Ведь лучших результатов мы достигаем благодаря сочетанию различных систем. Энергию можно сохранить в форме движения в так называемых маховиках – массивных кольцах, которые вращаются в безвоздушном пространстве, а в воздухе держатся благодаря магнитам – энергия от трения не теряется[273]. Или сохранить ее в виде тепла: избыточная энергия тратится на нагревание расплавленной соли до нескольких сотен градусов[274]. Кроме того, чтобы хранить и перемещать энергию, можно воспользоваться батареями и водородом – например, в тех случаях, когда энергия нужна нам для перемещения нас самих и наших вещей. За исключением отдельных поездов и трамваев, наш транспорт зависит от системы, способной высвобождать энергию для двигателя без подсоединения к электросети.
Кобальт в баке
Бензин отлично подходит для транспорта. Перемещаясь, мы сжигаем бензин, а когда мы выключаем двигатель, энергия остается в бензобаке до следующей поездки.
Моей машине бензин не нужен. Свою энергию она хранит в батарее. По аналогии с нефтью и бензином, батарея хранит энергию, сжимая атомы, вполне готовые образовать друг с другом связи. Энергия высвобождается, когда им дают возможность вступить в реакцию с теми элементами, которые им больше нравятся. Из всех имеющихся у нас на выбор элементов наиболее охотно отдает свои электроны литий. Благодаря этому огромное количество энергии передается во время химических реакций, в которых принимает участие литий, а так как литий – легкий элемент, лучшие на сегодняшний день батареи делаются на основе лития – их называют литий-ионными батареями. Атомы называют ионами, когда у них не столько же электронов, сколько протонов в ядре, а во время химических реакций в батарее литий постоянно сохраняет дополнительные электроны.
Литий – довольно распространенный в земной коре элемент, однако в минералах он встречается весьма редко. Сегодня почти половина всего лития в мире добывается из породы в Австралии, а оставшаяся половина – из морской воды в Аргентине и Чили. По оценкам, при современных темпах производства запасов лития хватит на 1200 лет, однако по-прежнему необходимо провести немало исследований, чтобы обнаружить лучшие месторождения лития и найти наиболее эффективный способ добычи[275].
В заряженной литиевой батарее ионы лития образуют связи с углеродом. Когда я завожу свой электромобиль, я разрешаю ионам лития переместиться от углерода к кобальту. Так как кобальт и литий – очень хорошие друзья, во время этого процесса выделяется много энергии[276]. Кобальт – дорогостоящий элемент, и хорошо бы заменить его чем-то менее редким, но его свойства столь уникальные, что найти ему более удачную альтернативу сложно.
Вокруг добычи кобальта тоже ходит дурная слава. Сегодня почти половина кобальта поступает на мировой рынок из Конго – значительную его часть добывают очень примитивными методами[277]. Примерно 100 000 работников – многие из них дети – выкапывают кобальт лопатами и кирками, никаких мер безопасности нет, в тоннелях, расположенных на глубине десятков метров под землей. Мне не нравится мысль, что подобным образом сделали и мою машину.
Между подзарядками батареи я могу довольно долго ехать на своей машине, а поэтому машина весьма тяжелая. Килограмм батарей содержит намного меньше полезной энергии, чем килограмм бензина. Так как атомы углерода такие мелкие и легкие и их связывают друг с другом прочные связи, из одного килограмма молекул углерода высвобождается очень много энергии. А поскольку энергия из бензина высвобождается в тот момент, когда углерод вступает в реакцию с кислородом – а он повсюду в воздухе вокруг нас, – нам не нужно занимать место и брать с собой кислород в топливном баке. В моей машине со мной едут и углерод, и кобальт. Если исследователям удастся сделать батареи, в которых литий реагирует с содержащимся в воздухе кислородом вместо кобальта в твердой форме, возможно, в килограмме батарей окажется почти столько же энергии, сколько в килограмме бензина[278]. Тогда грузоподъемность и дальность перевозок электрических самолетов и грузовиков и без кобальта окажутся такой же, как у современных версий с использованием ископаемых.
Если мы преодолеем самые суровые технологические препятствия, у нас будет то, что по качеству почти соответствует тому, что у нас есть сегодня. В этом есть доля разочарования. Разве будущее не подарит нам летающие автомобили и чартерные рейсы на другие планеты? Для этого нам нужны еще более энергоемкие энергоносители, чем батареи.
Подобной альтернативой способен стать водород. Килограмм водорода содержит почти в три раза больше энергии, чем килограмм нефти. Если смешать два газа – водород и кислород, – чтобы поджечь смесь, хватит крошечной искры – в виде тепла высвободится огромное количество энергии, а кислород и водород превратятся в воду. В особо солнечные дни какое-то количество электричества, вырабатываемого на солнечных электростанциях, можно потратить на то, чтобы разорвать молекулы воды, а образовавшийся водород сохранить и использовать позже. Проблема в том, что этот газ занимает много места. Чтобы сохранить килограмм азота в виде газа, понадобится баллон объемом более 400 литров. В современных водородных автомобилях много энергии тратится на то, чтобы поместить газ в емкость меньшего объема, а в космических транспортных средствах применяют жидкий азот, охлажденный до температуры –253 °C. Чтобы сохранить столь низкую температуру, требуется гигантское количество энергии, потому для личных автомобилей этот вариант не подходит.
Водородные автомобили не сжигают водород в двигателе, а напрямую преобразуют химическую энергию в электрическую в топливном элементе. В большинстве современных топливных элементов есть платина[279] – она помогает оторвать молекулы водорода друг от друга и освободить электроны. Платина – один из самых редких металлов, имеющихся в земной коре, и по большей части ее добывают как побочный продукт на медных и никелевых рудниках. Южная Африка – крупнейший мировой производитель платины и обладает ее крупнейшими запасами. В 2017 году лишь четыре страны произвели сколько-нибудь значительное количество платины[280]. Поскольку в производстве доминирует одна страна, в которой, помимо прочего, регулярно случаются забастовки шахтеров и иные политические беспорядки, платина – один из тех элементов, которые власти многих стран оберегают особенным образом[281]. Следовательно, водород не решит всех наших проблем, хоть и абсолютно точно поучаствует в решении стоящих перед нами энергетических вызовов.
Бензин из растений
В процессе роста растения улавливают солнечную энергию, и, чтобы она принесла пользу обществу, ее можно высвободить в наших двигателях и бойлерах. О биоэнергии говорят как о новой возобновляемой энергии, с помощью которой мы вступим в следующую эпоху. Как далеко это решение нас заведет?
Биоэнергия – это вовсе не новость. На протяжении большей части человеческой истории она играла для людей важнейшую роль. Во многих уголках мира использование биоэнергии для производства металла и другой промышленности привело к масштабной вырубке лесов. Это случилось в то время, когда население Земли составляло менее десятой части от сегодняшнего и каждый человек по отдельности потреблял намного меньше энергии, чем мы с вами.
Отходы лесозаготовок и сельского хозяйства как энергоресурс способны привлечь своей дешевизной, но они также являются ресурсом для природных экосистем. Органический материал работает как склад углерода, биологически доступного азота и других питательных веществ, помогает расщеплять вредные вещества в окружающей среде, дает убежище мелким живым существам, обитающим в лесной подстилке, сдерживает наводнения и снабжает нас чистым воздухом, водой и почвой. Если мы заберем из почвы и лесов слишком много органического материала, нам придется тратить больше энергии на внесение минеральных удобрений и заменить те услуги, которые на сегодняшний день экосистемы оказывают нам бесплатно[282].
Отходы от лесозаготовок в бензобак тоже не положишь. Для того чтобы расщепить крупные молекулы древесины и перевести их в энергоемкую жидкую форму, пригодную как топливо, понадобится много энергии. В ископаемых энергоресурсах для достижения того же результата природа использовала высокое давление и температуру, а также потратила миллионы лет.
Легче производить жидкое топливо из растений, которые изначально содержат много масла, например соевого или пальмового, или много сахара – такие как сахарный тростник или сахарная свекла. Однако получим ли мы от произведенного топлива больше энергии, чем затратим на его производство? Топливо понадобится трактору, который вспашет почву и соберет урожай. Энергия также потребуется при производстве семян и удобрений. Семена, удобрения и воду необходимо доставить на поля, а урожай – вывезти. Когда урожай снят, растения необходимо высушить, смолоть, нагреть, пропустить на центрифуге и дистиллировать.
Если богатые энергией растения выращивают на тех территориях, где солнца много, можно получить количество энергии, в 50 раз превышающее затраченную. Большинство видов биотоплива, представленных сегодня на рынке, возвращают нам где-то в 2–5 раз больше энергии. Если говорить о более сложных ресурсах, таких как древесина, мы получаем примерно столько же, сколько вкладываем. В этом случае производство биотоплива превращается в метод переработки «черной» энергии ископаемого топлива в «зеленую», а не способом получения энергии от природы.