Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого

Нам требуются очень вместительные (на десятки и сотни гигаватт-часов) хранилища для больших городов и мегаполисов, но до сих пор единственным реализуемым вариантом является система гидроаккумуляции: более дешевая электроэнергия, вырабатываемая в ночное время, используется для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний, расположенный на возвышенности, и при необходимости спуск воды мгновенно обеспечивает производство электроэнергии[76]. Возобновляемые источники позволят перекачивать воду, когда доступен избыток электроэнергии от солнца и ветра, но совершенно очевидно, что гидроаккумуляция реализуема лишь в местах, где есть необходимый перепад высот; кроме того, при перекачке воды наверх потребляется примерно четверть вырабатываемого электричества. Мощность других средств хранения энергии, таких как электрические аккумуляторы, сжатый воздух и суперконденсаторы, на несколько порядков меньше, чем требуется большим городам, даже для одного дня[77].

В отличие от хранилищ электроэнергии, ядерные реакторы — при должной конструкции и тщательном обслуживании — обеспечивают безопасный, долговременный и высоконадежный способ генерации электроэнергии; как уже отмечалось выше, они способны работать более 90 % времени, а их срок службы превышает 40 лет. Тем не менее будущее атомной энергетики остается неопределенным. Только Китай, Индия и Южная Корея намерены и дальше расширять ее мощности. На Западе сочетание высоких капитальных затрат, серьезных задержек в строительстве и доступности более дешевых альтернатив (природный газ в США, ветер и солнце в Европе) снизили привлекательность новых атомных станций. Более того, новые американские реакторы — маленькие, модульные и безопасные (впервые предложенные в 1980-х гг.) — до сих пор не запущены в коммерческое производство, а Германия, принявшая решение отказаться от всей атомной энергетики к 2022 г., служит показательным примером широко распространенного в Европе неприятия этого вида производства электроэнергии (оценку реальных рисков атомных электростанций см. в главе 5).

Но ситуация может измениться: в настоящее время даже Европейский союз признает невозможность достижения амбициозной цели нулевого баланса без ядерных реакторов. Сценарий достижения углеродной нейтральности к 2050 г. отказывается от политики стагнации и пренебрежения атомной энергетикой на протяжении десятилетий и предполагает, что 20 % всего энергопотребления будут обеспечивать атомные электростанции[78]. Обратите внимание, что речь идет о потреблении общей первичной энергии, а не только электричества. На электричество приходится лишь 18 % совокупного мирового потребления энергии, и декарбонизация 80 % конечных потребителей энергии — промышленных предприятий, домашних хозяйств и транспорта — будет еще более сложной задачей, чем декарбонизация выработки электричества. Расширение производства электроэнергии может быть использовано для отопления и для многих производственных процессов, в настоящее время потребляющих ископаемое топливо, а вот перспективы декарбонизации дальнемагистральных перевозок остаются туманными.

Как скоро мы станем летать на другие континенты на широкофюзеляжных лайнерах с электродвигателями? Новостные заголовки убеждают нас, что будущее авиации — это электричество, полностью игнорируя огромную разницу в плотности энергии керосина, сжигаемого турбореактивными двигателями и лучшими из современных литий-ионных аккумуляторов, которые должны быть установлены на этих самолетах. Турбореактивные двигатели самолета сжигают топливо с плотностью 46 мегаджоулей на килограмм (почти 12 000 ватт-часов на килограмм), превращая химическую энергию в тепловую и кинетическую, тогда как плотность энергии у лучшего современного литий-ионного аккумулятора составляет 300 Вт⋅ч/кг — в 40 раз меньше[79]. Конечно, КПД электродвигателя в два раза выше, чем у газовой турбины, и поэтому реальная разница в плотности энергии «всего лишь» 20-кратная. Но за последние 30 лет максимальная плотность энергии аккумуляторов почти утроилась, но если мы повысим ее еще в три раза, то все равно к 2050 г. она будет гораздо меньше 3000 Вт⋅ч/кг — этого недостаточно для перелета широкофюзеляжного лайнера из Нью-Йорка в Токио или из Парижа в Сингапур, что на протяжении нескольких десятилетий делают самолеты Boeing и Airbus с двигателями на керосине[80].

Более того (подробнее об этом в главе 3), у нас нет готовых промышленных альтернатив для обеспечения производства четырех главных материалов современной цивилизации только с помощью электроэнергии. Это означает, что даже при изобилии и надежности возобновляемых источников электроэнергии нам предстоит разработать новые процессы масштабного производства стали, аммиака, цемента и пластика.