. Ограничители инноваций в области энергетики

Президент Барак Обама пообещал энергетическую революцию в крупнейшей в мире экономике, с возобновляемыми источниками энергии и «зелеными» технологиями, которая прекратит зависимость Америки и всего мира от традиционных источников топлива. Экологическая, стратегическая и экономическая выгоды, в том числе сокращение использования органического топлива, при сгорании которого выделяется углекислый газ, уменьшение зависимости от политически неустойчивых экспортеров газа и нефти, а также создание миллионов высокооплачиваемых рабочих мест, неоспоримы. Однако насколько реалистична такая точка зрения?

Существует только один тип первичной энергии (энергия, содержащаяся в природных ресурсах), ранее неизвестный цивилизациям на Ближнем Востоке и в Восточной Азии, находящимся на высшей ступени развития, и всем их последователям до промышленной революции — это изотопы тяжелых элементов, ядерное деление, которых использовалось с конца 1950-х годов для вырабатывания тепла, позволяющего производить пар для современных электрических турбогенераторов. Все остальные источники энергии были известны на протяжении многих тысячелетий и большинство из них максимально использовалось в обществе до индустриализации.

Основное различие между традиционным и современным использованием энергии заключается не в доступе к новым или лучшим источникам энергии, а в изобретении и распространении эффективных, доступных, надежных и удобных «первичных источников энергии», устройств, которые преобразуют первичную энергию в механическую энергию, электричество и тепло. Историю можно приблизительно разделить на эры, определяемые превалирующими первичными источниками энергии.

Самый длительный промежуток времени (с момента появления первых человекоподобных до одомашнивания тягловых животных) — это эра, в которой единственным первичным источником энергии были мускулы человека. Затем стали применяться тягловые животные, и к первичной энергии тягловых животных постепенно добавились первичные механические источники энергии, паруса и колеса, которые улавливали природные потоки энергии.

Важнейший прорыв в указанной системе, существовавшей на протяжении тысячелетий, наступил только после широкого распространения первого практического механического первичного источника энергии, позволяющего преобразовывать тепло, образующееся при сгорании топлива, когда Джеймс Ватт усовершенствовал паровой двигатель, созданный в 1780-х годах. Наиболее эффективные версии этого первичного источника энергии оказывали влияние на модернизацию западного мира до первого десятилетия двадцатого века.

В течение 1830-х годов появление первых гидротурбин стало началом окончания эры водяного колеса. Два других ключевых промежуточных события произошли в 1880-е годы: Бенц, Даймлер и Майбах создали бензиновый двигатель внутреннего сгорания с циклом Отто, и Чарльз Парсонс запатентовал паровую турбину. 1890-е годы ознаменовались появлением более эффективного, благодаря конструкции, двигателя внутреннего сгорания Рудольфа Дизеля на жидком топливе.

Только один первичный источник энергии можно добавить к вышеуказанному ряду: газовую турбину, которая была задумана и сконструирована в начале двадцатого века. Однако первая рабочая модель (как стационарная, так и для самолетов) появилась только в 1930-е годы и начала стремительно распространяться в 1950-е годы.

На сегодняшний день самым повсеместно распространенным механическим первичным источником энергии, установленным практически на миллиарде дорожных и вездеходных транспортных средств, водных судах, самолетах и несчетном количестве машин и приспособлений, является бензиновый двигатель внутреннего сгорания, который практически не изменился с 1880-х годов. Экономическая глобализация невозможна без дизельных двигателей, являющихся источником энергии для нефтеналивных танкеров и танкеров для сжиженного природного газа, сухогрузных судов, перевозящих железную руду и зерно, а также кораблей, перевозящих контейнеры: на некоторых из них установлены двигатели, мощность которых приближается к 100 МВт, хотя их базовая конструкция была разработана на протяжении двух десятилетий после того, как Дизель в 1897 году испытал первую модель своего двигателя.

Большая часть электроэнергии в мире вырабатывается паровыми турбинами, работающими на сжигании ископаемых видов топлива и атомными электростанциями. За исключением значительной большей мощности и кпд, Парсонс узнал бы в них основные детали своего изобретения, которому уже более 120 лет. Межконтинентальные авиаперелеты были бы значительно большим испытанием без газовой турбины, изобретенной в 1930-е годы Фрэнком Уиттлом (который думал о турбовентиляторах, являющихся в настоящее время основным коммерческим дизайном, даже прежде чем он создал первый турбореактивный двигатель) и Иоахимом Пабстом фон Охайном.

Указанные реалии предполагают три очевидных, но недооцененных вывода относительно механических первичных источниках энергии, являющихся основой нашего экономического прогресса. Во-первых, из-за их большого количества и связанных с ними (часто дорогостоящих и экстенсивных) инфраструктур, первичные источники энергии инертны. Они были лишь незначительно улучшены с тех пор, как эти первичные источники энергии были внедрены в промышленное производство более века назад (гидротурбины, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания) или более 50 лет назад (газовые турбины).

Во-вторых, любой переход к новым первичным источникам энергии — это, по своей сути, достаточно длительное дело, для выполнения которого потребуются десятилетия. Даже в современных условиях, например, существуют всего лишь небольшие признаки, что паровые турбины не будут продолжать вырабатывать основную часть электричества на протяжении десятилетий в будущем или что газовые турбины будут в ближайшее время чем-то заменены. Современные разработки показывают, что даже автомобильные двигатели внутреннего сгорания не могут быть заменены электромоторами или топливными батареями так стремительно, как это предполагают многие энтузиасты.

И наконец, чем шире области использования первичных источников энергии, тем больше времени понадобится для появления замены. Век назад в мире использовался уголь и относительно небольшой объем нефти с расходом 0,7 Тераватт, а в 2008 году коммерческая выработка энергии — из ископаемого топлива и первичных (водные и атомные) источников электроэнергии — давала расход равный 15 Тераватт. Объективно, этот масштаб ограничивает скорость, с которой могут быть созданы новые первичные источники энергии, способные заменить в значительной степени устаревшие устройства.

Например, если бы потребовалось обеспечить выработку 20% электроэнергии в мире ветряными турбинами, то, учитывая их небольшую загрузку, составляющую 25% ( по сравнению с 75% для тепловых электростанций, применяющих паровые турбины), для этих устройств необходимо повысить суммарную мощность на 1,25 Tераватт. Даже при установке больших турбин мощностью по 3 MВт, для этого понадобится более 400 000 высоких вышек и гигантских пропеллеров с тремя лопастями. Выполнение этой задачи займет много десятилетий.

Вацлав Смил

Автор — Вацлав Смил — профессор географии и окружающей среды в университете штата Манитоба, Канада.

Перевод:  Николай Жданович

Copyright: Project Syndicate, 2009.

Права на текст по Германии: издательство Тертерян, специалист по русскоязычным СМИ в Германии и Европе.

Другие новостные статьи: