Технические инновации

Великий переход от растительного топлива к ископаемому и от одушевленных первичных движителей к механическим повлек за собой беспрецедентные изменения, касающиеся появления новых, по-настоящему эпохальных черт цивилизации, а также скорости их принятия. В 1800 году обитатели Парижа, Нью-Йорка или Токио жили в мире, чьи энергетические основы почти не отличались не только от мира 1700 года, но и от мира 1300-го: дерево, древесный уголь, тяжелый труд и тягловые животные приводили в движение все общество. Но к 1900 году многие люди в крупных городах Запада жили в обществах, чьи технические параметры почти полностью отличались от тех, что доминировали в мире век назад, и были в своей основе ближе к нашему миру, к году 2000-му. Как сказал по этому поводу историк Льюис Мамфорд (Mumford 1967, 294): «Мощь, скорость, движение, стандартизация, массовое производство, систематизация, количественные параметры, однообразие, астрономическая регулярность, контроль, свыше всего контроль – вот что стало паролями для прохода в современное общество западного стиля».

Примеров таких изменений много, из них я выбрал несколько глобальных достижений, чтобы продемонстрировать величину стремительных инноваций той эпохи. На фундаментальном уровне в 1800 году мир потреблял около 20 ЭДж энергии (эквивалент менее чем 500 Мт сырой нефти), из которых 98 % приходилось на фитомассу, большей частью на древесину и древесный уголь; к 1900 году общая первичная выработка энергии более чем удвоилась (до около 43 ЭДж, эквивалента 1 Гт сырой нефти), и половина этой величины происходила от ископаемого топлива, в первую очередь – угля. В 1800 году самый сильный (ну я не лез ранее в собственно текст, но сильный движитель – это ерунда, он может быть только мощным) неодушевленный первичный движитель, паровая машина Уатта, имел мощность чуть выше 100 кВт; в 1900-м паровой двигатель мог выдать 3 МВт, или в 30 раз больше. В 1800 году сталь была редкостью, к 1850-му даже в Великобритании она «была известна в коммерции только в сравнительно малых количествах» (Bell 1884, 435), и лишь несколько сотен тонн ее производили по всему миру, но к 1900 году общее производство выросло до 28 Мт (Smil 2016).

Но заметьте мою осторожность, слова «почти» и «на фундаментальном уровне», когда я описываю мир в 1900 году. Достигнутый сдвиг, как в качественном, так и в количественном отношении был глубок, и его скорость часто выглядит ошеломительной; но мир ископаемого топлива и неодушевленных первичных движителей был молодым, далеким от зрелости и очень неэффективным, и ассоциировался с сильным негативным воздействием на окружающую среду. К 1900 году США и Франция были большей частью обществами, жившими за счет ископаемого топлива, но мир в целом все еще получал половину первичной энергии от дерева, древесного угля и пожнивных остатков, и даже в США пик общего количества тягловых лошадей наступил только через 17 лет. И хотя лампы накаливания, электрические моторы и телефоны распространялись очень быстро, электричество, используемое большей частью семей в США или Германии, уходило на работу лишь нескольких ламп.

Основы нового энергетического мира были уже на месте, но на протяжении XX века все компоненты этой системы в значительной степени изменились благодаря комбинации дальнейшего быстрого роста и качественного совершенствования, иными словами – благодаря выигрышу в эффективности, продуктивности, надежности и безопасности. Прогресс был прерван Первой мировой войной, а затем кризисом 30-х годов. Вторая мировая ускорила развитие ядерной энергии и освоение газовых турбин (реактивные двигатели) и ракетной техники. Рост возобновился после 1945 года во всей энергетической отрасли и достиг новых высот в 1970-х, но затем во многих направлениях наблюдался застой. Значимые примеры включают мощность паровых турбин, тоннаж типичных нефтяных танкеров, объем передачи энергии по высоковольтным линиям.

Эта приостановка была большей частью не вопросом технических пределов, а скорее результатом роста издержек и неприемлемого воздействия на окружающую среду Другим важным фактором, замедлившим прогресс в области энергии, стало двухраундовое повышение цен на нефть ОПЕК (1973–1974, 1979–1980), за которым последовал спад потребления энергии. В результате большая эффективность, надежность и экологичность стали новыми целями в индустрии. Но цены на энергию в конечном итоге стабилизировались, и экономика США, на то время крупнейшая, пережила новое десятилетие быстрого расширения на протяжении 1990-х годов, и именно в это время на общее потребление энергии в мире стал влиять Китай.

После десятилетий бедности при маоистском режиме страна с самым большим в мире населением начала реформы, которые учетверили ее потребление энергии на душу населения между 1980 и 2010 годами. В 2009 году Китай стал крупнейшим в мире потребителем энергии (к 2015-му он примерно на 30 % опережал США). В 2015 году среднее потребление энергии около 95 ГДж было сравнимо с показателями Франции в начале 1970-х, но промышленный рост все еще продолжается, а домашнее потребление остается более низким, чем в странах Запада на сравнимой стадии развития. К 2015 году показатели роста китайской экономики и спроса на энергию неизбежно замедлились, но в Индии, Юго-Восточной Азии и Африке живут миллионы людей, которые надеются повторить успех Китая, и более 2 миллиардов людей добавятся к общему итогу 2015-го в 2050 году.

То, что спрос на энергию продолжит расти – трюизм, но никто из нас не в силах предвидеть, как он повлияет на мир, полный экономического неравенства и тревоги по поводу глобального состояния окружающей среды. В прогнозах и сценариях нет недостатка, но история энергетического прогресса показала, что никто не предвидел, по какому пути она пойдет на самом деле (Smil 2003). В этом разделе я обозреваю и подвожу итоги основных тенденций, которые определили распространение, совершенствование и трансформацию добычи, обработки и доставки ископаемого топлива, продвижение в освоении невозобновляемых и возобновлямых источников энергии, изменения композиции и эффективности механических первичных движителей. Но прежде чем я углублюсь в детали, я должен указать на несколько общих моментов, которые характеризовали производство ископаемого топлива, электричества и распространение первичных движителей.

Добыча ископаемого топлива после 1900 года характеризовалась тремя заметными тенденциями. Во-первых, глобальное расширение добычи угля и производства углеводородов подняло годовое извлечение ископаемого углерода, грубо, в 20 раз между 1900 и 2015 годами: от 500 Мт в 1900-м до 6,7 Гт столетием позже и до 9,7 Гт в 2015 году (Olivier 2014; Boden and Andres 2015); чтобы выразить эти суммы в терминах CO₂, их нужно умножить на 3,67. Поскольку распределение ископаемого топлива неравномерное, то рост его добычи неизбежно привел к появлению по-настоящему глобальной торговли легко транспортируемой сырой нефтью и к росту экспорта как угля, так и природного газа (как через трубопроводы, так и с помощью танкеров, перевозящих сжиженный природный газ). Но более пристальный взгляд открывает некоторые важные оговорки и исключения, ведь глобальный рост поглотил многие сложные особенности в разных странах, в числе которых было и уменьшение, и полное прекращение добычи топлива.

Во-вторых, многочисленные технические достижения были самыми важными стимулами этой экспансии, приведшей к более дешевой и продуктивной добыче, перевозке и обработке топлива, и они же снизили степень специфического загрязнения (и в одном замечательном случае даже способствовали уменьшению абсолютных выбросов в глобальном масштабе). В-третьих, произошел очевидный сдвиг в сторону топлива высокого качества, то есть от угля к сырой нефти и природному газу, процесс, который имел результатом сравнительную декарбонизацию (рост соотношения Н: С) в глобальной добыче ископаемого топлива, хотя абсолютный уровень выбросов CO₂ в атмосферу продолжает расти, несмотря на несколько лет небольшого падения. Соотношение Н: С при сжигании дерева варьируется, но не превышает 0,5, для угля оно составляет 1,0, для бензина и керосина 1,8 и 4,0 для метана, главного компонента природного газа.

Если сравнивать содержание энергии, то высокоуглеродное топливо (дерево и уголь) обеспечивали 94 % мировой энергии в 1900 году, 73 % в 1950-м, но только 38 % в 2000-м (Smil 2010а). В результате средняя величина углеродоемкости на мировом рынке ископаемого топлива продолжает падать: если выразить ее в терминах углерода на единицу глобальной тотальной первичной энергии, то она упала с почти 28 кг С/ГДж в 1900 году до менее чем 25 в 1950-м и чуть более 19 в 2010 году, грубо говоря, произошло падение на 30 %. Затем, по причине того, что Китай начал резко наращивать добычу угля, показатель немного вырос в первое десятилетие нового века (рис. 5.12). Глобальные выбросы углерода от сжигания ископаемого топлива выросли с 534 Мт в 1900 году до 1,63 Гт в 1950-м, 6,77 Гт в 2000-м, и 9,14 Гт в 2010 году (Boden, Andres and Marland 2016).

Производство электричества комбинировало технологические усовершенствования с масштабным пространственным расширением, и в случае последнего процесс удивительным образом затянулся даже в США и до сих пор далек от завершения во многих бедных странах. Начался он с небольших локальных энергетических сетей и двигался в сторону их увеличения: в Европе они покрыли целый континент, Россия обладает очень обширной сетью, с 1990 года Китай построил множество линий большой протяженности, и среди высокоразвитых экономик только у США и Канады нет интегрированной на национальном уровне сети. Последняя трансформация, повлиявшая на отрасль – появление ветровой турбины, солнечных батарей и солнечных электростанций. Эти новые возобновляемые источники энергии (в противоположность гидроэлектричеству, старой форме возобновляемой генерации) часто активно продвигаются и субсидируются, и объемы производства постоянно растут; но присущая им изначально прерывистость и низкая эффективность ставят нетривиальные проблемы на пути их интеграции в глобальную сеть.

Рисунок 5.12. Декарбонизация поставок первичной энергии на глобальном уровне, 1900–2010 годы. Основано на данных из Smil (2014b)