Физика будущего - Мичио Каку

В настоящий момент перед нами стоит и другая проблема: рост среднего класса в Китае и Индии. Это один из величайших демографических сдвигов послевоенного мира, порождающий сильнейшее давление на нефтяные цены и цены на потребительские товары. Видя в голливудских фильмах гамбургеры из McDonald's и семейные гаражи на две машины, новые представители среднего класса тоже хотят попасть в американскую мечту и вести жизнь, полную бесцельного потребления энергии.

Ближайшее будущее

(с настоящего момента до 2030 г.)

Экономика на солнечной/водородной энергии

Создается впечатление, что история повторяется. В начале XX в. Генри Форд и Томас Эдисон, два давних друга, заключили пари о том, какая форма энергии будет главенствовать в будущем. Генри Форд поставил на нефть, которая заменит уголь, и на двигатели внутреннего сгорания, которые придут на смену паровым двигателям. Томас Эдисон поставил на электромобиль. Надо сказать, что исход этого судьбоносного пари сильно повлияет на ход мировой истории. Некоторое время казалось, что победит Эдисон, поскольку добывать китовый жир было чрезвычайно трудно. Но вскоре открытие запасов дешевой нефти на Ближнем Востоке и в других местах вывело в лидеры Форда. После этого мир изменился навсегда. Электрические аккумуляторы были не в состоянии угнаться за бензином, имевшим феноменальный успех. (Даже сегодня бензин дает примерно в сорок раз больше энергии, чем электрическая аккумуляторная батарея той же массы.)

Но сейчас маятник приостановился и собирается вновь качнуться в обратную сторону. Может быть, Эдисон еще выйдет победителем в споре столетней давности.

Вопрос, которым задаются в правительственных и промышленных кругах, звучит просто: что заменит нефть? Ясного ответа на него пока нет. В ближайшем будущем просто нет достойной замены ископаемому топливу, и какое-то время, возможно довольно долго, разные источники энергии будут существовать параллельно, на равных.

Но наиболее перспективным на данный момент кандидатом представляется солнечная и водородная энергетика, т. е. энергия, получаемая на базе возобновляемых технологий. Это собственно солнечная энергия, энергия ветра, энергия гидроэлектростанций и водорода.

В настоящее время электричество, получаемое с солнечных батарей, стоит в несколько раз дороже угольного. Но технический прогресс обеспечивает стабильное падение цен на электричество из возобновляемых источников, а цены на ископаемое топливо столь же стабильно растут. По оценкам ученых, через 10–15 лет две кривые пересекутся. Остальное сделают рыночные механизмы.

Энергия ветра

В ближайшей перспективе лучше всего выглядят такие возобновляемые источники, как энергия ветра. Мировые ветрогенерирующие мощности выросли с 17 ГВт в 2000 г. до 121 ГВт в 2008 г.[13]Энергия ветра, которую когда-то практически не брали в расчет, приобретает все большее значение. Технический прогресс в области производства ветряных турбин увеличил эффективность и производительность ветряных электростанций, и теперь ветроэнергетика — один из наиболее быстро растущих секторов энергетического рынка.

Сегодняшние ветроэлектростанции мало напоминают ветряные мельницы, крутившие колеса мельниц и заводиков в конце XIX в. Один ветрогенератор может давать 5 МВт электроэнергии — достаточно для небольшой деревушки. При этом он безопасен и не загрязняет окружающую среду. Ветряная турбина снабжена огромными обтекаемыми лопастями длиной около 30 м, вращающимися почти без трения. Ветряные турбины производят электричество так же, как турбины гидроэлектростанций или, к примеру, велосипедные генераторы. Ветер вращает лопасти, а вместе с ними и магнит внутри катушки. Вращающееся магнитное поле гонит электроны по виткам катушки, создавая в электросети ток. Большая ветроэлектростанция, включающая 100 таких генераторов, может производить 500 МВт, что вполне сравнимо с 1000 МВт, производимых угольной станцией или одним блоком атомной станции.

Несколько последних десятилетий лидерство в развитии ветроэнергетических технологий принадлежало Европе. Однако не так давно США обогнали в этом Европу. В 2009 г. в США было лишь 28 ГВт установленной мощности ветрогенераторов, но в одном Техасе их имеется на 8 ГВт и строятся мощности еще на 1 ГВт, а планируется построить еще больше. Если все пойдет по плану, Техас будет получать от ветра 50 ГВт электроэнергии — более чем достаточно для штата с населением 24 млн человек.

Но Китай скоро превзойдет США в этой области. По программе «Ветроэнергетическая база» там будет построено шесть ветроэлектростанций суммарной мощностью 127 ГВт.

Несмотря на то что энергия ветра выглядит все более привлекательно и в ближайшее время производство ветряного электричества, несомненно, будет расти, обеспечить таким образом энергией все человечество невозможно. В лучшем случае энергия ветра займет свое ограниченное место в сложной и неоднородной мировой энергетической системе. У ветроэнергетики есть несколько серьезных недостатков. Энергия в ней может вырабатываться лишь время от времени, когда дует ветер, и лишь в некоторых особенно ветреных регионах мира. Кроме того, из-за потерь при передаче электроэнергии ветроэлектростанции приходится размещать вблизи крупных городов, что еще больше ограничивает их возможности.

А вот и Солнце!

Если разобраться, вся энергия на Земле исходит от Солнца. Даже нефть и уголь представляют собой в некотором смысле концентрированный солнечный свет, энергию, поглощенную миллионы лет назад растениями и животными. Вследствие этого количество энергии, содержащееся в литре бензина, гораздо больше, чем мы можем запасти в электрическом аккумуляторе. С этой фундаментальной проблемой сталкивался еще Эдисон в прошлом веке, и она же стоит перед человечеством сегодня.

Солнечные батареи напрямую преобразуют солнечное излучение в электричество. (В основе этого процесса лежит явление фотоэффекта, которое еще в 1905 г. объяснил Эйнштейн. Когда частица света — фотон — падает на металл, она выбивает из атомной решетки электрон, порождая таким образом электрический ток.)

Однако солнечные батареи неэффективны. Даже теперь, после десятков лет непрерывных усилий ученых и инженеров, их коэффициент полезного действия завис на отметке около 15 %. В настоящее время исследования идут в двух направлениях. Первое — увеличение эффективности солнечных батарей, что является чрезвычайно сложной технической задачей. Второе — уменьшение стоимости их производства и установки, а также строительства солнечных электростанций.

К примеру, покрыв всю территорию штата Аризона фотоэлектрическими батареями, можно было бы полностью удовлетворить потребность США в электричестве. Понятно, что это непрактично. Тем не менее крупные участки земли на территории пустыни Сахара неожиданно подскочили в цене и стали пользоваться спросом; инвесторы уже начали строительство крупных солнечных электростанций в этой пустыне для обслуживания европейских потребителей.

В крупных городах можно было бы снизить стоимость солнечной энергии, покрыв стены и крыши домов солнечными батареями. У такого варианта есть свои преимущества, в том числе то, что при этом исключаются потери при передаче энергии от станции к потребителю. Проблема в цене: несложный расчет показывает, что для окупаемости подобных предприятий нужно будет экономить буквально на всем[14].

Следует признать, что пока солнечная энергия не оправдывает возлагаемых на нее надежд. Тем не менее нестабильность цен на нефть заставляет прилагать дополнительные усилия для вывода этого вида возобновляемой энергии на рынок. Возможно, тенденция вскоре изменится. Каждые несколько месяцев мы слышим о новых достижениях и рекордах. Производство солнечной электроэнергии ежегодно растет на 45 %, а за два года почти удваивается. Солнечные батареи по всему миру в 2009 г. имели мощность 15 ГВт, и только за 2008 г. эта величина выросла на 5, 6 ГВт.

В 2008 г. компания Florida Power & Light объявила о самом крупном в США проекте солнечной энергетики. Заключен контракт с корпорацией SunPower, которая планирует производить 25 МВт энергии. (На сегодняшний день рекорд в США принадлежит военно-воздушной базе Неллис в Неваде, чья солнечная станция производит 15 МВт электроэнергии.)

В 2009 г. корпорация BrightSource Energy со штаб-квартирой в Окленде, штат Калифорния, объявила о планах побить этот рекорд и построить в Калифорнии, Неваде и Аризоне 14 солнечных электростанций общей производительностью 2, 6 ГВт.

Среди проектов BrightSource Energy — солнечная электростанция Айвенпа в Южной Калифорнии, включающая три солнечно-термальных блока, которые вместе будут производить 440 МВт электроэнергии. Совместно с Pacific Gas and Electric BrightSource планирует построить станцию на 1, 3 ГВт в пустыне Мохаве.