Ознакомительная версия. Доступно 33 страниц из 162
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.
Ознакомительная версия. Доступно 33 страниц из 162
