[49]. Ее доля в коммерческих поставках первичных источников энергии сократилась с 45 % в 1970 г. до 38 % в 2000 г. и до 33 % в 2019 г., и теперь совершенно очевидно, что с ростом потребления природного газа и выработки электричества ветряными и солнечными электростанциями эта тенденция продолжится. Производство электроэнергии с помощью фотоэлементов и ветряных турбин обладает огромным потенциалом, но нельзя забывать о фундаментальной разнице между системами, получающими 20–40 % электроэнергии от этих нестабильных источников (среди крупных экономик яркими примерами таких систем могут служить Германия и Испания), и национальными энергосистемами, зависящими от них полностью.
В больших густонаселенных странах полный переход на эти возобновляемые источники потребует того, чего у нас до сих пор нет: либо устройств для масштабного и долговременного (от дней до недель) хранения электроэнергии, которые будут защищать от перебоев в выработке электричества, либо густой сети высоковольтных линий для передачи электроэнергии между часовыми поясами, а также из солнечных и ветреных регионов в крупные города и промышленные центры. Смогут ли эти новые возобновляемые источники вырабатывать достаточно электричества, чтобы заменить не только сегодняшнее производство, основанное на угле и природном газе, но также всю энергию, которая в виде жидкого топлива поступает машинам, кораблям и самолетам, если полностью перейти на электротранспорт? И возможно ли это сделать — как теперь обещают многие — всего за два или три десятилетия?
Многочисленные преимущества электричества
Если энергия, как утверждал Фейнман, всего лишь «абстракция», то электричество — одна из самых абстрактных ее форм. Для того чтобы понять или непосредственно ощутить разные виды энергии, различать их и пользоваться их преобразованием, не обязательно обладать научными знаниями. Твердое или жидкое топливо (химическая энергия) можно пощупать (ствол дерева, кусок угля, канистра бензина), а его горение — лесной пожар, костер в пещере в эпоху палеолита, топка паровоза или двигатель внутреннего сгорания — высвобождает тепло (тепловую энергию). Падающая и текущая вода — наглядный пример гравитационной и кинетической энергии, которую довольно легко преобразовать в полезную кинетическую (механическую) энергию, соорудив простые деревянные водяные колеса, — а для того, чтобы преобразовать кинетическую энергию ветра в механическую энергию для помола зерна или выжимки масла, необходим ветряк и деревянные шестерни, передающие движение жерновам.
Но электричество неосязаемо, и мы не можем интуитивно понять его так же, как указанные выше виды топлива. Однако мы видим его проявления в виде статического электричества, искр, молний; мы способны почувствовать слабый ток, а ток, сила которого превышает 100 миллиампер, может стать смертельным. Обычные определения электричества невозможно понять на интуитивном уровне, и они требуют предварительного знакомства с такими терминами, как «электроны», «поток», «заряд» и «ток». Фейнман в своем первом томе знаменитых «Лекций по физике» дает достаточно поверхностное определение — «имеется энергия электрическая, связанная с притяжением и отталкиванием электрических зарядов», — но когда возвращается к этому вопросу во втором томе, подробно рассматривая механическую и электрическую энергию, а также постоянный ток, то уже прибегает к дифференциальному исчислению[50].
Для большинства наших современников мир состоит из черных ящиков, внутреннее устройство которых остается — в разной степени — загадкой для пользователей. Электричество можно рассматривать как вездесущий и всеобъемлющий черный ящик: многие люди довольно хорошо представляют, что является его источником (сгорание ископаемого топлива на большой тепловой электростанции, падение воды на гидроэлектростанции, солнечное излучение, поглощаемое фотоэлектрическими ячейками, расщепление урана в реакторе), и все извлекают пользу из результата (свет, тепло, движение), но лишь меньшинство полностью понимает, что происходит внутри генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и устройств, которыми мы пользуемся.
Самое распространенное естественное 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