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).