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.