Энергопотребление

"Технический прогресс", последствия которого нас интересуют, не измеряется численностью населения. В эпоху истребления мамонтов этот прогресс, состоявший в усовершенствовании методов охоты, оказался сравнительно безобидным, приведя лишь к исчезновению одного вида, после чего население Земли, по-видимому, резко упало. В наше время плотно населенные сельскохозяйственные страны только начинают вводить новую технику, а относительно менее населенные страны ее давно уже применяют. Точно так же, "прогресс" нельзя измерять количеством потребляемой пищи: поскольку физиологические потребности человека неизменны, количество нужной ему пищи вряд ли меняется, да и состав ее, в смысле содержания различных веществ, остается тем же, так что потребление пищи в общем пропорционально численности населения. Численностью населения Земли мы дальше займемся в этой главе: она стимулирует и в то же время затрудняет технический прогресс, но сама по себе с ним прямо не связана.

Главная мера технического прогресса – это потребление энергии. Энергопотреблением человечества называется полное количество энергии, производимое (и тем самым потребляемое) на Земле в течение года. При этом мы не принимаем во внимание потери энергии вследствие несовершенства технических устройств (например, при передаче тока по проводам, когда значительная часть энергии теряется в виде бесполезно выделяемого тепла). Это лишь пример расточительности в использовании энергии. Поскольку экологически вредные последствия имеет главным образом производство энергии, нас не интересует здесь, как она используется. Поэтому мы отождествляем производство энергии с ее потреблением, считая все потери нерациональным способом потребления; это позволяет нам избежать совсем уж неуклюжего термина "энергопроизводство".

Начнем с данных об энергопотреблении в течение истории, в особенности усилившемся вследствие "технической революции", то есть после 1750-го года. В древнейшие времена потребление энергии сводилось к сжиганию дерева и другой биомассы, а количество этой энергии было, по-видимому, пропорционально населению. Мы не пытались оценить энергопотребление в "эпоху костров". Далее, в "эпоху сельского хозяйства" потребление энергии – тоже в виде биомассы – пропорционально росло вместе с населением, и можно считать, что до 1700 года на голову населения приходилась примерно одинаковая энергия (см. рис.1б). Начиная с 1700-го года имеются более или менее достоверные данные о потреблении ископаемых топлив и (в дальнейшем) "первичного электричества", получаемого другими способами. В таблице 1 эти данные, выраженные в миллионах тонн эквивалентного нефтяного топлива, приведены в первом столбце. Эти данные взяты из справочников ООН [2]. Во втором столбце указаны предположительные количества энергии, полученные из биомассы, по оценкам В. Смила [3]. Эти данные по необходимости неточны, поскольку потребление дров и других топлив в крестьянских хозяйствах почти не учитывалось статистикой; указываются их средние значения, а серая полоса на рисунке 1а изображает возможный разброс. Соответствующий график мы

Табл.1

заимствуем из книги [3]. На этом графике (черная линия) применена "логарифмическая шкала", позволяющая изобразить быстро растущую функцию на небольшом пространстве: по вертикали отложены логарифмы величины энергопотребления E. Таким образом, ордината этого графика y равна lgE (десятичному логарифму E), в некотором выбранном для оси ординат масштабе. Но слева указаны соответствующие значения самой величины E. Точность этого графика не очень велика, и в течение каждых пятидесяти лет он изображается прямолинейным отрезком: y = kx + a, где коэффициенты k и a различны для разных отрезков. Крутизна этих отрезков k измеряет быстроту, с которой росло потребление энергии в соответствующие пятидесятилетия.

Рис. 1а 1б

Величина энергопотребления E = 10y = 10kx+a = 10a + 10kx. Это экспоненциальная зависимость, причем крутизна экспоненты тем выше, чем больше k. Как видно из рисунка 1а, периодами особенно быстрого роста энергопотребления были 1850 – 1900 годы (развитие техники, введение электричества) и 1950 – 2000 годы (послевоенное развитие). В промежутке 1900 – 1950 годов рост энергопотребления замедлился: было две мировых войны. На рисунке 1б, где изображен (без логарифмического масштаба) рост энергопотребления на душу населения, темп этого процесса виден особенно наглядно.

Серая полоса на рисунке 1а показывает предположительное потребление энергии биомассы. Как видно из графика, энергия от ископаемых топлив и других технических источников превзошла энергию биомассы лишь около 1900 года, но в настоящее время на долю биомассы приходится не больше 6% потребляемой энергии.

В последние десятилетия – примерно с 1970 года – рост энергопотребления замедлился. Это не видно на грубом графике рисунка 1а, но рисунок 2 (по данным Международного энергетического ежегодника [4]) ясно показывает, что экспоненциальный рост превратился в линейный. Это явление,

Рис.2

о котором еще будет речь, свидетельствует о некотором "насыщении" энергией экономически развитых стран, потребляющих бо'льшую часть энергии. Впрочем, так называемые "развивающиеся" страны, пока еще потребляющие небольшую часть мировой энергии (рис.3а), несомненно будут подражать "западному" образу жизни, что может привести к новому скачку в потреблении энергии. Рисунок 3 заимствован из [3].

На рисунке 3б изображена роль "неуглеродных" источников энергии, вызывающих теперь особый интерес, поскольку они не загрязняют атмосферу своими выбросами. К сожалению, важнейшие из них – гидроэнергия и атомная энергия – дают лишь пор одной десятой мирового потребления энергии, а остальные источники (геотермальная энергия – то есть тепло горячих подземных вод – , энергия ветра и приливов) имеют пока мало значения. Солнечная энергия вообще не изображена на этом графике, поскольку она почти не применяется для производства электрического тока, а служит лишь для отопления, нагрева воды и т.п., да и то в небольших размерах. Между тем, как мы увидим, именно солнечной энергии принадлежит будущее!

Теперь попытаемся составить себе представление о динамике энергопотребления в прошлом (хотя в прошлом не было статистики, и наши данные по необходимости приблизительны), в последние столетия, по имеющимся статистическим данным, и в будущем, о котором можно строить правдоподобные гипотезы. При этом мы будем изображать лишь качественные картины процесса, так что наши графики не претендуют на точное описание даже в те периоды, когда имеются статистические данные. В частности, мы не соблюдаем пропорций, и разные части графиков могут быть растянуты или сжаты.

Условимся измерять энергопотребление в определенный день года, как полную энергию, произведенную за истекший год; будем обозначать эту величину через К. Через год получится новое значение энергопотребления, которое мы обозначим через М. Два последовательных измерения, дающие пару чисел (К,М), напоминают "стандартное наблюдение" главы 1, и можно попытаться применить здесь ту же технику фазовых портретов. Так как потребление энергии в значительной степени характеризует достигнутый уровень производства, который, в свою очередь, определяет его будущие потребности в энергии, то можно с достаточной точностью считать M зависящим только от К (так же, как численность популяции в следующем году определяется ее численностью в текущем году). Иначе говоря, мы предполагаем, что M является некоторой функцией от К: M = F(К). Вообще говоря, эта функция – возрастающая, поскольку люди потребляют все больше энергии, во всяком случае в течение Новой истории. Но возможен и обратный процесс, когда потребление энергии падает: вероятно, так обстояло дело в начале средневековья, при общем упадке культуры, а может быть и в Англии в начале восемнадцатого века, по совсем другой причине: развитие металлургии настолько увеличило спрос на древесный уголь, что до введения каменного угля потребление энергии могло упасть. Статистика возникла недавно, и эти предположения трудно проверить.

Заметим, что динамика энергопотребления представляет серьезную трудность, отличающую ее от динамики животных популяций. Дело в том, что непрерывный рост энергопотребления не предъявляет нам повторяющихся величин, и поэтому каждая измеренная пара (К,М) наблюдается только один раз. Предсказательная сила фазовых портретов основывается как раз на повторяемости ситуаций: в случаях, рассмотренных в главе 1, как только появляется некоторое значение К, мы можем быть уверены, что в следующем году получится определенное, предсказываемое фазовым портретом значение М. Для результатов деятельности человека это не обязательно: никакой период человеческой истории даже приблизительно не повторяется. И все же можно думать, что энергетика в некоторой степени обладает собственной динамикой, если просуммировать ее потребление по всей Земле, чтобы исключить местные отклонения. Простейший фазовый портрет соответствует использованию единственного вида энергии, например, энергии сжигания дерева. Наши предки долго жгли костры, а затем топили печи, причем количество потребляемой энергии постепенно росло до точки 1 на рисунке 4, изображающем фазовый портрет энергопотребления в ту эпоху. Точка 1 – устойчивая стационарная точка, абсцисса (и ордината) которой соответствуют потреблению энергии в течение очень длительных периодов, с небольшими случайными колебаниями вокруг стационарного значения и возвращением к этому значению. Медленный рост популяции означал, конечно, подъем фазового портрета, с сохранением его формы, поскольку характер потребностей и способ получения энергии оставались неизменными. При этом абсцисса точки 1 медленно возрастала, то есть повышалось потребление энергии. Но поскольку лесные ресурсы были тогда несоизмеримо велики по сравнению с нуждами людей, экологическое равновесие могло сохраняться в течение тысячелетий.

Рис.4

С точки зрения экологии дрова – превосходное топливо, если только вырубка леса компенсируется его естественным приростом или лесопосадками. Конечно, при сжигании дров выделяется углекислый газ, с вредными свойствами которого мы еще встретимся, но если взамен срубленных деревьев вырастает столько же новых, то они поглощают ровно столько углерода, сколько его было в сожженных деревьях, и таким образом связывают его, так что содержание углекислого газа в атмосфере не возрастает. Другие вещества, выделяющиеся при сжигании дров, не опасны для человека и для природы. Таким образом, дрова были идеальным топливом, пока промышленные надобности не привели к резкому увеличению потребности в древесине. В одном случае – в Англии восемнадцатого века – мы достоверно знаем, как это произошло. В металлургии тогда применяли древесный уголь, и быстрое развитие этого производства привело к столь интенсивной вырубке леса, что дерево стало дорожать, а естественный прирост леса не мог больше восполнить нанесенный лесам ущерб. Это и было первое нарушение экологического равновесия, несомненно вызванное промышленной деятельностью человека. Впрочем, в то время людей беспокоил только недостаток древесного угля для выплавки металла, и вскоре его заменили ископаемым каменным углем, изобилие которого так сильно способствовало промышленной революции в этой стране.

Если бы не это изобретение (впрочем, сделанное китайцами за много столетий до того), фазовый портрет энергетики остался бы таким же, как на рисунке 4, то есть потребление энергии все время возвращалось бы в точку 1, и развитие металлургии остановилось бы.

Рис.5а, Рис.5б

Если предположить, что стационарное потребление дерева уже установилось, когда был введен в употребление каменный уголь, то справа от точки 1 (рис.5а) к стационарному значению древесной энергии Кд прибавляется значение угольной энергии Ку, так что полная величина потребляемой энергии К = Кд + Ку (см. рис.5а). На следующий год эта величина будет равна M = Мд + Му , где Му получается из Ку с помощью фазового портрета потребления угля, изображенного на том же рисунке, со сдвигом начала координат в точку (1,1). Мы предполагаем, что характер этого фазового портрета тот же, что и в случае дерева, но соответствующая дуга над биссектрисой намного больше, так как запасы угля намного больше, чем дерева, и потребление его до установления равновесия возрастет несравненно больше; размеры рисунка вынуждают нас исказить соотношение между дугами. Теперь очевидно, что обе дуги вместе дают зависимость величины M = Мд + Му от К = Кд + Ку, то есть фазовый график полной потребляемой энергии. Этот график получается соединением двух дуг -"древесной" и "угольной" – под углом друг к другу в точке 1.

Более вероятно, что уголь был введен еще ранее установления стационарного потребления дерева, под давлением выросшей потребности в топливе. В этом случае резкое изменение в потреблении энергии проявилось в виде угловой точки на фазовой кривой (рис.5б), но эта кривая не опустилась до биссектрисы, то есть потребление энергии возрастало непрерывно. Есть основания полагать, что в наши дни потребление угля также стабилизировалось, но рисунок 5б, изображающий совместное использование двух источников энергии (дерево и уголь), все же не соответствует действительности, поскольку уже во второй половине прошлого века приступили к эксплуатации природных углеводородов – нефти и газа. На рисунке 6 изображен правдоподобный фазовый портрет общего потребления энергии, где третья дуга соответствует нефти и газу, а четвертая – атомной энергии. Введение всех этих видов энергии произошло уже в эпоху статистики и, как мы знаем, каждый раз до стабилизации предыдущего вида энергии. Напомним еще раз, что на наших графиках передана лишь качественная сторона процессов, но количественные соотношения не соблюдены.

Рис.6

Можно представить себе, что следующую дугу составит солнечная энергия, прямое превращение которой в электрическую, пока слишком дорогое, является важнейшей задачей современной техники, или термоядерная энергия, давно обещанная физиками. Мы оставили здесь в стороне менее важные источники энергии, мало влияющие на общее энергопотребление (гидроэнергия, энергия ветра, приливов, и т.д.).

Напомним еще раз, что, в отличие от главы 1, мы рассматриваем теперь деятельность очень своеобразного вида, каким является человек. Поскольку потребление энергии – всех ее видов вместе, старых и новых – непрерывно возрастает, то величина энергопотребления, достигнутая в текущем году, не повторяется, так что мы имеем для этой величины К единственный "стандартный эксперимент" в смысле главы 1. Но если бы эта величина повторилась, вследствие какой-нибудь катастрофы, приостановившей развитие техники, то прежнее наблюдение значения M на следующий год после К вряд ли имело бы достоверную предсказательную силу. В отличие от животных, человек никогда не возвращается к однажды пережитой ситуации; если даже какая-нибудь характеристика его жизни повторяется, то человек уже другой, с другими средствами и привычками. Например, после второй мировой войны наиболее разоренные страны, такие, как Германия и Япония, вернулись к давно пройденным ими значениям энергопотребления, но дальнейшее развитие энергетики у них вовсе не повторилось. Можно думать, что для глобальной величины энергопотребления дело обстоит лучше, но, конечно, фазовые портреты имеют лишь ориентировочное значение, и предсказательную силу их не следует переоценивать. Напомним, что в начале нашего века, когда опасались истощения запасов угля, многие принимали на веру картину, подобную рисунку 5б, предусматривавшую падение энергопотребления при исчерпании угля. Но его запасов, как обнаружилось, хватит на тысячелетия, а затем были открыты более выгодные источники энергии, так что теперь мы полагаемся на график рисунка 6. Техническому прогрессу угрожает не дефицит энергии: его ограничивают экологические трудности.

Заметим все же, что фазовые портреты – даже самый богатый энергией фазовый портрет рисунка 6 – обнаруживают определенную тенденцию энергопотребления: каждая дуга такого портрета, как правило, выпукла, что означает замедление роста. Такое замедление, как и в случае популяций, объясняется ограниченностью ресурсов и условий жизни. В случае энергии, запасы ископаемых топлив могут быть еще очень велики, но добыча их стоит все дороже, что стимулирует экономное использование энергии. С другой стороны, экологические условия ограничивают рост промышленности, во всяком случае, "тяжелой" промышленности, использующей много энергии. В будущем можно предвидеть поэтому стабилизацию потребления энергии, подобно тому, как теперь стабилизируется население Земли – о чем еще будет речь. Как мы видели выше (рис.2), начиная с семидесятых годов энергопотребление растет уже по линейному закону, вместо экспоненциального закона, страшившего предыдущие поколения. Конечно, этот процесс стабилизации может быть задержан ростом потребления энергии в "развивающихся" странах.