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

начала Energiewende, ускоренного энергетического перехода, Германия все еще сохранила большую часть мощностей, использующих ископаемое топливо (89 %), чтобы удовлетворить спрос на электричество в пасмурные и безветренные дни. В не слишком солнечной Германии фотоэлектрические панели работают в среднем 11–12 % времени, и в 2020 г. сжигание ископаемого топлива давало почти половину (48 %) всей электроэнергии. Более того, доля ветроэнергетик увеличивалась, а строительство высоковольтных линий для передачи электричества из ветреных северных регионов в южные запаздывало. А в США, где требуются гораздо более масштабные проекты по передаче электричества от ветряных генераторов Великих Равнин или солнечных электростанций юго-запада страны к прибрежным регионам с высоким спросом, долгосрочные планы по строительству этих линий передачи так и не были реализованы[75].

При всех трудностях этих проектов они основаны на технически зрелых (и постоянно совершенствующихся) решениях — то есть на более эффективных фотоэлементах, больших сухопутных и морских ветряных турбинах и высоковольтной передаче (в том числе магистральной с использованием постоянного тока). При устранении таких препятствий, как стоимость, процесс получения разрешений и протесты местных жителей, эти технологии внедряются достаточно быстро и дешево. Более того, проблемы нестабильности получения солнечной и ветряной электроэнергии могут быть разрешены с помощью возвращения к атомным электростанциям. Возрождение атомной энергетики будет особенно полезным, если мы не сумеем быстро найти более эффективные способы масштабного хранения электроэнергии.

Нам требуются очень вместительные (на десятки и сотни гигаватт-часов) хранилища для больших городов и мегаполисов, но до сих пор единственным реализуемым вариантом является система гидроаккумуляции: более дешевая электроэнергия, вырабатываемая в ночное время, используется для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний, расположенный на возвышенности, и при необходимости спуск воды мгновенно обеспечивает производство электроэнергии[76]. Возобновляемые источники позволят перекачивать воду, когда доступен избыток электроэнергии от солнца и ветра, но совершенно очевидно, что гидроаккумуляция реализуема лишь в местах, где есть необходимый перепад высот; кроме того, при перекачке воды наверх потребляется примерно четверть вырабатываемого электричества. Мощность других средств хранения энергии, таких как электрические аккумуляторы, сжатый воздух и суперконденсаторы, на несколько порядков меньше, чем требуется большим городам, даже для одного дня[77].

В отличие от хранилищ электроэнергии, ядерные реакторы — при должной конструкции и тщательном обслуживании — обеспечивают безопасный, долговременный и высоконадежный способ генерации электроэнергии; как уже отмечалось выше, они способны работать более 90 % времени, а их срок службы превышает 40 лет. Тем не менее будущее атомной энергетики остается неопределенным. Только Китай, Индия и Южная Корея намерены и дальше расширять ее мощности. На Западе сочетание высоких капитальных затрат, серьезных задержек в строительстве и доступности более дешевых альтернатив (природный газ в США, ветер и солнце в Европе) снизили привлекательность новых атомных станций. Более того, новые американские реакторы — маленькие, модульные и безопасные (впервые предложенные в 1980-х гг.) — до сих пор не запущены в коммерческое производство, а Германия, принявшая решение отказаться от всей атомной энергетики к 2022 г., служит показательным примером широко распространенного в Европе неприятия этого вида производства электроэнергии (оценку реальных рисков атомных электростанций см. в главе 5).

Но ситуация может измениться: в настоящее время даже Европейский союз признает невозможность достижения амбициозной цели нулевого баланса без ядерных реакторов. Сценарий достижения углеродной нейтральности к 2050 г. отказывается от политики стагнации и пренебрежения атомной энергетикой на протяжении десятилетий и предполагает, что 20 % всего энергопотребления будут обеспечивать атомные электростанции[78]. Обратите внимание, что речь идет о потреблении общей первичной энергии, а не только электричества. На электричество приходится лишь 18 % совокупного мирового потребления энергии, и декарбонизация 80 % конечных потребителей энергии — промышленных предприятий, домашних хозяйств и транспорта — будет еще более сложной задачей, чем декарбонизация выработки электричества. Расширение производства электроэнергии может быть использовано для отопления и для многих производственных процессов, в настоящее время потребляющих ископаемое топливо, а вот перспективы декарбонизации дальнемагистральных перевозок остаются туманными.

Как скоро мы станем летать на другие континенты на широкофюзеляжных лайнерах с электродвигателями? Новостные заголовки убеждают нас, что будущее авиации — это электричество, полностью игнорируя огромную разницу в плотности энергии керосина, сжигаемого турбореактивными двигателями и лучшими из современных литий-ионных аккумуляторов, которые должны быть установлены на этих самолетах. Турбореактивные двигатели самолета сжигают топливо с плотностью 46 мегаджоулей на килограмм (почти 12 000 ватт-часов на килограмм), превращая химическую энергию в тепловую и кинетическую, тогда как плотность энергии у лучшего современного литий-ионного аккумулятора составляет 300 Вт⋅ч/кг — в 40 раз меньше[79]. Конечно, КПД электродвигателя в два раза выше, чем у газовой турбины, и поэтому реальная разница в плотности энергии «всего лишь» 20-кратная. Но за последние 30 лет максимальная плотность энергии аккумуляторов почти утроилась, но если мы повысим ее еще в три раза, то все равно к 2050 г. она будет гораздо меньше 3000 Вт⋅ч/кг — этого недостаточно для перелета широкофюзеляжного лайнера из Нью-Йорка в Токио или из Парижа в Сингапур, что на протяжении нескольких десятилетий делают самолеты Boeing и Airbus с двигателями на керосине[80].

Более того (подробнее об этом в главе 3), у нас нет готовых промышленных альтернатив для обеспечения производства четырех главных материалов современной цивилизации только с помощью электроэнергии. Это означает, что даже при изобилии и надежности возобновляемых источников электроэнергии нам предстоит разработать новые процессы масштабного производства стали, аммиака, цемента и пластика.

Поэтому неудивительно, что за исключением производства электричества процесс декарбонизации идет медленно. Германия вскоре будет получать больше половины электроэнергии от возобновляемых источников, но за два десятилетия Energiewende доля ископаемого топлива в поставках первичной энергии страны уменьшилась всего лишь с 84 до 78 %: немцы любят свои автобаны, где нет ограничения скорости, и межконтинентальные перелеты, а немецкая промышленность ориентируется на природный газ и нефть[81]. Если скорость изменений останется прежней, то в 2040 г. доля ископаемого топлива в энергоресурсах страны все еще будет близка к 70 %.

А что насчет стран, которые не внедряли возобновляемые источники энергии, невзирая на затраты? Показателен в этом отношении пример Японии: в 2000 г. приблизительно 83 % энергопотребления страны приходилось на ископаемое топливо. А в 2019 г. эта доля увеличилась (из-за уменьшения производства атомной электроэнергии после аварии на Фукусиме и необходимости увеличения импорта ископаемого топлива) до 90 %![82] Соединенные Штаты значительно снизили свою зависимость от угля — в производстве электричества его заменил природный газ, — но в 2019 г. доля ископаемого топлива в энергетическом балансе страны по-прежнему составляла 80 %. Тем временем в Китае доля ископаемого топлива снизилась с 93 % в 2000 г. до 85 % в 2019-м — но это относительное снижение