Беспрецедентная мощность и ее использование

Рост потребления энергии, даже прерванный двумя мировыми войнами и худшим в истории экономическим кризисом (в 1930-х годах), шел с беспрецедентной скоростью в первые семь десятилетий двадцатого века. После этого случилось замедление, вызванное тем, что ОПЕК в 5 раз увеличила цены на нефть между октябрем 1973-го и мартом 1974 года, но замедление произошло бы и так, поскольку абсолютные величины повышались слишком быстро, чтобы поддерживать рост, возможный при более низких агрегированных уровнях. Но (при более низком темпе) громадные количественные изменения продолжились, и они сопровождались новыми и заметными качественными выигрышами. Лучшие компиляции глобальных статистических данных показывают постоянный экспоненциальный рост производства ископаемого топлива с того времени, когда началась его крупномасштабная добыча в девятнадцатом веке (Smil 2000а, 2003, 2010а; ВР 2015; рис. 6.1).

Добыча угля выросла в 100 раз, с 10 Мт до 1 Гт, между 1810 и 1920 годами; она достигла 1,53 Гт в 1950 году, 4,7 Гт в 2000-м и 8,25 Гт в 2015 году, и только потом начала уменьшаться до 7,9 в 2015-м (Smil 2010с; ВР 2016). Добыча сырой нефти выросла в 300 раз, с менее 10 Мт в конце 1880-х до свыше 3 Гт в 1988 году; в 2000 году она составила 3,6 Гт и почти 4,4 Гт в 2015-м (ВР 2016). Производство природного газа выросло в 1000 раз, с менее 2 Гм³ в конце 1880-х до 2 Тм³ к 1991 году, оно составило 2,4 Тм³ в 2000 году и 3,5 Тм³ в 2015-м. На протяжении XX века глобальное извлечение ископаемой энергии выросло в 14 раз в терминах агрегированной энергии.

Рисунок 6.1. Производство трех принципиальных видов ископаемого топлива: в целом и годовая добыча для крупнейших производителей. Основано на данных из United Nations Organization (1956), Smil (2010a) и BP (2015)

Но лучший способ продемонстрировать экспансию состоит в том, чтобы выразить ее в терминах полезной энергии, реально произведенного тепла, света и движения. Как мы уже видели, ранние способы конверсии ископаемого топлива были очень неэффективными (менее 2 % для ламп накаливания, менее 5 % для паровых локомотивов, менее 10 % для тепловой генерации электричества, менее 20 % для маленьких угольных печей), но усовершенствование угольных котлов и печей вскоре удвоило эффективность, и в этой области до сих пор остается потенциал для движения вперед. Жидкие углеводороды, сжигаемые для домашнего отопления, а также с промышленными целями и для генерации энергии, конвертируются с более высокой эффективностью, и только бензиновые двигатели внутреннего сгорания в пассажирских автомобилях сравнительно неэффективны. Сжигание природного газа в топках, котлах или турбинах отличается высокой эффективностью, обычно она превосходит 90 %, и таковы же показатели конверсий первичного электричества.

Вследствие этого в 1900 году средняя взвешенная эффективность глобального использования энергии была не выше 20 %, к 1950-му – выше 35 %, и к 2015 году глобальное среднее конвертации ископаемого топлива и первичного электричества достигло 50 % от общей коммерческой потребляемой мощности. Международное агентство по энергии (IEA 2015а) считает, что в 2013 году мировое производство составило 18,8 Гт в нефтяном эквиваленте, а окончательное потребление – 9,3 Гт в нефтяном эквиваленте, с самыми высокими потерями в тепловой генерации энергии и на транспорте, что предсказуемо. Особенно примечательным выглядит тот факт, что в ключевом секторе потребления, домашнем отоплении, население целых стран совершило переход к полной эффективности на протяжении нескольких десятилетий (примечание 6.1).

Примечание 6.1. Эффективность домашнего отопления

Менее чем за 50 лет я успел пожить в домах, которые обогревались четырьмя разными видами топлива, и видел, как эффективность конверсии этого ключевого энергетического процесса утроилась (Smil 2003). В конце 1950-х годов, в деревне, окруженной лесами, на чешско-баварской границе, мы обогревали наш дом, как и большинство соседей, дровами. Отец заказывал уже спиленную и лишенную ветвей ель или пихту, и мне приходилось летом колоть дрова, чтобы получился готовый материал для печи (а также более тонкая растопка) и складывать их под навесом, чтобы они высохли. Эффективность нашей дровяной печи была не выше, чем 30–35 %. Когда я учился в Праге, все энергоемкие операции – отопление, приготовление пищи, генерация энергии – зависели от лигнита, а угольная печка в моей комнате, в бывшем монастыре, здание которого отличалось толстыми стенами, имела эффективность около 45 %. После переезда в США мы сняли верхний этаж пригородного дома, он обогревался нефтью, которую привозили в цистерне и сжигали в котле с эффективностью не более 60 %. Наш первый дом в Канаде имел газовый котел с эффективностью 65 %, и когда я спроектировал новый, суперэффективный дом, то поставил котел с показателем 94 %, а потом заменил на другой, дающий 97 %.

В то время как общее производство всех ископаемых энергий выросло в 14 раз на протяжении XX века, постоянный прогресс эффективности дал нам в 30 раз больше полезной энергии, чем было доступно в 1900 году. В результате богатые страны, где ископаемое топливо преобладало уже к 1900-му, сейчас получают в два или даже в три раза больше полезной энергии на единицу первичного поступления, чем столетие назад, и поскольку традиционные энергии биотоплива конвертировались с очень низкой эффективностью (<1 % для света, <10 % для тепла), то бедные страны, где современные энергии начали доминировать только на протяжении второй половины двадцатого века, теперь получают от пяти до десяти раз больше на единицу первичного поступления, чем сто лет назад. Если перевести все на душу населения – с населением в 1,65 миллиарда в 1900 году и 6,12 миллиарда в 2000-м – то глобальный рост в поставках полезной энергии будет более чем восьмикратным, но эта цифра прячет значительные национальные различия (больше об этом будет сказано в этой главе позже, в дискуссии об экономическом росте и стандартах жизни).

Рисунок 6.2. Глобальная добыча ископаемого топлива превзошла общие поставки энергии традиционной биомассы перед самым концом XIX века (слева). Рост полезной энергии был более чем двукратным по сравнению с ростом общих первичных поставок (справа). Основано на данных из United Nations Organization (1956) и Smil (1983,2010а)

Другой способ оценить агрегированный размер современных потоков энергии – сравнить их с традиционными, как в абсолютных, так и в относительных показателях. Лучшие оценки демонстрируют, что потребление растительного топлива поднялось с 700 Мт в 1700 году до примерно 2,5 Гт в 2000-м. Это дает приблизительно 280 Мт и 1 Гт в нефтяном эквиваленте, менее чем учетверение за три века (Smil 2010а). За то же самое время добыча ископаемого топлива поднялась с менее 10 Мт до 8,1 Гт в нефтяном эквиваленте, то есть примерно в 800 раз (рис. 6.2). В терминах валовой энергии глобальные поставки биотоплива и ископаемого топлива были почти одинаковыми в 1900 году (оба примерно 22 ЭДж); к 1950-му ископаемое топливо давало примерно в три раза больше энергии, чем дерево, пожнивные остатки и навоз; и к 2000 году разница была почти в восемь раз. Но с учетом реально потребленной, полезной энергии разница к тому же году достигла 20 раз.

Всплески в использовании энергии подняли уровень среднего потребления на душу населения на беспрецедентную высоту (рис. 6.3). Энергетические потребности кочевых обществ определялись в основном добычей пищи, их годовое потребление в среднем составляло не выше 5–7 ГДж на человека. Высокие культуры древности добавили медленно растущий расход энергии на лучшие убежища и одежду, на транспорт (приводимый в движение энергией пищи, фуража и ветра) и некоторое количество производства (на древесном угле в первую очередь). Египет времен Нового царства потреблял не более 10–12 ГДж на душу населения, моя лучшая оценка для ранней Римской империи – около 18 ГДж на человека (Smil 2010с). Ранние индустриальные общества с легкостью удвоили традиционное использование энергии на душу населения. Большая часть этого роста приходилась на производство на каменном угле и новые средства транспорта. Среднее по Европе оценивается (Malanima 2013b) как около 22 ГДж на душу населения в 1500 году, затем наблюдалась стагнация на уровне 16,6-18,1 ГДж на человека до 1800 года.

После этого появилась уже упомянутая разница между индустриальными странами и теми, чья экономика так и осталась в основном аграрной. Оценки для Англии и Уэльса показывают (Kander 2013), что среднее потребление выросло с 60 ГДж на душу населения в 1820 году до 153 ГДж на душу в 1910-м, а в Германии показатель за то же время увеличился в пять раз (с 18 до 86 ГДж на душу населения), но зато в Италии рост составил всего 20 % (с 10 до 22 ГДж на душу). Для сравнения, средняя величина в США поднялась с менее 70 ГДж до около 150 ГДж на душу населения между 1820 и 1910 годами (Schnurr and Netschert 1960). Столетием позже все богатые европейские страны превысили 150 ГДж на душу населения, а США – 300 ГДж на душу, и по мере того как росло среднее потребление, изменялся его состав (рис. 6.3).

В кочевых обществах пища была единственным источником энергии; мои оценки показывают, что пища и фураж составляли около 45 % всей энергии в ранней Римской империи (Smil 2010с). В доиндустриальной Европе их доля колебалась от 20 до 60 %, но в 1820 году среднее было уже не более 30 %; к 1910-му – менее 10 % в Великобритании и Германии. К 1960-м годам энергия фуража уменьшилась до пренебрежимо малой величины, а на пищу осталось 2–3% общего потребления энергии в наиболее обеспеченных обществах, где ведущие роли стали принадлежать промышленному, транспортному и домашнему использованию топлива и электричества (рис. 6.3). Потребление электричества на душу населения выросло на два порядка в богатых странах, к 2010 году оно составило около 7 МВт/г. в Западной Европе и 13 МВт/г. в США. Контрасты между энергетическими потоками, находящимися под прямым контролем человека, впечатляют ничуть не меньше.

Рисунок 6.3. Сравнение типичного годового потребления энергии на разных стадиях человеческой эволюции. Большой рост абсолютного потребления сопровождался ростом долей энергии, предназначенных для домашнего хозяйства, промышленности и транспорта. Все данные до XIX века являются приближениями, основанными на 5 тН (1994; 2010с) и Malanima (2013а); более поздние цифры взяты из национальных статистических источников

Когда в 1900 году фермер на Великих равнинах держал поводья шести больших лошадей во время вспашки пшеничного поля, он контролировал – прикладывая значительные физические усилия, сидя на стальном сиденье, часто в облаке пыли – не более 5 кВт одушевленной энергии. Столетием позже его праправнук, расположившийся в кондиционированной кабине трактора, без усилий направлял больше 250 кВт мощности дизельного двигателя. В 1900 году машинист, ведущий угольный локомотив с вагонами по трансконтинентальному маршруту со скоростью около 100 км/ч, повелевал около 1 МВт пара, максимальной мощностью, которую давала ручная подача угля (Bruce 1952; рис. 6.4). К 2000 году пилот «Боинга-747», идущего по межконтинентальному маршруту на высоте 11 км, мог использовать автопилот большую часть путешествия, а четыре газовых турбины давали до 120 МВт мощности и скорость 900 км/ч (Smil 2000а).

Рисунок 6.4. Управление паровозом конца XIX века (вверху) и пилотирование реактивного «Боинга» (внизу). Два пилота контролируют на два порядка больше мощности, чем машинист и его помощник в локомотиве. Локомотив взят из VS archive, кокпит «Боинга» с http://wallpapersdesk.net/wp-content/uploacls/2015/08/293l_boeing_747.jpg

Подобная концентрация мощности требует намного более высоких стандартов безопасности, поскольку возрастает цена ошибки. Экипажи, которые до конца девятнадцатого века использовались в городском транспорте, развивали постоянную мощность не более 3 кВт (четыре запряженные лошади) и перевозили от 4 до 8 человек. Пилоты реактивного лайнера контролируют 30 МВт и перевозят 150–200 пассажиров. Временная невнимательность или ошибка в оценке ситуации приведут к совершенно разным последствиям, когда у того, кто ошибется, «в руках» 3 кВт и 30 МВт, то есть разница в четыре порядка. Очевидный способ снизить такие риски – использовать электронный контроль.

Самая безопасная система транспорта в мире – японский shinkansen («новая магистраль») между Токио и Осакой, 50 лет его работы без происшествий отпраздновали 1 октября 2014 года – использует централизованный электронный контроль с самого своего появления. Автоматический контроль поддерживает нужное расстояние между поездами и пускает в ход тормоза, если скорость превышает обозначенный максимум; централизованный контроль движения следит за выполнением маршрутного расписания; детекторы землетрясений фиксируют первые сейсмические волны, достигшие поверхности Земли, и могут остановить или замедлить составы до того, как начнется собственно землетрясение (Noguchi and Fujii 2000). Современные реактивные самолеты автоматизированы много десятилетий назад, и продвинутый контроль все больше проникает в автомобилестроение. Электронный контроль и постоянный мониторинг – применение которых сейчас варьируется от комнатных термостатов до больших плавильных печей, от антиблокировочных тормозных систем до повсеместного CCTV в городах – появились с широким распространением компьютеров и переносных электронных устройств и стали новой категорией спроса на электричество.

Рост глобального производства электричества в XX веке был даже быстрее, чем расширение добычи ископаемого топлива, чья средняя величина в год составила около 3 % (рис. 6.5). Менее 2 % всего топлива превращали в электричество в 1900 году, менее 10 % в 1945-м, но к концу века доля поднялась до 25 %. Новые гидроэлектростанции (в большом масштабе начали строить после Первой мировой войны) и новые ядерные мощности (с 1956 года) еще увеличили производство энергии. В результате глобальные поставки электричества росли примерно на 11 % в год между 1900-м и 1935-м, и затем на более 9 % в год до начала 1970-х. В оставшейся части века рост уменьшился до 3,5 % в год, в основном потому, что спрос в богатых экономиках понизился, а эффективность конверсии возросла. Новые способы генерации электричества от возобновляемых источников, таких как солнечная энергия и ветер, показали значительный рост с конца 1980-х годов.

Никакой другой выигрыш, обеспеченный этой новой мощностью, не был столь фундаментальным, как значительный рост в глобальном производстве продовольствия, который сделал возможным предоставить адекватное питание почти 90 % мирового населения (FAO 2015b). Никакое изменение не определило вид современного общества в большей степени, чем процесс индустриализации, и никакое новое улучшение не внесло больший вклад в появление глобальной цивилизации, чем эволюция массового транспорта и громадное увеличение нашей возможности по накоплению информации и вовлечению в коммуникации с частотой и интенсивностью, не имеющей исторических прецедентов. Но эти впечатляющие достижения не были разделены между всеми людьми в равной степени, и я напишу о том, как выгоду от глобального экономического роста непропорциональным образом получила небольшая часть человечества, и отмечу значительные внутринациональные различия. Но даже при всем при этом имели место многие универсальные усовершенствования.

Рисунок 6.5. Глобальная генерация электричества росла значительно быстрее, чем добыча ископаемого топлива. Ведущие экономики мира всегда были его крупнейшими производителями, и тепловая генерация (в данный момент большей частью на угле и природном газе) продолжает доминировать на глобальном уровне (слева). Гидроэлектричество и ядерная энергетика остаются на втором и третьем месте соответственно. Ветровая и солнечная энергетика начали быстро расти после 2000 года. Основано на данных из United Nations Organization (1956), Ра I grave Macmillan (2013) и BP (2015)

Энергия в сельском хозяйстве

Ископаемое топливо и электричество стали незаменимыми ресурсами в современном земледелии. Они использовались прямо, чтобы приводить в движение механизмы, и косвенно, чтобы строить эти машины, добывать минеральные удобрения, синтезировать азотистые вещества и защитные химикалии (пестициды, фунгициды, гербициды и др.), чтобы создавать новые разновидности растений. А с недавнего времени – чтобы приводить в действие электронику, берущую на себя многие функции и поддерживающую аккуратное земледелие. Ископаемое топливо обеспечило рост объема и стабильности урожаев, оно заменило практически всех тягловых животных в богатых странах и значительно уменьшило их использование в бедных, а замена мускулов двигателями внутреннего сгорания и электромоторами продолжила снижение интенсивности труда, начатое доиндустриальными достижениями в сельском хозяйстве.

Непрямое влияние ископаемого топлива на сельское хозяйство началось уже (пусть и в небольшом масштабе) в XVIII веке, когда плавку железной руды перевели с древесного угля на кокс. Оно расширилось с распространением стальных механизмов во второй половине XIX века и достигло новых высот с появлением новых, более мощных полевых машин, оросительных насосов, а также различного оборудования в XX веке. Но объем вложенной в машины энергии – всего лишь доля энергии, прямо использованной на управление тракторами, комбайнами и другими, на то, чтобы качать воду, сушить зерно и обрабатывать злаки. Из-за присущей им высокой эффективности дизельные двигатели стали доминировать во всех этих областях, но на долю бензина и электричества тоже осталось немало.

Использование двигателей внутреннего сгорания в сельскохозяйственных механизмах началось в США, в то же десятилетие, когда легковые машины стали массово производимым товаром (Dieffenbach and Gray 1960). Первый тракторный завод был заложен в 1905 году, устройство отвода мощности для навесного оборудования появилось в 1919-м, а мощные подъемники, дизельные двигатели и резиновые шины – в начале 1930-х. До 1950-х годов механизация в Европе шла несколько медленно, в густонаселенных странах Азии и Латинской Америки она началась только в 1960-х, а в некоторых бедных государствах идет прямо сейчас. Механизация полевых работ была главной причиной роста производительности труда и снижения доли занятого в сельском хозяйстве населения. Сильная западная лошадь начала XX века работала с мощностью шести человек, но даже первые тракторы выдавали эквивалент 15–20 тяжелых лошадей, а сегодняшние машины, работающие в Канадских прериях, выдают до 575 л. с. (Versatile 2015).

В главе 3 я показал, как рост производительности снизил средние трудовые вложения в выращивание пшеницы в Америке с 30 часов на тонну в 1800 году до менее 7 часов на тонну в 1900-м; к 2000 году показатель уменьшился до 90 минут на тонну. Высвободившаяся трудовая сила начала перемещаться в города, вызвав мировое сокращение сельского населения и продолжающийся до сих пор рост урбанизации (рассмотрен дальше в этой главе). Американская статистика позывает результаты перемещения. Процент трудящихся на селе уменьшился с более 60 % от всей рабочей силы в 1850 году до менее 40 % в 1900-м; эта доля составила 15 % в 1950 году, а в 2015-м она была всего 1,5 % (USDOL 2015). Для сравнения, сельским трудом в ЕС сейчас занято 5 % работающих, а в Китае все еще около 30 %.

Максимальная численность американских тягловых лошадей составила 21,4 миллиона в 1915 году, а количество мулов достигло пика в 1925–1926 годах: 5,9 миллиона особей (USBC 1975). На протяжении второго десятилетия XX века общая тягловая сила была в десять раз больше, чем у только что появившихся тракторов; в 1927 году эти два первичных движителя сравнялись по объемам, а к 1940-му тракторы уже в два раза превосходили животных. Но сама по себе механизация не могла высвободить такое большое количество сельского труда. Более высокие урожаи новых разновидностей злаков, лучшие удобрения, эффективные гербициды и пестициды, усовершенствованная ирригация – все это внесло свой вклад.

Важность хорошо сбалансированного питания растений определил Юстус фон Либих (1803–1873). В 1843 году он сформулировал «закон минимума»: питательное вещество, которого меньше всего, определит уровень конечного урожая. Из трех макронутриентов (веществ, которые требуются в сравнительно больших количествах), а именно, азота, фосфора и калия – два последних довольно просто обеспечить. В 1842 году Джон Беннет Лоус (1814–1900) предложил обработку фосфатных пород растворенной серной кислотой, чтобы получать обычный суперфосфат, и позже этот способ использовался на крупных месторождениях фосфатов во Флориде (1888) и Марокко (1913). Калий в виде КС1 можно добывать во многих шахтах в Европе и Северной Америке (Smil 2001).

Но вот обеспечение азотом, который всегда требуется растениям в большом количестве, было самой сложной задачей. До 1890-х годов единственный вариант сводился к импорту чилийских нитратов (открыты в 1809 году). Затем сравнительно малое количество сульфата аммония начали получать из новых коксовальных печей; дорогой цианамидный процесс (кокс, вступающий в реакцию с известняком, производит карбид кальция, комбинация которого с чистым азотом дает цианамид кальция) поставили на коммерческую основу в 1898 году; в самом начале XX века электрическую дугу (процесс Биркеланда-Эйде, 1903 год) начали использовать для получения оксида азота, который можно было превратить в азотную кислоту и нитраты. Ни одна из этих технологий не могла стать основой массового производства, и прорыв на мировой уровень произошел только в 1909 году, когда Фриц Габер (1868–1934) изобрел каталитический процесс при высоком давлении, синтез аммиака из его элементов (Smil 2001; Stolzenberg 2004).

Быстрая коммерциализация (к 1913 году) имела место на заводе BASF в Людвиг-схафене, где руководил Карл Бош (1874–1940). Но сначала этот процесс использовали не для изготовления удобрения, а для того, чтобы делать нитрат аммония, необходимый для взрывчатки на полях Первой мировой войны. Первые синтетические азотные удобрения поступили в продажу в начале 1920-х годов. Их производство оставалось ограниченным до Второй мировой, и даже к 1960 году больше трети американских фермеров не использовали синтетических удобрений (Schlebecker 1975). Синтез аммиака и последующее его превращение в жидкие и твердые удобрения – энергоемкий процесс, но технический прогресс снизил общие энергетические затраты, и азотистые соединения вышли на мировой рынок, так что их производство в 2000 году достигло эквивалента 100 Мт азота (они составили 80 % от всех синтезированных веществ, примечание 6.2., рис. 6.6).

Примечание 6.2. Энергетические затраты на производство азотистых удобрений

Энергетические расходы на синтез по схеме Габера – Боша включаюттопливо и электричество, используемые в процессе, и энергию, воплощенную в сырье. Процесс, базирующийся на коксе, с которого все начиналось на заводе BASF, требовал более 100 ГДж/т NH₃ в 1913 году; перед Второй мировой войной показатель уменьшился до около 85 ГДж/т. После 1950 года процесс, основанный на природном газе, снизил энергетические издержки до 50–55 ГДж/т аммиака; центрифугальные компрессоры, более эффективные катализаторы и паровая конверсия под высоким давлением уменьшили сначала до менее 40 ГДЖ/т к 1970-м годам, затем до 30 ГДЖ/т к 2000-му, когда лучшим заводам требовалось всего 27 ГДЖ/т, близкое значение к стехиометрическим энергетическим расходам (20,8 ГДж/т) для синтеза аммиака (Kongshaug1998; Smil 2001). Обычно новый завод на природном газе тратит около 30 ГДж/т, примерно на 20 % больше в случае использования тяжелых нефтепродуктов, и до 48 ГДж/т при синтезе на основе угля (Rafiqul et al. 2005; Noelker and Ruether 2011).

Средняя производительность составляла около 35 ГДж/т в 2015 году; последний показатель соотносится с 43 ГДж/т азота. Но большинство фермеров не применяют аммиак (газ при обычном давлении), они предпочитают жидкости или твердые вещества, особенно мочевину, содержащую больше всего азота (45 %) среди всех твердых веществ, которые легко использовать даже на небольших участках. Превращение аммиака в мочевину, упаковка и транспорт увеличивают общие энергетические затраты до 55 ГДж/т. Используя этот показатель в качестве глобального среднего, можно подсчитать, что в 2015 году, когда около 115 Мт азота было использовано в сельском хозяйстве, на синтез азотистых удобрений ушло 6,3 ЭДж энергии, или чуть более 1 % глобального потока энергии (Smil 2014а).

Никакое другое использование энергии не предлагает такую отдачу в виде роста урожая, как использование синтетического азота: потратив, грубо, 1 % глобальной энергии, можно обеспечить около половины всех питательных веществ, потребляемых ежегодно злаками всего мира. Поскольку около трех четвертей всего азота в пищевых белках поступают из обрабатываемой земли, почти 40 % текущих поставок пищи зависят от процесса синтеза аммиака Габера-Боша. Если перевернуть данные, можно сказать, что без синтеза по схеме Габера-Боша число людей, получающих удовольствие от современного рациона, составило бы 40 % от сегодняшнего.

Западные страны, использующие большую часть зерна в качестве пищевого сырья, могут с легкостью уменьшить зависимость от синтетического азота, снизив высокое потребление мяса. Бедные страны с большим населением имеют куда меньшую свободу выбора. Особенно стоит отметить, что синтетический азот обеспечивает около 70 % всех энергетических вложений в Китае. Более 70 % белка в стране происходит из злаков, и поэтому, грубо говоря, половина всего азота в пище Китая поступает из синтетических удобрений. В его отсутствие обеспечение продуктами упадет до полуголодного уровня, или текущий уровень питания будет доступен только для половины населения.

Рисунок 6.6. Экспоненциальный рост глобального производства азотистых удобрений (слева) сопровождался впечатляющим падением энергетических затрат при синтезе аммиака (справа). Основано на данных из Smil (2001,2015b) и FAO (2015а)

Добыча поташа (10 ГДж/т К) и фосфатов и разработка фосфатных удобрений (вместе 20 ГДж/т Р) добавляют 10 % к общей сумме. Общие энергетические расходы на другие сельскохозяйственные химикалии много ниже. Послевоенный рост применения удобрений сопровождался введением в использование и расширением спектра гербицидов и пестицидов, химикалий, которые уменьшают заражение посадок сорняками, насекомыми и грибками. Первый коммерческий гербицид поступил на рынок в 1945 году (2,4-D), и он убивает многие широколиственные растения, не нанося вреда злакам. Первым инсектицидом был ДДТ, выпущенный в 1944-м (Friedman 1992). В списке гербицидов и пестицидов сейчас тысячи соединений, большей частью получаемых из нефтехимического сырья: их синтез куда более энергоемок, чем производство аммиака (обычно более 100 ГДЖ/т, а для некоторых – более 200 ГДж/т), но количества, используемые на гектар, на порядки ниже.

Территория орошаемых земель за XX век увеличилась в пять раз, с менее 50 Мга до более 250 Мга, а к 2015 году достигла 275 Мга (FAO 2015а). В относительных терминах это значит, что около 18 % сельскохозяйственных земель сейчас орошаются, около половины из них – водой, качаемой из колодцев, 70 % всей орошаемой земли находится в Азии. Там, где вода добывается из водоносных слоев, энергетические затраты на ее подкачку (используются обычно дизельные или электрические насосы) неизменно составляют самую большую часть от общих (прямых и косвенных) энергетических затрат на выращивание злаков. Оросительная система все еще подает большую часть выкачанной воды в бороздки, но гораздо более эффективные и дорогие разбрызгиватели (особенно вращающиеся) тоже используются во многих странах (Phocaides 2007).

Только приблизительные расчеты можно сделать, чтобы отследить подъем прямого и косвенного использования ископаемого топлива и электричества в современном сельском хозяйстве. На протяжении XX века, когда население мира выросло в 3,7 раза, а обрабатываемая площадь расширилась на 40 %, антропогенный энергетический вклад поднялся с 0,01 ЭДж до почти 13 ЭДж. В результате в 2000 году средний гектар земли получал в 90 раз больше энергии, чем в 1900-м (рис. 6.7). Или, отстранясь от цифр, мы можем просто сказать вместе с Говардом Одумом (Odum, 1971, 115–116):

«Целое поколение граждан думало, что текущий объем нашей планеты пропорционален площади обрабатываемой земли и что мы с большей эффективностью используем солнечную энергию. Но это печальное заблуждение, поскольку человек индустриальной эпохи не ест картофель, сделанный из солнечной энергии, сейчас он ест картофель, частично изготовленный из нефти».

Но эта трансформация изменила общую доступность пищи несколькими способами. В 1900 году валовое производство злаков (не считая потерь при хранении и перевозке) давало только крохотный выигрыш над человеческими потребностями в пище, что означает – большая часть человечества питалась скудно, и доля урожая, которую можно было использовать для прокорма животных, оставалась минимальной. Значительно выросшие вложения энергии позволили новым сортам растений (гибридная кукуруза, появившаяся в 1930-х годах, пшеница с коротким стеблем, новые разновидности риса в 1960-х) реализовать их потенциал полностью, результатом чего стали рост урожаев всех культур и увеличение энергии пищи в шесть раз (Smil 2000b, 2008; рис. 6.7).

В начале XXI века глобальные урожаи обеспечивают дневную норму в среднем (для популяции в 4 раза больше, чем в 1900 году) около 2800 ккал на человека, более чем достаточно, если бы она была доступна для всех (Smil 2008а). Примерно 12 % мирового населения до сих пор недоедают по той причине, что доступ к пище у них ограничен, но не потому что ее вообще нет, а потому что она распределяется неравномерно.

Рисунок 6.7. Общие (прямые и косвенные) вложения энергии в современное сельское хозяйство (слева), общие размеры жатвы и рост урожая пшеницы (справа). Основано на данных из Smil (2008b), Palgrave Macmillan (2013) и FAO (2015a)

В обеспеченных странах поставки пищи на 75 % выше реальной потребности, результатом чего становится ненормально большое количество пищевых отходов (30–40 % всей пищи в розничной продаже) и высокий уровень ожирения у населения (Smil 2013а). Более того, немало зерна (50–60 %) в богатых странах скармливают домашним животным. Курица – самый эффективный конвертер корма (около трех единиц концентрированного корма на единицу мяса); для свинины это соотношение девять к одному, производство говядины самое затратное, оно требует 25 единиц корма на единицу мяса.

Это не самое лучшее соотношение также является функцией пропорции мясо/живой вес: для курицы она равняется 0,65, для свиньи – 0,53, для крупного рогатого скота всего 0,38 (Smil 2013d). Но энергетические потери при получении мяса (и молока) имеют собственную питательную отдачу: рост потребления животной пищи обеспечивает высокобелковый рацион во всех богатых странах (проявляется в увеличении роста) и в среднем адекватное питание большинству даже самых бедных стран. Интересно, что среднее потребление энергии пищи на душу населения в Китае сейчас около 3000 ккал/сут., то есть на 10 % выше, чем в Японии (FAO 2015а).