Модель контейнеровоза Yara Birkeland
Что нужно, чтобы построить судно с электрической силовой установкой, способное взять на борт 18 000 TEU – стандарт для межконтинентальных перевозок? За 31 день плавания современное дизельное судно сжигает 4650 тонн топлива (низкокачественный топочный мазут или дизельное топливо), и каждая тонна содержит 42 ГДж энергии. Таким образом, плотность энергии составляет около 11 700 Вт·ч/кг – сравните с 300 Вт·ч/кг у современных литий-ионных аккумуляторов: разница больше почти в 40 раз.
Совокупная потребность в топливе для такого путешествия составляет приблизительно 195 ТДж, или 54 ГВт·ч. Большие дизельные двигатели (а на контейнеровозах устанавливаются одни из самых больших) имеют КПД, почти равный 50 %, и это значит, что энергия, которая реально используется на продвижение судна, составляет половину совокупной потребности в топливе, то есть 27 ГВт·ч. Чтобы удовлетворить такую потребность, большим электродвигателям с КПД 90 % понадобится около 30 ГВт·ч электричества.
Если оснастить судно лучшими из выпускаемых сегодня литий-ионных аккумуляторов (300 Вт·ч/кг), для путешествия из Азии в Европу продолжительностью один месяц без захода в порты их требуемая масса составит 100 000 тонн (для сравнения: литий-ионный аккумулятор электромобиля весит 500 кг, или 0,5 тонн). На аккумуляторы придется около 40 % грузоподъемности контейнеровоза, что экономически невыгодно, не говоря уже о трудностях, связанных с их зарядкой и обслуживанием. А даже если нам удастся повысить плотность энергии до 500 Вт·ч/кг раньше, чем мы того ожидаем, контейнеровозу грузоподъемностью 18 000 TEU потребуется почти 60 000 тонн аккумуляторов для преодоления межконтинентальных маршрутов с относительно небольшой скоростью.
Вывод очевиден. Для того чтобы построить судно с электрической силовой установкой, аккумуляторы и двигатели которого весят не больше, чем топливо (5000 тонн) и дизельный двигатель (2000 тонн) у современных контейнеровозов, нам понадобятся аккумуляторы с плотностью энергии более чем в 10 раз превышающей ту, которой обладают лучшие из современных литий-ионных батарей.
Но это чрезвычайно сложная задача: за последние 70 лет плотность энергии лучших промышленных аккумуляторов увеличилась менее чем в четыре раза.
Электричество: реальная цена
Во многих богатых странах новый век принес изменение долговременной траектории цен на электричество: они выросли не только в пересчете на текущий курс, но и с поправкой на инфляцию. Тем не менее электричество остается весьма выгодным источником энергии – разумеется, с учетом национальных особенностей, которые обусловлены не только различием источников энергии, но и непрестанным государственным регулированием.
В ретроспективе мы видим очень важную закономерность, которая объясняет вездесущность электричества в современном мире. С учетом инфляции средняя стоимость бытовой электроэнергии (в ценах 2019 г.) в США снизилась с $ 4,81 за кВт·ч в 1902 г. (когда впервые стал доступным расчет среднего показателя по стране), до 30,5 цента (1950), затем до 12,2 цента (2000), а в 2019 г. она была чуть выше – 12,7 цента за кВт·ч. Относительное снижение составило более 97 %; другими словами, за один доллар сегодня можно купить в 38 раз больше электроэнергии, чем в 1902 г. Но за этот период времени средняя (опять-таки скорректированная на инфляцию) оплата труда в промышленности увеличилась почти в шесть раз, а это означает, что для домохозяйства «синего воротничка» электричество стало в 200 раз доступнее, чем почти 120 лет назад (реальная стоимость с поправкой на доходы составляет менее 0,5 % от уровня 1902 г.).
Но мы покупаем электричество, чтобы преобразовать его в свет, кинетическую энергию или тепло, и благодаря промежуточным улучшениям эффективности его конечное использование еще выгоднее – особенно в том, что касается освещения. В 1902 г. светоотдача у лампы накаливания с танталовой нитью составляла 7 лм/Вт, а в 2019 г. у светодиода с регулируемой яркостью – 89 лм/Вт. Это значит, что один люмен электрического света в домах, которыми владеют люди из рабочего класса, теперь примерно в 2500 раз доступнее, чем в начале XX в.
Сравнение по странам позволяет выявить неожиданные различия. В США бытовая электроэнергия дешевле, чем во всех остальных богатых странах, за исключением Канады и Норвегии, стран с высокими доходами населения и существенной долей генерации гидроэлектроэнергии (59 % и 95 % соответственно). При пересчете по преобладающему курсу валют цена электроэнергии для домохозяйств в США в среднем составляет около 55 % цены в ЕС, примерно половину от цены в Японии и менее 40 % цены в Германии. Цены на электроэнергию в Индии, Мексике, Турции и Южной Африке ниже, чем в США, если пересчитывать по официальному обменному курсу, – но гораздо выше, если брать паритет покупательной способности: в Индии они в два с лишним раза выше, а в Турции – почти в три.
Читая о резком падении цены на фотоэлементы (см. главу «Фотовольтаика: медленно, но верно») и в высшей степени конкурентной стоимости ветряных турбин, наивный наблюдатель может прийти к выводу, что растущая доля новых возобновляемых источников энергии (солнце и ветер) возвещает об эпохе снижения тарифов на электричество. Но в действительности происходит прямо противоположное. В Германии до 2000 г., пока не приняли масштабную и дорогую программу увеличения доли электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников (Energiewende, «Энергетический поворот»), тарифы на бытовую электроэнергию были низкими и постоянно снижались, достигнув минимума на уровне € 0,14/кВт·ч в 2000 г.
В 2015 г. объединенная мощность солнечных и ветровых электростанций в Германии достигла почти 84 ГВт, превысив мощность всех действующих электростанций на ископаемом топливе, а в марте 2019 г. возобновляемые источники давали более 20 % электроэнергии в стране – но тарифы на электричество выросли более чем вдвое, до € 0,29/кВт·ч. Таким образом, в крупнейшей экономике ЕС цены на электричество самые высокие, за исключением зависящей от ветра Дании (в 2018 г. 41 % электроэнергии в этой стране вырабатывали ветряные турбины), где цена выше, € 0,31/кВт·ч. Такой же контраст наблюдается в США. В Калифорнии, где постоянно растет доля возобновляемых источников, тарифы на электричество росли в пять раз быстрее, чем в среднем по стране, и сегодня они почти на 60 % выше этого показателя.
Переход на другие источники энергии: промедление неизбежно
В 1800 г. только в Великобритании, а также в нескольких местах Европы и Северного Китая жгли каменный уголь для обогрева: 98 % всей первичной энергии в мире давало топливо из биомассы, по большей части дерево и древесный уголь; в безлесных регионах для этого использовали солому и сушеный навоз. В 1900 г., когда добыча угля расширилась, а в Северной Америке и России начали добывать нефть и газ, биомасса обеспечивала половину первичной энергии в мире; в 1950 г. эта доля все еще составляла почти 30 %, а к началу XXI в. уменьшилась до 12 %, хотя во многих странах Черной Африки она превышает 80 %. Совершенно очевидно, что переход от использования нового углерода (в тканях растений) к старому (ископаемому) углероду в угле, сырой нефти и природном газе произошел не сразу.
