Вацлав Смил – Цифры не лгут. 71 факт, важный для понимания всего на свете (страница 20)

Итак, мы должны многократно увеличить объемы хранения: Но как? Энергоэффективность натрий-серных аккумуляторов выше, чем у литий-ионных, но горячий жидкий металл очень неудобен в качестве электролита. Проточные батареи, которые запасают энергию непосредственно в электролите, все еще находятся на стадии внедрения. Суперконденсаторы не способны поставлять энергию в течение достаточно долгого времени. А сжатый воздух и маховики – извечные любимчики популярной журналистики – были реализованы лишь в десятке небольших или средних проектов. Вероятно, в долговременном плане наши надежды будут связаны с дешевым электричеством, получаемым из солнечной энергии: с ним мы разложим воду при помощи электролиза и используем полученный водород в качестве универсального топлива, – однако перспективы такой водородной энергетики пока туманны.

Таким образом, для масштабного хранения энергии нам по-прежнему приходится рассчитывать на технологию, появившуюся в 1890-х гг.: водохранилище с насосным питанием. Вы строите один резервуар на возвышенности и трубами соединяете его с другим, расположенным ниже, а затем используете более дешевое электричество, ночью перекачивая насосами воду наверх, чтобы она вращала турбины в периоды пиковых нагрузок. На гидроаккумуляцию приходится 99 % мирового объема хранилищ электроэнергии, но при этом приходится мириться с неизбежными потерями порядка 25 %. Многие такие хранилища обеспечивают мощность 1 ГВт – максимум до 3 ГВт – в течение недолгого времени, но для мегаполиса, полностью зависящего от солнечной и ветровой генерации, потребуется несколько подобных сооружений.

Однако большинство городов-гигантов расположены вдали от крутых склонов или глубоких горных долин, которые нужны для гидроаккумуляции. Многие – в том числе Шанхай, Калькутта и Карачи – находятся на прибрежных равнинах. Гидроаккумуляция для них возможна только при условии передачи электроэнергии на дальние расстояния.

Необходимость в более компактных, более гибких, масштабных и дешевых хранилищах электрической энергии самоочевидна. Но чудо к нам не торопится.

Корабли на электричестве: пока все трудно

Почти вся ваша одежда и бытовые приборы когда-то побывали в стальных контейнерах на морских судах. Эти корабли шли из Азии, и в движение их приводили дизельные установки, загрязняя воздух микрочастицами и углекислым газом. Очевидно, вы думаете, что это можно исправить.

В конце концов, мы уже больше ста лет используем электровозы и больше полувека – скоростные пассажирские поезда, а в последнее время во всем мире резко вырос парк электромобилей. Почему бы не сделать электрические контейнеровозы?

На самом деле в 2020 г. на воду планировалось спустить первый такой корабль – Yara Birkeland, построенный в Норвегии компанией Marin Teknikk. Это не только первый в мире контейнеровоз на электрической тяге, не загрязняющий окру- жающую среду, но и первое автономное торговое судно.

И все же нам пока еще рано списывать со счетов гигантские дизельные суда, которые так важны для глобальной экономики. Вот приблизительные расчеты, которые объясняют почему…

Контейнеры бывают разных размеров, но большинство из них – стандартные 20-футовые эквиваленты (TEU, twenty-foot equivalent unit); это прямоугольные параллелепипеды длиной 20 футов (6,1 м) и шириной 8 футов (2,4 м). Первые контейнеровозы небольшого размера, появившиеся в 1960-х гг., вмещали несколько сотен TEU; в настоящее время четыре судна, спущенные на воду в 2019 г. и принадлежащие компании MSC Switzerland (Gülsün, Samar, Leni и Mia), способны перевозить по 23 756 TEU – это рекорд. На малом ходу (16 узлов, ради экономии топлива) они могут преодолеть более 21 000 км, отделяющих Гонконг от Гамбурга (через Суэцкий канал), всего за 30 дней.

А что же Yara Birkeland? Он может взять на борт всего 120 TEU, его скорость – 6 узлов, а самый длинный предполагаемый маршрут – 30 морских миль: он курсирует между полуостровом Херойя и городом Ларвик в Норвегии. Таким образом, сегодня самый современный дизельный контейнеровоз перевозит почти в 200 раз больше контейнеров на расстояние в 400 раз больше со скоростью, в три или четыре раза превышающей скорость первого контейнерного корабля на электрической тяге.

Модель контейнеровоза Yara Birkeland

Что нужно, чтобы построить судно с электрической силовой установкой, способное взять на борт 18 000 TEU – стандарт для межконтинентальных перевозок? За 31 день плавания современное дизельное судно сжигает 4650 тонн топлива (низкокачественный топочный мазут или дизельное топливо), и каждая тонна содержит 42 ГДж энергии. Таким образом, плотность энергии составляет около 11 700 Вт·ч/кг – сравните с 300 Вт·ч/кг у современных литий-ионных аккумуляторов: разница больше почти в 40 раз.

Совокупная потребность в топливе для такого путешествия составляет приблизительно 195 ТДж, или 54 ГВт·ч. Большие дизельные двигатели (а на контейнеровозах устанавливаются одни из самых больших) имеют КПД, почти равный 50 %, и это значит, что энергия, которая реально используется на продвижение судна, составляет половину совокупной потребности в топливе, то есть 27 ГВт·ч. Чтобы удовлетворить такую потребность, большим электродвигателям с КПД 90 % понадобится около 30 ГВт·ч электричества.

Если оснастить судно лучшими из выпускаемых сегодня литий-ионных аккумуляторов (300 Вт·ч/кг), для путешествия из Азии в Европу продолжительностью один месяц без захода в порты их требуемая масса составит 100 000 тонн (для сравнения: литий-ионный аккумулятор электромобиля весит 500 кг, или 0,5 тонн). На аккумуляторы придется около 40 % грузоподъемности контейнеровоза, что экономически невыгодно, не говоря уже о трудностях, связанных с их зарядкой и обслуживанием. А даже если нам удастся повысить плотность энергии до 500 Вт·ч/кг раньше, чем мы того ожидаем, контейнеровозу грузоподъемностью 18 000 TEU потребуется почти 60 000 тонн аккумуляторов для преодоления межконтинентальных маршрутов с относительно небольшой скоростью.

Вывод очевиден. Для того чтобы построить судно с электрической силовой установкой, аккумуляторы и двигатели которого весят не больше, чем топливо (5000 тонн) и дизельный двигатель (2000 тонн) у современных контейнеровозов, нам понадобятся аккумуляторы с плотностью энергии более чем в 10 раз превышающей ту, которой обладают лучшие из современных литий-ионных батарей.

Но это чрезвычайно сложная задача: за последние 70 лет плотность энергии лучших промышленных аккумуляторов увеличилась менее чем в четыре раза.

Электричество: реальная цена

Во многих богатых странах новый век принес изменение долговременной траектории цен на электричество: они выросли не только в пересчете на текущий курс, но и с поправкой на инфляцию. Тем не менее электричество остается весьма выгодным источником энергии – разумеется, с учетом национальных особенностей, которые обусловлены не только различием источников энергии, но и непрестанным государственным регулированием.

В ретроспективе мы видим очень важную закономерность, которая объясняет вездесущность электричества в современном мире. С учетом инфляции средняя стоимость бытовой электроэнергии (в ценах 2019 г.) в США снизилась с $ 4,81 за кВт·ч в 1902 г. (когда впервые стал доступным расчет среднего показателя по стране), до 30,5 цента (1950), затем до 12,2 цента (2000), а в 2019 г. она была чуть выше – 12,7 цента за кВт·ч. Относительное снижение составило более 97 %; другими словами, за один доллар сегодня можно купить в 38 раз больше электроэнергии, чем в 1902 г. Но за этот период времени средняя (опять-таки скорректированная на инфляцию) оплата труда в промышленности увеличилась почти в шесть раз, а это означает, что для домохозяйства «синего воротничка» электричество стало в 200 раз доступнее, чем почти 120 лет назад (реальная стоимость с поправкой на доходы составляет менее 0,5 % от уровня 1902 г.).

Но мы покупаем электричество, чтобы преобразовать его в свет, кинетическую энергию или тепло, и благодаря промежуточным улучшениям эффективности его конечное использование еще выгоднее – особенно в том, что касается освещения. В 1902 г. светоотдача у лампы накаливания с танталовой нитью составляла 7 лм/Вт, а в 2019 г. у светодиода с регулируемой яркостью – 89 лм/Вт. Это значит, что один люмен электрического света в домах, которыми владеют люди из рабочего класса, теперь примерно в 2500 раз доступнее, чем в начале XX в.

Сравнение по странам позволяет выявить неожиданные различия. В США бытовая электроэнергия дешевле, чем во всех остальных богатых странах, за исключением Канады и Норвегии, стран с высокими доходами населения и существенной долей генерации гидроэлектроэнергии (59 % и 95 % соответственно). При пересчете по преобладающему курсу валют цена электроэнергии для домохозяйств в США в среднем составляет около 55 % цены в ЕС, примерно половину от цены в Японии и менее 40 % цены в Германии. Цены на электроэнергию в Индии, Мексике, Турции и Южной Африке ниже, чем в США, если пересчитывать по официальному обменному курсу, – но гораздо выше, если брать паритет покупательной способности: в Индии они в два с лишним раза выше, а в Турции – почти в три.