Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого - Вацлав Смил

глобальное производство этого металла? Достаточно ли у нас месторождений железной руды, чтобы обеспечить сталью следующие поколения? Хватит ли у нас мощностей, чтобы построить современную инфраструктуру и повысить жизненный уровень людей в бедных странах, где потребление стали на душу населения даже меньше, чем в богатых странах 100 лет назад? Какой вред наносит природе производство стали? Можем ли мы получать этот металл без использования ископаемого топлива?

Ответ на второй вопрос безусловно положительный. Если взять массу Земли, то большая ее часть приходится на железо — оно очень тяжелое (в восемь раз тяжелее воды) и из него состоит ядро планеты[232]. Железа также много в коре нашей планеты: по распространенности оно уступает только трем элементам (кислороду, кремнию и алюминию) и со своими почти 6 % занимает четвертое место[233]. Всего в мире ежегодно добывают 2,5 миллиарда тонн железной руды (лидеры добычи — Австралия, Бразилия и Китай), а мировые запасы оцениваются в 800 миллиардов тонн, и в них содержится почти 250 миллиардов тонн металла. Таким образом, запасов хватит на 300 с лишним лет, что гораздо больше любого возможного горизонта планирования (разведанных запасов сырой нефти хватит всего на 50 лет)[234].

Более того, сталь можно использовать повторно, расплавляя лом в электродуговых печах — больших огнеупорных цилиндрах из толстых стальных пластин (облицованных кирпичом) со съемной куполообразной крышкой, которая охлаждается водой и через которую в рабочее пространство вводятся три массивных угольных электрода. После загрузки стального лома электроды опускаются, и проходящий через них электрический ток образует дугу с температурой 1800 °C, которая без труда расплавляет металл[235]. Но этот процесс энергозатратен: даже чрезвычайно эффективная современная электродуговая печь потребляет столько электроэнергии, сколько американский город с населением 150 тысяч человек[236].

Для утилизации автомобиля необходимо сначала слить все жидкости, удалить облицовку салона, снять аккумуляторы, сервомоторы, шины, электронику, двигатели, а также все детали из пластика, резины, стекла и алюминия. Затем специальные прессы сплющивают остовы автомобилей, подготавливая к резке. Гораздо сложнее утилизировать большие океанские суда — это делают в основном на побережье Пакистана (Гадани, к северо-западу от Карачи), Индии (Аланг в провинции Гуджарат) и Бангладеш (в окрестностях Читагонга). Пустые корпуса из толстых стальных пластин разрезаются с помощью газовых и плазменных горелок — это опасная и вредная работа, зачастую выполняемая рабочими без необходимых средств защиты[237].

В настоящее время богатые страны утилизируют практически все старые автомобили; почти такой же высокий уровень утилизации (больше 90 %) достигнут для стальных балок и пластин, чуть меньше для бытовых приборов, а в США на переработку отправляется 65 % арматуры для железобетона — столько же, сколько жестяных банок из-под напитков и консервов[238]. Стальной лом превратился в один из самых ценных в мире экспортных товаров, поскольку страны с давней историей выплавки стали и большими запасами лома продают его компаниям, расширяющим производства. Самым крупным экспортером стального лома является ЕС, следом идут Япония, Россия и Канада, а главные покупатели — Китай, Индия и Турция[239]. Повторно используемая сталь составляет почти 30 % годового производства этого металла, причем в разных странах эта доля варьируется от почти 70 % в США до 40 % в ЕС и менее 12 % в Китае[240].

Это означает, что в мире по-прежнему преобладает первичная выплавка стали, на которую приходится в два раза больше произведенного металла, чем на вторичную переработку — почти 1,3 миллиарда тонн в 2019 г. Процесс начинается с доменных печей (высоких стальных сооружений, облицованных огнеупорными материалами), в которых получают жидкий (литейный или передельный) чугун, расплавляя железную руду вместе с коксом и известью[241]. Вторая стадия — уменьшение содержания углерода в чугуне и превращение его в сталь — происходит в кислородных конвертерах (название связано с химическими свойствами образующегося шлака). Этот процесс был изобретен в 1940-х гг. и быстро приобрел промышленные масштабы с середины 1950-х гг.[242]. Современные кислородные конвертеры — это большие конструкции грушевидной формы с открытым верхом, в которые загружают до 300 тонн расплавленного чугуна, который продувается кислородом, поступающим сверху и снизу. В результате химической реакции приблизительно за 30 минут содержание углерода в металле уменьшается (до 0,004 %). Сочетание доменной печи и кислородного конвертера — это основа современной сталеплавильной промышленности. Конечные стадии включают подачу расплавленного металла на машины непрерывной разливки для получения листовой стали, брусков (квадратного или прямоугольного сечения) и полос, из которых затем изготавливают стальные изделия.

Черная металлургия — чрезвычайно энергоемкая отрасль, причем около 75 % энергопотребления приходится на доменные печи. Сегодня самые эффективные производства потребляют всего 17–20 гигаджоулей на тонну готового продукта, менее эффективные — 25–30 ГДж/т[243]. Совершенно очевидно, что энергозатраты на переплавку стали в электродуговой печи гораздо меньше, чем на полный цикл, — всего 2 ГДж/т для самых современных печей. К этому следует прибавить энергозатраты на прокат металла (в большинстве случаев 1,5–2 ГДж/т). Таким образом общие энергозатраты на производство стали могут составить около 25 ГДж/т для полного цикла и 5 ГДж/т для повторного использования[244]. Всего на производство стали в 2019 г. потребовалось 34 эксаджоуля энергии, или около 6 % глобального потребления первичной энергии.

Учитывая зависимость сталелитейной промышленности от коксующегося угля и природного газа, можно сделать вывод, что отрасль вносит существенный вклад в выработку парниковых газов. По оценкам Всемирной ассоциации стали, в среднем выбросы углекислого газа составляют 500 килограммов на тонну метала, и это значит, что выбросы всей сталелитейной промышленности составляют около 900 мегатонн в год, или 7–9 % всех выбросов от сжигания ископаемого топлива[245]. Но сталь не единственный материал, на который приходится значительная доля выбросов CO2: энергоемкость цемента гораздо меньше, но, поскольку его выпускается почти в три раза больше, чем стали, его производство дает почти такую же долю выбросов углекислого газа (около 8 %).

Бетон: мир, созданный цементом

Цемент — незаменимая составляющая бетона, которую получают нагреванием (до 1450 °C) молотого известняка (источник кальция), а также глины, гипса и минеральных добавок (источник кремния, алюминия и железа) в больших печах для обжига — длинных (100–200 метров) наклонных металлических цилиндрах[246]. Спекание при высокой температуре дает на выходе клинкер (сплав известняка и алюмосиликатов), который затем перемалывается в мелкий порошок — цемент.

Бетон состоит в основном из заполнителей (65–85 %) и воды (15–20 %)[247]. Мелкий заполнитель, такой как песок, позволяет получить более прочный бетон, но для него нужно больше воды, чем для более крупного заполнителя, например гравия