Энергия в производственной деятельности человека
реклама
Энергия в производственной деятельности человека В.Н. Покровский Доктор физико-математических наук, г. Москва Со времён Томаса Мальтуса рост и развитие человеческих обществ сопоставляется с наличными ресурсами, важнейшим из которых во времена Мальтуса была земля. Позднее индустрия перешла к широкому использованию энергии как важнейшего ресурса, что привело к невиданному ранее росту производства и, как следствие, изобилию продуктов питания и вещей, и в настоящее время энергия остаётся важнейшим резурсом, определяющим возможности развития человечества. Никто не отрицает универсальной значимости энергии в производстве, однако механизм использования энергии человеком не всегда представляется правильным образом, спектр мнений относительно роли энергии в экономике остаётся широким, и потому следует ещё раз обратить внимание на роль энергии, тем более, что в последние годы достигнуто существенное понимание проблемы. Как энергия поступает к человеку Жизнь человека, как и любой биологической популяции, основана, прежде всего, на энергии, поступающей к особям популяции через пищу. Для популяции человека биологически организованный поток энергии, как можно оценить по имеющимся в литературе данным, равен примерно 4109 джоулей на человека в год. Можно предполагать, что это значение оставалось примерно одинаковым во все времена существования человека. Кроме того, что, как у всякой популяции, имеется естественный механизм для извлечения энергии из окружающей среды через организмы особей, человек научился извлекать для себя энергию через искусственную производственную систему. Наряду с биологически организованными потоками энергии, человеческая популяция использует общественно организованные потоки энергии. Производственная система играет роль механизма, привлекающего энергию от разнообразных источников, среди которых находим остатки прежних биосфер: лес, уголь, нефть; прямая и косвенная солнечная энергия в форме потоков воздуха и воды; энергия расщепления и синтеза атомных ядер. На рис. 1 показаны величины общественно организованного потока энергии на одного человека в различных странах. Эта энергия через различные приспособления используются для преобразования веществ естественной окружающей среды в предметы искусственной окружающей среды, созидая полезную для людей сложность. Рисунок 1 Социально-организованный поток энергии. Увеличение потребления энергии связано с изобретением все более и более сложных устройств для использования энергии (ветер, проточная вода, уголь, нефть...). Числа, указанные пустыми кружечками, не включают работу животных, которые должны быть добавлены к потокам. Эта поправка существенна для Уганды и Непала, но может быть пренебрежена для других стран. Значения для точек взяты из Статистического ежегодника Энергии (Energy Statistics Yearbook, 1993 и последующие выпуски). Величины общественно-организованного потока энергии из традиционных и коммерческих источников на душу населения для некоторых стран и для всего мира в целом содержатся в статистических справочниках. Уже в течение сельскохозяйственной эры, к середине девятнадцатого столетия общественноорганизованный поток энергии на душу населения достигает величины биологически организованного потока энергии (4109 джоулей на человека в год). В настоящее время, в развитых странах, общественно организованный поток энергии в 50 - 100 раз превышает биологически организованный поток. В американской экономике, например, потребление первичной энергии приблизительно равно 41011 джоулей на человека ежегодно в 2000 году, что в 100 раз превышает биологически организованный поток энергии. Изучение биологических популяций и экосистем дало основание для утверждения, что те популяции и их ассоциации (экосистемы), способные извлекать большее количество энергии из окружающей среды, имеют преимущество для выживания. Фактически это утверждение является энергетическим принципом развития, сформулированным Лотка [1], Печуркиным[2], Одумом [3]: траектория развития системы определяется стремлением системы использовать наибольшее количество доступной энергии. Можно утверждать, что этот принцип является также справедливым для популяции человека с учётом того, что популяция человека использует два потока энергии. Всё большее количество энергии используется человеческой популяцией через усовершенствования технологии. Предшествующая история человечества подтверждает справедливость энергетического принципа развития. Обладание огромным количеством энергии позволяет человеческой популяции выживать во всех климатических зонах Земли и распространиться по всему земному шару. Кроме того, как можно видеть из истории человечества, нации, которые обладали методами использования природной энергии, приобретали преимущество перед другими нациями. Можно обратиться к классическим примерам: индустриальная революция и процветание Великобритании начались со времени изобретения паровой машины, которая позволила в большом количестве использовать химическую энергию, хранящеюся в угольных запасах. Мировая история может быть переписана как история борьбы за контроль над потоками энергии. Для чего используется энергия в народном хозяйстве Общественно организованный поток энергии начинается с идентификации первичных энергоносителей: уголь, нефть, потенциальная энергия падающей воды и прочее -- это то, что человек находит в природе и что ничего не стоит, пока не придумано, как извлекать энергию из энергоносителей. Общее количество первичных энергоносителей, используемых человеком и оцененных в энергетических единицах, попадает в справочники, как величина использованной первичной энергии. Хотя сложилась традиция -- говорить о потреблении энергии в народном хозяйстве, ради точности, слово потребление должно быть заменено словом преобразование. Энергия не может быть израсходована в процессе производства, но может только быть преобразована в другие формы: химическая энергия в тепловую энергию, тепловая энергия в механическую энергию, механическая энергия в энергию тепловую и так далее. Для оценки количества возможного преобразования энергии (работы) используют эксергию. Из общего количества первичных энергоносителей особое значение приобретает та часть, которая используется для приведения в действие различных приспособлений, позволяющих заместить трудовые усилия работой производственного оборудования. Согласно известным представлениям о производстве, работа может быть совершена работающими людьми и/или некоторым внешним источником энергии (вода, ветер, уголь, нефть, и так далее). Например, чтобы размолоть зерно в муку, можно использовать или ручную мельницу, или водяную мельницу, или ветряную мельницу, или паровую мельницу. В последних случаях, работа, выполняемая мускулами, заменяется работой падающей воды, или ветра, или тепла. Можно перечислить некоторые усилия, которые заменяются работой промышленного оборудования: 1. Усилия по перемещению веществ и тел (включая собственные тела людей) заменяла работа животных, ветра и паровых мобильных двигателей в прошлом. Теперь эти усилия заменяют главным образом работой самоходных машин -автомобилей, грузовиков, самолетов и других мобильных приспособлений. 2. Усилия по преобразованию и разделению веществ и тел -- усилия в производстве одежды, инструментов, различных приборов и прочего -- многие, если не все, изделия промышленности. Животные, ветер, вода и паровые машины использовались, чтобы совершать работу вместо людей в предыдущих столетиях. К середине двадцатого столетия и сейчас, та же самая работа главным образом производится машинами с электроприводом. 3. Усилия по наблюдению и координации, развитие принципов организации рассматривали как специфически человеческие функции до последних лет. Теперь работу мозга заменяют работой информационных процессоров, которые оживляются электричеством. Та часть энергии, которая поступает в производственную систему, чтобы заместить усилия работающих, называется первичной производительной энергией или первичной работой замещения. Наиболее важной величиной является истинная работа замещения или производительная энергия, обозначаемая символом P, что действительно заменяет усилия работающих. Эта величина является малой долей первичной производительной энергии, и коэффициент эффективности, определяемый, как отношение истиной к первичной работе замещения, зависит от используемой технологии. B Соединённых Штатах Америки в начале 60-х годов, например, при общем потреблении около 51019 джоулей в год треть всей потребляемой энергии шло на замещение труда. При коэффициенте эффективности 0.01 истинная замещающая работа составляла около 11017 джоулей. Остальная часть общественно-организованного потока энергии, называемая квази-работой [4], используется непосредственно в производстве и домашних хозяйствах для освещения, нагревания, химических преобразований и других целей. Так, например, некоторая доля нефтяных продуктов, потреблённых в американской экономике, используется для дорожных покрытий. Ясно, что в этом случае важно не энергетическое содержание, но свойство нефтяных продуктов как определенных материалов. Эффект замещения Известно, что Маркс связывал производство стоимости исключительно с затратами труда, и в то же время он ясно осознавал, что деятельность машин должна быть включена в экономическое описание производства. В Главе XIII «Машины и крупная промышленность» своего главного сочинения [5], Маркс описал функциональную роль машин в производственных процессах следующими словами: «Если мы присмотримся ближе к машине-орудию, или собственно рабочей машине, то мы в общем и целом увидим в ней, хотя часто и в очень измененной форме, все те же аппараты и орудия, которыми работают ремесленник и мануфактурный рабочий; но это уже орудия не человека, а орудия механизма, или механические орудия (с. 384). Итак, рабочая машина - это такой механизм, который, получив соответственное движение, совершает своими орудиями те самые операции, которые раньше совершал рабочий подобными же орудиями. Исходит ли движущая сила от человека или же, в свою очередь, от машины - это ничего не изменяет в существе дела (с. 385). В качестве машин средство труда приобретает такую материальную форму существования, которая обуславливает замену человеческой силы силами природы и эмпирических рутинных приёмов -- сознательным применением естествознания (с. 397). Если не считать средние ежедневные издержки машин и орудий или ту составную часть стоимости, которую они присоединяют к продукту ежедневным средним износом и потреблением вспомогательных материалов, например, масла, угля и так далее, то окажется, что они действуют даром, как силы природы, существующие без содействия человеческого труда (с. 399).» Уникальная роль машин в производственных процессах определяется как замещение работы человека работой машин, движимых внешними источниками энергии, в то время как степень этой замены зависит от применяемой технологии. Поскольку работа внешних сил, замещающих усилия человека, невозможна без дополнительного производственного оборудования, то это явление в неоклассической теории производства воспринимается и описывается как замещение труда капиталом. Рисунок 2. Отношение (в логарифмической шкале) привлечённой работы замещения (P) к оценкам усилий работающих (L) для двух производственных систем: США (верхняя кривая) и России (нижняя кривая). Очевидно, что характеристикой работы оборудования может служить истинная работа производственного оборудования P, а характеристикой замещения является отношение привлечённой работы замещения (P) к оценкам усилий работающих (L) в сопоставимых единицах. Эта отношение приведено на рисунке 2. Заметим, что в экономических терминах, энергоносители являются промежуточными продуктами, которые вносят вклад в стоимость произведенных продуктов лишь прибавкой стоимости носителя к цене, играя в процессе производства стоимости совершенно такую же роль как любой другой промежуточный продукт, участвующий в производственном процессе. Однако, истинная работа замещения или производительная энергия P является созидающим стоимость производственным фактором, который следует рассматривать наряду с другим производственным фактором традиционной неоклассической экономики -- затратами труда L. Энергетическое содержание денежной единицы Известно, что современные произвольные и непрерывно меняющиеся денежные единицы создают большие трудности, как для функционирования, так и для анализа экономических систем. Как пишет известный финансист Литэр [6, p.254]: «мир живёт без международного стандарта стоимости в течение многих десятилетий, ситуация, которую нужно счесть столь же неэффективной как функционирование без стандарта длины или веса.» Чтобы продемонстрировать необходимость постоянной единицы меры для эффективности производства, представим себе подрядчика, который строит дома. Можно воспользоваться произвольной мерой длины, чтобы выстроить дом, хороший дом, который понравится не только заказчику, но ещё некоторым людям, которые поспешат сделать заказ. При постройке второго дома подрядчик не замечает, что его мера длины немного уменьшилась, но это не помешает ему выстроить дом, точно такой же, но немного меньших размеров, что позволяет подрядчику сберечь строительные материалы. А что произойдёт, если мера длины изменится в процессе постройки дома? Конечно, хитрый подрядчик ужё давно сообразил, что умелое манипулирование мерой длины приносит хороший доход, и у него нет никакого интереса менять что-либо. А что же думают его клиенты? Недавние исследование роли энергии в производстве [4, 7-12] дают объективные основания для установления абсолютной единицы стоимости. Стоимость произведённых продуктов определяется как затратами труда, так и должным образом учтённая работа природных сил должна быть принята во внимание. Подобно тому, как трудозатраты в трудовой теории стоимости оказываются первоисточником всей произведённой стоимости, можно полагать, что, принимая эффекта замещения во внимание, общая величина работы, состоящая из должным образом учтённых усилий работающих и работы оборудования производства, необходимые для того, чтобы произвести вещь или услугу, является абсолютной мерой ценности. Как показал известный канадский экономист Бернард Бодро [8, 9], при этом естественным образом интерпретируется увеличение производительности труда и многие другие наблюдаемые эффекты. Рисунок 3. Работа, необходимая для производства одного доллара США 1996 года (верхняя кривая) и рубля 2000 года (нижняя кривая), в мегаджоулях. Полную работу (L + P, в сопоставимых единицах) можно сопоставить с рыночной стоимостью произведённых продуктов, чтобы получить энергетическую оценку денежной единицы, которые показаны на рисунке 2 для доллара США 1996 года и рубля 2000 года. Среднее значение «энергетического содержания доллара 1996 года в последних годах прошлого столетия (1960 - 2000) равно 1,4105 джоулей, в то время как значение той же самой величины за тот же самый отрезок времени (1960 - 2000) оказывается меньшей и равной 0,1105 джоулей. «Энергетическое содержание» доллара оказывается в 14 раз больше «энергетического содержания» рубля, тогда как обменный курс был приблизительно 30 рублей за доллар. Различие может быть приписано факту, что паритет различных денежных единиц устанавливается по их покупательной способности, которая может не совпадать с паритетом по «энергетическому содержанию». Дополнительно, должно быть отмечено, что российские данные, вообще, менее надежны чем американские данные. Измерение экономического роста Валовой внутренний продукт измеряется произвольными денежными единицами, которые не остаются постоянными во времени. Например, самая низкая кривая на рис. 4 представляет валовой внутренний продукт для американской экономики в текущих долларах, то есть измереннный денежной единицей, которая установилась в текущем году. Для сравнения достижений в различные годы, выбирают денежную единицу постоянной покупательной способности, или, другими словами, денежную единицу, при которой некоторая корзина продуктов имеет неизменную цену. Эта денежная единица может быть установлена при сравнении подобных наборов продуктов в различные годы, так что этой мерой оценивается 'физический объем' продукции. Производство стоимости в американской экономике, измеренное этой мерой, показано средней кривой на рис. 4. Верхняя кривая на рис. 4 представляет производство стоимости, измеренной постоянной энергетической единицей. Рисунок 4. Временная зависимость валового внутреннего продукта в народном хохяйстве США меняется при выборе той или иной единицы стоимости. Более низкая и более крутая кривая представляет ВВП в миллионах текущих долларов, средняя кривая - в миллионах долларов 1996 года. Верхняя кривая представляет производство стоимости, измеренной миллионами энергетических единиц, которая принята равной 50000 джоулей. Два фактора производства: трудозатраты и работа внешних источников энергии взаимозаменяемы и, в этом смысле, являются эквивалентными, так что труд остается, в конечном счете, используя слова Адама Смита, "единственно универсальной, так же как единственно точной мерой стоимости, или единственным стандартом, по которому мы можем сравнить стоимости различных товаров во все времена и во всех местах". Принимая во внимание эффект замещения, можно также сказать, что единственной универсальной и точной мерой стоимости является оценка усилий работающих или других агентов, используемых для производства. Описанное расширение трудовой теории стоимости имеет непосредственное соотношение с обычной неоклассической теорией, которая рассматривает капитал и труд как главные источники производства стоимости. При введения третьего фактора производства -- замещающей работы оборудования или производительной энергии, обсуждаемая теория помогает осознать надлежащую роль энергии в производстве стоимости, с одной стороны, и избавиться от противоречий традиционной неоклассической теории, с другой стороны, то есть примирить различные подходы к теории производства. О механизме привлечения энергии Чтобы вовлечь внешнюю энергию в производственный процесс, нужно иметь доступные источники энергии и оборудование, которые использует энергию. Можно предположить, что совокупность знаний об окружающем нас мире играет роль резервуара, откуда появляются предложения по использованию энергии в производстве. Действительно, можно найти большое количество блестящих примеров 'преобразования' знаний в способы использования энергии в истории технологии. В качестве примера, можно указать изобретение паровой машины или двигателя внутреннего сгорания. Чтобы использовать окружающие нас источники энергии в производстве, нужно идентифицировать доступные источники энергии и сконструировать оборудование, которые использует энергию для производства. Определённые приспособления должны быть изобретены, изготовлены и установлены для работы, так что наличие производительной энергии определено фундаментальными результатами науки, исследованиями, проектными работами, и материализацией всего человеческого воображения о том, как использовать энергию для производства. Человеческое воображение обеспечивает методы использования энергии в производственных целях. Таким образом, основы предложений использования энергии лежат в депозите знаний, которые являются бесполезными, пока не используются в производственных процессах. Накопленные знания определяют возможность общества использовать и привлекать энергию к производству. Хотя бесспорно, что знание делает энергию доступной для людей, остаётся вопрос, можно ли описать эту зависимость количественно. Мы знаем, что существует деятельность, производящая принципы организации, проектирование технологических процессов и т. д., то есть в широком смысле знания. Мы полагаем что этот депозит знаний является фундаментальным результатом науки, результатом исследования, проектных работ и прочих наблюдений. Запас знаний может быть измерен непосредственно в натуральных единицах, то есть, числом патентов, числом технических журналов, числом книг в печати и так далее. Альтернативно, запас знаний может быть оценен по усилиям, затраченным на его создание, то есть стоимостью, как и любого другого продукта. Может ли стоимость запаса знания, быть мерой информации, которая содержится во всем этом запасе? Запас знания должен рассматриваться как ресурс непосредственно. Существует ли какая либо функция, описывающая зависимость предложение энергии от запаса знаний, и, если существует, каково её асимптотическое поведение? Можно думать что текущее внимание к запасам знаний, как к истинному источнику экономического роста, не случайно и может помочь решить проблему. Обсуждение запаса знаний, как существенного фактора производства и подлинного источника экономического роста соответствует введению производительной энергии как фактора производства. Заключение Основной вывод исследований последних десятилетий заключается в том, что экономический механизм утилизации энергии человеком естественно входит в теорию общественного развития. Как следует из энергетического принципа развития, при естественном развитии человеческая популяция на Земле стремится увеличить потребление энергии. Включение энергии в рассмотрение помогает избавиться от некоторых трудностей в теории производства стоимости и предлагает некоторое согласование контрастирующих точек зрения на роль энергии в общественном развитии. Понимание роли энергии в экономических процессах позволяют нам развить метод вычисления "энергетического содержания денежной единицы", что важно для объективного описания финансовых, денежных потоков. Литература 1. Lotka A.J. (1925), Elements of Physical Biology, Williams and Wilkins, Baltimore. 2. Печуркин, Н.С. (1982), Наука, Новосибирск. Энергетические аспекты надорганизменных систем, 3. H.T. Odum, Environmental Accounting: Emergy and Environmental Decision Making, John Wiley & Sons, New York, 1996. 4. R.U. Ayres, L.W. Ayres, B. Warr, Exergy, power and work in the US economy, 1900--1998, Energy 28 (2003) 219-273. 5. К. Маркс, Капитал. Критика Политической Экономии. Том первый, в: Карл Маркс и Фридрих Энгельс, Сочинения, издание второе, том 23, Государственное Издательство Политической Литературы, Москва, 1960. 6. B. Lietaer, The future of money. A new way to create wealth, work, and a wiser world, Century, London, 2001 7. R.U. Ayres, L.W. Ayres and Vladimir Pokrovsky. On the efficiency of US electricity usage since 1900. Energy, Volume 30, Issue 7 , June 2005, Pages 1092-1145. 8. Beaudreau B.C. Energy and Organization: Growth and Distribution Reexamined (Greenwood Press, the first ed., 1998; the second ed.: 2008). 9. Beaudreau B.C. Energy rent. A scientific theory of income distribution. New York, Lincoln, Shanghai: iUniverse, Inc., 2005. 10. V.N. Pokrovski, Physical Principles in the Theory of Economic Growth, Aldershot, Ashgate, 1999. Пересмотренная и дополненная книга готовится к изданию на русском языке как «Введение в экодинамику. Размышления о первоисточниках богатства: экономика сталкивается с физикой». Текст можно найти по адресу: http://ecodynamics.narod.ru/production/гcontent.html 11. V.N. Pokrovskii. Energy in the theory of production. Vol. 28 No 8, pp. 769-788. Energy, Jun 2003, 12. V.N. Pokrovskii. Productive energy in the US economy. Energy, Volume 32, Issue 5, May 2007, Pages 816-822
