Рисунок 7.3. Примерные оценки долей розных видов топливо в первичной выработке энергии Старого Света за последние три тысячи лет (сверху). Достаточно точная (за исключением потребления традиционного биологического топлива) статистика после 1850 года позволяет обнаружить последовательные волны энергетических переходов (снизу): к 2010 году сырая нефть была лидирующим видом ископаемого топлива, но уголь и природный газ отставали не так сильно. Основано на данных из UNO (1956) и Smil (2010а)
Хотя последовательность трех замещений не значит, что четвертый переход, сейчас находящийся на самой ранней стадии (когда ископаемое топливо заменяется возобновляемыми источниками энергии), будет происходить с той же скоростью, и шансы, что он затянется, велики. В 2015 году два новых способа генерации электроэнергии давали все еще менее 2 % мировой выработки первичной энергии (солнечная 0,4 %, ветровая 1,4 %; ВР 2016). Два прорыва ускорили бы этот сдвиг: быстрое строительство новых атомных станций на основе улучшенных конструкций и появление недорогих способов запасать энергию ветра и солнца в больших масштабах. И даже тогда еще останется проблема замены миллиардов тонн высокоэнергоемкого жидкого топлива в сфере транспорта и необходимость наладить производство чугуна, цемента, пластмасс и аммиака без ископаемого углерода.
Долгосрочные тенденции и снижение затрат
Постоянные переходы к более мощным первичным движителям могут быть достоверно прослежены в терминах как типовой, так и максимальной производительности (рис. 7.4). Размер мощности, соединяющий пиковую производительность первичного движителя, сдвинулся с примерно 100 Вт для постоянного человеческого труда до 300–400 Вт для тягловых животных где-то в 3-м тысячелетии до н. э.; затем линия поднялась до около 5000 Вт (5 КВт) для горизонтальных водяных колес к концу 1-го тысячелетия н. э. К 1800 году показатель превысил 100 тысяч Вт (100 кВт) в паровых двигателях, и они оставались самыми мощными источниками энергии до середины XIX века, когда водяные турбины обрели краткосрочное превосходство между 1850 и 1910 годами (достигнув 10 МВт). Впоследствии паровые турбины стали наиболее мощными единичными первичными движителями, достигнув потолка в более чем 1 миллиард ватт (1 ГВт) в виде мощнейших представителей своего класса, установленных после 1960 года.
Иную картину мы получаем, взглянув на общую производительность первичных движителей. После 1700 года базовый глобальный паттерн можно оценить с достаточной точностью, и отличная историческая статистика делает ретроспективу легкой для США (рис. 7.5). В 1850 году одушевленный труд все еще составлял более чем за 80 % производительности мировых первичных движителей. Половиной столетия позже его доля была около 60 %, а паровые машины давали около одной трети. К 2000 году вся мировая мощность, кроме незначительной доли, воплощалась в двигателях внутреннего сгорания и генераторах электричества. В США этим глобальным изменениям предшествовала замена первичных движителей. Конечно, двигатели внутреннего сгорания (в автомобилях, тракторах, комбайнах или насосах) редко работают непрерывно, как электрические генераторы. Автомобили и сельскохозяйственные машины обычно работают менее 500 часов в год, по сравнению с более 5 тысячами часов для турбогенераторов.
Ну а в терминах фактического производства энергии глобальное соотношение между двигателями внутреннего сгорания и генераторами электричества сейчас составляет около 2 к 1.
Рисунок 7.4. Максимальная производительность первичных движителей, существовавших до 1700 года, и введенных за последние три столетия. Самые большие турбогенераторы сейчас на шесть порядков (почти в 2 миллиона раз) более мощны, чем тяжелые тягловые лошади, наиболее мощный одушевленный первичный движитель. Водяные колеса были превзойдены паровыми машинами до 1750 года, к 1850-му водяные турбины ненадолго стали самыми мощными первичными движителями, и паровые турбины являются таковыми со второго десятилетия XX века. Основано на данных из источников об отдельных первичных движителях, информация из которых приводилась в разделе
Две важные общие тенденции сопровождались ростом удельной мощности неодушевленных первичных движителей и аккумуляцией их общей производительности: соотношение масса/мощность падало (генерация все большего количества энергии все меньшими объектами), а эффективность конверсии росла (больше полезной работы на то же количество затраченной начальной энергии).
Рисунок 7.5. Глобальные доли первичных движителей в 1700 году лишь незначительно отличались от тех, которые существовали 500 или даже 1000 лет назад. По контрасту, к 1950 году вся доступная мировая мощность, кроме небольшой доли, была воплощена в двигателях внутреннего сгорания (большей частью в пассажирских автомобилях) и паровых и водяных турбинах (сверху). Неагрегированные статистические данные по США (снизу) показывают эту быструю трансформацию с большой точностью и детальностью. Глобальные показатели были оценены и начерчены по данным из UNO (1956), Smil (2010a), и Palgrave Macmillan (2013); нижний график начерчен по данным из USBC (1975) и из последующих выпусков The Statistical Abstract of the United States
Первая тенденция вела к возникновению все более легких и, следовательно, более удобных конвертеров энергии (рис. 7.6). Самые первые паровые машины, более мощные, чем лошади, были чрезвычайно тяжелыми, поскольку соотношение масса/ мощность у них принадлежало к тому же порядку, что и у тягловых животных. Более двух столетий последующего развития снизили соотношение масса/мощность для паровых двигателей до примерно одной десятой от первоначальных значений, но оно все равно осталось слишком высоким, чтобы эти двигатели можно было использовать на дорогах или в летательных аппаратах.
Рисунок 7.6. Каждый новый неодушевленный преобразователь энергии становился в конечном итоге легче и эффективнее. Постоянное уменьшение соотношения масса/мощность ведущих первичных движителей привело к тому, что лучшие современные двигатели внутреннего сгорания весят менее 1/1000 от веса тягловых животных или первых паровых двигателей равной мощности. Основано на данных, приведенных в этой книге
Соотношение масса/мощность у двигателей внутреннего сгорания (сначала бензиновых, потом дизельных) упало на два порядка менее чем за 50 лет, после того как появились первые коммерческие образцы, горизонтальные движки на угольном газе, представленные в 1860-х. Это стремительное падение открыло дорогу механизации дорожного транспорта (легковые автомобили, автобусы, грузовики) и развитию авиации. Появившиеся в 1930 годах газовые турбины (как для стационарного использования, так и для самолетов) преодолели еще два порядка в том же направлении, сделав возможными высокоскоростные реактивные путешествия по воздуху, которые начались в 1957 году, а большой масштаб приобрели после появления широкофюзеляжных авиалайнеров («Боинг-747» в 1969 году). Одновременно газовые турбины стали ведущим средством чистой и гибкой генерации электричества.
