Читать книгу Энергия и цивилизация - Vaclav Smil, Вацлав Смил - Страница 6

Использование стандартных единиц для измерения запасов и потоков энергии с физической точки зрения очевидно и с точки зрения науки приемлемо, но все равно все сведения в общем знаменателе могут сбивать нас с толку. В первую очередь, здесь не учитываются критичные качественные различия между разными видами энергии. Два вида угля могут иметь одинаковую плотность энергии, но один может гореть хорошо и оставлять малое количество пепла, в то время как другой горит плохо, выделяет много диоксида серы и оставляет большое количество несгораемого материала. Изобилие угля с высокой плотностью энергии – идеальная ситуация для снабжения топливом паровых машин (часто используемый термин «бездымный» можно принять только как относительный), и именно такое изобилие стало важнейшим фактором, на котором базировалось доминирование Великобритании на морях в XIX веке, поскольку ни у Франции, ни у Германии не было больших запасов угля сравнимого качества.

Абстрактные единицы энергии не показывают различие между съедобной и несъедобной биомассой. Равные массы семян пшеницы и сухой соломы от пшеницы содержат в принципе одно и то же количество тепловой энергии, но солома, большей частью состоящая из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, не переваривается людьми, в то время как семена пшеницы (в составе около 70 % сложных крахмалистых углеводов и до 14 % белка) – прекрасный источник основных питательных веществ. Показатели также не учитывают конкретное происхождение пищевой энергии, проблему большой важности для правильного питания. Многие высокоэнергетические виды пищи не содержат или содержат в малом количестве белок и жиры, два питательных вещества, необходимых для нормального роста и функционирования тела, и не могут обеспечить организм микроэлементами – витаминами и минералами.

Имеются и другие важные качества, скрытые за абстрактными измерениями. Доступ к запасам энергии – совершенно очевидно важный момент. Древесина ствола и ветвей имеет одинаковую плотность энергии, но без качественных топоров и пил люди во многих доиндустриальных обществах могли только собирать ветви. Это все еще норма в наиболее бедных регионах Африки и Азии, где дети и женщины собирают древесную фитомассу; особенности траспортировки тоже имеют значение, поскольку древесину (ветки) приходится переносить на голове, и часто на значительные расстояния. Легкость использования и эффективность преобразования могут быть обманчивыми в процессе выбора топлива. Дом можно обогревать деревом, углем, бензином или природным газом, но лучшие газовые котлы сейчас показывают 97 % эффективности, поэтому они много дешевле в использовании.

Сжигание соломы в простых печах требует частого добавления топлива, а большие куски дерева могут гореть без присмотра долгими часами. Отсутствие вентиляции (или плохая вентиляция – через дыру в потолке) при сжигании сухого навоза сопровождается большим количеством дыма, а горение высушенных дров в хорошей печи – малым, при этом отравление продуктами горения в собственном доме остается важной причиной дыхательных заболеваний во многих бедных странах (McGranahan and Murray 2003; Barnes 2014). И если не уточнять их происхождение, то плотность энергетических потоков не будет отличаться в случае возобновляемых источников и ископаемого топлива, хотя различие между ними фундаментально в понимании природы и долговечности той или иной энергетической системы. Современная цивилизация возникла благодаря массовому и все растущему потреблению ископаемого топлива. Но такая практика очевидным образом ограничена тем, что эти запасы конечны и что последствия сжигания углеводородов негативны, так что высокоэнергетические общества могут выжить, только постепенно переходя на другие источники энергии.

Дальнейшие сложности возникают, когда сравниваешь эффективность одушевленной и неодушевленной трансформации энергии. В последнем случае это просто соотношение затрат топлива или электричества и полученной в результате энергии, но в первом ежедневный расход пищи нельзя рассматривать как энергетические затраты, поскольку большая часть полученной энергии уходит на поддержание базового метаболизма – работу внутренних органов, циркуляцию крови, сохранение температуры тела. А базовый метаболизм надо поддерживать вне зависимости от того, работают или отдыхают люди или животные. Расчет полезных энергетических затрат, возможно, является наиболее удовлетворительным решением (примечание 1.10).

Примечание 1.10. Расчет полезных энергетических затрат человеческого труда

Не существует универсального общепринятого способа выразить энергетические затраты на человеческий труд, и расчет полезных затрат, возможно, наилучший выбор: это потребление энергии человеком сверх того, что является жизненно необходимым, что требуется, даже если не выполняется никакой работы. Подобный подход описывает труд человека через актуальный прирост затрат энергии. Общие затраты энергии – результат умножения базовой (в состоянии покоя) скорости метаболизма и уровня физической активности (ОЗЭ = БСМ х УФА), и прирост затрат энергии будет очевидным образом составлять разницу между ОЗЭ и БСМ. БСМ взрослого мужчины весом 70 кг будет около 7,5 МДж/сутки, женщины весом 60 кг – около 5,5 МДж/сутки. Если мы предположим, что тяжелая работа увеличивает дневной расход энергии на 30 %, то полезные затраты составят 2,2 МДж/сутки для мужчины и 1,7 МДж/сутки для женщины. Поэтому я буду использовать 2 МДж/сутки во всех приблизительных расчетах полезного дневного расхода энергии при добывании пищи, традиционном сельском хозяйстве и работе на производстве.

Дневное количество пищи нельзя рассматривать как энергетические поступления на трудовые затраты: базовый метаболизм (работа внутренних органов, циркуляция крови, поддержание температуры тела) протекает вне зависимости от того, работаем мы или отдыхаем. Изучение физиологии мускулов, особенно труды Арчибальда В. Хилла (1886–1977, лауреат Нобелевской премии 1922 года) дали возможность измерить эффективность мышечной работы (Hill 192; Whipp and Wasserman 1969). Коэффициент полезного действия при аэробной нагрузке около 20 %, и это значит, что 2 МДж/сутки метаболической энергии, затраченной на физическую работу, произведут полезной работы на величину, эквивалентную 400 кДж/сутки. Я буду использовать это приближение во всех последующих вычислениях. И для сравнения, коллеги (Kander, Malanima and Warde 2013) использовали общее потребление пищи, а не актуальные затраты полезной энергии в своем историческом сравнении источников энергии. Они приняли среднее потребление пищи в год 3,9 ГДж/сутки на особь, и это значение не менялось с 1800 по 2008 год.

Но даже в намного более простых обществах, чем наше, значительную часть труда составляет умственный – принятие решений о том, как подступиться к задаче, как выполнить ее при имеющихся ресурсах, как снизить энергетические издержки. Метаболические затраты на размышления, даже очень напряженные, невелики по сравнению с постоянным мускульным напряжением. С другой стороны, умственное развитие требует многих лет, знакомства с языком, социализации и обучения как прямого, так и посредством накопления опыта, и по мере того, как общество усложняется, этот процесс становится все более сложным и долгим, обзаводится собственными социальными институтами вроде школ и университетов. А все это требует значительных косвенных затрат энергии на поддержание как материальной инфраструктуры, так и нематериальных человеческих познаний.

Круг замкнулся.

Я отметил потребность в количественных оценках, но реальное понимание роли энергии в истории требует намного большего, чем простое сведение всего к различным числам в джоулях и ваттах, и игр с этими числами для получения всеобъемлющих объяснений. Мне придется справиться с этим вызовом, используя широкий подход: я буду применять конкретные значения плотности энергии и мощности и указывать на повышение КПД, но при этом не стану игнорировать многие качественные моменты, относящиеся к использованию различных видов энергии. И пусть императивы энергетических потребностей и способов использования энергии наложили глубокий отпечаток на наше прошлое, многие детали и последствия этих фундаментальных эволюционных детерминант могут быть объяснены только с точки зрения человеческих мотиваций и предпочтений и только признанием тех удивительных и часто необъяснимых выборов, которые направляют историю нашей цивилизации.