный воин мог увеличить эту дистанцию до 60 метров и более. Хорошие композитные луки стреляли на 500–700 м, и это было предельной дистанцией для более мощных арбалетов. Разные катапульты могли бросать камни в 20-150 кг на 200–500 метров. Их дальность быстро выросла после того, как мускулы заменил порох. Непосредственно перед 1500 годом самые тяжелые пушки могли стрелять железными ядрами в 140 кг на 1400 метров, а более легкими каменными ядрами – в два раза дальше (Egg et al. 1971).

К началу XX века, когда дальнобойность больших полевых орудий достигла нескольких десятков километров, пушки потеряли первое место в области дальности доставки средств разрушения. Они уступили его бомбардировщикам, дальность которых превысила 6000 километров при возможности нести до 9 тонн бомб к концу Второй мировой войны, а затем сами бомбардировщики уступили первенство реактивным снарядам. С начала 1960-х эти снаряды могли нести более мощные ядерные бомбы с большей точностью при запуске как из наземных бункеров, так и с подводных лодок в любой точке Земли. Дальность оружия, от древнего композитного лука Старого Света до баллистической ракеты конца XX века, увеличилась в 30 тысяч раз, а современная ракета обладает разрушительной мощностью на 16 порядков больше, чем у стрелы.

Долгосрочные тенденции потребления, как в абсолютном, так и в относительном выражении, выглядят не менее впечатляющими. В глобальном масштабе общие потоки первичной энергии, включая традиционное биологическое топливо, достигли 20 ЭДж в 1800 году, почти 45 ЭДж в 1900-м, 100 ЭДж в 1950-м, более 380 ЭДж в 2000-м, и более 559 ЭДж в 2015 году. Это дает общегодовой рост мощности от около 650 ГВт в 1800 году до 12,2 ТВт в 2000-м, почти в 20 раз за два столетия, и к 2015 году эта цифра увеличилась еще на 40 %, до около 17,5 ТВт. Объемы добычи ископаемого топлива между 1800 и 2000 годами увеличились в 900 раз, с менее 0,4 ЭДж до более 300 ЭДж. Рост использования энергии глубоко изменил как абсолютный, так и относительный уровни потребления на душу населения.

Энергетические потребности кочевых обществ сводились к добыче пищи, изготовлению простейшей одежды и поиску временных убежищ. Высокие культуры древности направляли медленно растущие потоки энергии на создание постоянных жилищ, на разнообразие возделываемой и обрабатываемой пищи, на лучшую одежду, средства транспорта и на развитие производств (с древесным углем в качестве доминирующего ресурса, дававшего тепло для плавки руды или обжигания кирпичей). Ранние индустриальные общества – с большим количеством одомашненных животных, с кинетической энергией водяных и ветряных мельниц, с растущей добычей угля – легко удвоили потребление энергии на душу населения по сравнению с периодом высокого Средневековья.

Поначалу большая часть излишка энергии уходила на новые мануфактуры, строительство и транспорт (включая обширное инфраструктурное развитие), но рост независимого частного использования энергии не отражается в стандартных отчетах о потреблении энергии в секторах: например, статистика Международного энергетического агентства показывает, что в 2013 году только 12 % первичной энергии в США шло на бытовые нужды, в то время как Агентство по энергетической информации оценивает эту долю (включая все электричество и потери при его производстве) в 22 %, а фактическая доля (включая большие количества энергии, отнесенные к коммерческому и транспортному использованию) составляет более 30 %.

Производство энергии на душу населения в США было очень высоким уже в 1900 году, и вследствие этого к первому десятилетию XXI века оно выросло «всего» в два с половиной раза (330 против 132 ГДж на душу населения), в то время как в Японии потребление на человека между 1900 и 2015 годами увеличилось в 15 раз, в Китае – примерно в 10. Благодаря постоянному росту средней эффективности конверсии рост потребления полезной энергии на душу населения был еще выше: в зависимости от страны, как минимум четырехкратным, как максимум – 50-кратным за XX век. С общей энергетической эффективностью не выше 20 % США потребляли на душу населения не более 25 ГДж полезной энергии в 1900 году, но к 2000-му со средней эффективностью 40 % показатель был около 150 ГДж/на душу, что дает рост в 7 раз за век. Мои лучшие расчеты для Китая показывают рост полезной энергии на душу населения с 0,3 ГДж в 1950 году до около 15 ГДж в 2000-м, то есть в 50 раз всего за два поколения.

Данные по Британии (Fouquet 2008) иллюстрируют полезный выигрыш для главных категорий потребления энергии за 250 лет между 1750 и 2000 годами. Для всей промышленной мощности (в 1750 году ее обеспечивали труд животных, водяные колеса, ветряные мельницы и несколько паровых машин; в 2000-м – большей частью электромоторы и двигатели внутреннего сгорания) множитель был 13 за 250 лет; для отопления – 14, для всего пассажирского транспорта (в 1750-м лошади, телеги, экипажи, баржи и парусные корабли; в 2000-м автомашины и корабли, приводимые в движение двигателями внутреннего сгорания, а также реактивные самолеты) он составил около 900; и (как уже отмечалось) освещение занимает место наверху рейтинга, поскольку средний британец потребил в 11 тысяч раз больше света в 2000 году, чем в 1750-м.

Эти множители, отражающие выигрыш в полезной энергии, лучше всего объясняют большой рост в объеме производства, повышение качества жизни, возникновение беспрецедентной мобильности и (если разумные инопланетяне сочтут возможным бросить взгляд на Землю) такое количество света, что снимки со спутников, сделанные ночью, показывают большие регионы Европы, Северной Америки и Азии как сплошные пятна сияния. Но высокую энергетическую эффективность сводит на нет рост населения и, следовательно, увеличение потребности в энергии. Хотя мировая экономика стала сравнительно менее энергоемкой, агрегированное использование энергии все растет, и только некоторые из наиболее развитых стран продемонстрировали насыщение среднего уровня в потребности в энергии на душу населения в течение последних трех десятилетий.

При этом энергия, необходимая для обеспечения физических жизненных потребностей, составляет все меньшую долю в общем объеме потребления. Производство громадного разнообразия товаров, предоставление бессчетного количества услуг, видов досуга и транспорта сейчас потребляют большую часть топлива и электричества во всех богатых странах; тот же самый паттерн приложим к растущему числу обеспеченных городских сообществ во всех густонаселенных развивающихся странах, в первую очередь в Китае, Индии и Бразилии. И долгосрочный выигрыш в эффективности был главной причиной значительного падения цен на энергию (сравнивая в реальных ценах с поправкой на инфляцию).

Исследователи (Kander 2013) показали, что на протяжении XX века реальные цены на энергию в Западной Европе упали на 75 % в среднем, от 80 % в Великобритании до 33 % в Италии. В работе одного из ученых (Fouquet 2008) были представлены некоторые из наиболее интересных долгосрочных тенденций (правильным образом оцененных в постоянных денежных единицах, или на единицу удельной производительности или выполненной услуги), причем с использованием данных по Англии, иногда доступных вплоть до Средних веков. Между 1500 и 2000 годами затраты на обогрев жилища упали почти на 90 %, на промышленную энергию – на 92 %, на грузовой транспорт – на 95 %, а стоимость океанского грузового транспорта – на 98 %.

Но самое впечатляющее падение произошло снова в области освещения.

Снижение стоимости топлива, используемого для генерации света прямо или через электричество, и рост эффективности осветительных устройств в комбинации привели к значительному падению стоимости освещения (деньги/люмены). В 2000 году люмен света в Британии стоил всего 0,01 % от его стоимости в 1500-м, и около 1 % от стоимости в 1900 году (Fouquet 2008). Другие расчеты (Nordhaus 1998) показывают, что к концу XX века затраты на освещение в США были на четыре порядка ниже (фактическое соотношение составило около 0,0003), чем в 1800 году. Цены на электричество упали на 97–98 % за XX век как в Европе, так и в Северной Америке (Kander 2013). Благодаря такому падению, одновременному пятикратному увеличению среднего дохода на душу населения и росту в эффективности конверсии энергии порой на порядок, к 2000 году единица электроэнергии была как минимум в 200 раз, и как максимум в 600 раз более доступна, чем в 1900 году (Smil 2008а). И с 2000 года общие расходы на электроэнергию в средней американской семье составляли всего 4–5% от дохода после уплаты налогов, что необычайно выгодно, учитывая средний размер дома и интенсивность использования транспорта (USEIA 2014).

Уменьшение затрат очерчивает неоспоримые тенденции, но нельзя забывать, что практически все эти показатели выглядели бы иначе, если бы цены на энергию полностью отражали все разнообразие внешних факторов, включая воздействие на окружающую среду и здоровье, связанное с добычей топлива, его транспортировкой, обработкой и сжиганием, а также разные способы производства электричества. Но все это никогда не бралось в расчет. Некоторые внешние факторы, например, уловители взвешенных частиц и десульфуризаторы газообразных продуктов горения, большей частью учитывали, другие игнорировали. Особенно это заметно в расчетах для ископаемого топлива, где не отражены затраты, связанные с глобальным потеплением, вызванным избытком CO₂. Кроме того, большая часть цен на энергию – не имеет значения, в так называемых свободных рыночных экономиках или в государствах, где экономика жестко регулируется, в богатых или бедных странах – субсидировались, часто в значительной степени, главным образом путем игнорирования внешних факторов, установкой низких налоговых ставок и других льгот (примечание 7.3).

Примечание 7.3. Энергетические субсидии

Международный валютный фонд (IMF 2015) более чем удвоил свою смету 2011 года в 2 триллиона долларов глобальных энергетических субсидий, подняв ее до 4,2 триллиона, и определил эту величину на 2015 год в 5,3 триллиона, или в 6,5 % мирового экономического продукта. Большая часть субсидий связана с недооценкой внутренних экологических и медицинских нагрузок и других внешних факторов (включая пробки на дорогах и аварии). Китай, с его огромным потреблением угля, был ведущим источником субсидий в абсолютных терминах (около 2,27 триллиона долларов в 2015 году); субсидии на Украине достигали 60 % ВВП страны; и субсидии в Катаре на душу населения занимали первое место, около 6000 долларов на каждого жителя. Новая волна энергетических субсидий была потрачена, чтобы создать, а потом расширить производство энергии за счет солнца и ветра, двух ведущих возобновляемых источников, а также на переработку растений для получения топливного этанола (Charles and Wooders 2011; Alberici et al. 2014; USEIA 2015c).

Что не изменилось?

Учитывая фундаментальную природу развития, опирающегося на энергию, подобный вопрос выглядит очевидным. И очевидный простой ответ должен звучать так: принятие и распространение новых источников энергии и новых первичных движителей послужило фундаментальной физической причиной для экономических, социальных и экологических перемен, и они трансформировали буквально каждую черту современных обществ; этот процесс шел всегда, но его скорость увеличивалась. Доисторические изменения – лучшие инструменты, мастерство обращения с огнем, лучшие охотничьи стратегии – происходили очень медленно, в масштабах десятков тысяч лет. Последующее принятие и интенсификация постоянного земледелия затянулись на тысячелетия. Наиболее важным последствием перехода к земледелию стал значительный рост плотности населения, приведший к социальной стратификации, специализации и начальной урбанизации. Высоко-энергетичные общества, возникшие в результате растущего потребления ископаемого топлива, сами по себе стали воплощением перемен, будучи одержимыми стремлением к постоянным инновациям.

Плотность населения в кочевых обществах сильно варьировалась, но, за исключением нескольких прибрежных культур, она никогда не превышала одного человека на квадратный километр. Даже наименее продуктивные кочевые земледельцы подняли этот показатель как минимум в десять раз. Оседлое земледелие дало рост еще в десять раз. Интенсификация традиционного сельского хозяйства потребовала большего объема вложенной энергии. И пока одушевленный труд оставался единственным первичным движителем полевых работ, доля населения, вовлеченного в растениеводство и животноводство, оставалась высокой, более 80 %, обычно свыше 90 %. Валовая энергоотдача интенсивного земледелия увеличивалась за счет ирригации, террасирования, культивации нескольких растений одновременно, севооборота, удобрений, и все же она была обычно ниже, чем у экстенсивного земледелия, хотя и позволяла поддерживать большую плотность населения.

Наиболее интенсивное традиционное сельское хозяйство – лучшим примером является азиатская круглогодичная модель выращивания нескольких растений, обеспечивающая вегетарианский рацион – могло обычно поддержать более пяти человек на гектар обработанной земли. Такая плотность уже вела к постепенной урбанизации, но рост городов, расширение торговли и эффективная интеграция растущих империй были ограничены в первую очередь низкими скоростями и малой вместимостью наземного транспорта. Общества на берегах морей имели преимущество в виде парусных кораблей, которые использовались как для межконтинентальной торговли предметами роскоши, так и для демонстрации силы.

По контрасту с медленными, кумулятивными трансформациями традиционных обществ, социально-экономические последствия индустриализации на основе ископаемого топлива были почти мгновенными. Замещение биологического топлива ископаемым и более поздняя замена одушевленной энергии электричеством и двигателями внутреннего сгорания создали новый мир за каких-то несколько поколений (Smil 2005). Америка была экстремальным примером сжатых во времени изменений. Мощь и влияние США были созданы за счет экстраординарно высокого использования энергии, больше, чем в случае любого другого современного государства (Schnurr and Netschert 1960; Jones 2014; Smil 2014b). В 1850 году страна была почти полностью сельской, жила за счет дров и обильного импорта. Столетием позже – после того, как потребление полезной энергии на душу населения выросло более чем в три раза, и страна сделалась крупнейшим производителем и потребителем ископаемого топлива в мире, ведущим техническим инноватором, способным превратить эти преимущества в политическую мощь, – США стали экономической, военной и технологической супердержавой.

Наиболее очевидная физическая трансформация нового мира на ископаемом топливе произошла благодаря взаимосвязанным процессам индустриализации и урбанизации. На самом фундаментальном уровне они освободили сотни миллионов людей от тяжелого физического труда, обеспечили больший объем и разнообразие пищи, лучшие жилищные условия. Комбинация более производительного сельского хозяйства и новых трудовых возможностей в расширяющейся промышленности привела к массовой миграции из деревень и непрерывной быстрой урбанизации на всех континентах. В свою очередь, эти изменения привели к тому, что значительно выросло глобальное использование энергии. Инфраструктурные требования городской жизни подняли потребление энергии на душу населения по сравнению с сельской местностью и даже с не подвергшимися индустриализации городами. Эти сравнительно высокоэнергоемкие потребности не могли быть обеспечены без дешевых средств дальнего транспорта, способного перевозить продукты и топливо, а позже – и без передачи электричества.

Механизация массового фабричного производства, приведенная в движение ископаемым топливом и электричеством, позволила массово производить товары общего потребления, увеличить их разнообразие и улучшить качество, не повышая при этом цены. Благодаря ей появились новые материалы (металлы, пластик, композиты) и значительно интенсифицировались торговля, транспорт и телекоммуникации, образовавшие единую глобальную систему, доступ к которой получил любой индивидуум с достаточным доходом. Неизбежным последствием стали толпы народа в городах, коммерциализация всего и вся, вооруженные селфи-палками армии туристов, берущие в осаду любую достопримечательность.

Эти процессы также ускорили социальные изменения во всех аспектах общества. Оказался сломан традиционный круг ограниченных социальных и экономических горизонтов, в первую очередь (если не учитывать неизбежную инверсию соотношений между объемом коммуникации и ее качеством) для миллиардов пользователей социальных сетей, во вторую очередь для часто контрпродуктивных офшорных зон и субконтрактных отношений в производственной деятельности (вследствие более высоких транспортных затрат и недостатка должного контроля качества). Они улучшили состояние здоровья населения и увеличили срок жизни, почти всегда ко благу (не учитывая проблем, связанных со старением популяции). Они распространили и базовую грамотность, и более высокие стандарты образования (хотя массовое использование стипендий в области получения университетских степеней снизило их ценность) и позволили значительной доле населения мира узнать, что такое благополучие. Они создали больше места для демократии и прав человека (но на самом деле не сделали мир более демократичным).

Об электричестве необходимо поговорить особо, учитывая множество уникальных ролей, которые оно играет. Опора на эту наиболее гибкую и максимально удобную форму энергии быстро переросла во всеохватывающую зависимость. Без электричества современные общества не в состоянии обеспечить себя едой привычным образом: электричество приводит в действие компрессоры как на фабриках по производству аммиака, так и в домашних холодильниках. Общества не смогут предотвратить болезни (вакцины хранятся в тех же холодильниках) и позаботиться о больных (диагноз зависит от устройств на электричестве, от рентгеновских аппаратов до новейших установок МРТ, а поддержкой жизни в палатах интенсивной терапии занимаются компьютеры), контролировать потоки транспорта, справиться с огромными объемами информации (центры обработки данных стали крупнейшими потребителями энергии) или с городскими сточными водами.

И само собой, без электричества современные общества не в состоянии поддерживать работу промышленности, способной массово производить все растущий ассортимент высококачественных и при этом доступных товаров. Подобный способ производства уничтожил большую часть древнего разделения между замечательным разнообразием изысканных предметов роскоши, которые изготавливали в небольшом количестве для немногих избранных, и ограниченным ассортиментом широкодоступных грубых поделок. Растущая доля все увеличивающегося производства находит путь на мировой рынок. В 2015 году международная торговля составляла около 25 % от мирового ВВП, и это по сравнению с 5 % в 1900-м (World Bank 2015с). Этот тренд ускорился с появлением более быстрых и надежных методов транспортировки и мгновенной электронной связи. Ископаемое топливо и электричество перевели мир из состояния мозаики экономических автаркий и ограниченных культурных горизонтов в фазу единого целого, зависимость отдельных частей которого между собой растет.

Не менее глубоким изменениям в эпоху ископаемого топлива подверглись и социальные отношения. Возможно, наиболее важной стала система распределения материальных благ. Изменения во всем, от статуса до контракта привели к большей личной и политической взаимозависимости. Эта трансформация привела к появлению нового рабочего порядка (обычно фиксированных рабочих часов и многоуровневой организационной иерархии) и новой системы социальных групп (профсоюзы, управленцы, инвесторы). Почти с самого начала она вызвала и новые проблемы, в первую очередь – необходимость справляться с крайностями быстрого регионального промышленного роста и хронического экономического спада. От этого неравенства продолжают страдать даже богатые страны. И новая напряженность в международных отношениях возникла из-за торговых барьеров, субсидий, тарифов и иностранной собственности.

Введение новых источников первичной энергии и новых первичных движителей также оказало мощное воздействие на циклы экономического роста и технических инноваций. Значительные инвестиции требуются, чтобы создать обширную инфраструктуру, необходимую для освоения новых источников энергии, транспортировки топлива и передачи электричества, а также чтобы перерабатывать топливо и массово производить новые первичные движители. В свою очередь, новые источники энергии и первичные движители порождают кластеры постепенного усовершенствования и фундаментальных технических инноваций. Классическое описание деловых циклов (Schumpeter 1939) в промышленных странах Запада показывает четкую корреляцию между новыми источниками энергии и первичными движителями с одной стороны, и ростом инвестиций с другой (примечание 7.4., рис. 7.8).

Примечание 7.4. Деловые циклы и энергия

Первый хорошо задокументированный экономический скачок (1787–1814) совпадает с расширением добычи угля и с первичным введением стационарных паровых машин. Вторую волну экспансии (1843–1869) обеспечили распространение мобильных паровых машин (железные дороги и пароходы) и прогресс в черной металлургии. Третий подъем (1898–1924) был вызван ростом генерации коммерческой энергии и быстрым замещением механических приводов электромоторами в фабричном производстве. Центральные точки всех этих подъемов разделены примерно 55 годами. Воодушевляющие результаты исследований, проведенных после 1945 года, в значительной степени подтвердили существование примерно пятидесятилетних циклов в человеческих отношениях (Marchetti 1986) в общем, а также повторяемость долгих волн в экономике и в технических изобретениях в частности (van Dujin 1983; Vasko, Ayers and Fintvieille 1990; Allianz 2010; Bernard et al. 2013).

Эти работы показывают, что ранние стадии освоения новых первичных энергий в значительной степени коррелируют с началом больших волн инноваций. История энергетических инноваций также подтверждает все еще спорное предположение, что экономические депрессии действуют как триггеры инновационной активности. Центральные точки трех инновационных кластеров (Mensch 1979) почти точно совпадают по времени со средними точками проседания деловой активности (Schumpeter 1939). Первый кластер, достигший пика в 1828 году, четко ассоциируется с развертыванием стационарных и мобильных паровых двигателей, заменой древесного угля на каменный и производством угольного газа. Второй, достигший пика в 1880 году, включает революционные инновации в генерации энергии, электрическое освещение, телефон, паровую турбину, электролитическое производство алюминия и двигатель внутреннего сгорания. Третий, сосредоточенный вокруг 1937 года, включает газовую турбину, реактивный двигатель, лампы дневного света, радар и ядерную энергию.

Последующее наложение этой модели на реальность показало, что она работает. Послевоенный экономический подъем ассоциировался с глобальной заменой угля на углеводороды, с мировым ростом производства энергии (в том числе и за счет ядерного распада), с массовым появлением автомобилей в личной собственности и с большими энергетическими субсидиями в сельском хозяйстве. Расширение приостановилось, когда ОПЕК увеличила в пять раз цены на нефть в 1973 году. Позднейшая волна инноваций включала появление высокоэффективных промышленных и бытовых преобразователей энергии и прогресс в области фотоэлементов. Быстрое распространение микрочипов, развитие вычислительной техники, использование оптических волокон, введение новых материалов и методов промышленного производства, повсеместная автоматизация и роботизация стали еще более значимыми энергетическими импликациями.

Рисунок 7.8. Сравнение начальных стадий новых энергетических эпох (идентифицируемых по главному топливу и первичным движителям) с кластерами инноваций согласно Mensch (1979) и длинными волнами деловой активности согласно Schumpeter (1939). Я продлил оба графика до 2000 года

Экономические последствия использования огромного количества энергии по всему миру также отражаются в списке крупнейших компаний мира (Forbes 2015). В 2015 году пять из 20 топовых нефинансовых межнациональных корпораций занимались нефтью – EXXON, PetroChina, Royal Dutch Shell, Chevron и Sino-pec, а три принадлежали к числу изготовителей автомобилей – «Тойота», «Фольксваген» и «Даймлер». Интенсификация производства стала возможной благодаря надежной поставке доступной энергии и привела к развитию экономики, масштаб которого соотносится с концентрацией производства. Практически в каждом секторе имеются показательные примеры этого процесса. В 1900 году в США было около 200 производителей автомобилей, во Франции – более 600 (Byrn 1900). К 2000 году существовали лишь три американских фирмы, «Дженерал Моторе», «Форд» и «Крайслер», и две французских, «Рено» и «Ситроен-Пежо». Количество британских пивоварен упало с более чем 6 тысяч в 1900 году до всего 142 к 1980-му (Mark 1985). Но в ряде отраслей (включая микропивоварни) обратное движение имеет место с 1970-х. Это изменение в основном связывают с комбинацией лучших коммуникаций, более быстрой доставки и возможностей обеспечивать особые запросы.

В быту нашего времени наиболее важным последствием эпохи высоких энергий стала беспрецедентная степень благосостояния и улучшения качества жизни. В основе своей это достижение базируется на изобильной и разнообразной пище. Людям в богатых странах доступно куда больше, чем нужно для удовлетворения самых разных потребностей. Но одновременно с этим избытком существует недоедание, даже голод (в 2015 году около 45 миллионов американцев получали продуктовые карточки), из-за неравномерности распределения. Рост благосостояния общества более убедительно отражается в резком падении детской смертности и увеличении ожидаемой продолжительности жизни. Интеллектуальный рост проявляется в более высоком уровне грамотности, увеличении срока обучения и облегчении доступа к растущему объему разнообразной информации.

Другим важным признаком благосостояния стало использование энергии для экономии времени. Здесь стоит упомянуть не только широко распространенное предпочтение более энергоемких, но быстрых частных автомобилей перед общественным транспортом. Холодильники (устраняющие необходимость покупать еду каждый день), электрические и газовые плиты, микроволновки и кухонные комбайны (упрощающие процесс приготовления или разогревания пищи), центральное отопление (исключающее необходимость периодически топить печи) являются отличными примерами сохраняющих время технологий, которые в данный момент распространены по всему миру. В свою очередь время, освободившееся благодаря таким энергетическим инвестициям, все в большей степени используется на путешествия для удовольствия и другие виды активности, которые требуют дальнейших значительных вложений энергии.

Но один фундаментальный принцип не изменился: все эти очевидные и впечатляющие исторические тенденции, отображающие появление новых источников энергии и уровней эффективности не значат, что человечество использует энергию все более рациональным образом. На вождение машины в городских условиях, которое якобы позволяет быстрее двигаться, на самом деле тратится много времени, и это яркий пример иррационального использования энергии. Если принять в расчет время, необходимое на зарабатывание денег для покупки (или аренды) машины, ее заправки, ремонта и страхования, то средняя скорость легкового автомобиля в США окажется менее 8 км/ч в начале 1970-х годов (Illich 1974), а учитывая ухудшение ситуации на дорогах к началу 2000-х – не выше 5 км/ч, что сравнимо со скоростями, которых достигли до 1900 года омнибусы на лошадиной тяге и пешеходы. Кроме того, с эффективностью полного цикла производства топлива много ниже 10 % автомобили остаются ведущим источником загрязнения окружающей среды; как уже отмечалось, они также провоцируют множество смертей и увечий (WHO 2015b).

Топливо, электричество, а также легкие и более надежные, гибкие и эффективные конвертеры часто используются расточительно, вызывают экологические проблемы лишь для того, чтобы обеспечить эфемерное персональное удовлетворение (или претензию на него). Как заключил один из исследователей (Rose 1974, 359): «До сих пор все большее количество энергии используется, чтобы превращать ресурсы в мусор, и из этой активности мы извлекаем призрачные блага и удовольствия; не такое уж и достижение». Ничего нового нет в непродуктивном использовании энергии, и его можно рассматривать как расточительное только если человеческие общества движимы всеобъемлющей целью минимизировать использование энергии, посвятив ее только задачам или процессам, прямо необходимым для выживания вида.

Но едва наша власть над физическим миром начала приносить умеренные энергетические излишки, человеческая изобретательность тут же пустила их на создание искусственного мира разнообразия и (для некоторых) праздности, несмотря на то, что эти излишки можно было использовать для обеспечения базовых энергетических потребностей. Колонна, на которой покоится вес, может быть простым гладким цилиндром из камня или вытянутой призмой; никогда не существовало структурной или функциональной необходимости для возникновения трех ордеров древнегреческой архитектуры (дорического, ионического и коринфского). Просто обильного обеда оказалось недостаточно, римские пиры иногда продолжались не один день. Эта погоня за отличием, новизной, разнообразием шире распространилась во время Ренессанса и начала современности (1500–1800), но даже тогда ее самые выдающиеся проявления были все еще немногочисленными и в значительной степени предназначались для общественного пользования и для обеспечения потомства.

Более того, легко понять, что фундаментальные постройки досовременных обществ были не просто затратными хранилищами скудных ресурсов. Исследователи утверждают (Norenzayan 2013), что вера в вершащих суд богов («больших богов») помогала развитию кооперации, необходимой для создания и поддержания в порядке сложных обществ и монументальных структур. В качестве материального выражения господствующих верований такие постройки способствовали социальной сплоченности, воодушевляли на благоговение, уважение, смирение, созерцание и милосердие. В любом случае, потомки часто рассматривают такие сооружения как нечто безупречное, чему свидетельством количество людей, каждый год отправляющихся в путь, чтобы увидеть собор Святого Петра в Риме или Тадж-Махал в Агре (рис. 7.9). И для сравнения – разве куда более охотно не навешивают ярлыки бессмысленного использования энергии на экстравагантные, но большей частью невоодушевляющие сооружения, которые мы возводим, чтобы управляться с деньгами или наблюдать, как современные гладиаторы пинают, бросают или бьют разнообразные мячи?

Рисунок 7.9. Церковь Святого Петра, закончена в 1626 году (Corbis)

Более важно, что современные общества вознесли этот поиск разнообразия, праздного времяпрепровождения, неограниченного потребления и отличия друг от друга с помощью собственности на недосягаемые высоты и в беспрецедентном масштабе. Сейчас сотни миллионов людей расходуют в год на ненужные вещи (включая все растущее количество предметов роскоши) большую сумму, чем весь доход семьи на Западе столетие назад. Примеров такого поведения немало. Размер семьи в богатых странах продолжает уменьшаться, но средняя площадь выстроенного на заказ дома в США уже превысила 500 м²; у кораблестроителей стоит очередь на яхты с посадочными площадками для вертолетов; многие автомобили на рынке обладают столь избыточной мощностью, что ее нельзя проверить на обычной трассе; двигатель Koenigsegg Regera выдает 1,316 МВт, топовые «Ламборджини» и «Мерседес-Бенц» – 1,176 МВт, последний таскает под капотом почти 1600 лошадиных сил, в 11 раз больше, чем у небольшого автомобиля «Хонда Цивик», который я вожу.

На более общем уровне десятки миллионов людей каждый год совершают межконтинентальные перелеты к солнечным пляжам, чтобы как можно быстрее получить рак кожи. Уменьшающаяся когорта ценителей классической музыки имеет на выбор более 100 записей Quattro Stagioni Вивальди; существует более 500 разновидностей хлопьев для завтрака и более 700 моделей легковых автомобилей. Чрезмерное разнообразие приводит к значительному расходованию энергии впустую, но ему не видно конца: электронный доступ к ассортименту потребительских товаров увеличил в несколько раз возможности выбора через Интернет, а изготовление продукции по условиям заказчика для многих предметов (индивидуальные пожелания при проектировании компьютеров и аддитивное производство) обеспечит следующий уровень избыточности. То же самое касается и скорости: разве нам в самом деле нужно, чтобы кусок недолговечного барахла, изготовленный в Китае, попадал к нам через несколько часов после оформления заказа, причем с помощью дрона, никак не меньше?!

Вне зависимости от того, какие показатели использовать, все эти разновидности расточительного, непродуктивного и избыточного использования энергии глобально до сих пор находятся в меньшинстве. Если сравнивать среднее производство энергии на душу населения, то всего лишь одна пятая из 200 стран мира совершила переход к зрелому, процветающему промышленному обществу, которое опирается на высокое потребление энергии (более 120 ГДж/на душу); в популяционных терминах доля еще ниже, около 18 % (1,3 миллиарда из 7,3 миллиарда в 2015 году). Добавив богатые домохозяйства в таких не самых процветающих странах как Китай, Индия, Индонезия и Бразилия, мы повысим эту долю очень незначительно, всего до 20 %. Например, Китай сейчас находится на четвертом месте в мире по числу обеспеченных семей (впереди него США, Япония и Великобритания), но таких семей менее 5 миллионов по данным на 2015 год (Atsmon and Dixit 2009; Xie and Jin 2015).

Вследствие этого глобальное распространение западного чуда быстрых технических инноваций привело к возникновению глобального чудовищного раскола, беспрецедентного уровня экономического неравенства между странами. К 2015 году богатейшие 10 % человечества (живущие в 25 странах) потребляли около 33 % энергии. Это значит, что недельная стоимость использования энергии на душу населения в США эквивалентна общему годовому потреблению первичной энергии нигерийской семьей и двум годам поставок энергии среднему обитателю Уганды. Таким образом, беднейшие 5 % человечества (живущие в 15 африканских странах) потребляют не более 0,2 % от всей выработанной в мире коммерческой энергии.

Нет простых средств для преодоления этого неравенства, и сужение разрыва требует времени, даже в случае экстраординарно быстрого экономического роста: на протяжении 35 лет ускоренной экономической модернизации, с 1980 по 2015 год, Китай увеличил в пять раз среднее потребление энергии на душу населения (свыше 90 ГДж/на душу). Процесс этот обернулся значительными экологическими проблемами и вредом для общественного здоровья, но уровень производства энергии в стране все еще на 20–25 % ниже уровня комфорта. Более значительными даже в случае легкой доступности необходимых ресурсов выглядят экологические последствия того, что остальной мир поднимется до уровня потребления энергии, которым ныне характеризуется Запад; скорее всего, они окажутся просто неприемлемыми. Уже существуют проблемы, угрожающие всей биосфере, и они являются важным фактором при рассмотрении будущего высокоэнергетичной цивилизации. Они варьируются от сохранения биоразнообразия до быстрых антропогенных изменений климата.

Назад: 7. Энергия в мировой истории

Дальше: Между детерминизмом и выбором