Долгосрочный тренд очевиден: мы превращаем постоянно растущую долю ископаемого топлива в термальное электричество и расширяем возможности первичной генерации энергии, и все по той причине, что электричество – самый удобный, гибкий и чистый с точки зрения использования вид современной энергии.
В первой части этой главы я опишу многие ключевые моменты перехода от растительного топлива и одушевленных источников энергии к ископаемому топливу и неодушевленным первичным движителям. Во второй части я прослежу технический прогресс, который привел к сочетанию эффективности, надежности и доступности энергии, характеризующему современное высокоразвитое общество.
Великий переход
В некоторых странах ископаемое топливо использовалось, пусть и в сравнительно малых количествах, за столетия до того, как оно начало массово вытеснять растительное топливо и одушевленный труд. Уголь и природный газ в Китае и каменный уголь в Англии – самые известные примеры. Китайцы применяли уголь в малом промышленном масштабе во времена династии Хань (206 до н. э. – 220 н. э.); в Англии, Уэльсе и Шотландии было много мест, где уголь выходит на поверхность, добывать его легко, и этим занимались где-то со времен Рима, где-то (чаще всего) – со Средних веков.
Но, как было замечено (Nef 1932, 12), «До шестнадцатого века каменный уголь едва ли сжигали, даже в семейных очагах на кухнях, на расстояниях больших, чем миля или две от его выхода на поверхность, и даже внутри этой территории его использовали только бедняки, которые не могли купить себе дерева».
Каменный уголь был, как правило, доминирующим видом ископаемого топлива в то время, когда Европа совершала свой переход. Самое известное исключение двигало одну из самых влиятельных экономик на заре современной эпохи: на протяжении XVII и XVIII веков голландский Золотой век состоялся благодаря в основном собственному торфу. Объемы его добычи хорошо показаны исследователями (De Zeeuw 1978): оценивается, что из 175 тысяч гектаров торфяников в Нидерландах только 5 тысяч остались более или менее нетронутыми. В США и Канаде переход тоже начался с каменного угля, но в отличие от Европы, эти две страны раньше и быстрее перешли на нефть и природный газ (Smil 2010а). Схожим образом Россия оказалась одним из пионеров крупномасштабной коммерческой добычи нефти, а позже извлекла преимущество из колоссальных запасов природного газа.
Большая часть Европы снизила зависимость от растительного топлива до очень низкого уровня в XIX веке, однако оно до сих пор активно используется во многих бедных странах. Паттерн перехода часто отличается в зависимости от вида топлива, и вывести общие закономерности очень сложно. Разные виды угля, нефти, газа имеют разные свойства (см. примечание 5.1). Тепло, получаемое при их сжигании, можно использовать прямо для приготовления пищи, отопления и плавки металлов, или косвенно для энергетизации первичных движителей. Паровой двигатель стал ведущим неодушевленным первичным движителем в XIX веке. Двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины получили коммерческое распространение в 1890-х годах. К 1950 году бензиновые и дизельные двигатели стали доминирующими первичными движителями в транспорте, а паровые турбины – в крупномасштабном производстве электричества (Smil 2005). Широкое распространение газовых турбин (стационарных для производства электричества и мобильных на реактивных самолетах и кораблях) началось только после 1960-х годов (Smil 2010а).
Недавние исследования энергетических переходов демонстрируют много общих черт в том, как происходили эти постепенные сдвиги, и позволяют определить главные факторы, ускорявшие или замедлявшие процесс (Malanima 2006; Foiquet 2010; Smil 2010а; Pearson and Foxon 2012; Wrigley 2010, 2013). Бывали такие переходы, когда длительные периоды экспериментов заканчивались пиковым ростом и завоеванием всего мира (Wilson 2012), и сравнительно ранние и быстрые переходы в случае малых потребителей энергии (Rubio and Folchi 2012). Некоторые небольшие страны перескочили фазу каменного угля, даже те, где имелись крупные его залежи, и стали зависеть от собственной или, чаще, импортной сырой нефти. Но во всех случаях в конце концов значительно увеличивалось потребление первичной энергии на душу населения, когда общества, ранее ограниченные запасами растительного топлива и количеством одушевленной энергии, входили в новую эпоху использования ископаемого топлива и масштабного применения механических первичных движителей.
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).
