Текст книги "От микроорганизмов до мегаполисов. Поиск компромисса между прогрессом и будущим планеты"

Глава 3
Энергия, или Рост первичных и вторичных преобразователей

Рост любого организма или артефакта, выраженный в фундаментальных понятиях физики, является трансформацией массы, возможной благодаря преобразованию энергии. Солнечная радиация, конечно, является основным источником энергии жизни благодаря фотосинтезу, а последующий аутотрофный и гетеротрофный обмен веществ дает невероятное разнообразие организмов. Предки человека, полагавшиеся исключительно на энергию собственного тела, занимаясь собирательством и охотой, неизбежно испытывали значительные ограничения. Их возможности расширились, когда они научились добывать огонь: сжигание фитомассы (запасы которой ограничены возможностями фотосинтеза) стало первым преобразованием экстрасоматической (внетелесной) энергии и открыло путь к улучшению питания, условий жизни и защиты от животных. Приготовление пищи стало особенно важным прогрессом, так как значительно расширило как ассортимент, так и качество потребляемой еды (Wrangham, 2009). Доисторические люди ввели еще один вид экстрасоматической энергии, когда 10 000 лет назад начали использовать одомашненных животных в качестве транспорта и позже для работы в поле.

Последующую историю цивилизации можно рассматривать как поиски более надежных источников энергии (Smil, 2017a). Процесс начался со сжигания фитомассы (химическая энергия, содержащаяся в дереве, а позже – в угле и сельскохозяйственных отходах) для получения тепла (термальной энергии) и незначительных преобразований потоков воды и ветра в кинетическую энергию с помощью мельниц и парусов. После медленного развития в течение многих веков эти способы преобразования стали более распространенными, эффективными и доступными в более концентрированных формах (более мощных установках), но только сгорание различных видов ископаемого топлива открыло путь к современному высокоэнергетическому обществу. Эти виды топлива (уголь, нефть и природные газы) составляют огромные запасы трансформировавшейся биомассы, произведенной с помощью фотосинтеза в течение сотен миллионов лет, а ее извлечение и преобразование сделали возможным одновременное развитие урбанизации и индустриализации. Эти успехи обеспечивают беспрецедентный уровень питания, комфорта, материального благополучия и личной мобильности и увеличивают продолжительность жизни для все большей части населения Земли.

Оценка долгосрочного роста преобразователей энергии (их производительности и эффективности) является, таким образом, предварительным условием отслеживания роста артефактов – разнообразных объектов, сделанных человеком, от простейших инструментов (рычаг, блок) до сложных структур (соборы, небоскребы) и удивительно сложных электронных приборов – о чем пойдет речь в главе 4. Я использую термин «преобразователь энергии» в самом широком смысле, имея в виду любой артефакт, способный трансформировать один вид энергии в другой. Эти преобразователи делятся на две основные категории.

Первичные преобразуют потоки возобновляемой энергии и ископаемые виды топлива в ряд полезных видов энергии, чаще всего в кинетическую (механическую) энергию, тепло (термальную энергию), свет (электромагнитную энергию) или, все чаще, в электричество. Эта большая категория включает следующие машины и агрегаты: традиционные водные колеса и ветряные мельницы и их современные трансформации, водные и ветряные турбины; паровые двигатели и турбины; двигатели внутреннего сгорания (бензиновые и дизельные, а также газовые турбины, стационарные или мобильные); ядерные реакторы; фотоэлектрические батареи. Многие формы электрического освещения и электродвигателей на сегодня являются наиболее многочисленными вторичными преобразователями, использующими электричество для производства света и кинетической энергии для невероятно разнообразных стационарных машин, используемых в промышленности, а также сельском хозяйстве, сфере услуг и домохозяйствах, а также в наземном транспорте.

Даже древние цивилизации пользовались разнообразными преобразователями энергии. В античные времена наиболее распространенные приспособления для обогрева в холодном климате включали в себя как простые очаги (еще в XIX веке их можно было увидеть в японских сельских домах), так и замысловатый древнеримский гипокауст и его азиатские аналоги, в том числе китайский кан и корейский ондоль. Мельницы, работающие от живой силы (рабов, ослов, быков, лошадей) и от воды (с использованием колес для преобразования ее энергии во вращательное движение), перемалывали зерно и отжимали масло из семян. Масляные лампы и восковые и сальные свечи обеспечивали (обычно недостаточное) освещение. А весла и паруса были двумя единственными движителями кораблей до эпохи модерна.

К концу Средневековья большинство этих преобразователей значительно выросли в размерах, или сильно прибавили в мощности, или улучшили качество продукции и повысили эксплуатационную надежность. Наиболее выдающимися новыми преобразователями, получившими распространение в конце Средних веков, стали более высокие ветряные мельницы (использовавшиеся для накачки воды и переработки разнообразных сельскохозяйственных культур и промышленных задач), доменные печи (использовавшиеся для сплавления железной руды с углем и известняком для производства чугуна) и снаряды, приводящиеся в движение порохом (химическая энергия при поджоге смеси калийной селитры, серы и угля моментально превращается во взрывную кинетическую энергию, используемую для убийства соперников или разрушения объектов).

В Древности и Средних веках также разрабатывали ряд более продвинутых преобразователей энергии, использующих силу притяжения или натуральную кинетическую энергию. От падающей воды работали простые и очень точные клепсидры (водяные часы) и китайские астрономические башни – но часы с маятником относятся к началу современной эры: их в 1656 году изобрел Христиан Гюйгенс. А чтобы удивить и развлечь гостей, богатые европейцы, жители Ближнего Востока и Восточной Азии демонстрировали человеко– и животноподобные механические фигуры, в том числе музыкантов, птиц, обезьян и тигров, а также ангелов, которые играли, пели и поворачивали лицо к солнцу. Они управлялись водой, ветром, сжатым воздухом и заведенными пружинами (Chapuis and Gélis, 1928).

Строительство и применение всех традиционных преобразователей немускульной энергии усилилось во время раннего Нового времени (1500–1800). Водяные колеса и ветряные мельницы распространялись все шире, а их мощность и эффективность преобразования, как правило, возрастали. Выплавка чугуна в доменных печах, работающих на угле, достигла новых высот. Парусные корабли били предыдущие рекорды водоизмещения и маневренности. Армии использовали более мощные ружья, а производство различных механических фигур и других диковин достигло новых уровней сложности. И тогда в начале XVIII века начался медленный переход от применения человеческой энергии к первым серийным установкам паровых двигателей.

Самые ранние первичные источники энергии без «живого привода», работавшие на сжигании угля – ископаемого топлива, созданного путем фотосинтетического преобразования солнечной радиации 10⁶–10⁸ лет назад, – были крайне неэкономичными и обеспечивали только возвратно-поступательное движение. В результате их десятилетиями использовали только для накачивания воды в угольные шахты, но как только их эффективность повысилась, и новые модели стали обеспечивать вращательное движение, эти двигатели быстро завоевали многие старые отрасли и транспорт и создали новые отрасли и новые виды транспорта (Dickinson, 1939; Jones, 1973). В XIX веке было изобретено и выведено на рынок больше разнообразных преобразователей энергии, чем за любой другой период истории: в хронологическом порядке они включают водяные турбины (появившиеся в 1830-е годы), паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания (цикл Отто) и электрические моторы (все в 1880-х годах) и дизельные двигатели (начиная с 1890-х).

В XX веке появились газовые турбины (первое коммерческое применение в 1930-х годах), ядерные реакторы (впервые установленные на подводных лодках в начале 1950-х годов и используемые для выработки электричества с конца 1950-х годов), фотоэлектрические батареи (впервые на спутниках в конце 1950-х годов) и ветряные турбины (современные модели появились в 1980-х годах). Я рассмотрю все эти успехи по темам, а не в хронологическом порядке, начав с использования ветра и воды (традиционные мельницы и современные турбины), затем перейду к паровым преобразователям (двигателем и турбинам), двигателям внутреннего сгорания, электрическому свету и моторам и, наконец, к ядерным реакторам и фотоэлектрическим батареям.

Укрощение воды и ветра

Время появления первых двух традиционных первичных двигателей – водяных колес (история которых началась в древние времена в Средиземноморье) и ветряных мельниц (впервые появившихся в начале Средних веков) – нам точно неизвестно. Соответственно, их ранний рост можно описать только в простых качественных выражениях, и хотя мы можем отследить их последующее распространение и многообразие применения, но обладаем ограниченной информацией об их производительности. Количественные показатели имеются только для машин, применявшихся во второй половине XVIII века, и мы можем точно проследить переход с водяных колес на водяные турбины и рост этих гидравлических машин.

В отличие от непрерывной эволюции первичных двигателей, приводимых в движение водой, у ветряных двигателей не было постепенного перехода от улучшенных версий традиционных ветряных мельниц к современным ветряным установкам. В начале XX века с появлением паровых турбин применение ветряных мельниц сошло на нет, и только в 1980-х годах первые серийные ветряные турбины были установлены на ветровой электростанции в Калифорнии. Последующее развитие этих машин, которому способствовали субсидии и попытки декарбонизации современного производства электричества, продемонстрировало впечатляющие успехи в конструировании и производительности ветряных турбин, и они стали распространенным (а кое-где – даже преобладающим) способом получения электроэнергии.

Водяные колеса

Происхождение водяных колес остается неизвестным, но, несомненно, первоначально для перемалывания зерна применялись горизонтальные колеса, вращающиеся вокруг вертикальной оси, прикрепленной непосредственно к жерновам. Их мощность была ограничена несколькими киловаттами. Более крупные вертикальные колеса (древнеримские hydraletae), жернова которых приводились в движение ортогональными зубчатыми передачами, получили распространение в Средиземноморье в начале нашей эры (Moritz, 1958; White, 1978; Walton, 2006; Denny, 2007). Было разработано три типа вертикальных колес для естественного водотока или искусственно усиленной подачи воды с помощью отводов, каналов или желобов (Reynolds, 2002). Нижнебойные колеса (вращающиеся против часовой стрелки) лучше всего подходили для быстрых потоков воды, и мощность этих небольших устройств часто составляла менее 100 Вт, что эквивалентно непрерывно работающему сильному мужчине. Среднебойные колеса (также вращающиеся против часовой стрелки) приводились в движение как текущей, так и падающей водой, в то время как верхнебойные колеса приводила в движение сила притяжения – вода к ним часто подавалась по желобам. Верхнебойные колеса обеспечивали несколько киловатт полезной энергии, а лучшие образцы XIX века давали более 10 кВт.

Водяные колеса радикально изменили перемалывание зерна. Даже небольшая мельница, на которой работали менее 10 человек, ежедневно производила достаточно муки, чтобы прокормить более 3000 человек, в то время как ручное перемалывание с помощью жерновов потребовало бы труда более 200 человек для той же выработки. Применение водяных колес вышло далеко за рамки перемалывания зерна уже в древнеримскую эпоху. В Средние века с помощью энергии воды пилили дерево и камень, крошили руду и приводили в действие меха, а в начале современной эры английские водяные колеса часто использовали для накачки воды и подъема угля из шахт (Woodall, 1982; Clavering, 1995).

Деревянные колеса домодерна, часто грубо построенные, были не очень эффективны по сравнению с современными металлическими машинами, но обеспечивали довольно устойчивую энергию в беспрецедентных объемах и, таким образом, открыли путь зарождающейся индустриализации и крупномасштабному производству. Эффективность ранних современных деревянных нижнебойных водяных колес достигала 35–45 %, что значительно ниже показателей 52–75 % верхнебойных колес (Smeaton, 1759). В отличие от них более поздние полностью металлические модели могли обеспечивать до 76 % для нижнебойных и до 85 % для верхнебойных (Müller, 1939; Muller and Kauppert, 2004). И еще в XVIII веке колеса были более эффективны, чем современный им паровой двигатель. Развитие этих двух очень разных машин происходило параллельно, и колеса оставались основными первичными двигателями нескольких важных отраслей – особенно текстильной – до 1850 года.

В 1849 году совокупная мощность водяных колес в США составляла почти 500 МВт, а паровых двигателей – достигала около 920 МВт (Daugherty, 1927). По расчетам Шура и Нетшера (Schurr and Netschert, 1960), американские водяные колеса продолжали обеспечивать больше полезной энергии, чем все паровые двигатели до конца 1860-х годов. Десятая перепись показала, что в 1880 году, перед введением промышленного производства электроэнергии, в США было 55 404 водяных колеса общей установленной мощностью 914 МВт (в среднем около 16,5 кВт на колесо), что составляло 36 % всей энергии, используемой в производстве, а остальную часть обеспечивали паровые двигатели (Swain, 885). Прежде всего водяные колеса использовались для перемалывания зерна и распила древесины. Большинство водяных колес в стране было сосредоточено на реке Блэкстоун в штате Массачусетс, их мощность составляла около 125 кВт/га.

У нас недостаточно информации, чтобы отследить рост средней или типичной мощности водяных колес, но достаточно, чтобы утверждать, что за многовековой стагнацией или очень медленным ростом последовал резкий подъем к новым рекордным значениям в период между 1750 и 1850 годами. Крупнейшие установки сочетали в себе энергию нескольких колес. В 1684 году проект, предназначенный для перекачки воды в сады Версаля, включающий 14 колес, установленных на реке Сене (машина Марли), обеспечил около 52 кВт полезной энергии, что в среднем составляло менее 4 кВт на колесо (Brandstetter, 2005; рис. 3.1). В 1840 году крупнейшая британская установка около Глазго имела мощность 1,5 МВт за счет 30 колес (в среднем 50 кВт/колесо), вода к которым поступала из резервуара (Woodall, 1982). А «Леди Изабелла», крупнейшее в мире водяное колесо, построенное в 1854 году на острове Мэн для выкачивания воды из шахт по добыче свинца и цинка, имело теоретический пик в 427 кВт и реальную устойчивую полезную энергию 200 кВт (Reynolds, 1970).

Рис. 3.1. Машина Марли, крупнейшая система водяных колес в начале современной эры, была завершена в 1684 году и предназначена для перекачивания воды из Сены в сады Версаля. На фрагменте картины Пьера-Дени Мартена 1723 года на заднем плане также виден акведук. Репродукция картины доступна на Wikimedia

После 1850 года новые водяные колеса резко перестали устанавливать, так как им на смену пришли более эффективные водяные турбины и более гибкие тепловые двигатели. Таким образом, мощность типичной силовой установки за период около двух тысяч лет выросла как минимум в 20 раз, а возможно, и в 50. Археологические данные указывают, что во времена Древнего Рима типичная мощность таких механизмов составляла 1–2 кВт; в начале XVIII века большинство европейских водяных колес имело мощность 3–5 кВт и лишь несколько достигали более 7 кВт, а к 1850 году многие водяные колеса имели мощность 20–50 кВт (Smil, 2017a). Это означает, что после длительного периода стагнации (почти полторы тысячи лет) или едва заметного прогресса типичная мощность за примерно век выросла на порядок и удваивалась приблизительно каждые 30 лет. Их дальнейшее развитие довольно быстро оборвалось с внедрением новых преобразователей энергии, и высоко асимметричная S-образная кривая, отражавшая развитие до 1859 года, сначала постепенно, а затем быстро сошла на нет, и к 1960 году оставалось лишь небольшое число работающих водяных колес.

Водяные турбины

Водяные турбины были концептуальным продолжением горизонтальных водяных колес, работавших под высоким напором воды. Их история началась с напорноструйной гидротурбины, разработанной Бенуа Фурнероном. В 1832 году его первая машина, имевшая ротор 2,4 м, работающий с радиальным вытекающим потоком, и высоту напора всего 1,3 м, демонстрировала мощность 38 кВт, а в 1837 году ее улучшенная версия, установленная на прядильной фабрике в Сент-Блезьене, имела мощность 45 кВт и высоту напора более 100 м (Smith, 1980). Год спустя улучшенная модель была запатентована в США Самюэлем Хаудом, и после дополнительных усовершенствований в 1849 году представленная в Лоуэлле, штат Массачусетс, британско-американским инженером Джеймсом Фрэнсисом, в результате получила широкую известность как турбина Фрэнсиса. Эта модель остается наиболее широко применяемой гидравлической машиной высокой мощности, пригодной для среднего и высокого напора (Shortridge, 1989). В период между 1850 и 1880 годами многие предприятия, расположенные на берегах рек, заменили водяные колеса на эти турбины. В США лидером среди штатов был Массачусетс: к 1875 году турбины обеспечивали 80 % постоянной энергии.

С внедрением электрических систем Эдисона в 1880-е годы водяные турбины начали крутить генераторы. Первая маленькая установка (12,5 кВт) в Эпплтоне, штат Висконсин, начала работать в 1882 году, в тот же год, что первая станция Эдисона, работающая на угле, была завершена на Манхэттене (Monaco, 2011). К концу 1880-х годов в США было около 200 маленьких гидростанций и готовая к применению новая модель турбины. Импульсная турбина, пригодная для высокого напора и приводимая в движение водяными струями, воздействующими на расположенные по окружности лопасти, была разработана Лестером Пелтоном. Крупнейшая в мире гидроэлектростанция, построенная в период с 1891 по 1895 год на Ниагарском водопаде, имела десять турбин мощностью 5000 л.с. (3,73 МВт).

В 1912 и 1913 годах Виктор Каплан зарегистрировал патенты на осевую гидротурбину, регулируемые пропеллеры которой лучше всего подходили для низкого напора воды. Первые небольшие турбины Каплана были построены уже в 1918 году, а к 1931 году четыре установки по 35 МВт начали работать на гидроэлектростанции Рибург-Шверштадт на Рейне. До Первой мировой войны было построено более 500 ГЭС, однако большинство из них имели ограниченную мощность, но эра крупных проектов началась в 1920-х годах в Советском Союзе и в 1930-х годах в США в рамках государственных программ электрификации. Крупнейшие проекты советской программы были реализованы только благодаря опыту и оборудованию США: на Днепровской ГЭС, строительство которой завершилось в 1932 году, были установлены турбины Фрэнсиса мощностью 63,38, построенные в Newport News, и генераторы GE (Нестерук, 1963).

В США основными результатами правительственной программы развития гидроэнергетики стали ГЭС, построенные Администрацией долины реки Теннесси на востоке, и два рекордных проекта, плотина Гувера и Гранд-Кули на западе (ICOLD, 2017; USDI, 2017). Плотина Гувера на реке Колорадо была завершена в 1936 году, и 13 из 17 ее турбин имели мощность 130 МВт. Строительство Гранд-Кули проходило с 1933 по 1942 год, и каждая из 18 турбин в двух машинных залах обеспечивала 125 МВт (USBR, 2016). Суммарную мощность Гранд-Кули, первоначально составлявшую немногим менее 2ГВт, так и не удалось превзойти ни одной американской ГЭС, построенной после Второй мировой войны, и она была расширена за счет третьего машинного зала (между 1975 и 1980 годами) с тремя турбинами мощностью 600 МВт и тремя турбинами мощностью 700 МВт. После того как обновление Гранд-Кули было завершено, статус крупнейших в мире перешел к новым ГЭС, построенным в Южной Америке.

Тукуруи на реке Токантинс в Бразилии (8,37 ГВт) была завершена в 1984 году. За ней последовала Гури на реке Карони в Венесуэле в 1986 году (10,23 ГВт), и первый блок будущей крупнейшей в мире ГЭС, Итайпу на реке Парана на границе между Бразилией и Парагваем, изначально мощностью 12,6 ГВт, сейчас 14 ГВт, был установлен в 1984 году. На сегодня ГЭС Итайпу имеет 20 турбин мощностью 700 МВт, турбины Гури немного мощнее, чем в Гранд-Кули (730 МВт), а мощность турбин Тукуруи составляет всего 375 и 350 МВт. Мощность турбин Гури оставалась непревзойденной, даже когда ГЭС Санься («Три ущелья») в 2008 году установила новый мировой рекорд общей мощности ГЭС с 22,5 ГВт: ее турбины, как и в Итайпу, имеют мощность 700 МВт. Новый рекорд был поставлен только в 2013 году, когда на ГЭС Санцзяба в Китае были установлены крупнейшие в мире турбины Фрэнсиса мощностью 800 МВт, разработанные и произведенные на заводе Alstom в Тяньцзине (Alstom, 2013; Duddu, 2013).

Историческая траектория мощностей крупнейших гидротурбин образует очевидную S-образную кривую с основным приростом в период между началом 1930-х и 1980-ми годами и формированием плато при приближении мощности турбин к 1000 МВт (рис. 3.2). Если выражать мощность генераторов в мегавольт-амперах (МВА), логистическая траектория максимальной мощности поднимается аналогичным образом – от нескольких МВА в 1900 году до 200 МВА к 1960 году и 855 МВА на китайской ГЭС Силоду на реке Цзиньша, завершенной в 2013 году (Voith, 2017).

Рис. 3.2. Логистическая кривая максимальной мощности гидротурбин с 1895 года, точка перегиба в 1963 году. Данные из (Smil, 2008) и (ICOLD, 2017)

Прогноз развития траектории указывает лишь на незначительный прирост к 2030 году, но мы уже знаем, что асимптота будет достигнута со строительством второй по величине в Китае (и в мире) гидроэлектростанции в Сычуане: плотина Байхэтань на реке Цзиньша (между Сычуанем и Юньнанем, строительство ведется с 2008 года) будет иметь 16 турбин мощностью 1000 МВт (1ГВт), когда будет завершена в начале 2020-х годов[25]25
  ГЭС Байхэтань имеет статус действующей с июня 2021 года. – Прим. ред.


[Закрыть].

Существует очень высокая вероятность, что мощность турбины 1 ГВт останется пиковым значением. Это связано с тем, что большинство стран мира, имеющих значительный потенциал гидроэнергетики, уже эксплуатируют лучшие места, где могли бы применить такие мощные турбины (США, Канада), или имеют потенциальные места (в странах Африки южнее Сахары, Латинской Америке и муссонной Азии), где лучше использовать турбины мощностью 500–700 МВт, преобладающие на крупнейших проектах Китая, Индии, Бразилии и России. Кроме того, не беря в расчет Байхэтань, опасения экологического плана делают строительство ГЭС с мощностью более 15 ГВт крайне маловероятным.

Ветряные мельницы и турбины

Первые персидские и византийские ветряные мельницы были маленькими и неэффективными, но в средневековой Европе в конце концов были разработаны крупные мельницы на деревянных стойках, которые вручную поворачивали к ветру. Более высокие и эффективные мельницы-башни получили распространение в начале современной эры не только в Нидерландах, но и в других равнинных и ветреных странах Атлантики (Smil, 2017a). Усовершенствования, повысившие их мощность и эффективность, включали скошенные края, которые уменьшали сопротивление лопастей, и, гораздо позже, аэродинамический профиль (профилированные лопасти), металлические шестерни и хвосты. Ветряные мельницы, как и водяные колеса, выполняли множество задач помимо перемалывания зерна: с их помощью давили масло из семян и накачивали воду из колодцев, а в Голландии их часто использовали для осушения низменностей (Hill, 1984). В отличие от тяжелых европейских устройств, американские ветряные мельницы были легче, более доступны, но достаточно эффективны. В них использовались узкие лопасти, прикрепленные к колесу и помещенные наверху решетчатой башни (Wilson, 1999).

Полезная энергия средневековых мельниц составляла всего 2–6 кВт, что сопоставимо с мощностью первых водяных колес. Голландские и английские ветряные мельницы XVII и XVIII веков обычно обеспечивали не более 6–10 кВт, американские мельницы конца XIX века – как правило, не более 1 кВт, в то время как крупнейшие европейские машины давали 8–12 кВт, ничтожную долю лучших водяных колес (Rankine, 1866; Daugherty, 1927). В период между 1890-ми и 1920-ми годами небольшие ветряки использовались в ряде стран для производства электроэнергии в изолированных поселениях, но дешевое производство электричества на угле покончило с ними, и ветряки возродились только в 1980-х годах после двух раундов повышения цен на нефть ОПЕК.

Перевал Альтамонт на горе Дьябло в северной Калифорнии стал местом, где разместился первый крупномасштабный ветропарк, построенный в период между 1981 и 1986 годами: средняя мощность его турбин составляла всего 94 кВт, а мощность крупнейшей – 330 кВт (Smith, 1987). Этот эксперимент сошел на нет с падением цен на нефть после 1984 года, и центр разработки ветряных турбин переместился в Европу, особенно в Голландию, где компания Vestas начала предлагать более мощные модели. Мощность их турбин возросла с 55 кВт в 1981 году до 500 кВт десятью годами позже и 2 МВт к 2000-му, а к 2017 году мощность крупнейших агрегатов Vestas для установки на суше достигла 4,2 МВт (Vestas, 2017a). Этот рост отображает логистическая кривая, показывающая лишь ограниченный прирост в будущем. С другой стороны, крупнейшие турбины для морских ветряных электростанций (первая была установлена в 2014 году) имеют мощность 8 МВт и могут достигать 9 МВт при конкретных условиях (Vestas, 2017b). Но к концу 2018 года ни одна из моделей мощностью 10 Мвт – SeaTitan и Sway Turbine, завершенные в 2010 году (AMSC, 2012), – не были выведены на рынок.

Средняя мощность растет медленнее. Линейный рост номинальной мощности американских агрегатов для установки на суше увеличился вдвое с 719 кВт в 1998–1999 годах до 1,43 МВт в 2004–2005 годах, но последующий более медленный рост увеличил это значение до 1,79 МВ в 2010 году и 2 МВт в 2015 году, то есть за 17 лет показатели увеличились менее чем в три раза (Wiser and Bollinger, 2016). Средние значения европейских установок на суше были немного выше: 2,2 МВт в 2010 году и около 2,5 МВт в 2015 году. И снова траектории роста значений в США и ЕС соответствовали сигмоидальным кривым, но более близким к насыщению, чем траектория значений максимальных мощностей турбин. Средняя мощность относительного небольшого числа европейских турбин, установленных на суше, оставалась на уровне около 500 кВт в 1990-х, достигла 3 МВт к 2005 году, 4 МВт к 2012-му и немногим более 4 МВт в 2015 году (EWEA, 2016).

За 28 лет между 1986 и 2014 годами максимальная мощность ветряных турбин росла немного больше чем на 11 % в год, в то время как мощность моделей Vestas возрастала примерно на 19 % в год между 1981 и 2014 годами, удваиваясь приблизительно каждые три года и восемь месяцев. На эти высокие темпы роста часто указывают сторонники энергии ветра в качестве доказательства удивительных технических успехов, открывающих путь к ускоренному переходу с ископаемых видов топлива к неуглеродной энергии. В действительности эти успехи не были беспрецедентными, поскольку другие преобразователи энергии демонстрировали аналогичный или даже более высокий прирост на ранних этапах своего развития. За 28 лет с 1885 по 1913 год мощность паровых турбин возросла с 7,5 кВт до 20 МВт, что соответствует среднегодовому экспоненциальному росту на 28 % (рис. 3.3). И хотя последующий рост мощности паровых турбин составил два порядка (до 1,75 ГВт к 2017 году), ветряным турбинам никогда не достичь подобного роста, то есть мощности турбины порядка 800 МВт.

Даже два последовательных удвоения менее чем за восемь лет будут невозможны: они означали бы создание турбины мощностью 32 МВт прежде 2025 года. Проект Upwind опубликовал предварительное описание турбины для установки в море мощностью 20 МВт, опираясь на масштабирование по аналогии, в 2011 году (Peeringa et al., 2011). Трехлопастная машина будет иметь ротор диаметром 252 м (более чем втрое больше размаха крыльев крупнейшего в мире реактивного самолета Airbus A380), диаметр ступицы 6 м и скорость ветра для включения и выключения 3 и 25 м/с. Но удвоение мощности турбины – не просто проблема масштабирования: в то время как мощность турбины повышается с увеличением ее радиуса в квадрате, ее масса (что является издержками) растет с увеличением радиуса в кубе (Hameed and Vatn, 2012). Но все равно существуют концептуальные проекты турбин мощностью 50 МВт с гибкими (и складными) лопастями длиной 200 м и башней выше Эйфелевой.

Рис. 3.3. Сравнение ранних этапов роста паровых (1885–1913) и ветряных (1986–2014) турбин показывает, что недавний рост не является беспрецедентным: максимальная мощность паровых турбин росла быстрее (Smil, 2017b)

Конечно, доказывать, что подобная структура возможна с технической точки зрения, потому что Эйфелева башня достигла 300 м еще в 1889 году и потому что гигантские нефтяные танкеры и контейнерные суда имеют длину почти 400 м (Hendriks, 2008), – значит допускать грубую категориальную ошибку, так как ни одна из этих структур не является одновременно вертикальной и оснащенной массивными движущимися частями. И разработать лопасти, которые выдерживали бы ветер скоростью до 235 км/ч, невероятно трудно. Следовательно, рост мощности ветряных турбин определенно не будет развиваться по экспоненциальной траектории, установившейся в 1991–2014 годах: сейчас формируется другая S-образная кривая по мере того, как годовой прирост начал неумолимо сокращаться.

Существуют и другие ограничения. Несмотря на то что максимальная мощность турбин удваивалась менее чем за четыре года, их эффективность преобразования энергии остановилась на уровне около 35 %. Ее дальнейший рост фундаментально ограничен. В отличие от крупных электромоторов (эффективность которых превышает 99 %) или лучших печей на натуральном газе (эффективность которых превышает 97 %), ни одна ветряная турбина не может работать с такой же высокой эффективностью. Максимальная доля кинетической энергии ветра, которую может использовать турбина, составляет 16/27 (59 %) общего потока, и этот предел известен уже более 90 лет (Betz, 1926).