Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого

Тем не менее неуловимая природа энергии не смущала армии современных экспертов: с начала 1970-х гг., когда энергия стала темой широкого обсуждения, они с необыкновенным невежеством и вдохновением рассуждали об энергии. Энергия относится к самым трудным для понимания и неверно интерпретируемым понятиям, и плохое знание основ привело к многочисленным иллюзиям и заблуждениям. Как мы видели, энергия существует в разных видах, и, для того чтобы извлечь из нее пользу, необходимо преобразовать один ее вид в другой. Но раньше эту многогранную абстракцию рассматривали как нечто целое, словно разные виды энергии легко взаимозаменяемы.

Некоторые из этих замен на самом деле относительно просты и полезны. Польза от замены свечей (в них химическая энергия воска превращается в лучистую энергию) электрическими лампочками, для которых требуется электроэнергия, вырабатываемая паровыми турбинами (химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепло, а затем в электрическую энергию, которая затем превращается в лучистую энергию), совершенно очевидна – безопаснее, ярче, дешевле и надежнее. Замена паровозов и тепловозов электровозами обеспечила более дешевую, чистую и быструю перевозку грузов и людей: все скоростные поезда электрические. Но многие желательные замены остаются дорогостоящими, нереализуемыми в настоящее время или невозможными в требуемых масштабах – независимо от того, как громко рекламируются их достоинства.

Самым распространенным примером из этой категории являются электромобили: в настоящее время они доступны, а лучшие модели достаточно надежны, но в 2020 г. они все еще были дороже автомобилей того же класса с двигателем внутреннего сгорания. Что касается второй категории, то в следующей главе я подробно расскажу о том, что синтез аммиака, необходимого для производства азотных удобрений, в настоящее время в значительной степени зависит от природного газа как источника водорода. Водород можно получить путем разложения (электролиза) воды, но этот способ почти в пять раз дороже, чем процесс извлечения водорода из весьма распространенного и дешевого метана, – масштабное промышленное производство водорода нам еще предстоит создать. Ярчайшим примером последней категории может служить использование самолетов на электрической тяге для дальних перелетов (эквивалент Boeing 787 с керосиновыми двигателями для путешествия из Нью-Йорка в Токио): как мы убедимся, это преобразование энергии еще долго будет оставаться нереалистичным.

Первый закон термодинамики утверждает, что при преобразовании энергии не происходит ее потерь: из химической в химическую при переваривании пищи, из химической в механическую при сокращении мышц, из химической в тепловую при сжигании природного газа, из тепловой в механическую при вращении турбины, из механической в электрическую внутри генератора или из электрической в электромагнитную в виде света, освещающего страницу этой книги. Тем не менее любое преобразование энергии приводит к рассеиванию тепла: энергия не теряется, но уменьшается ее полезность, способность совершать нужную нам работу (второй закон термодинамики)[31 - Существует множество книг, знакомящих с основами термодинамики, но среди них выделяется одна: Sherwin K. Introduction to Thermodynamics. Dordrecht: Springer Netherlands, 1993.].

Все виды энергии можно измерять в одних и тех же единицах; в естественных науках используют джоуль, а в работах по диетологии – калорию. В следующей главе, где я подробно расскажу о масштабных энергетических субсидиях в современную пищевую промышленность, мы столкнемся с разными свойствами энергии, имеющими жизненно важное значение. Производство курятины требует энергии, во много раз превышающей ту, что содержится в пригодном для еды мясе. Мы можем подсчитать уровень субсидий в виде отношения энергий (затраченные джоули/полученные джоули), однако между затраченной энергией и результатом существует очевидная разница: мы не можем питаться соляркой или электричеством, тогда как нежирное куриное мясо представляет собой почти идеальную пищу, содержащую высококачественный белок, необходимый макроэлемент, который невозможно заменить эквивалентным количеством энергии из жиров или углеводов.

Когда речь идет о преобразовании энергии, перед нами открывается широкий выбор, причем разные способы обладают разной эффективностью. Высокая плотность химической энергии в керосине и дизельном топливе подходит для межконтинентальных перелетов или морских перевозок, но, если вы хотите, чтобы подводная лодка пересекла Тихий океан, не всплывая на поверхность, лучшим решением будет расщепление урана в маленьком реакторе для выработки электричества[32 - Friedman N. U. S. Submarines Since 1945: An Illustrated Design History. Annapolis, MD: US Naval Institute, 2018.]. А на земле крупные ядерные реакторы являются наиболее надежными источниками электричества: некоторые из них вырабатывают электроэнергию 90–95 % времени, тогда как для лучших морских ветряных турбин этот показатель не превышает 45 %, а для фотоэлементов – 25 % даже в самом солнечном климате (в Германии солнечные панели вырабатывают электроэнергию только около 12 % времени)[33 - Коэффициент использования вычисляется как отношение реального производства к максимально возможному для данного устройства. Например, большая ветряная турбина мощностью 5 МВт при непрерывной работе в течение всего дня выработает 120 МВт электроэнергии; если в реальности она выдает только 30 МВт, значит, ее коэффициент использования составляет 25 %. Средние годовые коэффициенты использования в США в 2019 г.: 21 % для солнечных панелей, 35 % для ветряных турбин, 39 % для гидроэлектростанций и 94 % для атомных станций: Table 6.07. B. Capacity Factors for Utility Scale Generators Primarily Using Non-Fossil Fuels // https://www.eia.gov/electricity/monthly/epm_table_grapher.php?t=epmt_6_07_b. Низкий коэффициент использования солнечных панелей в Германии не должен вызывать удивление: и в Берлине, и в Мюнхене количество солнечных дней в году меньше, чем в Сиэтле!].

Все это элементарная физика или электротехника, но эти реалии игнорируются на удивление часто. Еще одна распространенная ошибка – путать энергию и мощность, и такое происходит еще чаще. Эта ошибка выдает незнание основ физики, и, к сожалению, ее совершают не только дилетанты. Энергия – это скаляр, и в физике характеризуется только величиной; скалярными также являются такие известные величины, как объем, масса, плотность, время. Мощность характеризует энергию в единицу времени и поэтому аналогична скорости (в физике скорость указывает на изменения, обычно в единицу времени). Установки, вырабатывающие электроэнергию, как правило, характеризуются мощностью, но мощность – это всего лишь скорость производства или потребления энергии. Мощность вычисляется делением энергии на время: единица ее измерения, используемая в науке, называется ватт = джоуль/секунда. Энергия равняется мощности, умноженной на время: джоули = ватты ? секунды. Если вы зажжете маленькую свечку в католическом соборе, она может гореть 15 часов, преобразуя химическую энергию воска в тепло (тепловую энергию) и свет (электромагнитную энергию), а ее средняя мощность составит почти 40 Вт[34 - Церковная свеча весом около 50 г, с плотностью энергии парафина 42 кДж/г содержит 2,1 МДж (50 ? 42 000) химической энергии, а ее средняя мощность при 15-часовом горении составит почти 40 Вт (как у тусклой электрической лампочки). Но в обоих случаях лишь малая часть общей энергии преобразуется в свет: меньше 2 % для современной лампы накаливания и всего 0,02 % для парафиновой свечи. Вес свечи и время горения см.: https://www.candlewarehouse.ie/shopcontent.asp?type=burn-times; световая эффективность см.: https://web.archive.org/web/20120423123823/http://www.ccri.edu/physics/keefe/light.htm].

К сожалению, даже в технической литературе встречаются такие абсурдные выражения, как «электростанция вырабатывает 1000 МВт электроэнергии». Электростанция может иметь установленную мощность 1000 мегаватт – то есть вырабатывать столько электричества, – но при этом произведет 1000 мегаватт-часов или (в единицах, используемых в науке) 3,6 триллиона джоулей энергии в час (1 000 000 000 Вт ? 3600 секунд). Аналогичным образом скорость основного обмена веществ взрослого мужчины (энергия, необходимая для поддержания всех функций организма в полном покое) составляет около 80 Вт, или 80 джоулей в секунду; мужчине весом 70 килограммов, неподвижно лежащему весь день, потребуется приблизительно 7 мегаджоулей (80 ? 24 ? 3600) пищевой энергии, или около 1650 килокалорий, чтобы поддерживать температуру тела, обеспечивать сокращение сердца, а также осуществлять мириады ферментативных реакций[35 - Расчет основного обмена веществ: Joint FAO/WHO/UNU Expert Consultation, Human Energy Requirements. Rome: FAO, 2001. P. 37, http://www.fao.org/3/a-y5686e.pdf].

В последнее время непонимание сути энергии привело к тому, что сторонники нового «зеленого» мира наивно призывают к почти мгновенному переходу от мерзкого грязного ископаемого топлива, запасы которого ограниченны, к более совершенному, не загрязняющему окружающую среду и возобновляемому солнечному электричеству. Но жидкие углеводороды, извлекаемые из сырой нефти (бензин, авиационный керосин, дизельное топливо, мазут) обладают наибольшей плотностью энергии из всех доступных источников и поэтому больше всего подходят для всех видов транспорта. Вот как выглядит лестница плотности энергии (в гигаджоулях на тонну): сухое дерево – 16, битуминозный уголь (в зависимости от качества) – 24–30, керосин и дизельное топливо – около 46. В терминах объема плотность энергии (все величины в гигаджоулях на кубический метр) дерева – 1, качественного угля – 26, керосина – 38. Плотность энергии природного газа (метана) составляет всего лишь 35 МДж/м

 – менее 1/1000 плотности энергии керосина[36 - Engineering Toolbox. Fossil and Alternative Fuels – Energy Content (2020), https://www.engineeringtoolbox.com/fossilfuels-energy-content-d_1298.html].

Значение плотности энергии – а также физических свойств топлива – для транспорта очевидно. Океанские лайнеры с паровыми турбинами не сжигают дерево, поскольку при прочих равных условиях дерево займет в 2,5 раза больший объем, чем качественный битуминозный уголь, необходимый для пересечения океана (и будет как минимум на 50 % тяжелее), что значительно уменьшит эффективность перевозки людей и товаров. Самолеты на природном газе нереализуемы, потому что плотность энергии у метана на три порядка меньше, чем у авиационного керосина; уголь тоже не подходит – разница в плотности энергии не столь велика, но он не потечет из расположенных в крыльях баков к двигателям.

Преимущества жидкого топлива не ограничиваются высокой плотностью энергии. В отличие от угля, сырую нефть гораздо легче добывать (нет нужды отправлять шахтеров под землю или портить ландшафт карьерами), хранить (в цистернах или под землей, поскольку из-за гораздо более высокой плотности энергии сырой нефти любое замкнутое пространство вмещает на 75 % больше энергии в виде жидкого топлива, чем в виде угля) и перемещать (танкерами или с помощью трубопроводов, самого безопасного вида транспортировки на большие расстояния), и поэтому она легко доступна там, где в ней возникает потребность[37 - Smil V. Oil: A Beginner’s Guide. L.: Oneworld, 2017; Maugeri L. The Age of Oil: The Mythology, History, and Future of the World’s Most Controversial Resource. Westport, CT: Praeger Publishers, 2006.]. Сырая нефть требует перегонки, чтобы разделить сложную смесь углеводородов на фракции (бензин является самой легкой фракцией, мазут – самой тяжелой), но этот процесс позволяет получить более ценные виды топлива для конкретных нужд, а также незаменимые побочные продукты, такие как смазочные масла.

Смазка нужна для минимизации трения во всех движущихся механизмах, от громадных турбореактивных двигателей широкофюзеляжных авиалайнеров до миниатюрных подшипников[38 - Mang T., ed. Encyclopedia of Lubricants and Lubrication. Berlin: Springer, 2014.]. Самым крупным потребителем смазочных материалов является автомобильный сектор (в настоящее время на дорогах мира насчитывается более 1,4 миллиарда автомобилей), следующей идет промышленность (самые большие рынки – текстильная, энергетическая, химическая и пищевая), затем океанские суда. Ежегодное потребление смазочных материалов превышает 120 мегатонн (для сравнения: суммарное производство всех пищевых масел, от оливкового до соевого, составляет около 200 мегатонн в год), а поскольку доступная альтернатива – синтетическая смазка, изготовленная из более простых, но, как правило, тоже получаемых из нефти компонентов, а не непосредственно из сырой нефти, – обходится дороже, потребность в них будет расти по мере роста промышленности во всем мире.

Еще один продукт, получаемый из сырой нефти, – асфальт. В настоящее время в мире производится порядка 100 мегатонн этого черного липкого материала; 85 % используется для дорожного покрытия (горячие и теплые асфальтовые смеси), остальное для кровли[39 - Asphalt Institute. The Asphalt Handbook. Lexington, KY: Asphalt Institute, 2007.]. Есть и другие способы использования углеводородов не в качестве топлива. Они – незаменимое сырье для самых разных процессов химического синтеза (в основном получения этана, пропана и бутана из сжиженного природного газа), при производстве синтетических волокон, смол, клеящих веществ, красок и покрытий, растворителей и пестицидов – без всего этого современный мир не может существовать[40 - International Energy Agency. The Future of Petrochemicals. Paris: IEA, 2018.]. Учитывая эти преимущества и полезные свойства, совершенно очевидно – и неизбежно, – что наша зависимость от сырой нефти будет расти по мере ее удешевления и возможности доставки в любую точку мира.

Переход от угля к сырой нефти растянулся на несколько поколений. Промышленная добыча сырой нефти началась в 1850-х гг. в России, Канаде и США. Скважины, которые бурили древним ударным способом, когда тяжелый буровой снаряд забивается в почву, были неглубокими, а главным продуктом примитивной перегонки нефти оставался керосин для ламп (который заменил китовую ворвань и свечи)[41 - Thuro C. M. V. Oil Lamps: The Kerosene Era in North America. N. Y.: Wallace-Homestead Book Company, 1983.]. Новые рынки для продуктов перегонки нефти появились только после широкого распространения двигателей внутреннего сгорания: сначала изобрели бензиновые двигатели (с использованием цикла Отто) для легковых автомобилей, автобусов и грузовиков, затем более эффективные двигатели конструкции Рудольфа Дизеля, топливом для которых служила более тяжелая и дешевая фракция (солярка, как вы уже догадались) и которые ставились преимущественно на суда, грузовики и тяжелое машинное оборудование (более подробно об этом см. главу 4, посвященную глобализации). Распространение этих новых первичных двигателей было медленным, и до Второй мировой войны количество владельцев личных автомобилей быстро росло только в США и Канаде.

Сырая нефть стала глобальным топливом и в конечном итоге самым главным источником первичной энергии благодаря открытию гигантских нефтяных месторождений на Ближнем Востоке и в СССР – и, разумеется, благодаря появлению больших танкеров. Некоторые крупные месторождения на Ближнем Востоке начали разрабатывать еще в 1920-х и 1930-х гг. (иранский Гечсаран и иракский Киркук в 1927 г., кувейтский Бурган – в 1937 г.), но большинство были открыты после войны, в том числе Гавар (крупнейшее в мире) в 1948 г., Сафания в 1951 г. и Манифа в 1957 г. – все в Саудовской Аравии. В Советском Союзе самые богатые нефтяные месторождения были открыты в 1948 г. (Ромашкинское в Волго-Уральской нефтегазоносной области) и в 1965 г. (Самотлорское в Западной Сибири)[42 - Li G. World Atlas of Oil and Gas Basins. Chichester: Wiley-Blackwell, 2011; Howard R. The Oil Hunters: Exploration and Espionage in the Middle East. L.: Hambledon Continuum, 2008.].

Рост и относительное падение спроса на сырую нефть

Массовое производство легковых автомобилей в Европе и Японии и сопутствующий перевод экономик этих стран с угля на сырую нефть, а впоследствии на природный газ началось только в 1950-х гг. – одновременно с расширением международной торговли и путешествий (в том числе на новых реактивных лайнерах), а также с использованием нефтехимического сырья для производства аммиака и пластика. В 1950-х гг. мировая добыча сырой нефти удвоилась, а в 1964 г. сырая нефть заменила уголь как главное ископаемое топливо. Добыча постоянно увеличивалась, спрос удовлетворялся, и цены падали. В фиксированных ценах (скорректированных с учетом инфляции) мировая цена на нефть в 1950 г. была ниже, чем в 1940-м, в 1960 г. – ниже, чем в 1950-м, а в 1970 г. – ниже, чем в 1960-м[43 - Aguilera R. F. and Radetzki M. The Price of Oil. Cambridge: Cambridge University Press, 2015; Cordesman A. H. and Al-Rodhan K. R. The Global Oil Market: Risks and Uncertainties. Washington, DC: CSIS Press, 2006.].

Неудивительно, что спрос генерировали все сектора экономики. Собственно, сырая нефть была такой дешевой, что отсутствовали стимулы для ее эффективного использования: дома американцев в регионах с холодным климатом обогревали нефтяными горелками, но строили с одинарными стеклами и без дополнительного утепления; средний КПД американских машин снизился за период с 1933 по 1973 г., а отрасли с высоким энергопотреблением продолжали использовать процессы с низкой энергоэффективностью[44 - В начале 1930-х гг. средний расход бензина американских машин составлял 16 миль на галлон (15 л на 100 км); на протяжении четырех десятилетий этот показатель медленно ухудшался до 13,4 мили на галлон (17,7 л на 100 км) в 1973 г. Новые стандарты «Закона о среднем расходе топлива автомобилями, выпускаемыми корпорацией» (CAFE) удвоили его до 27,5 мили на галлон (8,55 л на 100 км) в 1985 г., но последующее снижение нефтяных цен затормозило прогресс вплоть до 2010 г.: Smil V. Transforming the Twentieth Century. N. Y.: Oxford University Press, 2006. P. 203–208.]. Наиболее показательный пример – в Америке темп замены старых мартеновских печей на более совершенные кислородные конвертеры для производства стали был гораздо ниже, чем в Японии и Западной Европе.

В конце 1960 г. в Америке спрос на нефть, и без того высокий, повысился на 25 %, а во всем мире – почти на 50 %. В период с 1965 по 1973 г. спрос на нефть в Европе почти удвоился, а японский импорт увеличился в 2,3 раза[45 - Подробную статистику производства и потребления энергии можно найти в отчете ООН «Ежегодник статистики энергетики» (Energy Statistics Yearbook) и статистическом обзоре компании BP, Statistical Review of World Energy.]. Как отмечалось выше, открытие новых месторождений позволяло удовлетворить рост спроса, и нефть продавалась практически по той же цене, что и в 1950 г. Но такая ситуация не могла сохраняться слишком долго. В 1950 г. на США приходилось около 53 % мировой добычи нефти; в 1970 г. эта доля упала до 23 % – хотя страна еще оставалась крупнейшим производителем, было очевидно, что придется наращивать импорт – тогда как на Организацию стран – экспортеров нефти (ОПЕК) приходилось 48 % мировой добычи.

Время играло на стороне ОПЕК, основанной в 1960 г. в Багдаде пятью странами с целью предотвратить дальнейшее падение цен на нефть: в 1960-х гг. организация была недостаточно сильной, чтобы оказывать существенное влияние, но к 1970 г. ее доля в мировой добыче нефти, а также снижение добычи в США (пик пришелся на 1970 г.) уже не позволяли игнорировать ее требования[46 - Ghanem S. M. OPEC: The Rise and Fall of an Exclusive Club. L.: Routledge, 2016; Smil V. Energy Food Environment. Oxford: Oxford University Press, 1987. P. 37–60.]. В апреле 1972 г. Техасская железнодорожная комиссия сняла ограничения на добычу нефти в штате и таким образом отказалась от контроля над ценами, существовавшего с 1930-х гг. В 1971 г. Алжир и Ливия приступили к национализации добычи нефти; в 1972 г. их примеру последовал Ирак, и в том же году Кувейт, Катар и Саудовская Аравия начали постепенно забирать себе нефтяные месторождения – до сих пор они находились в руках иностранных корпораций. Затем в апреле 1973 г. США сняли ограничения на импорт сырой нефти к востоку от Скалистых гор. Неожиданно цены на рынке начал диктовать продавец, и 1 октября 1973 г. ОПЕК подняла официальную цену на 16 %, до 3,01 доллара за баррель, а после победы Израиля над Египтом и Сирией на Синайском полуострове в октябре 1973 г. шесть арабских стран Персидского залива подняли цену еще на 17 % и установили эмбарго на экспорт нефти в США.

1 января 1974 г. страны Персидского залива подняли официальную цену до 11,65 доллара за баррель, то есть всего за один год стоимость главного источника энергии увеличилась в 4,5 раза, и в результате закончилась эпоха быстрого экономического развития, движущей силой которой была дешевая нефть. С 1950 по 1973 г. ВВП Европы почти утроился, а в США при жизни одного поколения ВВП увеличился более чем в два раза. В период с 1973 по 1975 г. темпы мирового экономического роста снизились почти на 90 %, а когда экономики, пострадавшие от высоких цен на нефть, начали приспосабливаться к новым реалиям – прежде всего впечатляющим ростом энергоэффективности в промышленности, – исламская революция в Иране (падение монархии и приход к власти фундаменталистской теократии) привела ко второй волне роста нефтяных цен, с 13 долларов в 1978 г. до 32 долларов в 1981 г., и еще 90-процентному спаду темпов мирового экономического роста в период с 1979 по 1982 г.[47 - Buchan J. Days of God: The Revolution in Iran and Its Consequences. N. Y.: Simon & Schuster, 2013; Maloney S. The Iranian Revolution at Forty. Washington, DC: Brookings Institution Press, 2020.].

Цена нефти более 30 долларов за баррель уничтожила спрос, и к 1986 г. нефть снова продавалась по 13 долларов за баррель, что создало условия для очередного раунда глобализации – на этот раз с центром в Китае, быструю модернизацию которого обеспечили экономические реформы Дэн Сяопина и значительные иностранные инвестиции. Два поколения спустя только те, кто пережил эти годы хаоса цен и поставок (или те немногие, кто изучал последствия), могли понять, насколько травматичными были эти две волны роста цен. Последствия экономических спадов ощущаются и сегодня, спустя несколько десятилетий, поскольку, когда спрос на нефть стал расти, многие меры экономии остались, а некоторые – в частности, переход к более эффективному использованию энергии в промышленности – продолжали совершенствоваться[48 - Первыми сократили потребление энергоемкие производства (металлургия, химический синтез), успех стандартов американского «Закона о среднем расходе топлива» уже отмечался выше (см. примеч. 44), а почти все производство электроэнергии, основанное на сжигании сырой нефти или мазута, перешло на уголь или природный газ.].

В 1995 г. добыча сырой нефти наконец превысила рекорд 1979 г. и продолжила рост, отвечая на спрос со стороны реформирующейся экономики Китая, а также на повышение спроса во всей Азии, – однако относительное доминирование сырой нефти, отмечавшееся до 1975 г., так и не восстановилось[49 - Доля сырой нефти после 1980 г. вычислялась по цифрам потребления в British Petroleum, Statistical Review of World Energy.]