Основы нового энергетического мира были уже на месте, но на протяжении XX века все компоненты этой системы в значительной степени изменились благодаря комбинации дальнейшего быстрого роста и качественного совершенствования, иными словами – благодаря выигрышу в эффективности, продуктивности, надежности и безопасности. Прогресс был прерван Первой мировой войной, а затем кризисом 30-х годов. Вторая мировая ускорила развитие ядерной энергии и освоение газовых турбин (реактивные двигатели) и ракетной техники. Рост возобновился после 1945 года во всей энергетической отрасли и достиг новых высот в 1970-х, но затем во многих направлениях наблюдался застой. Значимые примеры включают мощность паровых турбин, тоннаж типичных нефтяных танкеров, объем передачи энергии по высоковольтным линиям.
Эта приостановка была большей частью не вопросом технических пределов, а скорее результатом роста издержек и неприемлемого воздействия на окружающую среду Другим важным фактором, замедлившим прогресс в области энергии, стало двухраундовое повышение цен на нефть ОПЕК (1973–1974, 1979–1980), за которым последовал спад потребления энергии. В результате большая эффективность, надежность и экологичность стали новыми целями в индустрии. Но цены на энергию в конечном итоге стабилизировались, и экономика США, на то время крупнейшая, пережила новое десятилетие быстрого расширения на протяжении 1990-х годов, и именно в это время на общее потребление энергии в мире стал влиять Китай.
После десятилетий бедности при маоистском режиме страна с самым большим в мире населением начала реформы, которые учетверили ее потребление энергии на душу населения между 1980 и 2010 годами. В 2009 году Китай стал крупнейшим в мире потребителем энергии (к 2015-му он примерно на 30 % опережал США). В 2015 году среднее потребление энергии около 95 ГДж было сравнимо с показателями Франции в начале 1970-х, но промышленный рост все еще продолжается, а домашнее потребление остается более низким, чем в странах Запада на сравнимой стадии развития. К 2015 году показатели роста китайской экономики и спроса на энергию неизбежно замедлились, но в Индии, Юго-Восточной Азии и Африке живут миллионы людей, которые надеются повторить успех Китая, и более 2 миллиардов людей добавятся к общему итогу 2015-го в 2050 году.
То, что спрос на энергию продолжит расти – трюизм, но никто из нас не в силах предвидеть, как он повлияет на мир, полный экономического неравенства и тревоги по поводу глобального состояния окружающей среды. В прогнозах и сценариях нет недостатка, но история энергетического прогресса показала, что никто не предвидел, по какому пути она пойдет на самом деле (Smil 2003). В этом разделе я обозреваю и подвожу итоги основных тенденций, которые определили распространение, совершенствование и трансформацию добычи, обработки и доставки ископаемого топлива, продвижение в освоении невозобновляемых и возобновлямых источников энергии, изменения композиции и эффективности механических первичных движителей. Но прежде чем я углублюсь в детали, я должен указать на несколько общих моментов, которые характеризовали производство ископаемого топлива, электричества и распространение первичных движителей.
Добыча ископаемого топлива после 1900 года характеризовалась тремя заметными тенденциями. Во-первых, глобальное расширение добычи угля и производства углеводородов подняло годовое извлечение ископаемого углерода, грубо, в 20 раз между 1900 и 2015 годами: от 500 Мт в 1900-м до 6,7 Гт столетием позже и до 9,7 Гт в 2015 году (Olivier 2014; Boden and Andres 2015); чтобы выразить эти суммы в терминах CO2, их нужно умножить на 3,67. Поскольку распределение ископаемого топлива неравномерное, то рост его добычи неизбежно привел к появлению по-настоящему глобальной торговли легко транспортируемой сырой нефтью и к росту экспорта как угля, так и природного газа (как через трубопроводы, так и с помощью танкеров, перевозящих сжиженный природный газ). Но более пристальный взгляд открывает некоторые важные оговорки и исключения, ведь глобальный рост поглотил многие сложные особенности в разных странах, в числе которых было и уменьшение, и полное прекращение добычи топлива.
Во-вторых, многочисленные технические достижения были самыми важными стимулами этой экспансии, приведшей к более дешевой и продуктивной добыче, перевозке и обработке топлива, и они же снизили степень специфического загрязнения (и в одном замечательном случае даже способствовали уменьшению абсолютных выбросов в глобальном масштабе). В-третьих, произошел очевидный сдвиг в сторону топлива высокого качества, то есть от угля к сырой нефти и природному газу, процесс, который имел результатом сравнительную декарбонизацию (рост соотношения Н: С) в глобальной добыче ископаемого топлива, хотя абсолютный уровень выбросов CO2 в атмосферу продолжает расти, несмотря на несколько лет небольшого падения. Соотношение Н: С при сжигании дерева варьируется, но не превышает 0,5, для угля оно составляет 1,0, для бензина и керосина 1,8 и 4,0 для метана, главного компонента природного газа.
Если сравнивать содержание энергии, то высокоуглеродное топливо (дерево и уголь) обеспечивали 94 % мировой энергии в 1900 году, 73 % в 1950-м, но только 38 % в 2000-м (Smil 2010а). В результате средняя величина углеродоемкости на мировом рынке ископаемого топлива продолжает падать: если выразить ее в терминах углерода на единицу глобальной тотальной первичной энергии, то она упала с почти 28 кг С/ГДж в 1900 году до менее чем 25 в 1950-м и чуть более 19 в 2010 году, грубо говоря, произошло падение на 30 %. Затем, по причине того, что Китай начал резко наращивать добычу угля, показатель немного вырос в первое десятилетие нового века (рис. 5.12). Глобальные выбросы углерода от сжигания ископаемого топлива выросли с 534 Мт в 1900 году до 1,63 Гт в 1950-м, 6,77 Гт в 2000-м, и 9,14 Гт в 2010 году (Boden, Andres and Marland 2016).
Производство электричества комбинировало технологические усовершенствования с масштабным пространственным расширением, и в случае последнего процесс удивительным образом затянулся даже в США и до сих пор далек от завершения во многих бедных странах. Начался он с небольших локальных энергетических сетей и двигался в сторону их увеличения: в Европе они покрыли целый континент, Россия обладает очень обширной сетью, с 1990 года Китай построил множество линий большой протяженности, и среди высокоразвитых экономик только у США и Канады нет интегрированной на национальном уровне сети. Последняя трансформация, повлиявшая на отрасль – появление ветровой турбины, солнечных батарей и солнечных электростанций. Эти новые возобновляемые источники энергии (в противоположность гидроэлектричеству, старой форме возобновляемой генерации) часто активно продвигаются и субсидируются, и объемы производства постоянно растут; но присущая им изначально прерывистость и низкая эффективность ставят нетривиальные проблемы на пути их интеграции в глобальную сеть.
Рисунок 5.12. Декарбонизация поставок первичной энергии на глобальном уровне, 1900–2010 годы. Основано на данных из Smil (2014b)
Уголь
Две универсальные тенденции в производстве угля сводятся к растущей механизации подземной добычи и увеличению доли разработок открытым способом. Продуктивность добычи в США, самая высокая в мире, поднялась с менее 4 тонн на шахтера за смену в 1900 году до средней по стране часовой выработки в 5 тонн на работника, отдельные показатели варьируются от 2–3 т/час в глубоких шахтах Аппалачских гор до около 27 т/час в открытых разработках бассейна Паудер-Ривер в Монтане и Вайоминге (USEIA 2016а). Высокой продуктивностью также отмечена добыча жирного лигнита (коричневый уголь) в Австралии и Германии. Уголь из таких крупных шахт во все больших количествах сжигался на мощных, расположенных рядом с местом добычи тепловых электростанциях. Его перевозку на удаленные рынки осуществляли на специальных поездах, состоящих из ста и более крупных, легких саморазгружающихся вагонов, тянут которые мощные локомотивы (Khaira 2009). В потреблении угля наблюдались две основные тенденции: падение спроса на него на традиционных промышленных, бытовых и транспортных рынках, и компенсирующие это падение преимущества генерации электроэнергии на основе угля, и, в гораздо меньшей степени, рост производства металлургического кокса и использования угля в качестве сырья для химического синтеза.
