Больше стали!
В материалах рубрики использованы сообщения следующих журналов: The Conversation, The Guardian, Nature Astronomy, Nature Plants (Великобритания), Low-Tech Magazine (Испания), Bild der Wissenschaft, Sterne und Weltraum (ФРГ), Scientific American (США). Материалы подбирает и подготавливает Юрий Фролов
Мы всё ещё живём в железном веке, и как вырваться из него — неясно. Таков вывод Криса Де Декера, нидерландского журналиста, создателя международного интернет-журнала Low-Tech Magazine.
Деление истории человечества на три периода — каменный, бронзовый и железный века — восходит к работе датского археолога Кристиана Юргенсена Томсена (1788—1865) «Путеводитель по северным древностям». В ней Томсен обосновал выдвигавшуюся и до него идею периодизации истории по преобладающим в разное время материалам. Эта классификация относится к прошлому, но и в XXI веке железо остаётся доминирующим материалом. Правда, оно используется сейчас главным образом в виде стали, то есть сплава железа с добавкой углерода от 0,02 до 2,14%. В настоящее время мир производит в 22 раза больше железа и стали, чем таких распространённых металлов, как алюминий и медь вместе взятых, и в пять раз больше, чем пластиков. Хотя, оглянувшись вокруг себя в своём доме, мы видим не так уж много стали: она входит в состав холодильника, стиральной машины, кухонной плиты, посуды… Но на домашние нужды уходит лишь 2—3% мирового производства стали. Вне дома значительно больше стальных изделий, в основном транспортных средств. Около 10% всей стали мира идёт на легковые автомобили (в богатых странах — до 20%). Ещё 4—5% содержится в автобусах, грузовиках, трамваях, поездах, кораблях… И всё же сумма всего этого составляет менее 20% от мировой выработки стали. Большая часть её закопана в землю, находится вдали от жилых мест. Более половины глобального производства стали идёт на строительство различных зданий и сооружений (мостов, туннелей, железных дорог, трубопроводов, электростанций и ЛЭП).
В основном сталь погружена в бетон. Железобетон — в настоящее время главный строительный материал мира, и цемент — единственный материал, выпуск которого приближается к выработке стали. Стальные устройства и инструменты нужны и для выпуска и обработки других материалов — цемента, стекла, пластиков, дерева. Наконец, 15% производства стали представлено разнообразными предметами: от мелких (гвозди, винты, гайки) до крупных деталей и целых металлических агрегатов. Сейчас выпускается до 1500 разных типов стали с широким набором свойств.
Сталь — один из самых устойчивых материалов. В отличие от пластиков, её можно переплавлять и использовать повторно практически без потери качества. По данным Всемирной ассоциации производителей стали и Международного энергетического агентства, для выпуска тонны этого металла теперь требуется около 20 гигаджоулей (ГДж) энергии, что в три раза меньше, чем было в 1950 году. На производство алюминия в мире уходит 175 ГДж, пластиков — 80—120 ГДж, меди — 45 ГДж. Кроме того, железо достаточно обильно, оно составляет 5% материала земной коры (для сравнения: меди в ней около 0,01%). Но производство железа и стали потребляет больше энергии и даёт больше выбросов соединений углерода, чем любая другая промышленность. Выплавка стали с применением угля в своих основах не изменилась за последние 2000 лет. Электродуговая выплавка стали получила реальное распространение только после Второй мировой войны, но в электропечах используют, как правило, металлолом, иногда с небольшими добавками руды. И до сих пор более 70% глобального производства стали основано на доменном процессе. Перейти полностью на электродуговой метод невозможно хотя бы потому, что в нём используется стальной металлолом, в основном это вторичная переработка.
Для получения энергии сталь применяется сейчас в ветровых турбинах и в солнечных электростанциях. Например, электрогенератор мощностью 3,6 мегаватта на башне высотой 100 м требует 335 тонн стали, а пятимегаваттный на 150-метровой вышке — уже 875 тонн стали. Кроме того, расход стали ещё выше в случае морских ветростанций, так как основание их делают из железобетона, а оно должно быть прочнее, чем у наземных установок. В океанских установках мощностью 5 мегаватт требуется около 450 тонн стали на мегаватт, что в 8 раз больше, чем на обычной наземной ТЭЦ. В противоположность угольным и газовым ТЭЦ выход энергии от ветровых и солнечных электростанций зависит от погоды и времени суток. Чтобы более или менее гарантированно заменить один мегаватт, получаемый на основе ископаемого топлива, необходима в среднем четырёхмегаваттная солнечная установка либо двухмегаваттная ветровая. Действующая в море ветровая турбина мощностью 14 мегаватт требует на каждый киловатт-час произведённой энергии почти в 50 раз больше стали, чем ТЭЦ на основе угля, нефти или газа. Кроме того, солнечные и ветровые электростанции имеют средний срок службы 20—30 лет, тогда как срок службы обычной ТЭЦ 30—60 лет. Правда, надо учитывать, что основная масса стали в случае ветровых и солнечных электростанций идёт только на фундамент и прочие поддерживающие конструкции, обычно действующие дольше 20—30 лет. А ещё для морских ветроэлектростанций нужны более антикоррозионные дорогостоящие сорта стали, пригодные для морского климата и солёной воды. Свои сложности существуют и для АЭС. Например, топливные элементы, в которых заключён делящийся уран, для оболочки требуют очень дорогую циркониевую сталь.
Итак, мы попадаем в безвыходную ситуацию: если заменить обычные ТЭЦ станциями на возобновляемой основе, понадобится больше стали, а для этого надо увеличить её выплавку из железной руды в домнах с использованием ископаемого топлива. В исследовании 2013 года было рассчитано, что для получения 25 000 тераватт энергии от ветровых и солнечных электростанций необходимо около 3200 мегатонн стали на строительство таких установок. Между тем к 2050 году глобальный спрос на электричество вырастет до 52 000—71 000 тераватт-часов, что потребует увеличения производства стали на 6400—8960 мегатонн. Если распределить эту сумму на средний срок службы солнечных панелей и ветротурбин в 25 лет, то получится, что для них придётся производить в год 256—358 мегатонн стали. Это сравнимо с потребностями в стали на производство всех средств транспорта. И это ещё очень оптимистичные оценки. Постоянно растущий спрос на сталь делает достаточный рост её производства невозможным, и никакая технология это не изменит.
Читайте в любое время
