Вацлав Смил – Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого (страница 9)

Трудно сказать, какой вид преобразователей электричества оказал большее влияние на наш мир — лампы или двигатели. Преобразование электричества в кинетическую энергию с помощью электродвигателей совершило переворот практически во всех отраслях промышленности, а затем проникло в каждый дом. Были почти полностью электрифицированы ручные операции, а также производственные процессы, где раньше использовались паровые машины — подъемники, прессы, режущие механизмы, ткацкие станки и т. д. В Соединенных Штатах этот процесс занял всего четыре десятилетия — после появления первых двигателей переменного тока[54]. В 1930 г. электропривод почти удвоил производительность труда в американской промышленности, а к концу 1960-х гг. этот показатель снова удвоился[55]. Одновременно электродвигатели начали завоевывать рельсовый транспорт: сначала электрическими стали трамваи, а затем и пассажирские поезда.

В настоящее время во всех экономиках доминирующее положение занимает сектор услуг, а его работа полностью зависит от электричества. Электродвигатели приводят в движение лифты и эскалаторы, обеспечивают работу кондиционеров, открывают двери, прессуют мусор. Они также незаменимы для электронной торговли, поскольку приводят в движение лабиринты конвейеров на гигантских складах. Но самые распространенные устройства люди не видят, хотя пользуются ими ежедневно. Это крошечные моторы, создающие вибрацию в мобильных телефонах: самый миниатюрный из них имеет размеры 4 × 3 мм, а его ширина не превышает половины ширины ногтя на мизинце взрослого человека. Увидеть его можно только разобрав телефон или посмотрев видеоролик с этой операцией[56].

В некоторых странах практически весь железнодорожный транспорт электрифицирован, а высокоскоростные поезда (до 300 км/ч) приводятся в движения либо электрическими локомотивами, либо электродвигателями, установленными в нескольких местах, как в инновационной японской системе «Синкансэн», первый поезд которой был запущен в 1964 г.[57]. Даже в недорогих автомобилях насчитывается от 20 до 40 маленьких электродвигателей — а в роскошных еще больше, — что увеличивает вес машины и нагрузку на аккумуляторы[58]. В жилых домах кроме освещения и питания всех электронных приборов (в их число теперь входят и системы сигнализации) электричество выполняет механическую работу, обеспечивает работу плит и холодильников на кухне, нагревает воду, а во многих случаях и сам дом[59].

Без электричества во всех городах была бы недоступна питьевая вода, а также жидкое и газообразное топливо. Мощные насосы качают воду в водопроводную систему, а в городах с высокой плотностью населения или крупными промышленными предприятиями воду приходится поднимать на огромную высоту[60]. Электродвигателями оснащены все топливные насосы, необходимые для перекачки бензина, керосина и дизеля в баки автомобилей и самолетов. Большое количество природного газа поставляется по трубопроводам — для перекачки топлива часто используются газовые турбины, — но в Северной Америке, где преобладает воздушное отопление, маленькие электродвигатели вращают вентиляторы, которые гонят по трубам воздух, нагретый с помощью природного газа[61].

Долгосрочная тенденция к электрификации общества (растет доля топлива, которое преобразуют в электричество вместо непосредственного использования) не подлежит сомнению. Новые возобновляемые источники — солнце и ветер, в отличие от гидроэлектростанций, первая из которых появилась в 1882 г., — готовы подключиться к этому процессу, но история производства электроэнергии напоминает, что его сопровождают многочисленные сложности. Кроме того, несмотря на огромное и постоянно растущее значение электричества, на него все еще приходится небольшая часть глобального энергопотребления, всего 18 %.

Прежде чем щелкнуть выключателем

Чтобы оценить основы, инфраструктуру и наследие 140 лет развития производства элекроэнергии, нужно вернуться к самому началу. Промышленную выработку электричества начали в 1882 г. три пионера этой индустрии. Это были две электростанции на угле, спроектированные Томасом Эдисоном (станция на Холнборском виадуке в Лондоне начала работу в январе 1882 г., а на Перл-стрит в Нью-Йорке — в сентябре 1882 г.), и первая гидроэлектростанция на реке Фокс в Аплтоне, в штате Висконсин, также давшая первый ток в сентябре 1882 г.[62]. В 1890-х гг. объем производства электричества быстро увеличивался — благодаря переходу на передачу переменного тока вместо постоянного и распространению в промышленности и в домашнем хозяйстве новых электродвигателей переменного тока. В 1900 г. для выработки электричества использовали меньше 2 % мировой добычи ископаемого топлива; в 1950 г. эта доля еще не превышала 10 %, а сегодня приближается к 25 %[63].

Мощности гидроэлектростанций значительно возросли в 1930-х гг., когда в США и СССР были реализованы крупные финансируемые государством проекты; новые высоты были достигнуты после Второй мировой войны, а кульминацией стали рекордные по своим размерам комплексы в Бразилии («Итайпу», завершена в 2007 г., 14 гигаватт) и Китае («Три ущелья», завершена в 2012 г., 22,2 гигаватта)[64]. Тем временем развивалась атомная энергетика (первой промышленной атомной электростанцией стала Обнинская АЭС, запущенная в 1954 г., первой коммерческой — британская «Колдер-Холл» в 1956-м), она пережила период бурного развития в 1980-х гг. и достигла пика в 2006 г., а затем последовал небольшой спад, и в настоящее время на нее приходится около 10 % глобального производства электроэнергии[65]. В 2020 г. на долю гидроэлектростанций приходилось почти 20 %, на солнечную и ветроэнергетику — почти 7 %; остальную электроэнергию (приблизительно две трети) вырабатывали крупные электростанции, работающие на угле и природном газе.

Неудивительно, что спрос на электроэнергию рос гораздо быстрее, чем на все остальные виды коммерческих энергоресурсов: за 50 лет, с 1970 по 2020 г., выработка электроэнергии увеличилась в пять раз, а совокупный спрос на первичную энергию вырос только втрое[66]. По мере того как росла доля городского населения, увеличивалась и базовая нагрузка — минимальное количество электроэнергии, которое должно потребляться в день, месяц или год. Несколько десятилетий назад спрос на электроэнергию в Америке был минимален летними ночами, когда закрывались заводы и магазины, останавливался общественный транспорт, а большинство населения спало с открытыми окнами. Теперь окна закрываются и в ночи гудят кондиционеры, чтобы было комфортно спать в жаркую и влажную погоду; в крупных городах и мегаполисах многие предприятия работают в две смены, а магазины и аэропорты открыты 24 часа в сутки. Лишь COVID-19 остановил круглосуточную работу метро в Нью-Йорке, а токийская подземка закрывается только на пять часов (первый поезд со станции Токио отправляется в Синдзюку в 5:16, а последний — в 0:20)[67]. Ночные спутниковые снимки, снятые с разницей в несколько лет, показывают, как улицы, парковки и здания сияют все ярче и освещенные области увеличиваются, зачастую объединяя соседние города и образуя огромные, ярко освещенные агломерации[68].

Чрезвычайно высокая надежность электроснабжения — управляющие сетями говорят о желательности достижения «шести девяток»: при надежности 99,9999 перерыв в энергоснабжении не превышает 32 секунд в год! — это необходимость в обществах, где электричество является источником энергии буквально для всего, от освещения (больницы, автострады, указатели аварийного выхода) до аппаратов искусственного дыхания и огромного количества производственных процессов[69]. Эпидемия COVID-19 стала причиной несчастий, страданий и неизбежных смертей, но эти бедствия меркнут по сравнению с несколькими днями серьезных сбоев в электроснабжении любого густонаселенного региона, а если сбои распространятся на всю страну и продлятся несколько недель, это будет катастрофа с беспрецедентными последствиями[70].

Декарбонизация: темп и масштаб

В земной коре достаточно ископаемого топлива, и можно не опасаться быстрого истощения запасов угля и углеводородов: при сохранении добычи на уровне 2010 г. запасов угля хватит приблизительно на 120 лет, нефти и газа — на 50 лет, а продолжающаяся разведка переведет большую их часть из ресурсов в категорию резервов (технически и экономически доступные). Ископаемое топливо создало современный мир, но озабоченность относительно большой скоростью глобального потепления привела к все более громким призывам как можно скорее избавиться от ископаемых углеводородов. В идеале декарбонизация энергопотребления должна происходить достаточно быстро, чтобы ограничить глобальное потепление 1,5 °C (в худшем случае 2 °C). Согласно большинству климатических моделей, это значит, что необходимо к 2050 г. снизить до нуля глобальные выбросы CO₂, а затем до конца столетия поддерживать их отрицательный уровень.

Обратите внимание на главную особенность этих моделей: целью является не полная декарбонизация, а «нулевой баланс», или углеродная нейтральность. Это определение предполагает, что продолжающаяся эмиссия CO₂ будет компенсироваться его изъятием (по еще не существующей технологии) из атмосферы и хранением под землей или такими временными мерами, как масштабная посадка деревьев[71]. К 2020 г. установка цели «нулевого баланса» на годы, заканчивающиеся цифрами 5 или 0, превратилось в настоящее соревнование: к этой гонке присоединились более 100 стран — от Норвегии в 2030 г. и Финляндии в 2035 г. до всего Европейского союза, Канады, Японии и Южной Африки в 2050 г., а также Китая (самого крупного потребителя ископаемого топлива) в 2060 г.[72]. Учитывая тот факт, что выбросы CO₂ от сжигания ископаемого топлива в 2019 г. превысили 37 миллиардов тонн, цель достижения нулевого баланса требует беспрецедентного энергетического перехода — как по темпам, так и по масштабу. Пристальный взгляд на его ключевые компоненты открывает огромные трудности.