Энергоэволюция

С тех пор как человек научился пользоваться огнем, он получил внешние источники энергии, недоступные другим живым организмам. Это способствовало повышению его конкурентоспособности как биологического вида и обеспечило ему беспрецедентно широкий ареал расселения, охватывающий практически всю планету. На протяжении большей части существования Homo sapiens его энерговооруженность возрастала медленно и ступенчато. Ее основу составляли примитивные источники огня и несколько позже — мускульная сила одомашненных животных (оставим за рамками статьи физическую работу самого человека — в давние времена важный компонент энергобаланса общества).

В течение сотен тысяч лет потребление искусственно добываемой энергии сохранялось приблизительно на одном уровне, и главным ее источником был открытый огонь, получаемый за счет горения низкоэффективного топлива преимущественно растительного происхождения.

В Древнем мире получают распространение более сложные энергетические приспособления (бытовые, гончарные, металлургические печи), все более систематически применяется древесный, а в отдельных районах мира — также ископаемый уголь (в Китае — с бронзового века). Кроме того, появляются устройства, позволяющие непосредственно использовать механическую энергию воды и ветра. В результате энерговооруженность и эффективность поднимаются на новую ступень по сравнению с каменным веком.

В Средние века происходило дальнейшее распространение угля — топлива, отличающегося более высокой концентрацией энергии, чем традиционная биомасса; также был изобретен хомут, благодаря чему в несколько раз возросла эффективность использования силы тягловых животных, в частности, стало возможным повсеместное применение лошадей для вспашки, что содействовало прогрессу в сельском хозяйстве — экономической базе того времени. Развитие индустриальных методов шахтной добычи угля, основа которых была заложена в Европе в XVI—XVIII вв.еках, а также его применение с конца XVIII века в качестве топлива для первых паровых машин в XIX веке привели к ускоренному росту энерговооруженности человечества. Во второй половине XIX столетия происходит дальнейшая диверсификация: осваиваются новые энергоносители (газ, нефть и нефтепродукты), создаются новые вторичные энергоисточники (электрические машины, двигатели внутреннего сгорания [ДВС] и паровые турбины). Все это приводит к галопирующему росту энерговооруженности и ее распространению «вширь» — повсеместному применению сложных искусственных вторичных источников энергии.

В середине XX века происходит очередное качественное пополнение источников первичной энергии: появляется ядерная энергетика, способная обеспечить невиданную ранее концентрацию мощности, а также независимость от традиционных энергоресурсов и природных условий. Ее появление стало и символической вехой: впервые за многие тысячелетия человек получил в свое в распоряжение значительную энергию, первоисточником которой не является Солнце (единичные, по существу экспериментальные, приливные и геотермальные генераторы, разумеется, не в счет). Совершенствование (с конца прошлого столетия) технологий возобновляемой энергетики (ВИЭ)и аккумулирования энергии, нарастающее государственное экономическое стимулирование этих технологий приводят к еще большему усложнению энергобаланса, возникновению и стремительному росту (с начала XXI века) дополнительного сектора энергетики, который со временем выдвигается на первый план. Следующей качественно новой вехой энергоэволюции может стать освоение (возможно, к середине текущего столетия) экономически эффективного управляемого термоядерного синтеза, который в дальнейшем сможет решить многие, ныне до предела обострившиеся проблемы производства и потребления энергоресурсов, воздействия этих процессов на окружающую среду.

Энергонасыщение
По мере освоения новых источников энергии возрастали и различия в ее потреблении. Вплоть до последних столетий структура энергопотребления и его подушевой объем мало различались географически, особенно в пределах государств и регионов. В индустриальную эпоху страны стали гораздо сильнее разниться по этим показателям. С XX века нарастают и различия в энергоэффективности. К сегодняшнему дню количественные и качественные контрасты энергопотребления достигли исторического максимума: в некоторых регионах планеты оно сохранилось на доисторическом уровне, тогда как в других — практически не лимитировано и дошло до высшей степени технической изощренности.

По сравнению с доиндустриальной эпохой количество энергии, используемой человечеством, увеличилось в десятки раз. Так, по разным оценкам (исторические данные BP, ExxonMobil, французского исследователя Жана-­Мари Мартин-­Аморо, итальянского ученого Паоло Маланима и др.), за два последних столетия глобальный объем используемых первичных энергоресурсов увеличился от 25 до 60 раз. Учитывая рост населения мира за это время в 7−8 раз, потребление первичной энергии в расчете на каждого жителя планеты выросло в 3−8 раз. Однако в подобных исследованиях учитываются не все источники энергии, составлявшие основу энергопотребления начала XIX века: среди совсем или частично не учитываемых — сила вьючных и тягловых животных, механическая энергия ветра и воды. Если принять их во внимание, то изменение подушевого энергопотребления за два века оказывается еще скромнее.

Тем не менее истинный прогресс больше, чем следует из данных потребления (а правильнее сказать — расхода) энергии — потому, в частности, что необходимо учитывать изменения в энергоэффективности. В XIX веке, когда всё более важную роль в энергопотреблении играл уголь, КПД распространенных в то время паровых машин составлял несколько процентов; то есть в значительных секторах индустрии и транспорта, как правило, около 95% энергии сжигаемого топлива в буквальном смысле вылетало в трубу. Появление в конце XIX столетия на порядок более эффективных энергетических устройств (таких как паровые турбины и ДВС) превратило часть ранее бесполезно сжигаемой энергии в используемую, и этот выигрыш не умаляется некоторыми дополнительными энергопотерями, характерными для появившегося тогда же централизованного энергоснабжения (электричество, центральное отопление). Из-за этой технологической трансформации энерговооруженность общества в XX веке росла быстрее, чем это следует из сопоставления с предшествующим столетием количества сжигаемого топлива.

В результате технико-­экономического прогресса к началу нынешнего века производство и потребление энергии в ряде бедных стран мира достигли уровней, характерных для самых передовых государств за столетие до этого. А наиболее энерговооруженные страны превосходят по масштабу энергетического сектора весь мир начала прошлого века. Так, потребление первичных источников энергии в крупнейшей по этому показателю стране — Китае — соответствует глобальному энергопотреблению конца 1930‑х годов.

Расширение выбора источников первичной и вторичной энергии, появление возможностей эффективной транспортировки различных ее носителей на дальние расстояния и централизованного энергоснабжения привели к формированию в каждом государстве той структуры энергетики, которая лучше всего отвечает местным условиям. В результате за последние ~150 лет появились разительные отличия в энергобалансах, в том числе нередко соседних стран и регионов, что ранее было нехарактерно. При этом наряду с государствами, имеющими однобокие энергобалансы (в которых сильно преобладает ­какой-либо один энергоноситель), стали выделяться страны с хорошо сбалансированной, в том числе энергоизбыточной, энергетикой. Возникли также феномены государств — нетто-­экспортеров энергии (одного или нескольких ее видов), а также энергозависимых стран, в том числе с крупнейшими экономиками.

Энерговоздержание
На фоне индустриализации, стартовавшей в XIX веке, наблюдалась пропорциональная связь между ростом экономики и энергопотребления. Поначалу эта корреляция дополнительно стимулировалась снижением энергоэффективности в ряде сфер, требовавшим наращивания избыточного объема используемых энергоносителей. Так, распространение угля в промышленности и на транспорте привело к росту общей энерговооруженности на фоне падения энергоэффективности в сферах его применения: ранее использовавшиеся в них источники энергии были менее мощными, но достигали более высоких номинальных КПД.

Отмеченный впервые за многие столетия скачкообразный рост энергоэффективности был связан с переходом на новые первичные и вторичные источники энергии (газ, нефтепродукты, более эффективные термодинамические системы, электрическая тяга) на фоне окончательного вытеснения архаичных ее источников (тягловые животные, парус). Этот переход, начавшийся в промышленно развитых государствах в конце XIX века, полностью завершился в более или менее развитой части мира лишь к середине XX столетия. Выигрыш в энергоэффективности, сопровождавший этот процесс, сгладил рост энергопотребления (по уже названным причинам), но не устранил прямую зависимость между ним и ростом экономики.

Со второй половины XX века ускоряется рост энергоэффективности, достигаемый не переходом на принципиально новые типы термодинамических систем и топлива, как было ранее, а совершенствованием существующих. Среди примеров — повсеместный переход на критические и сверхкритические параметры пара, широкое внедрение в практику газовых турбин и дальнейшее развитие двигателей внутреннего сгорания. В этот же период сравнительно широко внедряется атомная энергетика, чей формальный КПД был ниже достигнутого в тепловой энергетике, однако высокая концентрация энергии обеспечивала другие преимущества, в частности, позволяла экономить органическое топливо и сокращать внушительные расходы на его транспортировку.

До второй половины XX века рост энергоэффективности общества обеспечивался главным образом за счет технического совершенствования устройств получения, преобразования, доставки и потребления энергии. Во второй половине столетия к технической модернизации добавляются институциональные факторы. Поначалу они заключаются в структурных изменениях экономики, приводящих к серьезному сокращению энергопотребления: появляются принципиально новые и расширяются существующие отрасли, отличающиеся высокой добавленной стоимостью при относительно небольших потребностях в энергии. Среди примеров — расширение сравнительно неэнергоемкого сектора услуг (занявшего к концу XX века более значительное, чем прежде, место в развитых экономиках), формирование индустрии новых информационных технологий и телекоммуникаций, производство управляющих систем на базе микроэлектроники.

Эти тектонические сдвиги в экономике в сочетании с дальнейшим совершенствованием энергетической техники привели к снижению за последние полвека глобального удельного (в расчете на единицу произведенного ВВП) потребления первичных энергоносителей наполовину. Это произошло прежде всего за счет староиндустриальных государств и регионов мира, которые до начала нынешнего столетия преобладали в мировой экономике. В частности, за последние 50 лет уменьшение этого показателя в диапазоне от 40% до 80% произошло в США, Великобритании, Франции, Канаде, Германии, Австралии, Италии, Австрии, Швейцарии, Дании, Венгрии, Ирландии, Нидерландах, Норвегии, Польше, Швеции, Бельгии, Чехии. В некоторых государствах в последние десятилетия тенденция к росту экономики сочеталась со стабилизацией или снижением абсолютного объема энергопотребления; среди них: Швейцария, Германия, Великобритания, Швеция, Франция, Дания, Норвегия, Польша. Соответственно, удельное (в расчете на ВВП) энергопотребление в этих странах существенно сократилось.

При большом разнообразии энергобалансов у примерно 200 государств мира трудно найти примеры идеального топливно-­энергетического комплекса: оптимально диверсифицированного; абсолютно независимого от импорта по всем компонентам; обеспечивающего высокое подушевое энерго- и электропотребление; имеющего преобладающую долю экологически чистых компонентов при отсутствии грязных; не подверженного рискам сильных сезонных или многолетних колебаний поставки некоторых энергоресурсов; располагающего технически эффективными и дешевыми резервами для балансирования энергосистемы; лишенного территориальных диспропорций и т. д.

В Таблице 5 подобраны примеры государств, приближающихся к этому идеалу по некоторым, однако не по всем параметрам. Так, Россия, наиболее энергетически самодостаточная страна мира (см. Табл. 2), имеет существенные территориальные и инфраструктурные диспропорции, вызывающие проблемы с качественным энергообеспечением ряда регионов, например, недостаток мощностей гидрогенерации в наиболее населенной Европейской России при избытке нереализованного гидропотенциала в Сибири; пробелы в развитии газовой инфраструктуры, не позволяющие эффективно обеспечить газом часть собственного населения и восточные направления экспортных поставок; почти полное отсутствие современных распределенных ВИЭ.

Другие перечисленные страны с большой площадью также имеют территориальные диспропорции, затрудняющие энергообеспечение некоторых районов на фоне изобилия энергоресурсов на общестрановом уровне. Это относится к Бразилии, Канаде, отчасти Австралии. Сравнительно небольшая Норвегия, имеющая избыточные ресурсы углеводородов и незаурядный гидропотенциал, построила свою энергетику на этих двух столпах. Ее отрасль близка к идеалу с точек зрения экологии и климата, низкой текущей себестоимости значительной доли ресурсов, высочайшей маневренности почти 100% генерации и т. д. Однако при столь сильной зависимости от ГЭС страна (и весь скандинавский энергорынок, в который она входит) подвержена ценовым колебаниям в периодически случающиеся маловодные годы.

Австралии — одному из крупнейших экспортеров энергоресурсов — не хватает дешевой гидроэнергии, она лишена атомной энергетики и имеет чрезмерные угольные генерирующие мощности, большая часть которых вскоре потребует замены, согласно международным климатическим соглашениям.

Похожие проблемы имеют США с их огромной по масштабу, уже отчасти «потерявшей работу» и обреченной в перспективе на заклание угольной энергетикой и недостаточной для ряда энергосистем страны гидрогенерацией.

Бразилия, обладая выдающимися природными данными для оптимизации своего энергобаланса, лишь отчасти использует этот потенциал. Добившись больших успехов в развитии ВИЭ, это государство столкнулось с социально-­экологическими противоречиями ­вокруг ряда объектов гидрогенерации и десятилетиями не может сдвинуть с места свои атомные проекты. Между тем подушевое потребление электричества в Бразилии все еще не соответствует статусу великой энергетической державы, и атомная энергетика — одно из оптимальных средств решения этой проблемы.

И все же перечисленные противоречия выглядят несерьезными на фоне большинства других государств.

В это же время в ряде государств, где индустриализация началась позже и продолжались рост энергоемких отраслей и восполнение пробелов в энергообеспечении населения (например, в Китае всё население получило доступ к электричеству лишь к 2015 году, в Индии — к 2020‑му), удельное энергопотребление за последние 50 лет, наоборот, выросло или осталось приблизительно на прежнем уровне. Из стран со значительными экономикой и населением это касается Китая, Индии, Ирана, Турции, Южной Кореи, Вьетнама, Бангладеш, Индонезии, Филиппин, Мексики. В некоторых странах этот показатель увеличивался особенно сильно (в разы или на порядок) вследствие появления у них несоизмеримо больших, дешевых для них энергоносителей, например, гидроэнергии в Парагвае, газа — в Бангладеш, нефти и газа — в Объединенных Арабских Эмиратах и Экваториальной Гвинее.

Хотя многие страны из приведенных в предыдущем абзаце примеров лидируют в мире по масштабам экономики (Китай — 1‑е место, Индия — 3‑е) или темпам экономического роста (Экваториальная Гвинея — 1‑е место, Китай — 2‑е, Вьетнам — 5−6‑е), энергозатратная модель развития теряет популярность. Многие из этих государств постепенно отходят от нее: в нынешнем веке абсолютный объем энергопотребления в них стал расти существенно медленнее экономики; среди них — Китай, Индия, Южная Корея, Индонезия. Эти государства все больше уподобляются странам, сильно сократившим удельное или даже абсолютное энергопотребление на фоне увеличения экономики. В общем, в мире постепенно исчезает прямая пропорциональность экономического роста количеству потребляемой энергии, характерная для XIX—XX вв.еков. Между тем в XXI столетии набирают силу новые явления, способные поставить эту тенденцию под вопрос.

Энергоизобилие
На протяжении большей части истории энергопотребление ограничивалось лишь техническими возможностями и стоимостью ресурсов. Со второй половины XX века всё сильнее проявляются новые факторы, определяющие объем и структуру энергопотребления. Экономия энергии, сокращение удельного энергопотребления становятся необходимостью потому, что экономика и население планеты достигают критических величин. При прежней модели производства и потребления энергии это привело бы к опасному увеличению нагрузки на природу и ускоренному исчерпанию первичных энергоресурсов. Возрастает риск труднообратимой дестабилизации системы жизнеобеспечения человечества, так что оно вынуждено перейти к модели устойчивого развития, предполагающей, что на фоне дальнейшего роста мирового хозяйства и населения давление на окружающую среду больше не будет увеличиваться, а энергоресурсы — катастрофически таять.

В последнее время этот фактор выдвинулся на передний план и в ряде стран мира начинает играть главенствующую роль в определении энергобаланса, затмевая такие традиционные факторы, как «техника» и «экономика». Появление в последние 20−30 лет климатической составляющей природоохранных показателей производства и потребления энергии дополнительно стимулирует долгосрочную радикальную перестройку глобального энергобаланса.

Одним из важнейших условий устойчивого развития признан переход к модели производства и потребления энергии, основанной на использовании возобновляемых или квазивозобновляемых ее источников и сводящей к минимуму воздействие на окружающую среду. Такой модели (назовем ее «зеленой» энергетикой) отвечает постепенная замена в глобальном балансе первичных источников энергии большей части исчерпаемого и экологически грязного энергоресура — ископаемого органического топлива (ныне составляющего свыше 80% энергобаланса) — на возобновляемые энергоисточники и атомную энергию (признаваемую, впрочем, наравне с ВИЭ лишь частью государств). «Позеленение» энергетики дает труднооспоримый экологический, в том числе климатический, эффект, однако с формальными параметрами энергоэффективности и текущими экономическими показателями все не так однозначно.

Недостатки ископаемого органического топлива — экологические последствия его использования и исчерпаемость (как правило, в отдаленной перспективе, в случае угля измеряемой сотнями лет); однако его применение нередко весьма эффективно с точки зрения экономики и КПД. Замена такого топлива на «зеленые» источники в сравнительно редких случаях сопровождается повышением КПД (например, при замещении преимущественно гидрогенерацией, что возможно для меньшинства крупных энергосистем). И если некоторые экономические характеристики ВИЭ быстро улучшаются и кое-где уже перегоняют показатели традиционной энергетики, то КПД ряда видов ВИЭ (в частности, наиболее распространенной ветровой и солнечной генерации) сильно отстает от характеристик лучших источников, работающих, например, на газе (до ~62% для современнейших парогазовых установок). Прямое замещение ископаемого органического топлива биотопливом также приводит к некоторому снижению КПД двигателей и генерации, кроме того, оно неоднозначно с точки зрения экономики и экологии.

«Позеленение» энергетики меняет формы использования энергии, и это чаще сопровождается повышением номинального расхода первичных энергоресурсов, чем снижением. Одна из главных тенденций долгосрочного изменения структуры конечного потребления энергии — повышение в нем доли электричества («электрификация энергобаланса»): 50 лет назад на электричество приходилось менее 10% глобального конечного энергопотребления, сегодня — около 20%, а еще через полвека, как полагает Мировое энергетическое агентство, эта доля может увеличиться до ~50%. Часть связанного с этим процесса — замена ДВС электродвигателями на транспорте, в том числе распространение электромобилей — в большинстве случаев ведет к снижению системного КПД. Другая тенденция изменения сферы энергопотребления — развитие водородной энергетики — также во многих случаях вызывает снижение системного КПД, поскольку водород как химическое топливо, в отличие от природных углеводородов, требует значительных энергозатрат для массового производства и представляет собой не источник энергии, а средство ее накопления с потерями.

Еще один неоднозначный аспект связан с энергосбережением: «позеленение» энергетики иногда дестимулирует его. Например, распространение ВИЭ ведет к расширению сегмента электроэнергетики с низкой текущей себестоимостью и умеренными капитальными затратами (за последние 10 лет выработка на единицу капитальных затрат ветровой генерации увеличилась в среднем по миру в ~2 раза, солнечной — в ~8 раз). При таких условиях, например, у владельцев индивидуальных и кооперативных ветроустановок и систем аккумулирования энергии, имеющих высокую надежность, низкие эксплуатационные затраты и длительные сроки службы, снижаются стимулы экономии электричества: им почти все равно, каким будет расход энергии от принадлежащих им источников, способных при этом покрывать иногда большую часть потребностей во многие периоды времени. Учитывая также отсутствие в данном случае серьезных экологических ограничений и издержек, такая ситуация не способствует экономии энергии.

Получается, что «позеленение» энергетики нередко сопровождается снижением энергоэффективности. Однако при рассмотрении «зеленой» энергетики само понятие энергоэффективности требует переосмысления. Энергоэффективность традиционно подразумевает сокращение удельного расхода и потерь энергоресурсов во всех звеньях цепи — от производства до конечного потребления энергии. Однако при использовании ВИЭ расход первичной энергии не играет такой же роли, как для энергетики на ископаемом органическом топливе, поскольку энергоносители некоторых ВИЭ практически неисчерпаемы и могут иметь (почти) нулевую стоимость. В случае атомной энергетики с открытым ­ядерно-­топливным циклом стоимость первичных энергоносителей ощутима, но гораздо ниже, чем у органического топлива для генерации (в расчете на единицу вырабатываемой энергии).

Переход к замкнутому уран-плутониевому ЯТЦ и использование ториевого цикла (если такие решения будут приняты) могут расширить потенциальную топливную базу атомной энергетики, основанной на делении тяжелых ядер, на два порядка, делая этот источник квазивозобновляемым. Ожидаемая термоядерная энергетика имеет топливную базу, которая так же неисчерпаема, как и возобновляемые источники, но может превзойти их по глобальному энергетическому потенциалу.

В общем, в системе, где преобладают возобновляемые или квазивозобновляемые источники, потребление первичной энергии и конечное энергопотребление могут увеличиться, однако такая система может быть все равно экономичнее использующей меньше энергоресурсов, которые, однако, исчерпаемы и дороги. Хотя сравнивать формальные цифры КПД «зеленой» и традиционной энергетики на органическом топливе не всегда корректно, борьба за увеличение «зеленого» КПД все же не лишена экономического смысла: его повышение дает, например, дополнительную единичную мощность в случае возобновляемой генерации, что еще больше удешевляет ее и иногда расширяет возможности применения.

Итак, вопреки расхожему представлению о безупречности «зеленой» энергетики, она может быть весьма расточительной. Как было показано выше, индустриальная революция XIX века поначалу потребовала потерь в энергоэффективности и добычи огромных для того времени масс избыточных энергоносителей; «зеленая» энергетическая революция XXI века нуждается в похожих жертвах. В то же время, как и полтора-два века назад, очередной технологический скачок несет преимущества, полностью затмевающие потери в «энергетической бухгалтерии». По мере вытеснения ископаемого органического топлива из энергобаланса и дальнейшего удешевления «зеленых» энергоисточников вопрос о номинальном расходе энергии будет все менее чувствительным для экологии и экономики. А значит, лихорадка энергосбережения, охватившая мир, в будущем поутихнет.