Вывод очевиден: никакой другой двигатель внутреннего сгорания не имеет таких преимуществ, как современные газовые турбины. Они компактны, их легко транспортировать и устанавливать, они относительно тихие, доступные по цене и эффективные, а кроме того, они обеспечивают почти мгновенный выход энергии и не нуждаются в водяном охлаждении. Все это делает их непревзойденными устройствами для выработки как механической, так и тепловой энергии.
А какой у них срок службы? Турбина в Невшателе была выведена из эксплуатации в 2002 г. после 63 лет непрерывной работы – но не из-за выхода из строя самой машины, а из-за поломки генератора.
Ядерная энергетика: несбывшиеся надежды
Эпоха промышленного производства электроэнергии на атомных электростанциях началась 17 октября 1956 г., когда королева Елизавета II подключила к энергосистеме атомную станцию Колдер-Холл на северо-западном побережье Англии. Шестьдесят лет – достаточный срок, чтобы оценить ту или иную технологию, но я по-прежнему придерживаюсь своего вывода, сделанного больше десяти лет назад: «успешный провал».
Все, что касается успеха, тщательно задокументировано. После медленного старта в 1960-х гг. строительство реакторов ускорилось, и в 1977 г. в США атомные станции вырабатывали более 10 % электроэнергии, а в 1991 г. эта доля увеличилась до 20 %. Атомная энергетика завоевывала рынок быстрее, чем устройства на фотоэлементах и ветровые генераторы, появившиеся в 1990-х гг.
В конце 2019 г. в мире насчитывалось 449 действующих реакторов (и 53 на стадии строительства), причем коэффициент использования установленной мощности на многих из них превышал 90 %. Такую проектную производительность реакторы в среднем поддерживали круглый год, вырабатывая в два с лишним раза больше электроэнергии, чем фотоэлементы и ветряные турбины вместе взятые. В 2018 г. наибольшая доля атомной энергетики была во Франции (около 72 %) и в Венгрии (50 %); в Швейцарии на ядерные реакторы приходилось 38 % электроэнергии, производимой в стране, в Южной Корее – 24 %, в США – чуть меньше 20 %.
«Провал» связан с несбывшимися надеждами. Уверение в том, что атомная энергетика будет «слишком дешевой, чтобы ее цену можно было измерить», не выдумка: именно эти слова произнес Льюис Штраусс, председатель Комиссии по атомной энергии США, на съезде Национальной ассоциации авторов научных публикаций в сентябре 1954 г. в Нью-Йорке. И это было не последнее из подобных смелых заявлений. В 1971 г. Гленн Сиборг, лауреат Нобелевской премии и в то время председатель Комиссии по атомной энергии, предсказывал, что к 2000 г. ядерные реакторы будут вырабатывать почти всю электроэнергию в мире. Сиборг говорил о гигантских прибрежных «ядерных комплексах» для опреснения воды; о геостационарных спутниках телевещания с компактными ядерными реакторами; о танкерах с ядерными силовыми установками; о ядерных взрывах, которые будут менять русла рек и помогать в строительстве подземных городов; о том, что ядерные ракетные двигатели доставят человека на Марс…
Однако проект получения электричества из ядерной энергии затормозил в 1980-х гг. – причиной тому стало падение спроса на электроэнергию в развитых странах и многочисленные проблемы с атомными станциями. Самыми серьезными стали три аварии: на острове Три-Майл-Айленд в штате Пенсильвания в 1979 г., в украинском Чернобыле в 1986 г. и в японской префектуре Фукусима в 2011 г. Эти катастрофы дали серьезные аргументы противникам атомной энергетики.
Тем временем стоимость строительства атомных электростанций превышала ожидаемую, и ученым никак не удавалось разработать приемлемый способ хранения отработанного ядерного топлива (в настоящее время оно временно хранится в контейнерах на территории станции). Кроме того, не удалось добиться успехов в конструировании установок более дешевых и безопасных, чем водо-водяные ядерные реакторы, которые, по сути, представляли собой сухопутные версии реакторов, разработанных в 1950-х гг. для американских подлодок.
В результате общество на Западе обуревают сомнения, компании осторожничают, Германия и Швеция собираются вообще отказаться от атомной энергии, и даже Франция намерена сократить ее долю. И в ближайшие годы реакторы, которые строятся в разных странах мира, не смогут компенсировать потерю мощности, которую повлечет вывод из эксплуатации установок, отработавших свой срок.
Из всех крупных экономик развивать ядерную энергетику намерены только азиатские страны, в первую очередь Китай и Индия, но даже они не в состоянии воспрепятствовать уменьшению доли атомных станций в мировом производстве электроэнергии. Эта доля достигла максимума, почти 18 %, в 1996 г., упала до 10 % в 2018-м, а к 2040 г., по прогнозу Международного энергетического агентства, ожидается лишь небольшой подъем – до уровня 12 %.
Мы можем многое сделать – в первую очередь использовать более совершенные конструкции реактора и решительно заняться проблемой хранения отходов, – чтобы получать немалую долю электроэнергии, расщепляя атом и тем самым ограничивая выбросы углекислого газа. Но это потребует непредвзятого анализа фактов и по-настоящему долгосрочного подхода к глобальной энергетической политике. И пока я не вижу никаких признаков ни того ни другого.
Нет ископаемого топлива – нет электричества от ветра
Ветряные турбины – наиболее наглядный символ поиска возобновляемых источников электроэнергии. Они используют ветер, настолько бесплатный и «зеленый», насколько это возможно для энергии, но сами машины – чистое олицетворение ископаемого топлива.
Большие грузовики доставляют сталь и другие материалы на место производства, землеройные машины прокладывают дорогу к недоступным возвышенностям, огромные краны возводят несущие конструкции – и все эти машины сжигают дизельное топливо. То же самое относится к грузовым поездам и судам, которые перевозят сырье для производства цемента, стали и пластика. Для турбины мощностью 5 МВт требуется 150 тонн одной только стали для железобетонного фундамента, еще 250 тонн для ступиц ротора и для гондол (где устанавливаются редуктор и генератор), а также 500 тонн для башен.
Если к 2030 г. электричество, вырабатываемое ветровыми электростанциями, будет обеспечивать 25 % мировой потребности, то даже при таком высоком коэффициенте мощности, как 35 %, для генерации приблизительно 2,5 тераватт (ТВт) потребуется около 450 млн тонн стали. И это без учета металла, который пойдет на изготовление башен, проводов и трансформаторов для новых высоковольтных линий электропередачи, необходимых для подключения ветровых генераторов к энергосистеме.
Гигантская пластиковая лопасть современной ветряной турбины: сложно изготовить, еще сложнее перевозить и еще сложнее утилизировать
Выплавка стали – процесс энергоемкий. Спеченная или окатанная железная руда расплавляется в домне, и к ней добавляют кокс, получаемый из угля, а также угольную пыль и природный газ. Затем при помощи кислородных конвертеров из передельного чугуна (железа, получаемого из домны) удаляют углерод – и запускается процесс непрерывной разливки стали (расплавленная сталь принимает форму готовых изделий). Для производства тонны стали, используемой в турбинах, обычно требуется 35 ГДж энергии.
Количество ископаемого топлива, необходимого для производства стали для ветряных турбин, которые могут быть введены в строй к 2030 г., эквивалентно 600 млн тонн угля.
Турбина мощностью 5 МВт имеет три аэродинамические поверхности длиной около 60 м и весом около 15 т. У них легкая сердцевина из бальзы или пеноматериала и внешнее покрытие, изготавливаемое, как правило, из эпоксидной или полиэфирной смолы, армированной стекловолокном. Стекло получают путем сплавления двуокиси кремния и других оксидных минералов в печах, воспламеняемых природным газом. Изготовление смол начинается с этилена, полученного из легких углеводородов: по большей части это продукты крекинга нефтяного сырья, сжиженный углеводородный газ или этан, выделенный из природного газа.
На конечный результат – композит, армированный стекловолокном, – затрачивается приблизительно 170 ГДж на тонну. Таким образом, чтобы в 2030 г. получить прогнозируемые 2,5 ТВт ветровой энергии, потребуется совокупная масса роторов около 23 млн тонн, заключающая в себе как эквивалент приблизительно 90 млн тонн сырой нефти. Кроме того, всю конструкцию требуется обработать водонепроницаемым составом – смолами, для синтеза которых понадобится прежде всего этилен. Еще один необходимый продукт переработки нефти – смазка для редуктора, который нужно периодически менять на протяжении двадцатилетнего срока службы турбины.
Вне всякого сомнения, ветряная турбина, место для которой выбрано правильно, меньше чем за год выработает столько энергии, сколько потребовалось для ее производства и установки. Однако вся эта энергия обретет форму непостоянно поступающего электричества, тогда как производство, монтаж и обслуживание не могут обойтись без энергий, полученных благодаря определенным видам ископаемого топлива. Более того, для большей части такого топлива – а это кокс для плавки железной руды; уголь и нефтяной кокс, сжигаемые в печах для обжига цемента; сырая нефть и природный газ как исходное сырье и топливо для синтеза пластмасс и производства стекловолокна; дизельное топливо для кораблей, грузовиков и строительной техники; смазочные материалы для редукторов – у нас нет неископаемых заменителей, доступных по запросу в промышленных масштабах.
И еще долго, до тех пор, пока все виды энергии, используемые для производства ветряных турбин и солнечных батарей, не начнут поступать из возобновляемых источников, современная цивилизация в самой сути своей останется зависимой от ископаемого топлива.
Как велика может быть ветряная турбина?
Ветряные турбины явно подросли. Когда в 1981 г. датская фирма Vestas положила начало тенденции гигантизма, мощность трехлопастных генераторов составляла всего 55 кВт. Она выросла до 500 кВт в 1995 г., достигла 2 МВт в 1999 г., а сегодня составляет 5,6 МВт. В 2021 г. турбина V164, произведенная компанией MHI Vestas Offshore Wind, с высотой оси 105 м и длиной лопастей 80 м, будет вырабатывать до 10 МВт электроэнергии, первой в мире перешагнув двузначный порог мощности. Следует также отметить, что компания GE Renewable Energy разрабатывает турбину мощностью 12 МВт с 260-метровой башней и 107-метровыми лопастями, которая также должна войти в строй в