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 2021 г.
Сравнение высоты и диаметра лопастей разных ветряных турбин
Это явно расширяет границы возможного, хотя следует отметить, что специалисты задумывались о конструкциях еще большего размера. В 2011 г. компания UpWind представила «эскизный проект» турбины, расположенной в открытом море, с мощностью 20 МВт, диаметром ротора 252 м (в три раза больше размаха крыльев самолета Airbus A380) и диаметром ступицы 6 м. Пока самые масштабные концептуальные проекты ограничены мощностью 50 МВт с высотой башни более 300 м и 200-метровыми лопастями, которые могут изгибаться (подобно листьям пальмы) при сильных порывах ветра.
Восторженные сторонники предполагают, что сооружение такой конструкции не сопряжено с серьезными техническими трудностями – она ведь не выше Эйфелевой башни, построенной более 130 лет назад. Но это неверно. Если бы конструкцию ветряной турбины определяла высота искусственно возведенного объекта, мы могли бы сослаться на небоскреб Бурдж-Халифа в Дубае высотой более 800 м, построенный в 2010 г., или на другую башню, Бурдж-Джидда, которую в 2021 г. планировали довести до 1000 м. Построить высокую башню не слишком сложно; другое дело – сконструировать высокую башню, которая сможет поддерживать массивную гондолу и вращающиеся лопасти на протяжении многих лет, обеспечивая безопасную работу генератора.
Турбины больших размеров неизбежно должны столкнуться с эффектом масштаба. Мощность турбины пропорциональна квадрату радиуса окружности, описываемой лопастями: турбина с лопастями в два раза большей длины будет теоретически в четыре раза мощнее. Но увеличение ометаемой площади приводит к увеличению нагрузки на всю конструкцию, и, поскольку масса лопасти должна (на первый взгляд) возрастать как куб длины, можно решить, что большие лопасти окажутся очень тяжелыми. На самом деле конструкции с использованием легких синтетических материалов и бальзы способны уменьшить показатель степени до 2,3.
Но и в этом случае масса становится больше (а значит, возрастает и стоимость). Каждая из трех лопастей 10-мегаваттного ветрогенератора Vestas будет весить 35 тонн, а гондола – почти 400 тонн (представьте шесть танков «Абрамс», подвешенных на высоте несколько сотен метров). Проект компании GE, призванный превзойти все предшествующие, будет иметь такие параметры по массе: лопасти – 55 тонн, гондола весом 600 тонн и башня – 2550 тонн. Сама транспортировка таких длинных и тяжелых лопастей – это очень сложная задача, пусть даже ее и можно облегчить, сделав конструкцию из нескольких сегментов.
Анализ возможных ограничений производственной мощности полезнее, чем предсказания максимальных значений для конкретных дат. Номинальная мощность ветряной турбины зависит от мощности воздушного потока, который рассчитывается как половина произведения плотности воздуха (1,23 кг/м3) на ометаемую площадь (число π, умноженное на квадрат радиуса окружности, описываемой лопастями) и на куб скорости ветра. Принимая скорость ветра за 12 м/с – и коэффициент мощности за 0,4, – мы найдем, что турбина мощностью 100 МВт должна иметь ротор диаметром почти 550 м.
Чтобы предсказать, когда мы получим такую турбину, нужно всего лишь ответить на несколько простых вопросов. Когда мы сможем изготовить 275-метровые лопасти из пластика и бальзы? Когда придумаем, как их перевозить и монтировать? Когда поймем, как обеспечить их сохранность во время циклонов? Когда у нас получится гарантировать их надежную работу в течение как минимум 15 или 20 лет? Ответ на все эти вопросы один: не скоро.
Фотовольтаика: медленно, но верно
В марте 1958 г. ракета, стартовавшая с мыса Канаверал, вывела в космос спутник Vanguard 1: маленькую алюминиевую сферу массой 1,46 кг, в которой на орбите Земли впервые были использованы фотоэлементы.
В качестве страховки один из двух передатчиков спутника получал энергию от ртутных батарей, однако через три месяца батареи вышли из строя. Благодаря фотовольтаическому эффекту шесть маленьких ячеек из монокристаллического кремния, поглощающих свет (фотоны) на атомном уровне и испускающих электроны, смогли обеспечить мощность всего 1 Вт, но этого хватило, чтобы передатчик-маяк проработал до мая 1964 г.
Конечно, все это смогло произойти потому, что для космических исследований цена не имеет значения. В середине 1950-х гг. стоимость фотоэлементов составляла около $ 300 за ватт. В середине 1970-х гг. она снизилась до $ 80/Вт, в конце 1980-х – до $ 10/Вт, в 2011 г. – до $ 1/Вт, а к концу 2019 г. фотоэлементы продавались по цене всего 8–12 центов за ватт. Ожидается, что в скором времени они станут еще дешевле (разумеется, стоимость установки фотоэлектрических панелей и дополнительного оборудования для выработки электроэнергии гораздо выше, и все зависит от масштаба проекта – а они теперь варьируются от крошечных установок на крыше до гигантских солнечных электростанций в пустынях).
