Начало и распространение добычи каменного угля

Использовать каменный уголь начали еще в древности, его применяли в Китае при династии Хань для производства железа (Needham 1964). Европейские письменные источники впервые упоминают добычу угля в Бельгии в 1113 году, первую перевозку его морем в Лондоне в 1228-м, первый экспорт из района Тайнмута во Францию в 1325-м. Первой страной, совершившей переход от растительного топлива к углю, стала Англия, и начался он в XVI веке. После 1500 года серьезная нехватка дерева в некоторых регионах привела к росту цен на дрова, древесный уголь и строевой лес. Ситуация только ухудшилась в XVII веке благодаря растущему производству железа и бурно развивающемуся кораблестроению. Импорт железа в чушках и древесины облегчил положение только временно (Thomas 1986). Естественным решением выглядела добыча угля на месте: почти все угольные залежи страны были открыты между 1540 и 1640 годами.

К 1650 году ежегодная добыча каменного угля в Англии превысила 2 Мт; 3 Мт/г добывали в начале XVIII века и 10 Мт/г к его концу. Растущее использование угля требовало решения многих технических и организационных проблем, связанных с его добычей, перевозкой и потреблением. После истощения открытых залежей начали разрабатывать глубже залегающие пласты, а следовательно появились шахты. Если в конце XVII века это были в основном ямы глубиной редко более 50 м, то после 1700 года самые глубокие шахты превзошли 100 м, к 1765 году – 200 м, и 300 м после 1830 года. К этому времени дневная добыча составляла между 20–40 тонн на шахту, а столетием ранее – всего несколько тонн. Такие шахты требовали откачки воды, и больше энергии нужно было для вентиляции, для поднятия угля из более глубоких стволов и его доставки по назначению. Водяные и ветряные мельницы, а также лошади использовались для решения всех этих задач. Сама же добыча угля обеспечивалась тяжелым человеческим трудом.

Забойщики, вооруженные кирками, клиньями и колотушками, извлекали уголь, работая в любых позициях, от стоячей в полный рост до лежачей в узком тоннеле. Откатчики заполняли плетеные корзины углем и тащили их на деревянных салазках ко дну ямы, где стволовые вешали их на веревки. Крутильщики поднимали груз наверх, и рукоятники высыпали уголь в груды. Взрослые мужчины делали большую часть работ, мальчики от шести до восьми лет выполняли самые легкие задачи. Во многих шахтах часть самой тяжелой работы делали женщины или девушки-подростки. Им приходилось подниматься по крутым деревянным лестницам к поверхности с тяжелыми наполненными углем корзинами на спине, которые удерживал налобный ремень, (рис. 5.1). В 1812 году Роберт Болд, шотландский гражданский инженер и геолог, опубликовал исследование, посвященное жизни этих женщин, и обширную цитату из его работы стоит привести не только из-за полного боли описания страданий работниц, но и потому, что он приводит точные оценки их физического напряжения (примечание 5.2).

Рисунок 5.1. Носильщицы угля в шотландской шахте в начале XIX века (Corbis)

Живое описание Болда также является отличной иллюстрацией фундаментального факта энергетики, впечатляющим примером того, как каждый переход к новой форме энергии обеспечивается интенсивным использованием существующих форм и первичных движителей. Переход от дерева к углю стал возможным благодаря человеческим мускулам, потребление угля подтолкнуло к освоению нефти и, как я подчеркиваю в последней главе, сегодняшние фотоэлементы и ветровые турбины являются воплощением ископаемых энергий, которые требовались для плавки нужного металла, синтеза необходимого пластика и производства других материалов, влекущих за собой высокие вложения энергии.

Примечание 5.2. Исследование условий труда женщин, которые носят каменный уголь под землей в Шотландии, известных под названием «носильщицы»

Таким был заголовок приложения к «Общему обзору торговли каменным углем в Шотландии», опубликованному в 1812 году. Здесь приведены ключевые фрагменты (Bald 1812,131–132,134):

«Мать… спускается в яму со старшими дочерями, каждая, имеющая корзину подходящей формы, кладет ее наземь, и в нее закатываются большие куски угля; и такой вес они носят, который часто требует двух мужчин, чтобы закинуть ношу им на спины… Мать отправляется первой, зажав горящую свечку в зубах; девушки следуют… утомительными шагами, медленно, поднимаются они по ступеням, останавливаясь иногда, чтобы перевести дыхание… Нередко бывает так, что во время подъема видят их плачущими очень горько от величайшей суровости труда… Необходимая работа исполняется… таким образом за пределами всякого представления… Вес угля, поднятый на поверхность женщиной за день, составляет до 4080 фунтов… и часто бывает так, что доходит он и до 2 тонн».

При весе тела в 60 килограммов ежедневный подъем 1,5 тонны угля с глубины 35 метров сам по себе требует около 1 МДж, а если включить затраты на передвижение угля по горизонтали или под уклоном – под землей в глубине шахты и на поверхности рядом с ней – и затраты на обратный путь, то всего за день получится 1,8 МДж. Если предположить эффективность труда 15 %, взрослая носильщица могла тратить около 12 МДж энергии, в среднем 330 Вт на протяжении десятичасовой смены. Современные исследования энергетических затрат при тяжелом труде подтвердили, что работу на уровне 350 Вт вполне можно выполнять на протяжении восьми часов, но крайне редко – более долгий срок (Smil 2008а). Очевидно, что носильщицы работали день за днем, многие годы – они начинали трудиться в возрасте семи лет и часто продолжали до пятидесяти – на пределе человеческих возможностей.

На самых глубоких шахтах лошади вращали лебедки, позволяющие поднимать уголь или откачивать воду. После 1650 года лошадей и ослов использовали непосредственно под землей. Запряженные лошадьми телеги, часто по рельсам, доставляли уголь на короткие дистанции, к рекам или гаваням для погрузки на баржи или корабли. К началу XVII века уголь повсеместно применяли в домашнем хозяйстве и в кузницах, для обжига кирпичей, керамической плитки и глиняной посуды, для изготовления крахмала и мыла, для извлечения соли. Но из-за загрязнений в конечном продукте его нельзя было использовать в стекольном деле, при сушке солода и, что самое важное, в плавке железа. Проблема с изготовлением стекла была решена первой, около 1610 года, с появлением отражательной печи, где сырые материалы нагревались в отдельных замкнутых секциях. Только доступность кокса позволила обеспечить все другие потребности (см. следующий раздел).

Другим важным косвенным путем использования угля стал угольный, или городской, газ, получаемый карбонизацией битуминозного угля, иначе говоря, высокотемпературным нагреванием топлива в печах с ограниченным поступлением кислорода (Elton 1958). Первые газовые системы были установлены независимо на английских текстильных фабриках в 1805–1806 годах. Компания, чьей целью стала организация централизованной поставки газа в Лондон, была основана в 1812 году. Улучшение оборудования, удаление серы из газа, новая техника изготовления труб малого диаметра из железа и более эффективные горелки сделали возможным распространение газового освещения. И его век не закончился с появлением электрических лампочек. Газокалильная сетка, запатентованная в 1885 году Карлом Ауэром фон Вельсбахом, позволила газовой промышленности еще несколько десятилетий конкурировать с электрической.

За пределами Англии распространение каменного угля в восемнадцатом веке было куда более медленным. Главная добыча велась в северной Франции, в районах Льежа и Рура, и в районах Богемии и Силезии. Добыча угля в Северной Америке приобрела национальное значение только на протяжении XIX столетия. Историческая статистика в области угледобычи и наилучшие из доступных (но менее надежные) оценки потребления древесного топлива в разных странах позволяют сузить, в некоторых случаях буквально до конкретной даты, периоды времени, когда уголь превзошел дерево и начал давать более половины всей первичной энергии в стране (Smil 2010а). В Англии и Уэльсе такое случилось довольно рано, но время этого самого раннего энергетического перехода можно определить только приблизительно.

Отдельные исследователи (Warde 2007) пришли к выводу, что выбор точной даты перехода от дерева к углю будет произвольным, но определили наиболее вероятное время, когда уголь стал превосходить биомассу в качестве источника тепла, как 1620 год, или даже немного ранее. К 1650 году доля угля выросла до 65 %, к 1700-му – до 75 %, к 1800-му – около 90 % и в 1850 году составляла более 98 % (последние две цифры для Великобритании в целом). Британское угольное превосходство затянулось и на следующее столетие: в 1950 году уголь обеспечивал 91 % всей первичной энергии в стране, и 77 % – в 1960-м. В результате уголь доминировал (составлял более 75 %) в энергетике страны 250 лет, много дольше, чем в любом другом государстве.

Франция в начале наполеоновской эпохи получала более 90 % первичной энергии из дерева, эта доля все еще составляла около 75 % в 1850 году, и только к 1875му упала ниже 50 % (Barjot 1991). Уголь оставался доминирующим топливом во Франции до конца 1950-х годов, после чего импортная нефть заняла его место. Добыча угля в колониальной Америке началась в 1758 году в Виргинии, и в начале XIX века Пенсильвания, Огайо, Иллинойс и Индиана стали производящими уголь штатами (Eavenson 1942). Уголь обеспечивал всего 5 % от общей первичной энергии к 1843 году, но последующий быстрый рост добычи увеличил долю до 20 % к началу 1860-х, а в 1884 году добытый каменный уголь содержал больше энергии, чем все потребление дров в стране (Schnurr and Netschert 1960). В 1880 году, когда в Японии начали вести статистику, дерево (и полученный из него древесный уголь) давало 85 % первичной энергии в стране, но к 1901 году интенсивная модернизация подняла долю угля выше 50 %, пик в 77 % был достигнут в 1917 году (Smil 2010а).

Российская империя, обладавшая большими бореальными лесами на севере европейской части и в Сибири, была по сути своей обществом дерева. В соответствии с советской исторической статистикой, дрова поставляли 20 % всей первичной энергии в промышленности в 1913 году (TsSU 1977), но это, очевидно, относится только к коммерчески заготовленному топливу, которое составляло малую долю от того, что требовалось для обогрева домов: даже небольшой дом потреблял не менее 100 ГДж/год. По моей оценке, дерево обеспечивало 75 % энергии к 1913 году, а нефть и уголь начали давать больше половины всей первичной энергии только в начале 1930-х (Smil 2010а).

Последней из ведущих экономик, совершившей переход от фитомассы к углю, стала китайская, где процесс был отсрочен бесконечными кризисами XX века. Они начались с падения империи в 1911 году, продолжились длинной гражданской войной между коммунистами и Гоминьданом (1927–1936, 1945–1950) и вторжением Японии (1933–1945). После этого пришли десятилетия маоистских экономических экспериментов, результатом которых стал крупнейший в мире голод (1958–1961) и безумная Культурная революция (1966–1976). Поэтому растительное топливо в Китае стало поставлять меньше половины первичной энергии только в 1965 году; к 1983-му его доля упала ниже 25 %, и к 2006 году – ниже 10 % (Smil 2010а).