Фотоэлектрический эффект (генерация электричества, для которой используются металлические электроды, находящиеся под воздействием солнечного света) был открыт Эдмоном Беккерелем (1852–1908) в 1839 году, но только в 1954-м Bell Laboratories создали дорогой, низкоэффективный (сначала 4,5 %, потом 6 %) кремниевый солнечный элемент, который использовался в 1958 году, чтобы питать энергией (всего 0,1 Вт) спутник Vanguard-1. Четырьмя годами позже, в 1962-м, Telstar-1, первый коммерческий телекоммуникационный спутник, нес солнечные батареи мощностью в 14 Вт, в 1964 году спутники Nimbus могли похвастаться уже 470 Вт (Smil 2006). Применение этой технологии в космосе, где издержки не столь важны, развивалось десятилетиями, но наземное использование солнечных батарей было ограничено теми же издержками, и отрасль начала расти только в конце 1990-х. В терминах пиковой мощности (которая доступна, даже при солнечной погоде, всего несколько часов в день) фотоэлементы давали всего 50 МВт в 1990 году, 17 ГВт в 2010-м, и около 50 ГВт в 2015-м, при кумулятивном объеме 2272q ГВт (James 2015; REN21 2016).
Но этот вид генерации еще менее стабилен, чем ветровой (гарантированное время работы в более облачном климате 11–15 %, и даже в Аризоне – около 25 %), и в 2015 году солнечные батареи давали всего около 30 % от того, что получали с помощью ветряных турбин (рис. 5.16). И снова рост отрасли был не постепенным естественным процессом, его искусственно подталкивали с помощью правительственных субсидий. Ничто не показывает это лучше, чем тот факт, что в 2015 году облачная Германия производила почти в три раза больше солнечной энергии, чем солнечная Испания (ВР 2016). Нагревание воды, использование небольших домашних нагревателей на крышах и крупных промышленных установок предшествовало росту этого способа генерации. Номинальная мощность нагревателей на конец 2013 года составляла около 270 ГВт, и большей частью они находились в Китае и Европе (Maunthner and Weiss 2014). Концентрированная солнечная энергия (КСЭ), когда зеркала используются для концентрации солнечного излучения для нагрева воды (или соли) для генерации энергии, является полезной альтернативной солнечным батареям, но лишь несколько установок (общей мощностью менее чем 5 ГВт) работали в 2015 году.
По сравнению с большой четверкой (биотопливо, гидроэнергия, ветровая и солнечная), другие возобновляемые источники дают пренебрежимо малую мощность, хотя некоторые из них играют важную роль на национальном или региональном уровне, например, геотермальная энергия. Горячие источники использовали с доисторических времен, и более глубокие обеспечивают горячую воду для отопления и промышленных процессов во многих странах. Но места, где эта энергия может применяться в качестве натурального пара для производства электричества, встречаются редко. Первая геотермальная электростанция начала работать в Лардерелло (Италия) в 1902 году; Вайракей в Новой Зеландии запустили в 1958-м, и Гейзере в Калифорнии открылись в 1960 году. К 2014-му общая номинальная мощность у всех источников такого типа составляла 12 ГВт. США обладали самой высокой номинальной мощностью, а Исландия в наибольшей степени зависела от этого возобновляемого источника энергии (Geothermal Energy Association 2014).
Рисунок 5.16. Солнечная электростанция в испанской Андалусии (Corbis)
Не были реализованы и некогда существовавшие долгосрочные планы на большие приливные электростанции; работает всего несколько таких комплексов во Франции и в Китае. Новые посадки быстрорастущих деревьев (ивы, тополя, эвкалипта или сосны) дают возможность получать щепу для генерации электричества – вот выбор, стоящий на дороге у многих проблем окружающей среды, и пожнивные остатки и другие органические отходы сейчас также используют для крупномасштабного производства биогаза (в первую очередь в Германии и Китае), но его вклад имеет значение только на локальном уровне. Несмотря на разнообразие возобновляемых источников энергии, быстрое продвижение по отдельным направлениям и многие противоречивые заявления, вердикт очевиден: как и в случае других энергетических переходов, замена ископаемого топлива будет длительным процессом, и нам придется подождать, чтобы увидеть эволюцию различных видов конверсии, способных занять заметное место в новом энергетическом мире.
Первичные движители в транспорте
В свете той важности, которую имеет мобильность как людей, так и товаров для современной цивилизации, финальный раздел моего обозрения, посвященного техническим достижениям, определяющим текущие энергетические основания современного общества, будет отдан первичным движителям в транспорте во всех их разновидностях, от малых двигателей до мощных ракет. Развитие двигателей четырехтактного цикла (в наше время в основном бензиновых, с небольшой долей работающих на этаноле и природном газе) сильно замедлилось с первого десятилетия XX века, когда их начали производить массово. Наиболее важные изменения включают примерное удвоение коэффициента сжатия, снижение массы и рост мощности, результатом чего стало уменьшение соотношения масса/мощность: оно упало с почти 40 г/Вт в 1900 году до всего лишь 1 г/Вт столетием позже. Первый массово производимый в США автомобиль, Curved Dash компании Ransom Olds, имел одноцилиндровый двигатель в 5,2 кВт (7 л. с.). Двигатель Model Т Форда, производство которой закончилось только в 1927 году после 19 лет и 16 миллионов единиц, был в три раза мощнее.
Рост средней мощности американских автомобилей был прерван с повышением цен ОПЕК в 1970-х, но возобновился в 1980-х годах: средняя мощность легкового автомобиля выросла с 90 кВт в 1990-м до 175 кВт в 2015 году (USEPA 2015). Но «легковой автомобиль» на самом деле неверный термин, поскольку в США около 50 % персонального транспорта – микроавтобусы, грузовики-пикапы и внедорожники. Дизельные двигатели тоже стали сравнительно более легкими и мощными, и эти усовершенствования позволили им доминировать на нескольких важных транспортных рынках (Smil 2010b). Первые грузовики на дизеле появились в Германии в 1925 году, первые тяжелые пассажирские автомобили (тоже в Германии) – в 1936-м. Накануне Второй мировой большинство грузовиков и автобусов в Европе были дизельными, и после войны это стало нормой по всему миру. Автобусные дизельные движки с мощностью в 350 кВт имели соотношение масса/мощность 3–9 г/ Вт и могли проезжать до 600 тысяч километров без капитального ремонта.
Соотношение масса/мощность для автомобильных дизельных двигателей в конечном итоге уменьшилось до 2 г/Вт, а это значит, что дизели в пассажирских автомобилях лишь немного тяжелее, чем их бензиновые родичи (Smil 2010b). Относительно низкая цена на топливо сделала дизельные легковые автомобили обычным делом в ЕС, где они сейчас составляют более 50 % от становящихся на учет машин (ICCT 2014). Но такие машины остаются редкостью в США: в 2014 году на них приходилось всего 3 % автомобилей. Имидж этой разновидности транспорта сильно пострадал в 2015-м, когда «Фольксваген» был вынужден признать, что многие модели с дизельным двигателем, проданные после 2008 года, содержали незаконное ПО, которое выдавало фальшивые сведения о выбросах, чтобы обойти законодательство США в области окружающей среды.
