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

проявление электричества — молния — является слишком мощным, слишком скоротечным (доли секунды) и слишком разрушительным для использования. Каждый из нас способен произвести крошечные порции статического электричества, потерев друг о друга соответствующие материалы, или пользоваться маленькими аккумуляторами, которые без подзарядки обеспечивают несколько часов работы фонарика или портативной электроники, но выработка электричества для массового коммерческого использования — это дорогостоящее и сложное дело. Не менее сложна и передача электричества от генерирующих мощностей до мест и регионов максимального использования — к городам, промышленным предприятиям и скоростному электротранспорту. Для нее требуются повышающие трансформаторы и обширная сеть высоковольтных линий электропередачи, а затем понижающие трансформаторы и низковольтные электрические сети, воздушные или подземные, для доставки к миллиардам потребителей.

Даже в нашу эпоху высокотехнологичных электронных чудес мы не можем позволить себе хранить электричество в масштабах, достаточных для удовлетворения потребностей среднего по размеру города (с населением 500 тысяч человек) в течение одной или двух недель или обеспечивать электроэнергией мегаполис (более 10 миллионов человек) даже полдня[51]. Но, несмотря на эти сложности, высокую стоимость и технические проблемы, мы пытались электрифицировать современную экономику, и движение к электрификации продолжится, поскольку эта форма энергии обладает множеством уникальных преимуществ. Самое очевидное заключается в том, что в месте конечного потребления она простая в использовании, чистая, а в большинстве случаев и чрезвычайно эффективная. Щелчком выключателя, нажатием кнопки или поворотом ручки термостата (сегодня зачастую достаточно жеста или голосовой команды) мы включаем освещение, электродвигатели, нагреватели и кондиционеры — ни громоздких запасов топлива, ни трудозатрат на переноску и складирование, ни опасности неполного сгорания (когда вырабатывается ядовитый угарный газ), ни необходимости чистки ламп, плит или котлов.

Электричество — наилучший вид энергии для освещения: у него нет конкурентов ни в частных домах, ни в общественных местах. Лишь немногие изобретения оказали такое влияние на современную цивилизацию, как возможность убрать ограничения светового дня и осветить темное время суток[52]. Все предыдущие альтернативы, от древних восковых свечей и масляных ламп до первых газовых и керосиновых светильников индустриальной эпохи, были ненадежными, дорогостоящими и в высшей степени неэффективными. Наиболее наглядным будет сравнение источников света с точки зрения их светоотдачи — способности испускать видимый свет, измеренной как отношение излучаемого светового потока (в люменах) к потребляемой мощности (в ваттах). Если принять светоотдачу свечи за 1, то светильники на каменноугольном газе первых лет индустриализации превосходили ее в 5–10 раз. До Первой мировой войны электрические лампочки с вольфрамовой нитью накаливания обеспечивали светоотдачу порядка 60. У современных люминесцентных ламп светоотдача в 500 раз выше, чем у свечи, а у натриевых ламп (используемых для уличного освещения) — в 1000 раз выше[53].

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