5. Ископаемое топливо, первичное электричество и возобновляемые источники энергии
В фундаментальном смысле ни одна земная цивилизация не может быть ничем иным, как солярным обществом, зависящим от излучения Солнца, которое приводит в движение биосферу и создает все источники пищи для людей и животных, а также древесину Доиндустриальные общества использовали этот поток солнечной энергии как прямо, в виде поступающих солнечных лучей (инсоляция) – каждый дом всегда пассивным образом нагревался от солнца, – так и косвенно. Косвенные способы включали не только культивацию полевых растений и деревьев (для получения фруктов, орехов, масла, дерева или топлива) и добычу дикой древесной, травянистой и водной фитомассы, но также превращение потоков воды и ветра в полезную механическую энергию.
Потоки воды и ветра являются почти мгновенными трансформациями солнечного излучения: градиент атмосферного давления быстро растет из-за неравномерного нагрева поверхности Земли, а испарение и осаждение влаги движут глобальный водяной цикл. Солнечное излучение превращается в пищу и в некоторые виды растительного топлива с задержкой от нескольких дней (для навоза) до нескольких месяцев (для пожнивных остатков, обычно 90-180 дней). Всего пару лет нужно домашним животным, чтобы войти в рабочий возраст, а дети в традиционных обществах начинали помогать взрослым в работе, едва достигнув пяти или шести лет. Только когда массивные деревья срубали и дерево сжигали либо превращали в древесный уголь, использование солнечного излучения откладывалось на несколько десятилетий (позже, когда большие пилы дали возможность валить громадные деревья в девственных дождевых лесах, то и на несколько столетий).
Ископаемые виды топлива тоже появились в результате трансформации солнечной энергии: торф и каменный уголь возникли благодаря медленному преобразованию мертвых растений (фитомассы), углеводороды – благодаря более сложным превращениям морского и озерного одноклеточного фитопланктона (большей частью цианобактерий и диатом), зоопланктона (фораминер) и некоторых водорослей, беспозвоночных и рыб (Smil 2008а). Давление и тепло были доминантами преобразующих процессов, которые длились как минимум несколько тысячелетий для самого молодого торфа и до сотен миллионов лет в случае твердого угля. Высокое содержание углерода в ископаемом топливе в сочетании с низким содержанием воды и негорючих примесей дает большую плотность энергии (примечание 5.1).
Примечание 5.1. Ископаемое топливо
Массовая доля углерода в растениях – 45–55 %, в антраците – почти 100 %, в хорошем битуминозном угле – более 85 %, в сырой нефти обычно – 82–84 %, а в метане (СН4), главном ингредиенте природного газа, примерно 75 %. Черный битуминозный уголь составляет большую часть мировой добычи твердого топлива. Поскольку он почти всегда содержит примеси пепла и серы, его сжигание дает зольный унос и SO2. До Второй мировой войны эти два главных источника промышленного и городского загрязнения воздуха были причиной, они приводили к выпадению твердого осадка в виде частиц и к возникновению кислотных дождей (Smil 2008а). Сырая нефть – смесь сложных углеводородов, очищение которых позволяет получить бензин, авиационное и дизельное топливо для нужд транспорта, топочное масло для генерации тепла и пара, смазку и материалы для дорожного покрытия. Природный газ, самое чистое ископаемое топливо, является самым легким углеводородом. Углеводороды также получают из каменного угля. «Городской газ» повсеместно использовался для освещения в XIX веке, и современная газификация угля позволяет получить синтетический газ, похожий на природный. Синтетическое жидкое топливо впервые в широком масштабе производила Германия во время Второй мировой.
Энергетическая плотность отличается у разных видов угля, но почти одинакова у углеводородов. Сырая нефть является наилучшим источником энергии: она содержит почти вдвое больше энергии на единицу массы, чем обычный битуминозный уголь. Международная энергетическая статистика использует одну из трех общих единиц измерения: эквивалент условного топлива (содержащего 19,3 МДж/кг), нефтяной эквивалент (42 МДж/ кг), ценность в стандартных энергетических единицах (джоулях) или в двух традиционных единицах: калориях и британских тепловых единицах.
Но только небольшая доля изначально осажденного углерода биомассы превратилась в ископаемое топливо (Dukes 2003). За время формирования угля до 15 % углерода растений стало торфом, из него до 90 % имело шансы стать углем, и в открытых разрезах из богатых слоев может быть извлечено до 95 % угля. В результате до 13 % углерода первичной древней фитомассы можно добыть в виде угля; иными словами, это значит, что, грубо, восемь единиц древнего углерода дают одну единицу поступающего на рынок угля (обычно от 5 до 20 единиц). По контрасту, общий уровень регенерации углерода много ниже в случае сырой нефти и природного газа. Эти виды топлива происходят от организмов, похороненных в морских и озерных осадочных породах, и производство углеводородного топлива дает возможность получить в лучшем случае 1 %, но обычно 0,1 % от того углерода, который присутствовал изначально в виде древней биомассы. Показатель в 0,1 % означает, что 10 000 единиц древнего углерода потребовалось, чтобы получилась единица углерода, проданного в виде сырой нефти или природного газа.
Но общество, использующее ископаемое топливо только как заменитель традиционной фитомассы – иначе говоря, сжигающее его неэффективным способом для получения света и тепла, – выглядело бы просто более богатой версией Европы или Китая XVIII века. Переход на ископаемое топливо повлек за собой два класса фундаментальных количественных улучшений, их аккумуляция и комбинация заложили энергетические основы современного мира. К первому классу относятся изобретение, развитие и в конечном итоге повсеместное распространение способов конвертации ископаемого топлива: с помощью новых первичных движителей, поначалу – парового двигателя, потом двигателя внутреннего сгорания, паровой турбины и газовой турбины, – а также разработка новых процессов трансформации сырого топлива, включая производство металлургического кокса из угля, очищение сырой нефти для получения различных жидкостей и иных материалов и применение углеводородов как базы для процессов химического синтеза.
Второй класс изобретений использовал ископаемое топливо для производства электричества, совершенно нового типа коммерческой энергии. Любое твердое, жидкое или газообразное топливо можно было сжечь, высвободившееся тепло пустить на превращение воды в пар, а пар использовать для вращения турбогенераторов и производства электричества. Но с самого начала эпохи генерации электричества мы также использовали кинетическую энергию воды, и в значительно большем масштабе. Гидроэлектричество, таким образом, можно классифицировать как первичное электричество (в противоположность тому, что получено после сгорания топлива); позже к этой категории добавилось электричество с геотермальных электростанций, с ядерных электростанций и (самое недавнее прибавление) с больших ветровых турбин и фотоэлементов, концентрирующих солнечное излучение.
