Читать книгу Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого - Vaclav Smil, Вацлав Смил - Страница 7

Как определить это фундаментальное понятие? Греческое происхождение этого слова очевидно. Аристотель в своей «Метафизике» соединил ἔν («в») с ἔργον («работа») и сделал вывод, что существование любого объекта поддерживается ἐνέργεια[26].

За последующие 2 тысячи лет никаких существенных изменений в понимании энергии не произошло. Затем Исаак Ньютон (1643–1727) сформулировал основные физические законы, связывающие массу, силу и движение, и его второй закон движения позволил определить основную единицу энергии. В терминах современных единиц измерения 1 джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы, равной 1 ньютону на расстояние одного метра в направлении действия силы[27]. Но это определение относится только к кинетической энергии и явно не дает интуитивного понимания энергии во всех ее формах.

Практическое понимание энергии было значительно расширено в XIX в. благодаря большому количеству экспериментов с горением, теплотой, излучением и движением[28]. В результате появилось наиболее распространенное определение энергии: «способность производить работу». Это определение правомерно только при условии, что термин «работа» обозначает не только некий вложенный труд, но и, как выразился один из ведущих физиков той эпохи, общий физический «акт изменения конфигурации системы, направленный против силы, сопротивляющейся этому изменению»[29]. Тем не менее это определение все еще очень похоже на ньютоновское и далеко от интуитивного.

Пожалуй, на вопрос «что такое энергия?» лучше всего ответил один из самых выдающихся и разносторонних физиков XX в. Ричард Фейнман, который в своих знаменитых «Лекциях по физике» со свойственной ему прямотой подчеркнул, что «энергия имеет множество разных форм и для каждой из них есть своя формула: энергия тяготения, кинетическая энергия, тепловая энергия, упругая энергия, электроэнергия, химическая энергия, энергия излучения, ядерная энергия, энергия массы».

А потом сделал обескураживающий, но очевидный вывод:

Важно понимать, что физике сегодняшнего дня неизвестно, что такое энергия. Мы не считаем, что энергия передается в виде маленьких пилюль. Ничего подобного. Просто имеются формулы для расчета определенных численных величин, сложив которые мы получаем число… всегда одно и то же число. Это нечто отвлеченное, ничего не говорящее нам ни о механизме, ни о причинах появления в формуле различных членов[30].

Так оно и есть. Мы можем использовать формулы для очень точного вычисления энергии летящей стрелы или реактивного самолета, потенциальной энергии массивного камня, готового скатиться с вершины горы, тепловой энергии, получаемой в результате химической реакции, световой (лучистой) энергии мерцающей свечи или сфокусированного лазера – но не можем свести все эти виды энергии в единое, легко определяемое понятие.

Тем не менее неуловимая природа энергии не смущала армии современных экспертов: с начала 1970-х гг., когда энергия стала темой широкого обсуждения, они с необыкновенным невежеством и вдохновением рассуждали об энергии. Энергия относится к самым трудным для понимания и неверно интерпретируемым понятиям, и плохое знание основ привело к многочисленным иллюзиям и заблуждениям. Как мы видели, энергия существует в разных видах, и, для того чтобы извлечь из нее пользу, необходимо преобразовать один ее вид в другой. Но раньше эту многогранную абстракцию рассматривали как нечто целое, словно разные виды энергии легко взаимозаменяемы.

Некоторые из этих замен на самом деле относительно просты и полезны. Польза от замены свечей (в них химическая энергия воска превращается в лучистую энергию) электрическими лампочками, для которых требуется электроэнергия, вырабатываемая паровыми турбинами (химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепло, а затем в электрическую энергию, которая затем превращается в лучистую энергию), совершенно очевидна – безопаснее, ярче, дешевле и надежнее. Замена паровозов и тепловозов электровозами обеспечила более дешевую, чистую и быструю перевозку грузов и людей: все скоростные поезда электрические. Но многие желательные замены остаются дорогостоящими, нереализуемыми в настоящее время или невозможными в требуемых масштабах – независимо от того, как громко рекламируются их достоинства.

Самым распространенным примером из этой категории являются электромобили: в настоящее время они доступны, а лучшие модели достаточно надежны, но в 2020 г. они все еще были дороже автомобилей того же класса с двигателем внутреннего сгорания. Что касается второй категории, то в следующей главе я подробно расскажу о том, что синтез аммиака, необходимого для производства азотных удобрений, в настоящее время в значительной степени зависит от природного газа как источника водорода. Водород можно получить путем разложения (электролиза) воды, но этот способ почти в пять раз дороже, чем процесс извлечения водорода из весьма распространенного и дешевого метана, – масштабное промышленное производство водорода нам еще предстоит создать. Ярчайшим примером последней категории может служить использование самолетов на электрической тяге для дальних перелетов (эквивалент Boeing 787 с керосиновыми двигателями для путешествия из Нью-Йорка в Токио): как мы убедимся, это преобразование энергии еще долго будет оставаться нереалистичным.

Первый закон термодинамики утверждает, что при преобразовании энергии не происходит ее потерь: из химической в химическую при переваривании пищи, из химической в механическую при сокращении мышц, из химической в тепловую при сжигании природного газа, из тепловой в механическую при вращении турбины, из механической в электрическую внутри генератора или из электрической в электромагнитную в виде света, освещающего страницу этой книги. Тем не менее любое преобразование энергии приводит к рассеиванию тепла: энергия не теряется, но уменьшается ее полезность, способность совершать нужную нам работу (второй закон термодинамики)[31].

Все виды энергии можно измерять в одних и тех же единицах; в естественных науках используют джоуль, а в работах по диетологии – калорию. В следующей главе, где я подробно расскажу о масштабных энергетических субсидиях в современную пищевую промышленность, мы столкнемся с разными свойствами энергии, имеющими жизненно важное значение. Производство курятины требует энергии, во много раз превышающей ту, что содержится в пригодном для еды мясе. Мы можем подсчитать уровень субсидий в виде отношения энергий (затраченные джоули/полученные джоули), однако между затраченной энергией и результатом существует очевидная разница: мы не можем питаться соляркой или электричеством, тогда как нежирное куриное мясо представляет собой почти идеальную пищу, содержащую высококачественный белок, необходимый макроэлемент, который невозможно заменить эквивалентным количеством энергии из жиров или углеводов.

Когда речь идет о преобразовании энергии, перед нами открывается широкий выбор, причем разные способы обладают разной эффективностью. Высокая плотность химической энергии в керосине и дизельном топливе подходит для межконтинентальных перелетов или морских перевозок, но, если вы хотите, чтобы подводная лодка пересекла Тихий океан, не всплывая на поверхность, лучшим решением будет расщепление урана в маленьком реакторе для выработки электричества[32]. А на земле крупные ядерные реакторы являются наиболее надежными источниками электричества: некоторые из них вырабатывают электроэнергию 90–95 % времени, тогда как для лучших морских ветряных турбин этот показатель не превышает 45 %, а для фотоэлементов – 25 % даже в самом солнечном климате (в Германии солнечные панели вырабатывают электроэнергию только около 12 % времени)[33].

Все это элементарная физика или электротехника, но эти реалии игнорируются на удивление часто. Еще одна распространенная ошибка – путать энергию и мощность, и такое происходит еще чаще. Эта ошибка выдает незнание основ физики, и, к сожалению, ее совершают не только дилетанты. Энергия – это скаляр, и в физике характеризуется только величиной; скалярными также являются такие известные величины, как объем, масса, плотность, время. Мощность характеризует энергию в единицу времени и поэтому аналогична скорости (в физике скорость указывает на изменения, обычно в единицу времени). Установки, вырабатывающие электроэнергию, как правило, характеризуются мощностью, но мощность – это всего лишь скорость производства или потребления энергии. Мощность вычисляется делением энергии на время: единица ее измерения, используемая в науке, называется ватт = джоуль/секунда. Энергия равняется мощности, умноженной на время: джоули = ватты × секунды. Если вы зажжете маленькую свечку в католическом соборе, она может гореть 15 часов, преобразуя химическую энергию воска в тепло (тепловую энергию) и свет (электромагнитную энергию), а ее средняя мощность составит почти 40 Вт[34].

К сожалению, даже в технической литературе встречаются такие абсурдные выражения, как «электростанция вырабатывает 1000 МВт электроэнергии». Электростанция может иметь установленную мощность 1000 мегаватт – то есть вырабатывать столько электричества, – но при этом произведет 1000 мегаватт-часов или (в единицах, используемых в науке) 3,6 триллиона джоулей энергии в час (1 000 000 000 Вт × 3600 секунд). Аналогичным образом скорость основного обмена веществ взрослого мужчины (энергия, необходимая для поддержания всех функций организма в полном покое) составляет около 80 Вт, или 80 джоулей в секунду; мужчине весом 70 килограммов, неподвижно лежащему весь день, потребуется приблизительно 7 мегаджоулей (80 × 24 × 3600) пищевой энергии, или около 1650 килокалорий, чтобы поддерживать температуру тела, обеспечивать сокращение сердца, а также осуществлять мириады ферментативных реакций[35].

В последнее время непонимание сути энергии привело к тому, что сторонники нового «зеленого» мира наивно призывают к почти мгновенному переходу от мерзкого грязного ископаемого топлива, запасы которого ограниченны, к более совершенному, не загрязняющему окружающую среду и возобновляемому солнечному электричеству. Но жидкие углеводороды, извлекаемые из сырой нефти (бензин, авиационный керосин, дизельное топливо, мазут) обладают наибольшей плотностью энергии из всех доступных источников и поэтому больше всего подходят для всех видов транспорта. Вот как выглядит лестница плотности энергии (в гигаджоулях на тонну): сухое дерево – 16, битуминозный уголь (в зависимости от качества) – 24–30, керосин и дизельное топливо – около 46. В терминах объема плотность энергии (все величины в гигаджоулях на кубический метр) дерева – 1, качественного угля – 26, керосина – 38. Плотность энергии природного газа (метана) составляет всего лишь 35 МДж/м³ – менее 1/1000 плотности энергии керосина[36].

Значение плотности энергии – а также физических свойств топлива – для транспорта очевидно. Океанские лайнеры с паровыми турбинами не сжигают дерево, поскольку при прочих равных условиях дерево займет в 2,5 раза больший объем, чем качественный битуминозный уголь, необходимый для пересечения океана (и будет как минимум на 50 % тяжелее), что значительно уменьшит эффективность перевозки людей и товаров. Самолеты на природном газе нереализуемы, потому что плотность энергии у метана на три порядка меньше, чем у авиационного керосина; уголь тоже не подходит – разница в плотности энергии не столь велика, но он не потечет из расположенных в крыльях баков к двигателям.

Преимущества жидкого топлива не ограничиваются высокой плотностью энергии. В отличие от угля, сырую нефть гораздо легче добывать (нет нужды отправлять шахтеров под землю или портить ландшафт карьерами), хранить (в цистернах или под землей, поскольку из-за гораздо более высокой плотности энергии сырой нефти любое замкнутое пространство вмещает на 75 % больше энергии в виде жидкого топлива, чем в виде угля) и перемещать (танкерами или с помощью трубопроводов, самого безопасного вида транспортировки на большие расстояния), и поэтому она легко доступна там, где в ней возникает потребность[37]. Сырая нефть требует перегонки, чтобы разделить сложную смесь углеводородов на фракции (бензин является самой легкой фракцией, мазут – самой тяжелой), но этот процесс позволяет получить более ценные виды топлива для конкретных нужд, а также незаменимые побочные продукты, такие как смазочные масла.

Смазка нужна для минимизации трения во всех движущихся механизмах, от громадных турбореактивных двигателей широкофюзеляжных авиалайнеров до миниатюрных подшипников[38]. Самым крупным потребителем смазочных материалов является автомобильный сектор (в настоящее время на дорогах мира насчитывается более 1,4 миллиарда автомобилей), следующей идет промышленность (самые большие рынки – текстильная, энергетическая, химическая и пищевая), затем океанские суда. Ежегодное потребление смазочных материалов превышает 120 мегатонн (для сравнения: суммарное производство всех пищевых масел, от оливкового до соевого, составляет около 200 мегатонн в год), а поскольку доступная альтернатива – синтетическая смазка, изготовленная из более простых, но, как правило, тоже получаемых из нефти компонентов, а не непосредственно из сырой нефти, – обходится дороже, потребность в них будет расти по мере роста промышленности во всем мире.

Еще один продукт, получаемый из сырой нефти, – асфальт. В настоящее время в мире производится порядка 100 мегатонн этого черного липкого материала; 85 % используется для дорожного покрытия (горячие и теплые асфальтовые смеси), остальное для кровли[39]. Есть и другие способы использования углеводородов не в качестве топлива. Они – незаменимое сырье для самых разных процессов химического синтеза (в основном получения этана, пропана и бутана из сжиженного природного газа), при производстве синтетических волокон, смол, клеящих веществ, красок и покрытий, растворителей и пестицидов – без всего этого современный мир не может существовать[40]. Учитывая эти преимущества и полезные свойства, совершенно очевидно – и неизбежно, – что наша зависимость от сырой нефти будет расти по мере ее удешевления и возможности доставки в любую точку мира.

Переход от угля к сырой нефти растянулся на несколько поколений. Промышленная добыча сырой нефти началась в 1850-х гг. в России, Канаде и США. Скважины, которые бурили древним ударным способом, когда тяжелый буровой снаряд забивается в почву, были неглубокими, а главным продуктом примитивной перегонки нефти оставался керосин для ламп (который заменил китовую ворвань и свечи)[41]. Новые рынки для продуктов перегонки нефти появились только после широкого распространения двигателей внутреннего сгорания: сначала изобрели бензиновые двигатели (с использованием цикла Отто) для легковых автомобилей, автобусов и грузовиков, затем более эффективные двигатели конструкции Рудольфа Дизеля, топливом для которых служила более тяжелая и дешевая фракция (солярка, как вы уже догадались) и которые ставились преимущественно на суда, грузовики и тяжелое машинное оборудование (более подробно об этом см. главу 4, посвященную глобализации). Распространение этих новых первичных двигателей было медленным, и до Второй мировой войны количество владельцев личных автомобилей быстро росло только в США и Канаде.

Сырая нефть стала глобальным топливом и в конечном итоге самым главным источником первичной энергии благодаря открытию гигантских нефтяных месторождений на Ближнем Востоке и в СССР – и, разумеется, благодаря появлению больших танкеров. Некоторые крупные месторождения на Ближнем Востоке начали разрабатывать еще в 1920-х и 1930-х гг. (иранский Гечсаран и иракский Киркук в 1927 г., кувейтский Бурган – в 1937 г.), но большинство были открыты после войны, в том числе Гавар (крупнейшее в мире) в 1948 г., Сафания в 1951 г. и Манифа в 1957 г. – все в Саудовской Аравии. В Советском Союзе самые богатые нефтяные месторождения были открыты в 1948 г. (Ромашкинское в Волго-Уральской нефтегазоносной области) и в 1965 г. (Самотлорское в Западной Сибири)[42].