Углерод

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

Углерод

Каждый год в третью субботу июля я приезжаю в Венецию на Феста дель Реденторе (Праздник Спасителя) и по вечерам с удовольствием наблюдаю, как огни фейерверка взлетают в темное небо. Вместе с друзьями мы берем гондолу на пристани у площади Сан-Марко и плывем мимо празднично украшенных лодок по узким, извилистым каналам. Даже сегодня гондола занимает привилегированное положение по сравнению с другими транспортными средствами в городе. Мы причаливаем у Доганы, старого здания таможни, и восхищаемся волшебным отражением огней в спокойных водах лагуны.

Феста дель Реденторе посвящена окончанию эпидемии чумы, которая свирепствовала в Венеции в 1576–1577 гг. и унесла жизни 51?000 венецианцев, в том числе и Тициана, великого живописца эпохи Возрождения. В конце 1577 г., когда чума отступила, на острове Джудекка был заложен первый камень в основание будущей церкви Иль Реденторе (Спасителя) в знак благодарности за избавление от бедствия. Был сооружен наплавной мост из барж между Джудеккой и главным островом лагуны, чтобы дож, верховный правитель Венецианской республики, мог пройти во главе процессии к церкви. Эта традиция сохраняется и по сей день, правда, уже без дожа.

Венеция возникла на топких малярийных островах лагуны и к XIII в. превратилась в процветающий общепризнанный центр торговли западного мира. Немного других городов внесли больший вклад в развитие живописи, скульптуры, архитектуры и музыки. Феста дель Реденторе – это праздник, прославляющий силу духа города, проявленную в трудные времена. Мы наблюдаем, как ракеты взлетают в небо и взрываются в вышине, разбрасывая вокруг сотни разноцветных искр. Атомы разных химических элементов придают праздничным огням особый цвет: медь – синий, стронций – красный, натрий – желтый [1]. Но среди них один имеет важнейшее значение. Это углерод. Без него ракеты никогда не оторвались бы от земли.

Углерод – один из компонентов черного пороха. В Древнем Китае, где впервые стали устраивать фейерверки, его источником служил мед; чем лучше он был высушен, тем больше в нем содержалось углерода. Как свидетельствуют древние источники, взрывчатая смесь опаляла руки и лица и даже служила причиной пожара домов. Позднее в качестве горючего вещества черного пороха стали применяться древесный уголь, изготавливаемый путем карбонизации (специального обжига) древесины [2]. Сейчас, как и во время первых фейерверков Феста дель Реденторе несколько столетий тому назад, главным веществом в ракетах остается углерод.

Материал, из которого в основном и построена Венеция, также непосредственно связан с углеродом. Чаще всего в городе использовалась разновидность известняка, которая добывается на полуострове Истрии, когда-то входившем во владения Республики. Из истрийского известняка изготовлены колонны, арки и фасады исторических венецианских палаццо. Удобный в обработке и устойчивый к воздействию погодных условий, этот минерал можно встретить в городе повсюду. Углерод также содержится в бумаге и чернилах, с помощью которых Венеция зафиксировала для потомков свои выдающиеся художественные и интеллектуальные достижения, и в деревянных кораблях – на них венецианцы вели войны, укрепляя могущество Республики [3].

Удивительная способность атомов углерода связываться друг с другом и образовывать длинные цепочки и кольца делает углерод одним из универсальных элементов [4]. К структурам углерода добавляются другие элементы, образуя новые вещества, делающие наш мир необычайно сложным. Это фундамент не только Венецианской республики, но и всей человеческой цивилизации.

Углерод – становой хребет ДНК, хранящей генетический код нашего организма. Углерод – основа жизни [5].

Но сам по себе углерод практически бесполезен. Для его атома огромное значение имеет контекст, в который он помещен. Черный порох не взорвется, если его приготовить на основе чистого углерода, воспламеняющегося только при очень высокой температуре. Для ускорения горения углерода требуется окислитель, иначе ракеты праздничного фейерверка не смогут взлететь в небо. Поэтому в фейерверках для Феста дель Реденторе используется сложная смесь углерода и кислорода [6].

Чистый углерод очень редко находит применение. Он присутствует в графите, из которого делаются карандаши, и в бриллиантах. Используется в ювелирной промышленности и для изготовления буровых коронок. Графен, чисто углеродная решетка толщиной всего в один атом, скоро сможет вызвать кардинальные изменения в высокотехнологичных отраслях [7]. Но, чтобы менять мир, углерод, как правило, нуждается в других веществах.

Вспышка чумы стала одним из первых гвоздей, вбитых в гроб Венецианской республики. Слава ее с XVI в. начала клониться к закату. В мае 1797 г., когда войска Наполеона Бонапарта перекрыли вход в лагуну, Республика прекратила существовать – у Большого Совета Венеции не оставалось другого выбора, кроме как сдаться. С буддийским спокойствием дож снял corno (традиционный головной убор венецианских дожей) и передал его слуге со словами: «Возьми, это мне больше не понадобится» [8].

После падения Республики город освоил ремесло совершенно иного типа: он стал привлекать все больше и больше туристов. Теперь все лето исторические набережные и площади полны путешественников со всего мира, приезжающих полюбоваться на сокровища культурного наследия Венеции. Несмотря на модернизацию экономики, город выглядит во многом так же, как в момент падения Республики.

Отсутствие четырехколесного транспорта создает впечатление, будто технический прогресс обходит здешние земли стороной. Однако без самолетов, непрерывно приземляющихся в аэропорту Марко Поло, автомобилей и автобусов, движущихся по мосту Свободы, экономика Венеции не смогла бы существовать. Углерод не только делает возможным фейерверки над церковью Иль Реденторе, но и также снабжает топливом современный транспорт [9].

Из всех химических соединений на основе углерода углеводороды в наибольшей степени способствовали изменению мира. Они относятся к группе молекулярных соединений, образованных из водорода и углерода. Обычно, когда они смешиваются с кислородом из воздуха и горят, выделяется тепло. При такой изотермической реакции, если кислорода достаточно, выделяется также двуокись углерода и водяной пар [10].

В ископаемом топливе – каменном угле, нефти и газе – углерод предоставляет нам удобные обильные источники энергии, позволяющие изменять мир. Быстрое улучшение условий жизни и рост населения Земли, произошедшие за столетия после начала промышленной революции, оказались бы невозможны без этих видов топлива. Каменный уголь, нефть и газ и займут центральное место в истории об углероде.

Начну с каменного угля. Его использование серьезно активизировалось в период промышленной революции и позволило человечеству встать на путь глобального экономического роста. Затем пришел черед нефти, которая в конце XIX в. выкачивалась из колодцев и затем использовалась как дешевый и чистый источник яркого освещения, позволявшего удлинять время работы и отдыха. Однако лишь после появления автомобилей нефть поистине изменила мир. Автомобиль дает человеку свободу перемещения – возможность поехать, куда он хочет, в любое время. Но, помимо этого, нефть дает энергию глобальной сети грузового и пассажирского автомобильного, морского и авиационного транспорта и обеспечивает существование современного общества. И, наконец, природный газ – наиболее летучий из всех ископаемых видов топлива, который люди тысячелетиями рассматривали как нечто бесполезное, так как использовать его было слишком трудно. Теперь же он нашел широкое применение в электроэнергетике и может быстро перемещаться из мест добычи в места потребления. В конце истории об углероде я затрону важный вопрос: являются ли уголь, нефть и газ энергоносителями, масштабное потребление которых будет иметь катастрофические последствия для человечества?

Впервые я начал осознавать колоссальные возможности углеводородов в 1950-х гг., когда ребенком жил с родителями недалеко от нефтяного месторождения Масджид-и-Сулейман в Иране. Мой отец работал в Англо-Иранской нефтяной компании (позднее British Petroleum) и часто возил меня на месторождение, на котором постоянно горели «факелы» считавшегося в то время бесполезным природного газа. Жар, шум и запах фосфора царили повсюду. В возрасте десяти лет меня взяли на участок, где находилась буровая вышка Naft Safid 20, на которой несколькими годами ранее случился пожар. Тогда на скважине произошел взрыв, разметавший куски труб на сотни метров вокруг. Обломки железа так и лежали там, где упали. Мне также запомнилось оранжевое пламя пожара над нефтяной скважиной Abvaz № 6 в 50 милях от нашего дома. Я был очарован мощью нефти. Интерес к нефтяной промышленности сохранился у меня на всю жизнь, именно он и привел меня в BP в 1966 г. Работая в компании, я занимался решением технологических и политических проблем, связанных с нефтедобычей, побывал в политически нестабильных регионах России и Колумбии. Приходилось сталкиваться с олигархами, наркобаронами и бойцами партизанских отрядов. Я видел, как в борьбе за доступ к этому ценному ресурсу и контроль над ним проявлялась жадность и злоба. Но нефть приносит и пользу: она действительно изменила жизнь в странах, в которых есть месторождения, и во всем мире.

Однако история углерода начинается за тысячелетия до того, как мы стали использовать нефть в промышленном масштабе. В 1969 г., работая на Аляске, я наблюдал природное явление, заставившее меня задуматься над самыми ранними способами использования углеводородов человеком. Наша геологоразведочная группа проводила измерения в районе Брукс Рандж Маунтинс, по которому проходит нефтепровод с месторождений Аляски. Во время грозы я наблюдал, как молния ударила туда, где имелись выходы на поверхность битуминозных пород. Это привело к возгоранию. Вполне вероятно, что именно так, наблюдая сходное явление тысячелетия назад, наши далекие предки узнали о горючести каменного угля.

Каменный уголь

Сегодня крупнейший в мире потребитель каменного угля – Китай. Первые сообщения об использовании угля в области Шень-Ян на северо-востоке Китая относятся приблизительно к 4000 г. до н.?э. Первобытные люди подбирали куски мягкой черной породы (другое название – лигнит), разбросанные по поверхности земли, и после обработки использовали их для декоративных украшений, преимущественно бус и серег. Лигнит легко поддается резке и полировке, подходит для изготовления украшений и даже сегодня применяется в ювелирной промышленности. Именно лигнит дал жизнь термину «черный мрамор».

Каменный уголь – углеводород с наибольшим удельным весом. Водород присутствует в меньшей пропорции по отношению к углероду, чем в нефти или газе. Следовательно, его труднее поджечь, а во время горения он выделяет больший процент двуокиси углерода, чем каждый из этих двух углеводородов [11]. Каменный уголь существует в разных видах; чем больше водорода он содержит, тем легче его воспламенить. Первые жители Китая, вероятно, наблюдали, как молния или искра от костра поджигает его, а затем поняли, что и сами могут воспользоваться этим источником тепла и света.

В эпоху династии Хань, начиная приблизительно с 200 г. до н.?э., уголь уже добывался в больших объемах как для домашних, так и для производственных нужд. Неудивительно, что впервые его ввели в обиход не где-нибудь, а в Китае: небольшие запасы топлива имеются в каждой китайской провинции, а самые крупные в мире месторождения находятся на севере Китая в провинции Шаньси.

Когда древесина, традиционный и наиболее доступный вид топлива, в XI в. оказалась в дефиците, использование каменного угля резко выросло, главным образом в развивавшейся железоделательной промышленности Китая. На этом историческом этапе Китай был мировым центром инноваций. Китайцы первыми создали черный порох, компас, бумагу и печатный станок – так называемые Четыре великих изобретения [12]. Лишь спустя несколько веков они стали известны Западу.

Научившись использовать энергию углеводородов, Китай занял место ведущей мировой державы. В то время казалось, что Китай находится на пороге промышленной революции, но вскоре после инновационного бума потребление угля пошло на убыль, а темпы развития стали отставать от западных.

Это породило Великую дивергенцию – растущее расхождение в мощи и богатстве Запада и Востока на протяжении последних веков минувшего тысячелетия.

Почему же так случилось? Было ли это вызвано различиями в географическом положении и в геологии? Или же главная причина – в несходстве культур, ведь Китай всегда подчеркивал превосходство коллективного над личным? Это один из вопросов, на которые пытается ответить Джозеф Нидхам в великой книге «Наука и цивилизация в Китае» [13]. Я склонен думать, что хотя бы отчасти такая ситуация обусловлена возможностью доступа к источникам энергии, и в этом – один из уроков для нынешних поколений. Но каким бы ни был ответ, Нидхам пишет: «К 1900 г. Китай вышел из гонки, и западная промышленность стала доминировать» [14].

Тем временем Великобритания, один из главных конкурентов Китая, использовала собственные крупные запасы угля для энергетической поддержки первой в мире промышленной революции.

Как избежать мальтузианской ловушки

В 1798 г. Томас Мальтус писал, что на протяжении всей истории человечества ни в одной из культур не происходило реального роста жизненных стандартов [15]. По его словам, человечество постоянно балансирует на грани нехватки основных продуктов питания. Аграрные общества действительно создавали новые технологии для увеличения производства продуктов питания, но это приводило лишь к росту численности населения и возврату на прежний уровень жизни. Экономические ресурсы никогда не смогут развиваться быстрее, чем растет население, и поэтому человечество пребывает в мальтузианской ловушке. Однако в то время, когда Мальтус развивал свою теорию, в его родной Великобритании начали происходить глубокие изменения. Они доказали ошибочность его теории.

С 1750 по 1850 г. промышленное производство в Великобритании выросло в семь раз, а население – менее чем втрое. При этом уровень жизни британцев продолжал устойчиво повышаться. Не существует простого ответа на вопрос, почему это произошло впервые именно в Великобритании. Но подобно тому, как упадок Китая в сравнении с Западом был связан со стагнацией в угледобывающей промышленности [16], промышленный подъем Великобритании, по сути, был обусловлен использованием больших запасов каменного угля. В 1700–1830 гг. добыча угла выросла более чем в десять раз. Паровые машины заменили ручной труд, ведь уголь в количестве, равном весу человека, способен произвести такое же количество энергии, как человек за 100 дней работы.

Гораздо в большей степени, чем топливо для выработки пара, уголь важен для производства железа и стали. Он используется для плавления железной руды в печах и добавляется в расплавленную руду в виде кокса для удаления примесей. Заводы и фабрики, построенные с использованием стальных балок, работающие на энергии каменного угля, стали появляться по всей стране с невиданной ранее скоростью.

Манчестер, небольшой городок на севере Англии, развивался настолько быстро, что вскоре стал символом промышленной революции в Великобритании и вобрал в себя множество деревень, расположенных на мили вокруг от его исторического центра. Путешественники издалека ощущали запах угольного дыма из труб многочисленных хлопкопрядильных фабрик Манчестера [17]. Французский историк и политолог Алексис де Токвиль, посетивший Англию в 1835 г., так формулировал двойственность тогдашней ситуации: «Из грязной сточной канавы вытекает величайший поток человеческого трудолюбия, удобряющий весь мир. Из мерзкой сточной трубы льется чистое золото» [18]. На юге страны Лондон превратился в «мировой центр политики и торговли», и экономика развивалась невиданными прежде темпами [19].

Великобритания превращалась из страны фермеров в державу промышленников и фабричных рабочих. Масса людей переселялась из сельской местности в города, чтобы работать на заводах, потреблявших энергию каменного угля. Приезжие жили в отвратительных условиях. Семьи с детьми ютились в крошечных комнатушках, люди болели и умирали намного чаще, чем в деревне. Немецкий философ, обществовед и исследователь промышленности Фридрих Энгельс отмечал: в результате промышленной революции рабочие потеряли больше, чем приобрели [20].

Однако рост городского населения продолжался, и к 1851 г. в городах жило больше людей, чем в деревне. Такое изменение структуры населения произошло в Китае только в 2012 г.

Добыча каменного угля в Великобритании росла во много раз быстрее, чем в остальном мире, но стремительно развивающаяся промышленность и быстро увеличивающееся население требовали все большего от угледобывающей отрасли. К концу XIX в. все легкодоступные залежи угля уже были, по-видимому, освоены. Для увеличения добычи шахтерам приходилось все глубже и глубже вгрызаться в землю.

Ради удовлетворения спроса и получения прибыли загублены тысячи жизней [21]. Ядовитые газы, поднимавшиеся из угольных пластов, вызывали гибель людей от удушья или приводили к взрывам в шахтах [22]. Дети, иногда едва достигшие восьмилетнего возраста, часами сидели в холодных, темных и сырых шахтных туннелях, чтобы периодически открывать вентиляционные заслонки, обеспечивающие доступ в шахты свежего воздуха. Кроме того, их заставляли вытаскивать уголь наверх по тоннелям, которые были слишком узкими для взрослых. Условия в шахтах ужасали.

Со временем были приняты законы, направленные на улучшение условий труда шахтеров. Закон 1842 г. запрещал использование на подземных работах женщин и детей моложе десяти лет [23]. Другие законы способствовали охране труда. Также имело значение развитие технологий: паровые машины позволяли откачивать воду из затопленных шахт и поднимать уголь на поверхность, а изобретение в 1815 г. лампы Дэйви – предотвращать воспламенение взрывоопасных газов в шахтах [24].

Потребовалось гораздо больше времени, чтобы избавиться от густого черного дыма, выходившего из заводских труб. Уголь больше других ископаемых видов топлива загрязняет окружающую среду, поскольку в процессе горения в атмосферу выбрасывается большое количество сажи и экологически вредных веществ, включая и двуокись углерода. В 1950-х гг., когда ребенком я жил в Кембридже, об угле постоянно напоминал запах. Когда ветер дул с правой стороны, с близлежащего газового завода, отвратительный запах серы и аммиака врывался в открытые окна нашего дома на Честертон-роуд [25]. Тогда еще не были открыты крупные месторождения природного газа в Северном море, и для отопления и приготовления пищи домохозяйства нуждались в бытовом газе, а он производился из каменного угля.

В современных развивающихся странах загрязнение воздуха по-прежнему остается серьезной экологической проблемой, представляющей опасность для здоровья населения. Нигде это так не заметно, как в Китае. Здесь использование угля, когда-то замедлившееся, теперь растет невиданными темпами, за последние 30 лет обеспечив быстрое развитие национальной экономики. Великая дивергенция быстро сокращается, но по мере того, как Китай догоняет Запад, видно, что история повторяется.

Дилемма Китая

Я впервые посетил Китай по поручению British Petroleum в 1979 г. вскоре после того, как Дэн Сяопин открыл двери для международной торговли. После смерти Мао Цзедуна и ареста печально знаменитой «банды четырех» осенью 1976 г. к власти пришел Дэн и начал в Китае крупные экономические реформы, направленные на создание в стране рыночной экономики [26]. За первые семь лет реформ число людей, живущих в бедности, сократилось наполовину – с 250?000?000 до 125?000?000. С тех пор, раз за разом посещая страну, я замечал улучшение условий жизни городского населения. Продукты питания становились лучше, а люди – полнее. Изменение линии горизонта в Пекине было еще более впечатляющим. Небоскребы строились одновременно по три. В практических целях в ход шел один и тот же проект, и безостановочный рост города набрал удивительные темпы. Благодаря использованию углеводородов переживавшая бум китайская экономика за несколько десятилетий превратила недавно бедную страну в мировую экономическую сверхдержаву. В этой трансформации каменный уголь играет главенствующую роль: он обеспечивает производство 80?% электроэнергии и удовлетворяет 70?% общей потребности Китая в энергоносителях. В 2010 г. Китай сжигал почти столько же угля, сколько все остальные страны мира. Однако, как и во время промышленной революции в Великобритании, потребление угля в Китае стало причиной серьезной угрозы экологии и здоровью нации.

Я до сих пор хорошо помню едкий, желтый от грязи воздух вблизи пекинского Летнего дворца в октябре 2003 г. Я приехал в китайскую столицу для встречи с Гэри Дирксом, тогдашним главой китайского подразделения BP. Чтобы немного отдохнуть от суматохи центрального делового района и продолжить дискуссию, мы отправились в Летний дворец, один из прекрасных императорских садов. Прогуливаясь по семнадцатиарочному мосту, соединяющему берег озера Кунминь с одним из островков, мы обсуждали, не следует ли продать наши доли PetroChina – что в итоге и сделали. Когда мы возвращались назад, ни один берег озера невозможно было разглядеть; плотный смог сократил видимость до нескольких метров, обеспечивая нашей беседе особую атмосферу приватности. Другие посетители сада, нередко с марлевыми масками на лице, появлялись как будто ниоткуда и так же быстро скрывались в плотной пелене смога.

Весной и осенью особое состояние атмосферы способствует удержанию в воздухе вредных веществ, что делает пребывание в городе почти невыносимым [27]. В это время становятся понятны истинные масштабы загрязнения воздуха оксидами фосфора и азота, сажей и другими веществами. Каменный уголь – главный виновник загрязнения атмосферы.

Пока я гулял вокруг озера Куньминь, мое горло стало сухим и воспаленным из-за воздуха, которым приходилось дышать. Вдыхание вредных веществ несет тяжелые последствия для здоровья: невидимые глазу частицы копоти накапливаются в респираторной системе, значительно повышая риск возникновения заболеваний легких. По официальным оценкам, более 350?000 китайцев ежегодно умирают от болезней, вызванных загрязнением воздуха.

Риск потерять здоровье еще выше для тех, кто работает в Китае в угольных шахтах. Болезнь черных легких поражает сотни тысяч китайских горняков. Аварии, взрывы газа – также обычное дело: так, в 2005 г. более 200 человек погибли в шахте Сунь-Яван в провинции Ляо-Нинь.

В 2009 г. в Китае сообщалось о гибели более 2500 шахтеров, а в предыдущее десятилетие число смертей на тонну добытого угля было в среднем в 88 раз выше, чем в США [28].

Ущерб экологии также весьма значителен. Ядовитые вещества, например мышьяк и ртуть, попадают из угольных шахт в ближайшие реки. Кислотные дожди, возникающие в результате выброса в атмосферу веществ, содержащих серу, проливаются теперь почти над третьей частью территории страны, что приводит к гибели урожая и разрушению природных экосистем.

Возможно, самый губительный из всех попадающих в атмосферу газов – двуокись углерода, не имеющая цвета и запаха. Она больше других влияет на изменение климата. Из всех ископаемых видов топлива каменный уголь выделяет наибольшее количество двуокиси углерода на единицу производимой энергии. Количество двуокиси углерода, производимое в Китае в расчете на душу населения, почти втрое меньше, чем в США, но огромное и быстрорастущее население делает Китай крупнейшим в мире источником выбросов двуокиси углерода в атмосферу [29].

Активное использование каменного угля за последние 30 лет способствовало быстрому экономическому росту и сокращению бедности в стране. А по мере того, как Китай продолжает развиваться, ему требуется все больше энергии. К 2035 г. страна планирует потреблять столько же энергии, сколько Европа и США вместе взятые. Каменный уголь – очевидный источник энергии для поддержания экономического роста, ведь он относительно дешев, и его много. Ожидается, что при сохранении сегодняшних темпов потребления разведанных запасов Китаю хватит на 70 с лишним лет.

В этом состоит суть стоящей перед Китаем дилеммы: как поддерживать быстрый экономический рост и бороться с бедностью, не причиняя вреда экологии? Масштаб проблемы беспрецедентен: в Китае проживает одна пятая всего населения Земли, а в 2010 г. по потреблению энергии он обошел США. Еще в 2011 г. Чжоу Шеньян, министр охраны природы страны, предупреждал: «В многотысячелетней истории китайской цивилизации конфликт между человеком и природой еще никогда не был таким серьезным, как сегодня» [30].

Китай меняется

В последние годы проблема загрязнения окружающей среды приобрела в Китае политическое значение. Участились протесты населения против экологически вредных предприятий, и одновременно Китай испытывает усиливающееся давление мирового сообщества, требующего ужесточения природоохранного законодательства. Олимпийские игры 2008 г. ясно показали: Китай хочет, чтобы во всем мире его считали ответственным глобальным игроком. За несколько месяцев до начала Игр многие предприятия вокруг Пекина были закрыты. Это была попытка сделать чище воздух в столице.

Однако стремление улучшить экологию вызвано не только давлением извне. Китай понимает: если он хочет сделать свое социальное и экономическое развитие устойчивым, значит, производство чистой энергии крайне необходимо. Загрязнение воздуха и природной среды влияет на производство продуктов питания и чистоту источников питьевой воды. Истощение природных ресурсов уже сдерживает развитие экономики. Последствия изменений климата могут оказаться еще более серьезными. Китай осознает, что в его интересах принять решительные меры против экологической катастрофы.

И они уже предпринимаются. Условия работы шахтеров улучшены, хотя опасность, конечно, остается. На дымовых трубах предприятий устанавливаются специальные фильтры. В период с 1995 по 2004 г. количество вредных веществ, выброшенных в атмосферу, в расчете на единицу ВВП снизилось на 40?%. В Пекине и Шанхае введен запрет на использование каменного угля для обогрева домов и приготовления пищи, а среднее количество твердых частиц в воздухе сократилось.

В пятилетнем плане, принятом в 2011 г., произошла смена приоритетов: теперь вместо максимизации роста производства поставлена цель увязывания роста производства с достижением социальной гармонии и экономическим развитием, не причиняющим вреда окружающей среде. Тогдашний премьер-министр страны Вэнь Джибао говорил о новой модели «экологически чистого развития, предусматривающего сокращение потребления углерода и сбережение природных ресурсов» [31]. Впервые в истории деятельность местных руководителей может теперь оцениваться не только по экономическим показателям, но и по показателям социального развития и состояния экологии.

Каменный уголь невероятно изменил Китай, как 300 лет тому назад – Великобританию, но лишь сейчас, после трех десятилетий истощающего природную среду развития, китайцы начинают управлять взаимосвязью между позитивными и негативными последствиями активного использования этой разновидности топлива.

Нефть

С ранних лет Генри Форд осознал мощь углеродных видов топлива. Подростком он построил паровую турбину рядом с забором школы. Турбина взорвалась, забор загорелся, но юный изобретатель остался жив. «Обломок ударил Роберта Блейка в живот, – писал он в своем дневнике, – и причинил нестерпимую боль» [32].

Для Форда, имевшего очевидную склонность к механике, паровая турбина была всего лишь одним из детских изобретений. Он рос на ферме, где всегда находил способы облегчить тяготы сельской жизни. «Нужно было выполнять слишком много работы, – вспоминал он позднее. – Даже будучи маленьким, я догадывался, что многое можно делать более легким способом». Понимание того, как именно это сделать, пришло в двенадцатилетнем возрасте, когда он на повозке, запряженной лошадьми, отправился с отцом в Детройт. Впереди себя он увидел медленно едущую телегу, которую приводил в движение работавший на угле паровой двигатель. Эта сцена произвела на него неизгладимое впечатление; 47 лет спустя он вспоминал тот двигатель, «как если бы увидел его только вчера». Новинка продемонстрировала, как каменный уголь повышает мышечную силу и мобильность человека. Прошло еще два десятилетия, прежде чем Форд смог реализовать потенциал нефти как топлива для автомобильного двигателя.

В канун Рождества 1893 г. Форд принес экспериментальный двигатель к себе на кухню, где его жена Клара готовила обед. Примитивное изобретение не имело собственной системы зажигания, и он хотел получить искру с помощью электричества, подведенного на кухню. Он велел Кларе медленно заливать нефть в двигатель, а сам стал вращать маховик, чтобы происходило всасывание смеси углеводородов и воздуха в цилиндр. Он получил искру, вспыхнуло пламя, корпус затрясся, двигатель заработал. Успех вызвал у Форда прочный интерес к двигателям внутреннего сгорания.

Сейчас мы воспринимаем как нечто само собой разумеющееся свободу, которую дает нам автомобиль, забывая, сколько усилий приходилось затрачивать раньше на поездку всего в несколько километров. В XIX в. вьючные лошади с трудом передвигались по тропам и импровизированным дорогам, «семьи на долгое время оказывались отрезанными от остального мира на своих фермах, и одиночество обволакивало мужчин и женщин серой паутиной» [35]. К моменту изобретения автомобиля в конце XIX в. железные дороги уже связали между собой крупнейшие города Америки. Товары и люди могли перемещаться дальше и быстрее, чем когда-либо прежде. Но огромные сельские территории, в которых по-прежнему проживала основная часть населения, оставались отрезанными от центров бурного развития промышленности.

Автомобиль стал новым оружием в «битве с расстояниями» [36]. Лишь нефть, имеющая больше углерод-водородных связей, чем уголь, а значит, и обладающая большей плотностью энергии, может создать силу, необходимую для движения автомобиля [37]. Первые автомобили были игрушками для богачей, поскольку собирались вручную и стоили очень дорого, но Форд хотел, чтобы самые обычные люди, фермеры и рабочие, могли ездить на машинах. Первым внедрив метод массового производства, он начал изготавливать автомобили в таких количествах, что экономия от эффекта масштаба позволила ему сделать их доступными широкому рынку. Модель Т, впервые сошедшая с конвейера в 1908 г., увенчала его усилия – легкая, надежная и недорогая машина, способная удовлетворить растущие потребительские запросы населения [38]. Модель Т была выпущена в количестве 15?000?000 штук, и в 1920 г. на ее долю приходилось около половины всех автомобилей в США.

Владельцам автомобилей стали доступны новые возможности трудоустройства, образования и медицинского обслуживания. Рост городов требовал также новых дорог. В зарождавшемся обществе потребления автомобиль быстро стал символом не только практичности и удобства, но и социального статуса. А как символ свободы и преуспеяния – одной из важнейших составляющих так называемой американской мечты.

Сегодня американская мечта носит глобальный характер. В китайских городах, где раньше люди ездили только на велосипедах, появилось множество личных машин, и широкие городские магистрали едва справляются со все нарастающим транспортным потоком. До того как в 2011 г. власти Пекина ввели специальные ограничения, только в этом городе каждый день появлялось 1000 новых легковых и грузовых машин.

Глобальный рост стал причиной постоянного повышения спроса на нефть на протяжении всего XX в. Однако задолго до изобретения автомобиля нефть использовалась в более простых целях: для освещения и для смазки.

Нефть

Нефть, этот «черный сок», «вытекающий из скал», впервые упомянута Георгом Агриколой в XVI в. [39]. В классической работе по горному делу «De re metallica» («О металлургии»») он рассказывает, что жидкий битум, нередко плавающий на поверхности источников, ручьев и рек, можно собирать в ведра, а когда он встречается в малых количествах – с помощью гусиных крыльев, узких полосок льняной ткани или стеблей тростника [40]. На одной из гравюр в «De re metallica» изображен мужчина, сливающий «улов» в ведро [41]. Во времена Агриколы нефть считалась чем-то низшим по отношению к рудам металлов, из которых добывались железо, золото и серебро. Спрос на нее был невелик. Однако в середине XIX в. ситуация начала меняться. Промышленная революция способствовала увеличению числа состоятельных людей, желавших иметь яркие и чистые искусственные источники света. Нефть – как раз такой источник, но она предлагалась в малых количествах и поэтому стоила дорого. Видя здесь возможность извлечь прибыль, тогдашние самодеятельные геологоразведчики начали поиски новых, более крупных источников нефти.

В августе 1859 г. Эдвин Дрейк по прозвищу «Полковник» нашел нефть на глубине 20 м на территории фермы в Пенсильвании. Снабдив скважину простым ручным насосом, он, к изумлению собравшихся зевак, начал легко выкачивать нефть из-под земли. Его находка активизировала буровые работы на месторождении вблизи Ойл Крик, в результате чего в течение трех лет производство нефти выросло там практически с нуля до 3?000?000 баррелей в год. Сегодня во всем мире ежегодно добывается 30?000?000?000 баррелей – в 10?000 раз больше, чем всего 150 лет тому назад.

Разведка такого количества нефти была и продолжает оставаться исключительно трудной задачей. Геологам нужно решить, где проводить бурение и как добывать нефть, если она найдена. Кроме того, необходимо окупить инвестиции, удовлетворить аппетиты местных властей и требования проживающего вблизи населения. Все должно делаться безопасно, без нанесения ущерба природной среде, с использованием самых совершенных технологий.

Случайное бурение скважин в расчете найти нефть имеет мало смысла. Оно подобно попыткам отыскать иголку в стоге сена. Всегда имеются признаки, указывающие геологоразведчикам, какие области могут оказаться нефтеносными. Нефтяные месторождения имеют ряд специфических характеристик. Во-первых, источник – останки существовавших миллионы лет тому назад растений и животных, из которых под воздействием высокого давления и температуры и образуется нефть. Пролетая над лесами центральной части Тринидада, я видел озера черной нефти, которая с бульканьем выходила на поверхность из подземных источников. Горная смола, скапливающаяся в углублениях земли вблизи Ла Бреа в Калифорнии, имеет то же происхождение. Подобные признаки указывают на наличие подземных запасов. Во-вторых, нефть должна выходить из источника в находящуюся над ним геологическую структуру, которая может удерживать ее. Эта структура часто имеет форму шатра (так называемая антиклиналь) и иногда проявляет себя на поверхности земли. Антиклинали можно увидеть с воздуха в предгорьях Загроса, где я провел детские годы. Там находятся одни из крупнейших месторождений нефти в мире. В-третьих, структура должна быть запечатана прочной скальной породой. Если «пломба» разрушается, то нефть уходит. На Аляске пробурена одна из самых известных и дорогих скважин, Муклук, оказавшаяся «сухой дырой». В течение нескольких лет геологи из BP были убеждены: их усилия увенчаются успехом. Но скважина не оправдала надежд, потому что горная порода, запечатывавшая пласт, разрушилась, и нефть ушла. Наконец, в-четвертых, структура должна быть наполнена осадочной породой, которая может содержать нефть в порах и позволять ей течь. Степень легкости, с которой порода позволяет нефти течь, называется проницаемостью. Если все эти факторы в наличии, значит, в данном месте имеются запасы нефти.

Какие-то из характеристик могут быть выявлены посредством анализа формирования геологической структуры местности. Например, в дельтах древних рек часто встречается пористый и легко проницаемый песок. В наше время методы дистанционного зондирования позволяют обнаружить запасы нефти на многокилометровой глубине под несколькими слоями скальной породы. Перспективно сейсмическое исследование, при котором волны сжатия используются для воздействия на глубоко залегающие слои породы. Необходимо тщательно продумать, как сейсмические волны будут распространяться и приниматься. Для анализа получаемых данных требуются сложные алгоритмы и мощные компьютерные системы. Обычно полезный сигнал плохо различим на фоне шумов, и поэтому имеет важнейшее значение компьютерный анализ. При самых благоприятных обстоятельствах может быть определена форма и идентифицирована порода пласта, найдены места пробок и даже выявлены характеристики нефти. Но обычно удается получить только часть информации. Ситуация еще больше осложняется, если пласт накрыт сверху толстым соляным слоем, как, например, в прибрежных водах Бразилии, Анголы и в Мексиканском заливе. Вибрационные волны проходят через соль настолько быстро, что этот слой фактически скрывает геологическую структуру всего, что располагается под ним.

Внезапное изменение скорости сейсмических волн при продвижении из донных отложений в соляной слой вызывает преломление и отражение: соляной слой действует как зеркало. Лишь недавно разработаны компьютерные алгоритмы, позволяющие разделять эти сигналы и достаточно отчетливо видеть то, что находится под соляным пластом.

Добыча нефти

Проведя исследования, нужно пробурить скважину, чтобы выяснить, есть ли нефть. В последние годы новые технологии дистанционного зондирования снизили вероятность неудач, но и успех никогда не может быть гарантирован; напоминанием служит история скважины Муклук [42].

После обнаружения нефти месторождение должно эксплуатироваться таким образом, чтобы обеспечить прибыль инвесторам и ренту собственнику территории, обычно государству. Но месторождения, не требующие больших усилий для освоения, уже активно эксплуатируются. То, что еще можно освоить, находится в труднодоступных местах. В первые десятилетия XX в. компании начали переходить от разработки месторождений на суше к подводным месторождениям и стали бурить скважины в озерах Венесуэлы, Техаса и Луизианы. Освоение морского шельфа проходит труднее, потому что море глубже, ветры сильнее, а волны выше.

Самый впечатляющий проект морского бурения я видел в Каспийском море недалеко от столицы Азербайджана Баку. О нефтяных пятнах на воде давно сообщали капитаны местных судов, а многие морские скалы часто оказывались покрыты черной нефтяной пленкой. В 1947 г. в Каспийском море на прибрежных скалах построили первую, довольно шаткую буровую платформу. Позднее стало появляться все больше и больше платформ, которые соединялись временными деревянными мостами. С берега на баржах подвозили валуны для строительства новых искусственных островов. К 1955 г. Нефтяные Камни, как стало называться новое поселение, производили нефти больше, чем где-либо еще в Азербайджане, экспортируя 14?000?000 баррелей черного золота в год. Пятиэтажные многоквартирные дома, магазины и отели поднимались буквально из воды, обеспечивая проживание все большего количества людей, приезжавших работать на нефтяное месторождение. Но остальная часть богатейших нефтяных запасов Каспийского моря находится восточнее Нефтяных Камней под более толстым слоем воды. Освоение этих месторождений, иногда находящихся на глубине шести километров ниже поверхности моря, потребовало бы чего-то большего, чем платформы на деревянных подпорках вблизи морского берега.

Я впервые посетил Баку и Нефтяные Камни в 1990 г. вскоре после распада СССР, когда British Petroleum начала обсуждать вопрос о создании предприятия для исследования глубоководной части Каспийского моря [43]. Плачевное состояние города меня поразило. Типы, подпиравшие заборы, казалось, взяты из известной сцены фильма «Звездные войны». Вследствие долгого пребывания страны за «железным занавесом» технология, использовавшаяся в Нефтяных Камнях, совершенно устарела и не позволяла рассчитывать на освоение глубоководных месторождений Каспия. Но не все надежды потеряны. В течение первых нескольких лет нового тысячелетия импортируемые с Запада технологии позволили освоить гигантское месторождение Чираг-Азери-Гунашли.

Освоение все более и более глубоководных месторождений требует огромных инвестиций в разработку новых технологий. Примером может служить месторождение Тандер Хорс: здесь для добычи нефти пришлось построить гигантское плавающее сооружение, о котором рассказывалось в предыдущей главе, посвященной железу. Глубина залегания нефти составляет 2000 метров ниже уровня воды. Для сравнения: в Каспийском море этот показатель составляет 200 метров, а вблизи Нефтяных Камней – всего 20 метров. Капитальные затраты очень высоки, но каждый год технология совершенствуется, и себестоимость добычи барреля нефти снижается [44]. И здесь можно добиться еще очень многого – добычи нефти в более глубоководных районах, а также повышения процента нефти, извлекаемой из пластов (сегодня после прекращения эксплуатации месторождения обычно 60 или более процентов остается под землей). Причина чисто экономическая: извлечение большего количества нефти становится все более дорогим, а значит, неприбыльным. Издержки предполагается снизить благодаря применению новых технологий.

Как поддерживать текучесть нефти

Французский инженер Анри Дарси, работавший в XIX в. в Дижоне, был внимателен. Он пристально следил за тем, как вода проходит через разные типы горных пород на дне городских фонтанов, и задавался вопросом, что определяет ее скорость. Позднее он составил формулу для описания скорости течения жидкости через проницаемый материал. В его честь она получила название формулы Дарси [45], а степень проницаемости измеряется теперь количеством «дарси в час». Эта формула помогает объяснить четыре разных способа, которыми может быть улучшен показатель извлечения нефти из пласта, – или, как говорят специалисты, показатель повышения нефтеотдачи. Во-первых, если естественное давление нефти в пласте слишком низкое, чтобы заставить нефть подниматься на поверхность, можно повысить его, закачав воду, природный газ, азот или двуокись углерода [46]. Часто это самый простой способ повысить показатель извлечения нефти. Во-вторых, можно задействовать бо?льшую часть пласта, пробурив горизонтальные каналы в стороны от основной скважины. В-третьих, можно сделать нефть менее вязкой или менее склонной оставаться в полостях нефтеносной породы (нефть удерживается там так называемой силой поверхностного натяжения жидкости). Один из способов достичь этого результата – закачать в пласт газ, в частности сжиженную двуокись углерода, чтобы он смешался с нефтью. Другой способ – нагревание нефти. Оно требуется для так называемой тяжелой нефти, которая встречается в нефтеносных песках Канады и Венесуэлы [47].

Наконец, в-четвертых, можно повысить нефтеотдачу за счет проницаемости нефтесодержащей породы. Это самый старый метод, используемый с первых дней существования нефтяной отрасли.

В 1865 г. полковник Эдвард Робертс учредил Roberts Petroleum Torpedo Company. До этого он три года участвовал в Гражданской войне и наблюдал, как артиллерийские снаряды, выпущенные армией конфедератов, взрывались, попадая в укрытия вдоль линии фронта. Он подумал: дробление нефтесодержащей породы может повысить извлечение нефти из скважины. Робертс наполнял порохом тонкие металлические трубки, опускал их в скважину и затем поджигал, благодаря чему удавалось повышать добычу нефти из скважины, пусть и совсем ненадолго. Позже предпочтительным взрывчатым веществом стал нитроглицерин. К сожалению, он нередко взрывался от неосторожного обращения, убивая и калеча людей [48].

Столь грубые методы перестали использовать с середины XX в. после создания технологии гидравлического разрыва пласта. Благодаря закачиванию жидкости (обычно смеси воды, химикатов и песка) в горные породы, содержащие нефть или газ, гидравлический разрыв значительно повышает проницаемость пород, в результате удается извлекать больше нефти или газа.

Сегодня эффективные методы повышения нефтеотдачи пластов очень востребованы. На некоторых месторождения неизвлеченной остается до 80?% нефти. На других же никакая добыча невозможна без гидравлического разрыва пласта – в частности, на американских месторождениях сланцевого газа и трудноизвлекаемой нефти.

Обычно дешевле разведывать и осваивать новые месторождения, чем пытаться выжимать максимум из давно эксплуатируемых. Однако в последние годы, когда цена на нефть резко поднялась, потенциал применения методов повышения нефтеотдачи также быстро вырос: по оценкам экспертов, за пять лет, то есть к 2009 г., потребность в них увеличилась в 20 раз.

«Пик нефтедобычи»

Добываемое количество нефти зависит не только от технологии, но и от прогнозируемых цен в будущем. Разумеется, они регулируются спросом и предложением. Однако существование Организации стран – экспортеров нефти (ОПЕК) – картеля, контролирующего около 40?% мировой добычи нефти, – означает, что предложение часто регулируется так, чтобы обеспечивать определенный уровень цен. Говоря простым языком, цены на нефть, по утверждению ОПЕК, не должны быть не только слишком низкими, чтобы подрывать экономику или вызывать внутренние беспорядки, но и чересчур высокими, чтобы ослаблять спрос или стимулировать слишком большое предложение стран, не входящих в картель. Цены постоянно изменяются в этих широких пределах на протяжении многих лет.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.