Книга: Счастливый клевер человечества: Всеобщая история открытий, технологий, конкуренции и богатства

Новая энергетическая платформа

Новая энергетическая платформа

Энергетической базой новой промышленной революции обещает стать зеленая энергетика, а в перспективе, возможно, и термоядерный синтез.

Вот что по этому поводу сказал Е. П. Велихов (академик РАН, президент НИЦ «Курчатовский институт»): «Я уверен, что для масштабного развития экономики на Земле возможен только один путь – это ядерная энергетика. А в ядерной энергетике оптимальным видится именно гибридный вариант (система, в которой нейтроны, получающиеся при термоядерном синтезе, потом помогают нарабатывать ядерное топливо. Эти нейтроны на порядок дешевле, чем частицы, полученные в результате деления)».

Правда, перспектива здесь явно не завтрашнего дня. Тот же Велихов подтверждает это: «Сегодня сроки сдвигаются до 2025 г. Но к тому времени, как заработает технологическая база… у нас должен появиться первый рабочий прототип. А потом – прямой путь к станции. Поэтому мы рассчитываем, что первый вариант гибридного ядерного реактора появится уже в первой половине этого века» (Велихов, 2015, с. 52).

Кроме того, сроки, названные Велиховым, неплохо согласуются с российской лунной программой. Связь здесь самая прямая. Развитие пилотируемой космонавтики и создание базы на Луне позволит приступить к разработке нового и экологически чистого источника энергии гелия-3. Это довольно редкий и дорогой изотоп, которого практические нет на Земле (по некоторым оценкам, не более тонны), зато много на Луне (около полумиллиона тонн). Гелий-3 идеален для применения в термоядерных реакторах для запуска. Самое главное, что его применение не связано с радиацией, а для обеспечения энергией Земли (в текущих показателях потребления энергии) необходимо всего 30 т гелия-3 (по подсчетам ученых российского Института геохимии и аналитической химии им. Вернадского). Правда, для осуществления этих планов придется создать базу на Луне, куда гелий-3 с момента ее образования приносит солнечный ветер, и переработать около миллиарда тонн лунного грунта. Тем не менее, по оценкам специалистов, создание горнорудной промышленности на Луне способно решить задачу обеспечения человечества энергией на тысячу лет вперед по вполне земным затратам.

Однако осуществление наших или аналогичных американских (китайских, японских и т. д.) планов будет, скорее всего, зависеть от правовых вопросов. Дело в том, что в основании действующего на настоящий момент международного космического права лежит «Договор о космосе». Он был подписан в далеком 1967 г. и утверждает, что космическое пространство, включая Луну, не подлежит присвоению и открыто для использования… на благо всего человечества. Следуя букве закона, получается, что заниматься добычей полезных ископаемых за пределами земной атмосферы можно, но делить добытые ресурсы придется со всеми странами – участницами договора (это половина стран Земли).

Подобная же дилемма стоит и перед другой космической нацией – американцами. Поэтому неудивительно, что на недавних специальных слушаниях в конгрессе возник совершенно новый законопроект, так называемый Asteroids Act, или «Американские космические технологии для исследования ресурсных возможностей глубокого космоса»[598]. Суть понятна – американцы хотят выйти из международного правового поля и распространить право частной собственности на результаты разведки, добычи, доставки и реализации внеземных ресурсов.

А что же у нас на матушке Земле? Вроде все как всегда – светит солнце, дует ветер. Но вот за последние годы объемы и финансовые показатели: инвестиции в солнечную энергетику (фотовольтаику[599]) выросли с $2,5 млрд в 2000 г. до $150 млрд в 2015 г.

Из диаграммы выше (рис. 31) видно, что ветряная энергетика тоже показала результаты, схожие с солнечной, достигнув в 2014 г. уровня инвестиций в размере $99 млрд (для сравнения: в 2000 г. это были только $4,5 млрд). Решающий вклад в развитие этих индустрий вносит Китай (табл. 16[600]). Темпы, заданные китайцами, означают, что глобальная ветроиндустрия может достичь к 2025 г. годовых инвестиций $125 млрд, а индустрия производства и установки солнечных модулей к этому году может преодолеть отметку $200 млрд за счет стремительного удешевления компонентов оборудования.

Но с каждым новым ветряком или установленным солнечным фотоэлементом все острее будет вставать старый вопрос: а сколько энергии потребуется еще и на создание накопительных мощностей, подключенных к сети. Не будет ли совокупная энергия на обеспечение функциональности ветряной и солнечной отраслей больше той энергии, которая от них поступит?

Разбираясь детально, ученые из Стэнфорда (США) выяснили, что решения об инвестициях основаны исключительно на усредненных расчетах, поскольку статистики такого рода очень мало. Более или менее известно, что КПД солнечных батарей[601] равен 12 %, а «ветряков» чуть больше 25 %. Но это средние цифры. Для ведущей фотоэлементной державы мира – «солнечной» Германии[602] – даже о 12 % мечтать не приходится. Природные условия не те, что в Южной Европе, США и Японии. Об этом из года в год рассказывают нам диаграммы от независимой NREL (National Renewable Energy Laboratory)[603]. Из этих материалов видно, что максимальный показатель в Штутгарте – 16 %, а в Дрездене и Майнце даже до 12 % не дотягивает.

Выходит, что исключительно на солнце рассчитывать нельзя. Ветер дует больше часов в году, чем светит солнце. Но у ветрогенерации свои трудности. Они заключаются в том, что прогресс на рынке аккумуляторов пока на порядок отстает от темпов роста в возобновляемой энергетике.

Энергоемкость создаваемых накопительных мощностей – очень важный фактор. В мире существуют технологии крупномасштабного накопления энергии. Это либо гидроаккумулирующие электростанции, либо «огромные стены» литиевых батарей мегаватной емкости. Специалисты утверждают, что строительство ГАЭС[604] требует 26 кВт•ч «энергоинвестиций» на накапливаемый киловатт, а батареи – 153 кВт•ч.

Выходит, что ГАЭС (а сегодня это самые дешевые накопители) требуют для сохранения трехсуточной энергии ветра столько же энергии, сколько ушло на построение ветряков, электричество которых они должны запасать…

«Встраивание» в существующий рынок – основная проблема альтернативной энергетики. Недостаток энергии не решается в рамках парадигмы больше «зеленой», меньше традиционной энергии. Или меньше традиционной энергетики, а больше микроэнергетики. Закон сохранения энергии пока еще никто не отменял, и если люди не найдут принципиально новых источников энергии, то очень скоро окажутся перед необходимостью ограничения ее потребления, что приведет к снижению уровня материального благосостояния человечества, а следовательно, к дилемме – либо мировая экономика затормозит свое поступательное движение, либо люди вновь обратятся к атомной энергии, переоценив в очередной раз выгоды и риски.

В самое ближайшее время нам предстоит узнать ответ на вопрос, на который сегодня не даст ответ даже самый проницательный аналитик в области энергетики: какие технологии (подрывные или поддерживающие уже устоявшиеся традиционные технологии) обретут наибольший вес в текущем столетии (рис. 32)?

Я же считаю, что, как и прежде случалось в нашей истории, решающую роль сыграют вовсе не технические факторы. Дело в том, что подрывные технологии так называются, поскольку требуют не только кардинального изменения структуры выработки энергии, но и существенного изменения структуры сети доставки и распределения энергии. До сих пор электричество и тепло текло от крупных электростанций к розеткам и батареям в наших домах. На такой односторонний поток энергии ориентированы все системы энергетических сетей, системы учета и даже налогообложение в отрасли. Появление новых технологий делает усовершенствованные энергосети больше похожими на телекоммуникационные. Уже разработаны устройства под названием FACTS (Flexible AC Transmission System – гибкие системы передачи переменного тока). Это своего рода маршрутизаторы для электричества, способные оперативно направлять требуемое количество электричества в нужное место. Их внедрению пока мешает высокая стоимость, трудности, связанные с налогообложением, отсутствие единой системы стандартов и государственный протекционизм в отношении традиционных производителей энергии. Дело в том, что многие крупные энергетические компании прямо или косвенно дотируются государствами. Сама возможность выступления владельца источника энергии в роли как потребителя, так и поставщика энергии, продающего ее излишки через общую сеть, несет угрозу традиционным поставщикам энергии. Хотя технически уже существуют технологии управления такими сетями, но стандарты на энергию, передаваемую подобным образом, приняты в странах, которые можно пересчитать на пальцах одной руки.

Кроме того, развитие новых технологий поднимает вопросы, казалось бы, забытые со времен спора Теслы и Эдисона. С наступлением цифровой эры растет количество устройств, которые в своей работе используют постоянный электрический ток. Новые подрывные технологии (прежде всего ветряные и солнечные электростанции) создают как раз постоянный ток, но нестабильный вследствие их зависимости от природных условий. Исправить ситуацию с вынужденной двойной конвертацией электрического тока сможет или создание более мощных аккумуляторов, или взрывной рост «микросетей» постоянного тока, способных работать с надежностью не хуже существующих. Именно эти аспекты оставляют вопрос о том, какие технологии, поддерживающие или подрывные, возьмут верх в ближайшем будущем, без четкого ответа. Мы возвращаемся к тому, о чем еще лет 30 назад убедительно говорил советский академик П. Л. Капица.

Альтернативная энергетика (солнечная, ветрогенерация, геотермальная, энергия приливов и отливов) подходит в качестве источника для бытовых целей, но совершенно не годится для промышленных целей (где потребляемые энергомощности огромны).

Альтернативная энергия непостоянна, возникают огромные трудности с ее аккумулированием для вторичного использования. Использование самого дешевого вида энергии – гидроэнергии – сильно ограничены, поскольку на равнинах создание искусственных водоемов экономически нецелесообразно.

Ситуацию не изменит даже стремительный рост новых или усовершенствованных технологий добычи традиционной нефти и газа[605]. Источники невозобновляемого ископаемого топлива истощаются, а топливо независимо от способа его добычи при сгорании по-прежнему выделяет углекислый газ, вызывающий новую нагрузку на «Большой очистительный бак» – биосистему планеты (по Альтшуллеру).

Правда с экологической точки зрения источником, который человечество может поставить на замену нефти, является биотопливо. В настоящее время мировая экономика уже ежедневно использует до 2 млн баррелей биотоплива, производимого по так называемым зеленым технологиям. Истощение запасов нефти еще недавно буквально подстегивало спрос на альтернативное топливо – биологическое. Если бы мир не располагал биотопливом, цена нефти в моменты пикового спроса могла бы превысить $150 за баррель!

Но деградация окружающей среды, экстремальные метеоявления, вызываемые климатическими изменениями, банальная конкуренция за посевные площади с агрокультурами – все это в комплексе привело к тому, что «энергетический» вопрос, к сожалению, уже перерос в продовольственный. В ближайшем будущем из-за климатических изменений пригодные для земледелия площади будут только сокращаться. Получается, что и «зеленые технологии» нас не выручат? Я призываю вас не быть столь пессимистичными. Как уже отмечалось, эволюционные изменения во вновь возникших отраслях нередко приводят к серьезным подрывным инновациям. В настоящее время специалисты считают, что можно рассматривать четыре поколения биотоплива. «Зеленая» энергетика, без всякого преувеличения, таит в себе огромный потенциал для инновационного развития.

Биотопливо первого поколения производится, как правило, из зерна и представляет собой обычный этанол, получаемый в процессе ферментирования. Именно масштабная организация производства топлива этого поколения и порождает нехватку сельскохозяйственных угодий.

Однако биотопливо второго поколения представляет собой уже более высокую ступень переработки биологического сырья, предполагающую использование таких сырьевых источников, как древесная масса (целлюлоза и прочие), отходы сельскохозяйственного производства, менее ценные аграрные культуры, солома. Результатом этих технологий является биоэтанол, добываемый из целлюлозы, биодизель, произведенный по методу Фишера – Тропша[606], биометанол, биоводород и многие другие. Преимущество биотоплива второго поколения по сравнению с первым состоит в разнообразии биологической массы, пригодной к переработке, а также в более высокой эффективности производства и в существенном (до 90 %) сокращении выброса парниковых газов по сравнению с ископаемым топливом. Эксперты рынка полагают, что мировой объем целлюлозной биомассы лежит в диапазоне от 34 до 160 млрд баррелей нефтяного эквивалента в год[607].

Биотопливо третьего поколения пока еще не производится в промышленных масштабах. Однако если производство будет налажено, то сырьем для него станут водоросли как потенциально низкозатратный и высокопродуктивный источник. Теоретически из водорослей можно получить в 30 раз больше энергии на единицу площади, чем из таких культур, как соя. Но на практике технологий еще нет.

Биотопливо четвертого поколения – прямое получение алкановой смеси, сходной с дизельным топливом, с помощью особых бактерий, которые постоянно воспроизводятся, потребляя углекислый газ и выделяя алкановый продукт. Проблемой нового поколения биотоплива остается до настоящего времени весьма низкая цена на готовый продукт, в то время как цены на искусственные катализаторы (бактериальных ферментов, видимо, недостаточно для организации устойчивого процесса) весьма высоки. Такая невыгодная комбинация пока делает затруднительным привлечение инвестиций в разработку соответствующих технологий.

На рис. 33 показаны прогнозные цены биотоплива всех четырех поколений, с привязкой к стоимости барреля традиционного топлива в нефтяном эквиваленте.

Экономика «энергетических биотехнологий» такова, что производство биоэтанола и биодизеля из зерна экономически оправданно при ценах на нефть от $100. Стоимость производства биотоплива второго поколения (в условиях Европы или США) уже составляет $80 за баррель, а в условиях Бразилии даже меньше – $60. British Petroleum, Shell и другие нефтяные компании поэтому очень активно развивают бизнес именно в Бразилии, используя прежде всего технологии для второго поколения.

Биотопливо третьего и четвертого поколений должно будет стоить, согласно экспертным оценкам, еще дешевле: от $50 за баррель. Причем цена может оказаться существенно ниже при развертывании производства в таких странах, как Бразилия или Россия. Специалисты ожидают, что индустрия биотоплива вырастет с нынешних $56,4 млрд до 113 млрд к 2020 г. В физических величинах получается, что это 102 млрд л этанола и 344 млрд л биодизеля.

Важной особенностью биотоплива является технологическая возможность его производства из пищевых отходов. В Европе это направление будет бурно расти, поскольку из 6 л отработанного продукта можно произвести до 5 л биодизеля. Иначе говоря, с научной точки зрения использованные продукты питания и пищевые отходы не являются отходами – это ценное сырье, и его переработка как положительно влияет на среду, так и обеспечивает возможности бизнеса предприятиям[608].

Временное отсутствие доминирующей технологии и лидера в этой области определяет тот факт, что конкурентоспособность биотоплива де-факто зависит от доступности пахотной земли. Некоторые страны, например Россия, могли бы ликвидировать «нехватку энергомощностей» за счет вовлечения значительных ресурсов пахотной земли (простаивающей в данный момент) в производство биотоплива, что может способствовать ускоренному развитию аграрного сектора, а управление отходами должно быть объединено с производством биотоплива.

При этом биотопливо обладает еще и существенным экспортным потенциалом. Оно пока не достигло паритета с оптовой ценой электричества на «дорогих рынках», а значит, нишевые технологии, такие как биотопливо первого и второго поколений, найдут покупателя просто потому, что они уже «встроены в рынок».

Впрочем, только биотехнологии тоже не панацея. Нужно эффективнее использовать то, что уже имеется у человечества. Поле для инноваций здесь более чем обширное. В настоящий момент только потери при передаче электроэнергии по проводам составляют 7 % выработанного электричества.

Энергетические компании (наверное, считая, как когда-то и нефтяные компании, что газ – это не их бизнес) уже довольно давно игнорируют серьезные научные разработки. Дело в том, что сверхпроводниковый криогенный кабель[609] обладает пропускной способностью в сто раз большей при «нулевых» потерях, чем аналогичная жила из меди. Сегодня в Южной Корее и Китае прилагаются усилия, чтобы довести цену на сверхпроводники до цены меди.

Впрочем, потери, которые можно сократить, возникают не только при передаче, но и при преобразовании энергии. Еще больше возможностей для экономии энергии обнаруживается в автомобиле. Только 20 % энергии топлива в бензобаке расходуется на передвижение, остальное превращается в тепло и вылетает в выхлопную трубу (рис. 34).

Ведущие автомобилестроители (GM, Ford, BMW) разрабатывают термоэлектрические системы, используя тепло системы охлаждения и выхлопа. Основная сложность для «прорыва» – найти износостойкий материал с высоким КПД. Однако вполне возможно, что эти усилия могут скоро и не понадобиться.

Не нужно даже пристально следить за новостями, чтобы заметить, что инновации компании Tesla Motors[610] в электромобилестроении успешно сработали. Достоинств у электромобилей этой фирмы масса – высокая экологичность, поскольку нет выхлопов. Не нужно сгораемое топливо, антифризы, масла и фильтры. А значит, у них минимальная пожароопасность при авариях. Электромобили просты в обслуживании, у них нет трансмиссии, а значит, большой межсервисный пробег, надежность и долговечность корпуса. Возможность подзарядки аккумуляторов от бытовой розетки[611] позволяет находить «топливо» там, где есть электричество (рис. 35).

Добавьте к этому сравнительную бесшумность электромобилей за счет меньшего количества движущихся частей и механических передач, плавность их хода, возможность рекуперации (подзарядки аккумуляторов во время торможения), возможность торможения самим электродвигателем (режим электромагнитного тормоза) и возможность подзарядки аккумуляторов от энергии солнца (во время движения и во время простоя).

Возможно, в начале прошлого века человечество свернуло с магистрального шоссе под названием «прогресс» на проселочную дорогу «бензин и масла». Массовое производство и использование электромобилей может содействовать решению проблемы «энергетического пика» за счет подзарядки аккумуляторов в ночное время. Например, электрозаправки, что уже строит Tesla Motors, в знойный полдень, когда клиентов мало, будут продавать электричество в сеть[612]. Конечно, возникает естественный вопрос: а сколько будет стоить заправка батареи такого электромобиля?

Все зависит от того, насколько удачно инновация будет «встроена» в существующий рынок, ведь существенные затраты придутся на создание сетей заправки (на чем споткнулись владельцы электромобилей еще при Эдисоне). В предложенной новой схеме собственнику электромобиля будет принадлежать только «мобиль», но не «электро» – электробатарея к нему. Батареей будет владеть компания, производящая электромобили, и сдавать ее в лизинг владельцу. Клиент приедет на станцию обслуживания и поменяет батарею на новую, но уже заранее заряженную.

Такие масштабные перемены на начальном этапе возможны только в стране-лидере, сознательно идущей на издержки, возврат которых должно обеспечить распространение новой схемы во всемирном масштабе. По прогнозам аналитиков, глобальными лидерами в области «зеленой» или «чистой» энергетики могут стать лишь Китай, США и, возможно, страны Европейского союза.

Впрочем, электромобили не единственная позабытая идея. Как я уже говорил в начале главы, модной темой становятся так называемые Supergrids[613] – возрождение идей Томаса Эдисона. Высоковольтные линии электропередачи постоянного тока могут эффективно транспортировать электроэнергию на расстояния в тысячи километров, опережая линии переменного тока, которые на сегодня доминируют в сетях передачи. Существующие ныне технологии получили развитие, поскольку высокое напряжение постоянного тока могло использоваться лишь для передачи «точка – точка». «Встроить» технологию в рынок и сформировать интегрированные сети постоянного тока, необходимые для устойчивой системы электроснабжения, на старой технологической базе (без компьютеров) невозможно.

Как компьютерные системы для сетей постоянного тока, так и усовершенствованные системы хранения энергии станут ключевыми технологиями для встраивания в рынок и распространения альтернативной энергетики – солнечных и ветряных электростанций. Этот так, поскольку встраивание в рынок альтернативной энергетики без этих технологий откровенно буксует: несмотря на то что по сравнению с 2009 г. стоимость обычных аккумуляторных батарей упала почти на 40 %, все равно этот путь остается чрезвычайно дорогостоящим.

А ведь от успеха подрывных технологий зависит судьба еще одной важнейшей грядущей инновации – беспилотных движущихся средств. Нет нужды приводить примеры ее стремительного распространения. Энтузиасты беспилотного вождения на электромобилях марки Tesla в США уже вовсю тестируют продукцию фирмы в реальных условиях, пересекая страну с востока на запад. На рынок беспилотных электромобилей в течение ближайших лет готовится прийти Apple. Армейские грузовики США, российские «КамАзы» уже имеют вполне работающие технические решения для создания автобеспилотников. Что же останавливает? Отсутствие правовой базы? Нет. Останавливают риски. Бензиновые, дизельные и даже гибридные технологии по-прежнему очень пожароопасны. Пока их большинство, беспилотные экипажи останутся всего лишь локальным экспериментом.