Чтобы в экономике началось движение материалов, необходима энергия, которая уходит на добычу их из природных месторождений или на их промышленное производство от простой механической обработки до сложных химических реакций. Эту энергию можно условно разделить на два типа: прямые потоки топлива и электричества, расходуемые в ходе производства на выработку механической энергии, тепла, давления, освещения, а также на электронное управление процессами, и непрямые потоки (скрытые энергетические потоки), включающие энергию, потраченную на производство требуемых материалов, машин, оборудования, а также на строительство инфраструктуры. В современных производственных системах в основном доминирует первая категория энергетических потоков. Например, чтобы выплавить тонну железа из руды в доменной печи, энергии (в форме кокса, дополнительного угля, газа или нефти) уйдет намного больше, чем ушло на производство стали для самой печи, на футеровку, на изготовление устройств формирования шихты, если рассчитывать пропорционально на единицу продукции. Современные доменные печи обходятся без смены футеровки до двух десятилетий, выплавляя за это время десятки миллионов тонн горячего металла. Схожим образом на обеспечение высоких показателей температуры и давления, необходимых для химического синтеза, уходит гораздо больше энергии, чем было потрачено на производство сосудов, трубок, бойлеров, компрессоров, компьютерных средств управления (опять же при расчете на единицу конечной продукции). Поэтому вторую категорию затрат энергии почти всегда игнорируют. А чуть больше двух поколений назад в большинстве отраслей промышленности не было причин изучать даже прямые энергопотоки: в течение многих десятилетий реальные цены на топливо и электричество оставались низкими, порой снижаясь еще больше, и только в тех секторах, где затраты электричества и топлива непомерно высоки (например, где используются электрохимические процессы или ведется высокотемпературный синтез под давлением), предприятия пытались снизить общие расходы энергии, чтобы стать более прибыльными. Общераспространенная практика не обращать внимания на энергозатраты внезапно прекратилась, когда страны ОПЕК запустили первый раунд роста цен на нефть, (1973–1974), в результате чего за несколько месяцев нефть подорожала в пять раз; ситуация стала еще более тревожной после второго раунда ценовых манипуляций со стороны ОПЕК (обусловленных свержением иранской монархии), по итогам которого средняя цена барреля ближневосточной нефти повысилась с 12 долларов в 1977 году до почти 36 долларов в 1980-м (BP, 2013). Новая дисциплина, именуемая энергетическим анализом, задается целью отслеживать и количественно оценивать расход энергии не только на добычу и переработку естественных сырьевых товаров, производство готовых изделий, но и на выращивание продовольствия и оказание услуг (IFIAS, 1974; Chapman и соавт., 1974; Verbraeck, 1976; Thomas, 1979). Выбранное обозначение дисциплины обманчиво широко; формулировка «энергетический анализ» предполагает куда больший спектр сбора данных. Скрытые затраты (или затраты, понесенные до начала непосредственного производственного процесса) энергии — термин с описательной точки зрения более корректный, но я всегда предпочитал простое обозначение: затраты энергии. Я одним из первых начал практиковать этот метод; помимо прочего, я стал основным автором первого всеобъемлющего энергетического анализа американской кукурузы — самой важной культуры для этой страны (Smil и соавт., 1983) – поэтому я очень хорошо представляю себе проблемы и недостатки этого метода. Большей частью оценка энергозатрат базируется на одном из двух разных подходов: либо это количественная оценка на основе таблиц затрат и результатов производства по экономической деятельности; либо анализ процесса, в котором отслеживаются все важные потоки энергии, необходимой для производства конкретного сырьевого товара или готового изделия. В первом случае на основе актуальных цен значения энергопотоков в матрице входных и выходных экономических показателей (по основным секторам промышленности, а там, где это возможно — с разбивкой на уровне групп товаров или отдельных основных видов продукции) конвертируются в энергетические эквиваленты, что позволяет собрать данные по прямым и косвенным расходам энергии. В отличие от такого аггрегационного подхода (собирающего данные из дезагрегированных таблиц) процессный анализ (process analysis) фокусируется на конкретном продукте, конкретных обстоятельствах и условиях, связанных с ним: такой анализ определяет все прямые затраты энергии и максимально возможное число категорий непрямых затрат, поэтому сам по себе достаточно ценен как управленческий инструмент. Как и в случае со всеми оценками, основанными на сложных исходных данных и охватывающими многостадийные процессы, результат анализа процесса зависит от того, как установлены границы этого анализа. В большинстве случаев ошибка усечения, связанная с тем, что учитываются исключительно прямые затраты энергии (закупленного топлива и электричества), будет незначительной, но в некоторых ситуациях может оказаться неожиданно весомой. Например, по расчетам Ленцена и Дея (Lenzen и Dey, 2000) затраты энергии на производство стали в Австралии составили 19 ГДж/т если считать с помощью процессного анализа, и 40,1 ГДж/т – если использовать анализ энергозатрат. Схожим образом Ленцен и Трелоур (Lenzen и Treloar, 2002), проведя анализ энергозатрат, получили цифру затрат энергии на строительство четырехэтажного многоквартирного дома в Швеции, в два раза превышавшую аналогичный показатель по результатам процессного анализа Бёрйессона и Густавссона (Börjesson и Gustavsson, 2000). Затруднения возникают еще и из-за увеличения доли сырьевых товаров и продукции, идущих на импорт и экспорт: в отдельных случаях дополнительные затраты энергии на импорт сырья и экспорт готовых изделий совершенно незначительны, в других случаях пренебрежение этими затратами приведет к серьезному занижению показателей. Пусть, например, на двух разных строительных площадках в Нью-Йорке используются две внешне идентичные стальные балки, но одну из них изготовили в США из лома при помощи непрерывного литья и электродуговой печи на интегрированном производстве в Пенсильвании, а другую сделали в Китае, для чего железную руду из Австралии и кокс из индонезийского угля сплавили в доменной печи в одной провинции, а сами балки нарезали из болванок в другой, а затем отправили на кораблях через Тихий океан, а потом еще и перевезли по железной дороге через весь континент. Приблизительные энергозатраты при перевозке на дальние расстояния можно легко подсчитать, исходя из следующих принимаемых средних значений (даны в тонна-километрах для простоты сравнения, упорядочены от наибольших к наименьшим): 30 МДж при перевозке воздушным транспортом, от 1 до 2,5 МДж при использовании грузовых автомобилей с дизельными двигателями (точное значение зависит от размера грузовика), 600–900 кДж при перевозке на дизельных поездах, 200–400 кДж у электропоездов, 100–150 кДж затрачивают малые грузовые суда, и всего 50 кДж на тонна-километр — большие танкеры и сухогрузы (Smil, 2010). Очевидно, что энергоемким воздушным транспортом пользуются только для перевозки грузов с высокой добавленной стоимостью; затраты энергии на перевозку железной руды сухогрузом на расстояние 3000 км от шахты до доменной печи в Китае составят менее 10% от всех энергозатрат на производство стали; а вот на транспортировку строительного камня из Европы или Азии в США может уйти 25–50% от всей энергии, потраченной на обтеску и полировку этого камня. Эти факты следует учитывать при изучении и сравнении показателей, описываемых в текущем разделе. Затраты энергии, которые я даю единообразно в виде гигаджоулей на тонну (ГДж/т) сырья или готовой продукции, весьма информативны с точки зрения расходов и экологического воздействия разнообразных материалов, а также полезны в сравнительном анализе. Но, как и любой аналитический инструмент, такие данные нельзя использовать в качестве единственного основания для принятия решений об использовании те или иных материалов: их необходимо дополнять соображениями о доступности, качестве, долговечности, наконец, эстетичности; если бы все строители мира игнорировали эстетику, то бетон — материал с низкой энергоемкостью — господствовал бы в еще большей степени, чем сейчас. Энергозатраты в настоящем разделе будут представлены в том же порядке перечисления материалов, что и в предыдущей главе: начну с биоматериалов и закончу кремнием. Затраты энергии на производство товарных пиломатериалов (древесины) низки и сопоставимы с аналогичным показателем для многих сыпучих материалов и основных строительных материалов, полученных при их переработке. На валку леса, вывоз стволов, их брусовку и воздушную сушку суммарно уходит не более 500 МДж/т; даже при относительно энергоемкой сушке в печах (на нее уходит 80–90% всей затраченной тепловой энергии) суммарный показатель может достигать 1,5 или превышает 3,5 ГДж/т (если включать резку и строгание) у таких весьма распространенных пиломатериалов, как «брус 2×4», используемый в Северной Америке для строительства каркасов жилых домов. Фактический размер этих брусьев, являющихся прямоугольными призмами, несколько меньше, чем 2×4 (1,5×3,5 дюйма или 38×89 мм), а стандартная длина равняется 8–9 футам. Низкие энергозатраты на древесину также хорошо иллюстрируются тем фактом, что в Канаде они составляют менее 5% энергозатрат на всю продаваемую продукцию (Meil и соавт., 2009). Энергозатраты порядка 1–3 ГДж/т, конечно, являются лишь малой долей затрат на производство древесины, которые для материалов, подвергавшихся воздушной сушке, составляют от 15 до 17 ГДж/т. Очевидно, что энергозатраты на изделия из древесины зависят от степени обработки (FAO, 1990). На тонну ДСП (с плотностью от 0,66 до 0,70 г/см3) уходит от 3 до 7 ГДж, при этом почти 60% этой энергии тратится на сушку стружки, 20% — на горячую прессовку. Затраты энергии на производство фанеры могут разниться в два раза (в зависимости от вида дерева и конкретного производственного процесса) от 7 до 15 ГДж/т, при этом, опять же, 60% тратится на сушку, 10% на прессовку. Все более популярная в коммерческом строительстве клееная древесина производится с расходом от 5 до 12 ГДж на тонну. Энергоемкость бумаги относительно высока. Химический процесс получения древесной массы требует кипячения измельченной древесины в кислотных растворах под давлением, после этого производится еще более энергоемкое обезвоживание свежесваренных волокон, из которых формируются слои бумаги; на тонну бумаги уходит 2,2 тонны древесины, при этом с каждой тонны древесной массы в качестве побочного продукта получают черный щелок, сжигание которого позволяет получить 22 ГДж энергии (сжигая его, бумажный комбинат может поставлять энергию внешним потребителям). Напротив, если древесную массу получают механическим способом, то на ее тонну уходит менее 1,1 тонны древесины, но данный процесс является весьма энергоемким. Максимизировать энергоэффективность бумагоделательного процесса можно путем комбинации этих двух способов. Расход первичной энергии при использовании наиболее эффективных технологий равняется 11 ГДж на тонну воздушно-осушенной крафт-целлюлозы (включая около 650 кВт·ч электричества), может достигать 23 ГДж/т в термомеханическом процессе, а вот при переработке макулатуры минимальные затраты составляют всего 4 ГДж/т (Worrell и соавт., 2008). Расход энергии в бумажном производстве зависит и от того, какой нужен конечный продукт, однако с учетом размера и производительности современных бумагоделательных машин (обычно их длина составляет 150 м, проход — 1800 м/мин, а ежегодный сход бумаги — 300 тысяч тонн) разница оказывается незначительной. Небеленая упаковочная бумага, изготовленная из термомеханической массы, отличается наименьшей энергоемкостью (23 ГДж/т). На тонну тонкой беленой немелованной бумаги из крафт-целлюлозы тратится уже как минимум 27 ГДж, а зачастую более 30 ГДж (Worrell и соавт., 2008). Многие люди удивляются, что энергии на бумагу тратится столько же, сколько уходит на высококачественную сталь. А вот лучший печатный материал — мелованная бумага для коллекционных изданий — фактически может быть менее энергоемкой (примерно 25 ГДж/т), потому что производить и наносить филлер (как правило, мел) выходит дешевле, чем получать волокно из дерева. На переработку газетной бумаги и ткани, а также на их очистку от типографской краски и чернил энергии тратится еще меньше (менее 18 ГДж/т), однако при их переработке можно получить разве что низкокачественную упаковку. На производство строительных заполнителей, обычно заключающееся в добыче сырья и некоторой механической обработке (сортировке, в т.ч. по размеру, дроблении, измельчении, сушке), энергии, как правило, расходуется очень немного; высокий расход топлива и электричества характерен только для термической обработки при изготовлении кирпича, плитки, стекла и, прежде всего, цемента. Энергозатраты на изделия из природного камня низки, обычно составляют порядка 500 МДж на тонну карьерного блока, немногим меньше на тонну щебня, в два раза больше для колотого или грубого тесаного камня, в три-четыре раза (до 2 ГДж/т) - для полированного декоративного камня с высокоточной резкой. Затраты энергии на добычу и переработку песка могут разниться в два раза, но даже при максимальных затратах этот материал относится к наименее энергоемким при расчете по массе. Простейшая последовательность добычи и подготовки, позволяющая получить достаточно чистый песок с одинаковыми по размеру гранулами, затрачивает не более 100 МДж/т; даже на более затратную сортировку гравия (или на дробление при необходимости) уходит значительно меньше 500 МДж/т. Наиболее высокими энергозатратами отличается процесс подготовки промышленного песка, используемого в стеклоделии, производстве керамики и огнеупорных материалов, плавке и литье металлов, а теперь еще и в гидравлическом фракционировании газо- и нефтеносных сланцев: содержание влаги в них понижается до значений менее 0,5% с помощью высокомощных вращающихся сушилок или сушилок с кипящим слоем, на что уходит почти 1 ГДж/т энергии. На обжиг кирпича в низкоэффективных печах в сельских районах Азии затрачивается до 2 ГДж/т; на китайских предприятиях та же процедура расходует 1,1–1,2 ГДж/т (Global Environmental Facility, 2012; Li, 2012). В США на производство качественного кирпича тратится 2,3 ГДж/т (USEPA, 2003). Производство цемента отличается достаточно высокой энергоемкостью, так как для термохимической обработки минерального состава требуются высокие температуры. Кальций и оксиды получают из известняка, кремний, алюминий и железо — из глины, сланцев или отходов; для производства одной тонны цемента (клинкера) измельчается порядка 1,8 тонны сырья, затем их смесь нагревают как минимум до 1450°C. Полученный после спекания клинкер снова измельчают с добавлением других материалов для получения мелкофракционного портландцемента. Зола, захватываемая на угольных электростанциях, и шлак из доменных печей могут добавляться в смесь, чтобы снизить расход клинкера. Дополнительная энергия затрачивается на вращение больших печей. Эти наклонные (3,5–4°) металлические цилиндры, как правило, достигают примерно 100 (максимум — 230) метров в длину, 6–8 метров в диаметре, совершают 1–3 оборота в минуту; сырьевой материал (шихта) подается вниз, где сталкивается поднимающимися горячими газами (Peray, 1986; FLSmidth, 2011). Если же анализировать энергозатраты с поэтапной разбивкой, то наименьшую энергонагрузку представляет добыча минералов (известняка, глины и сланцев), а также их доставка к цементным печам. Подготовка сырья для печей — процесс весьма электроемкий, так как на дробление и измельчение шихты тратится примерно 25–35 кВт·ч на тонну, на измельчение и транспортировку конечного продукта (клинкера) — как минимум 32–37 кВт·ч/т (Worrell и Galitsky, 2008). Основная часть энергии тратится на пирообработку — процесс, состоящий из нескольких фаз. Сначала производится испарение воды, затем разложение глин, из которых получают SiO2 ; известняк или доломит кальцинируется, чтобы получить CaCO3 , затем формируется белит (Ca2 SiO4 , на него приходится примерно 15% всей массы клинкера), после чего наконец осуществляется спекание и производство алита (Ca3 O ∙ SiO4 , составляет примерно 65% массы клинкера) (Winter, 2012). Общий расход энергии в производстве цемента разнится в зависимости от основного вида использованного топлива, источника электроэнергии, а также технологии производства. Средний удельный энергорасход в цементной промышленности снизился, так как на смену старому «влажному» методу пришел более эффективный «сухой» процесс. Наибольшим расходом энергии в сухом процессе отличается фаза измельчения сырья и клинкера; немало энергии уходит и на питание и охлаждение печей. Суммарно на все это приходится более 80% совокупных энергозатрат, составляющих 90–120 кВт·ч на тонну цемента (Madlool и соавт., 2011). На разогрев сушильных печей (большей частью на это тратят уголь, нефтяной кокс, а также отходы (в США); в Китае — в основном только уголь) уходит 3–4 ГДж/т; печи с четырьмя или пятью стадиями преднагрева расходуют 3,0–3,5 ГДж/т, при шестистадийном нагреве достаточно 2,9–3 ГДж/т (IEA, 2007; Worrell и Galitsky, 2008). При максимальной достигнутой к текущему моменту производительности затраты первичной энергии на производство портландцемента составляют 3,3–3,5 ГДж/т, на производство цемента с золой-уносом или шлаком из доменных печей — 2,4 ГДж/т и 2,1 ГДж/т, соответственно (Worrell и соавт., 2008). А вот в бедных странах заводы до сих пор тратят 4,5 ГДж энергии на производство одной тонны портландцемента. Как и следовало ожидать, затраты энергии на производство цемента максимальны в Китае. Несмотря на постепенную оптимизацию удельной энергоэффективности, в среднем по Китаю расходовали почти 5 ГДж/т в 2000 году и немногим более 4 ГДж/т в 2007 (тогда на эту отрасль пришлось 7% всего энергопотребления в стране (Sui, 2010)). Внедрение более эффективных сушильных печей позволило снизить среднекитайский показатель до примерно 3,3 ГДж/т к 2010 году. Сейчас принимается множество мер по сокращению выбросов, производимых предприятиями данной отрасли. Расход энергии в стеклоделии составляет от 4 до 10 ГДж/т, в среднем — 7 ГДж/т; тарное и листовое стекло по этому показателю отличаются совсем незначительно (IEA, 2007). Теоретический минимальный расход в стеклоделии (на химические реакции между компонентами, а также на выплавку) равняется примерно 2,4 ГДж/т для боросиликатного и свинцового стекла, 2,8 ГДж/т для общераспространенного натриево-известкового стекла. Как и следовало ожидать, энергозатраты на керамические изделия пропорциональны качеству продукции и степени пирообработки: на неглазурованную плитку уходит всего 6 ГДж/т, на глазурованную уже до 10 ГДж/т, на тонкую керамику вплоть до 70 ГДж/т, на санитарную керамику — около 30 ГДж/т. Стандартным подходом к количественной оценке энергозатрат в железо- и сталелитейной промышленности является включение энергозатрат на уголь, комкование и спекание руды, производство железа и стали, холодный и горячий прокат, цинкование и покрытие; не учитываются энергозатраты на добычу и транспортировку угля и руды, а также на такие энергоемкие исходные материалы, как электроды и огнеупорная футеровка; первоначальная энергоемкость металлолома также игнорируется. Анализ, выполненный (более или менее) в соответствии с такими ограничениями, показывает, что в среднем мировая металлургия тратила примерно 60 ГДж/т в 1950 году, чуть более 30 в 1975-м, около 20 к 2000 году (Yellishetty и соавт., 2010). Сокращение расходов кокса в доменных печах стало основной причиной, почему минимальные затраты энергии на выплавку железа сократились с 30 ГДж/т в 1950 году до 12,5 ГДж/т к концу 90-х гг.; эта цифра всего в два раза больше термодинамического минимума в 6,6 ГДж/т, необходимых для восстановления железа из гематита (de Beer и соавт., 1998). Обычный диапазон затрат энергии составляет 10–13 ГДж/т на функционирование доменной печи, 2–3 ГДж/т на спекание, 0,75–2 ГДж/т на коксование, 1,5–3 ГДж/т на прокат (IEA, 2007). Анализ максимальной результативности, достигнутой в металлургической промышленности при выполнении всего цикла производства железа и стали, показал, что непрерывное литье с использованием доменных и конвертерных печей расходует 16,3–18,2 ГДж/т; прямое восстановление железа с последующим производством стали в электродуговой печи (ЭДП) и разливкой тонкого сляба расходует 18,6 ГДж/т, плавка металлолома в ЭДП и разливка тонкого сляба — всего 6 ГДж/т (Worrell и соавт., 2008). То есть средняя энергоемкость сталелитейного производства значительно ниже в тех странах, которые предпочитают пользоваться наиболее энергоэффективной технологией. МЭА (IEA, 2007) подсчитала энергоемкость необработанной стали в разных странах; из полученной пошаговой прогрессии видно, что средние значения варьируются от 10 ГДж/т (при производстве стали только с ЭДП) до почти 40 ГДж/т; обобщенное значение составило 26 ГДж/т, 90% стали до сих пор производится с разбросом от 14 до 30 ГДж/т. Сравнительный анализ энергозатрат железо- и сталелитейной промышленности в США и Китае хорошо иллюстрируют это обстоятельство: совокупный расход в 2006 году составил 14,9 и 23,11 ГДж на тонну необработанной стали, соответственно (Hasanbeigi и соавт., 2012). Более высокая производственная эффективность в целом является лишь косвенной причиной таких различий; в основном они объясняются значительно более высокой долей электродуговых печей в США: в 2006 году 57% американской стали было выплавлено именно в таких печах, и лишь 11% — китайской, где до сих пор в основном пользуются доменными печами. В результате доля электричества во всей затрачиваемой американской сталелитейной промышленностью первичной энергии составляла 20%, в Китае — всего 10%. Если взять 25 ГДж/т за средний показатель, то получится, что в 2010 году мировой железо- и сталелитейной промышленностью потрачено около 36 ЭДж энергии, то есть около 6% всего мирового потребления первичной коммерческой энергии. Для сравнения, Оллвуд и Каллен (Allwood и Cullen, 2012) оценили этот показатель в 38 ЭДж. Алюминий по сравнению со сталью гораздо более энергоемок в производстве. Расход топлива и электричества в байеровом процессе — от 10 до 13 ГДж на тонну глинозема — составляет лишь малую долю общих расходов, где основным компонентом является электролиз, на которых предпочитают тратить самую дешевую электроэнергию, вырабатываемую большими гидроэлектростанциями. Такие станции поставляют примерно 60% всей электроэнергии, затрачиваемое на производство алюминия в мире. При использовании электродов с обжигом на месте, электричества расходуется чуть-чуть больше, чем при наиболее распространенной технологии, базирующейся на применении предварительно обожженных анодов из каменноугольной смолы или кокса в нефти. На тонну металла уходит не менее 400 кг анодов; само их производство затрачивает около 2,5 ГДж/т топливной энергии и порядка 140 кВт·ч/т электричества. Электролиз постепенно становится более энергоэффективным: с 1900 по 2000 год средний размер батарей, используемых в процессе Холла-Эру, удваивался каждые 18 лет, а расходы электричества сократились с 50 МВт∙ч/т в 1900 году до 25 МВт∙ч/т к 1950 году, а в 2000 году составляли уже менее 13 МВт∙ч/т (Beck, 2001). В среднем затраты на тонну металла в последние годы составляют от 13 до 18 МВт∙ч; взвешенное среднее значение по миру равнялось 15,3 МВт∙ч/т в 2004 году, наименьшими расходами — 14,3 МВт∙ч/т — могла похвастаться Африка (IEA, 2007). Если учесть теоретический минимум — 6,3 МВт∙ч/т — то окажется, что сейчас КПД процесса составляет в лучшем случае 45%. Наименьший расход (13 МВт∙ч) при поставке электроэнергии с гидроэлектростанций эквивалентен почти 50 ГДж/т, наибольший расход — при получении электричества из ископаемых видов топлива — составлял бы почти 200 ГДж/т первичной энергии. Энергия дополнительно тратится на отливку и прокат слитков; на прочие виды деятельности алюминиевых комбинатов тратится еще 7–8 ГДж/т. По данным МЭА взвешенные энергозатраты на всю цепочку производства алюминия составляли в 2004 году 175 ГДж/т; наилучшим результатом в отрасли стало практически то же самое значение — 174 ГДж на тонну металла (Worrell и соавт., 2008). То есть алюминий по энергоемкости в два раза превосходит медь, почти в 10 раз — наиболее экономичные технологии производства стали (непрерывное литье с доменными и конвертерными печами). Всего в 2010 году было произведено 40,8 миллиона тонн алюминия, на что, соответственно, было потрачено порядка 7,1 ЭДж энергии — менее 1,5% совокупных коммерческих поставок первичной энергии. Из-за огромных затрат электроэнергии на производство этого металла его в основном выпускают в странах, где достаточно гидроресурсов, при этом четыре крупнейших производителя — Китай, Россия, Канада и США — выпускают половину всего алюминия в мире. Энергоемкость вторичного (переработанного) алюминия составляет всего 7,6 ГДж/т: эта энергия тратится только на переплавку. Как уже отмечалось ранее, наибольшей энергоемкостью на фоне прочих относительно часто используемых металлов отличается титан (400 ГДж/т), за ним идут никель (160) и медь (в среднем по миру 93 ГДж/т); энергозатраты на производство хрома, марганца, олова и цинка примерно равны и составляют около 50 ГДж/т (IEA, 2007). Неудивительно, что из-за очень низкой концентрации металла даже в самых богатых эксплуатируемых залежах энергоемкость золота и серебра на несколько порядков превышает аналогичный показатель часто используемых металлов: у серебра он в среднем составляет 2,9 ТДж/т (в 30 раз выше, чем у меди), у золота — 53 ТДж/т, примерно в 300 раз больше, чем у алюминия. Пластмассы все без исключения энергоемки, но опубликованные данные по расходам энергии удивительным образом разнятся. В середине 70-х были проведены первые сравнительные исследования затрат энергии на производство этих материалов; оказалось, что весь процесс получения полиэтилена (ПЭ) расходует от 50 ГДж/т в Нидерландах до 116 ГДж/т в США (Berry и соавт., 1975). В отношении полипропилена (ПП) таких расхождений не наблюдалось (расход составлял от 111 до 125 ГДж/т), в отношении ПВХ показатели нидерландских, британских и американских предприятий оказались почти одинаковыми — 69,8, 66,0 и 60,8–70,8 ГДж/т, соответственно. При наиболее подробном отраслевом анализе энергозатрат в химической промышленности США обнаружилось, что в 1997 году на производство ПЭ в среднем уходило 77,4 ГДж/т (20,1 ГДж/т на сырье), энергоемкость ПП составляла в среднем 54,7 ГДж/т, ПВХ — 44,7 ГДж/т, из которых 17 ГДж/т приходилось на сырье. Всемирный банк провел свой анализ энергозатрат на производство ПЭ и выяснил, что на полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) тратится от 87,4 до 107,8 ГДж/т, на полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) — от 74,4 до 116,3; при этом затраты на переработку варьируются от 25–28 ГДж/т до 45 ГДж/т (Vlachopoulos, 2009). Берге (Berge, 2009) в своем обзоре строительных материалов назвал следующие цифры для Европы: 110–115 ГДж на тонну ПЭ и ПП, 80–90 на тонну ПВХ. В своем обзоре передовых практик Уоррелл и соавт. (Worrell и соавт., 2008) обнаружили, что энергозатраты на получение этилена из лигроина и из этана примерно равны и составляют 14–22 ГДж/т и 12,5–21 ГДж/т соответственно. Зависимость современного производства пластмасс от углеводородного сырья не представляла до сих пор большой проблемы, так как данной отраслью расходуется менее 5% всего производимого в мире объема природного газа и сырой нефти. Возросший спрос на пластмассы и высокая стоимость сырья, в особенности сырой нефти, изменят эту ситуацию; в долгосрочной перспективе единственным практичным ответом на постепенное снижение запасов нефтехимического сырья, а также на присутствие в окружающей среде не биоразлагаемых материалов, кажется применение биопластмасс на растительной основе. Однако высокий спрос на композитные материалы, все чаще применяемые как в аэрокосмической, так и в автомобильной промышленности, приведет к увеличению энергозатрат даже после поправок на низкую плотность и великолепную прочность таких инновационных материалов. Например, чтобы уменьшить вес легковых автомобилей и прочих транспортных средств, в них используют углеродное волокно из лигнина; затраты энергии на его получение составляют 670 ГДж/т; на производство армированного углеродными волокнами полимера (полиакрилонитрила) уходит чуть более 700 ГДж/т (Das, 2011) — в три раза больше, чем на производство алюминия. Из-за того, что каталитический синтез аммиака из элементов в его составе требует высоких значений давления и температуры, процесс Габера-Боша долгое время оставался одной из самых энергоемких технологий химической промышленности; первые промышленные установки Габера-Боша, работавшие на коксе, тратили на получение 1 тонны NH3 более 100 ГДж/т; работавшие на угле установки, появившиеся до начала Второй мировой войны, все еще расходовали порядка 85 ГДж/т. После 1950 года переход на природный газ и конверсия под низким давлением с использованием поршневых компрессоров позволили снизить энергозатраты до 50–55 ГДж/т. На современных установках азот получают фракционным выделением из воздуха, а водород — пароконверсией природного газа, который также используется как топливо для двигателей компрессоров, выступая таким образом в качестве как сырья, так и источника энергии; наилучшие достигнутые показатели удельных энергозатрат сейчас весьма близки к стехиометрическому минимуму, равному 20,9 ГДж/т (Smil, 2001; Worrell и соавт., 2008). Важнейшее новшество появилось после 1963 года с изобретением и внедрением центробежных компрессоров: работавшие от электричества поршневые компрессоры расходовали 520–700 кВт·ч на тонну NH3 , а паровые турбинные центробежные компрессоры — всего 20–35 кВт·ч — на 95% меньше. Конверсия под высоким давлением (более 3 МПа) стала еще одной важной инновацией 60-х гг; к 70-м комбинирование этих двух изобретений позволило снизить расходы энергии до 35 ГДж на тонну NH3 . Сочетание новых конструкций установок, более высокая эффективность отдельных рабочих процессов, а также улучшенные катализаторы — все это обеспечило снижение энергоемкости до 27 ГДж/т NH3 к 2000 году. Когда Уоррелл и соавт. (Worrell и соавт., 2008) проводили свой анализ передовой промышленной практики, они посчитали, что на синтез на основе природного газа тратится 28 ГДж/т (примерно на треть больше стехиометрического минимума), процесс на угле расходует 34,8 ГДж/т. Естественно, обычно расход несколько превышает эти цифры, составляя около 30 ГДж/т NH3 у газовых установок, 36 ГДж/т при использовании тяжелой топливной нефти в качестве сырья, более 45 ГДж/т при синтезе на основе угля (Rafi qul и соавт., 2005). МЭА (IEA, 2007) в своих расчетах использовала средние значения по регионам, от 48,4 ГДж/т в Китае до 35 ГДж/т в Западной Европе; средневзвешенное значение по всему миру в 2005 году было равно 41,6 ГДж/т. Таким образом, наиболее точный взвешенный показатель энергоемкости синтеза аммиака составил бы 45 ГДж/т в 2000 году, 40 ГДж/т в 2010. Преобразование NH3 в CO(NH2 )2 (мочевину) расходует 10–12 ГДж на тонну азота, а гранулирование (изготовление небольших одинаковых шариков из расплавленных твердых веществ, которые затем пойдут на производство гранулированных удобрений), упаковка и дистрибуция этого соединения увеличивают совокупный расход энергии на это твердое удобрение до 55–58 ГДж/т. Поверхностная добыча фосфатов затрачивает всего 4–5 ГДж/т, а вот обработка нерастворимых пород серной и азотной кислотами для получения водорастворимых фосфорных соединений — процесс значительно более энергоемкий. Совокупный расход энергии варьируется от 18 до 20 ГДж/т для суперфосфатов (простые суперфосфаты содержат всего 8,8% фосфора, тройные — 20%) до 28–33 ГДж/т для диаммонийфосфата с содержанием 20% растворимого фосфора (Smil, 2008). На добычу калийных солей (сильвинитов) энергии тратится немного: в Саскачеване их добывают традиционным способом, затем измельчают, и на все это уходит всего 1–1,5 ГДж/т; при поверхностной добыче и измельчении и вовсе тратят около 300 МДж/т (NRC, 2009). Так как при производстве кремния электронного качества (электронного кремния) в основном используется электроэнергия, энергоемкость производственной цепочки в данном случае чаще выражают в киловатт-часах, а не мегаджоулях на килограмм; конвертация в первичную энергию зависит от источника электропитания. Кристаллы электронного кремния в миллиард раз чище, чем кремний, используемый в металлургии для раскисления и легирования (Föll, 2000). На получение Si металлургического качества из кварца тратится 12–13 кВт·ч/кг, сименсовский процесс расходует порядка 250 (200–300) кВт·ч/кг, процесс Чохральского — примерно столько же, а на выработку пластин из слитков затрачивается еще 240 кВт·ч/ кг; всего, таким образом, получается примерно 750 кВт·ч. Фактические расходы же намного выше, так как на разных этапах производственной цепочки теряется значительная часть материала. Выход Si при конверсии из кварца в материал металлургической марки составляет 90%, а по итогам сименсовского процесса — менее 50%. Процесс Чохральского, посредством которого из поликристаллического Si (на производство которого уходит не менее 400 МДж/кг) получают монокристаллический, расходует порядка 1 ГДж/кг электричества, общий расход составляет, таким образом, почти 1,5 ГДж/ кг (Kato и соавт., 1997). Получение пластин из кристаллов Чохральского — процесс весьма расточительный, Si теряется как в верхней, так и в задней части слитка (из-за прорезей); немало Si остается в отходах от выращивания кристалла, а также расходуется на пробную нарезку пластин. Уильямс и соавт. (Williams и соавт., 2002) выяснили, что в результате на изготовление килограмма конечных изделий — микрочиповых пластин — тратится 9,4 кг сырьевого Si. То есть на протяжении всей производственной цепочки — от Si из кварца и углерода через трихлорсилан, поликремний, монокристаллические слитки, пластины до фактического производства и сборки микрочипа — на один двухграммовый чип тратится примерно 41 МДж энергии. То есть на отгружаемые пластины расходуется как минимум 2100 кВт·ч/кг. Даже если пользоваться только электричеством с ГЭС, пропорциональный расход составит примерно 7,6 ГДж/кг, а если все это электричество получать из ископаемого топлива, то совокупный расход первичной энергии превысит 20 ГДж на кг готовых пластин из Si, что на 2 порядка величины, выше, чем при производстве алюминия из бокситов, на три порядка выше по сравнению с получением стали из железной руды. Шмидт и соавт. (Schmidt и соавт., 2012) подробно проанализировали энергорасходы в течение всего жизненного цикла кремниевых пластин, используемых как в электронике, так и в солнечных батареях, однако выразили полученные ими значения в расчете на производственный час и на квадратный метр пластин. Стандартные значения расхода, представленные в данном параграфе, можно (предварительно округлив во избежание возникновения впечатления мнимой и необоснованной точности) использовать в расчете общемировой потребности основных материальных производств в энергии, а также подсчитать отраслевые доли в ОСПЭ (превысивших 500 ЭДж) по состоянию на 2010 год (BP, 2013). Неудивительно, что относительно высокая энергоемкость стали (25 ГДж/т) и масштабы ее производства (1,43 Гт в 2010 году, 1,5 Гт в 2011) выводят этот материал на первое место по энергозатратам среди металлов, на производство которых в 2010 году в совокупности ушло 50 ЭДж или 10% ОСПЭ. Дальше идут пластмассы (около 25 ГДж/т, произведено в 2010 году 265 Мт), на получение которых потрачено примерно 20 ЭДж (4% ОСПЭ), что значительно больше затрат на строительные материалы (цемент, кирпич и стекло), составивших суммарно около 15 ЭДж или 3% ОСПЭ. Бумагоделательная промышленность израсходовала около 10 ЭДж, а на производство удобрений ушло менее 8 ЭДж; общая абсолютная энергоемкость перечисленных категорий материалов составила в 2010 году чуть более 100 ЭДж или 20% ОСПЭ. Для сравнения: по оценке МЭА (IEA, 2007) в 2005 году вся мировая промышленность израсходовала почти 88 ЭДж. Бумага (вместе с картоном) находится примерно на одном уровне с алюминием — по обеим «статьям» потрачено почти 10 ЭДж (2% ОСПЭ), что обусловлено значительно более высокой энергоемкостью алюминия (175 против 25 ГДж/т) при меньшем совокупном производстве (53 против 400 Мт в 2010 году). Наиболее интересны, пожалуй, энергозатраты на получение неорганических удобрений: при том, что они важны для самого нашего существования, отрадно осознавать, что расход энергии на их производство на удивление мал и незначителен на общем фоне. Если исходить из средних значений энергоемкости 55, 20 и 10 ГДж/т у азота, фосфора и калия соответственно (с учетом затрат на окончательный состав, его упаковку и реализацию), то получится, что всего на производство удобрений в 2010 году ушло чуть больше 5 ЭДж (из них примерно 90% на азотные удобрения) — всего лишь около 1% ОСПЭ. Должно быть, удобрения — одна из самых полезных энергоинвестиций в истории, так как без применения этих соединений мы не могли бы прокормить семимиллиардное население; спешу также добавить, что по-прежнему большое число недоедающих в мире связано с неравномерной доступностью пищи, а не ее дефицитом. Еще одним интересным примером выгодных вложений энергии является производство кремниевых пластин. Как уже объяснялось ранее, их энергоемкость на несколько порядков превышает аналогичный показатель любого другого распространенного материала (составляет порядка 20 ТДж на тонну, для сравнения: энергоемкость стали равна примерно 20 ГДж/т); однако на одной и той же плате размещается все больше транзисторов, благодаря чему в 2009 году для производства всех микрочипов в мире оказалось достаточно всего 7500 тонн пластин; совокупные затраты энергии составили 150 ПДж — всего 0,03% ОСПЭ. Из этих расчетов становится ясно, что современная цивилизация может позволить себе производство всех этих сталей, удобрений и микрочипов благодаря достижениям научного и технического прогресса, значительно снизившим энергоемкость. Если бы сталь до сих пор плавили по тем же технологиям, что в 1900 году, то на производство 1,5 миллиарда тонн металла (показатель 2010 года) ушло бы почти 20% ОСПЭ, а не 6%. Еще сильнее впечатляет другая цифра: суммарные энергозатраты на производство стали, алюминия, бумаги, пластмасс и удобрений составили в 2010 году 90 ЭДж — примерно столько же, сколько в 1900 году ушло бы на получение 1,5 миллиарда тонн стали. Даже если весьма вольно оценивать энергоемкость других биоматериалов помимо бумаги, строительных материалов помимо цемента, металлов помимо стали и алюминия, совокупные энергозатраты не превысят 120 ЭДж, что меньше 25% ОСПЭ. Значит, на создание материального богатства современного мира уходит не более четверти всей потребляемой нами энергии.
Источник: Создание современного мира. Материалы и дематериализация. Глава 4.