Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого
Шрифт:
Тем не менее неуловимая природа энергии не смущала армии современных экспертов: с начала 1970-х гг., когда энергия стала темой широкого обсуждения, они с необыкновенным невежеством и вдохновением рассуждали об энергии. Энергия относится к самым трудным для понимания и неверно интерпретируемым понятиям, и плохое знание основ привело к многочисленным иллюзиям и заблуждениям. Как мы видели, энергия существует в разных видах, и, для того чтобы извлечь из нее пользу, необходимо преобразовать один ее вид в другой. Но раньше эту многогранную абстракцию рассматривали как нечто целое, словно разные виды энергии легко взаимозаменяемы.
Некоторые из этих замен на самом деле относительно просты и полезны. Польза от замены свечей (в них химическая энергия воска превращается в лучистую энергию) электрическими лампочками, для которых требуется электроэнергия, вырабатываемая паровыми турбинами (химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепло, а затем в электрическую энергию, которая затем превращается в лучистую энергию), совершенно очевидна – безопаснее, ярче, дешевле
Самым распространенным примером из этой категории являются электромобили: в настоящее время они доступны, а лучшие модели достаточно надежны, но в 2020 г. они все еще были дороже автомобилей того же класса с двигателем внутреннего сгорания. Что касается второй категории, то в следующей главе я подробно расскажу о том, что синтез аммиака, необходимого для производства азотных удобрений, в настоящее время в значительной степени зависит от природного газа как источника водорода. Водород можно получить путем разложения (электролиза) воды, но этот способ почти в пять раз дороже, чем процесс извлечения водорода из весьма распространенного и дешевого метана, – масштабное промышленное производство водорода нам еще предстоит создать. Ярчайшим примером последней категории может служить использование самолетов на электрической тяге для дальних перелетов (эквивалент Boeing 787 с керосиновыми двигателями для путешествия из Нью-Йорка в Токио): как мы убедимся, это преобразование энергии еще долго будет оставаться нереалистичным.
Первый закон термодинамики утверждает, что при преобразовании энергии не происходит ее потерь: из химической в химическую при переваривании пищи, из химической в механическую при сокращении мышц, из химической в тепловую при сжигании природного газа, из тепловой в механическую при вращении турбины, из механической в электрическую внутри генератора или из электрической в электромагнитную в виде света, освещающего страницу этой книги. Тем не менее любое преобразование энергии приводит к рассеиванию тепла: энергия не теряется, но уменьшается ее полезность, способность совершать нужную нам работу (второй закон термодинамики) [31] .
31
Существует множество книг, знакомящих с основами термодинамики, но среди них выделяется одна: Sherwin K. Introduction to Thermodynamics. Dordrecht: Springer Netherlands, 1993.
Все виды энергии можно измерять в одних и тех же единицах; в естественных науках используют джоуль, а в работах по диетологии – калорию. В следующей главе, где я подробно расскажу о масштабных энергетических субсидиях в современную пищевую промышленность, мы столкнемся с разными свойствами энергии, имеющими жизненно важное значение. Производство курятины требует энергии, во много раз превышающей ту, что содержится в пригодном для еды мясе. Мы можем подсчитать уровень субсидий в виде отношения энергий (затраченные джоули/полученные джоули), однако между затраченной энергией и результатом существует очевидная разница: мы не можем питаться соляркой или электричеством, тогда как нежирное куриное мясо представляет собой почти идеальную пищу, содержащую высококачественный белок, необходимый макроэлемент, который невозможно заменить эквивалентным количеством энергии из жиров или углеводов.
Когда речь идет о преобразовании энергии, перед нами открывается широкий выбор, причем разные способы обладают разной эффективностью. Высокая плотность химической энергии в керосине и дизельном топливе подходит для межконтинентальных перелетов или морских перевозок, но, если вы хотите, чтобы подводная лодка пересекла Тихий океан, не всплывая на поверхность, лучшим решением будет расщепление урана в маленьком реакторе для выработки электричества [32] . А на земле крупные ядерные реакторы являются наиболее надежными источниками электричества: некоторые из них вырабатывают электроэнергию 90–95 % времени, тогда как для лучших морских ветряных турбин этот показатель не превышает 45 %, а для фотоэлементов – 25 % даже в самом солнечном климате (в Германии солнечные панели вырабатывают электроэнергию только около 12 % времени) [33] .
32
Friedman N. U. S. Submarines Since 1945: An Illustrated Design History. Annapolis, MD: US Naval Institute, 2018.
33
Коэффициент использования вычисляется как отношение реального производства к максимально возможному для данного устройства. Например, большая ветряная турбина мощностью 5 МВт при непрерывной работе в течение всего дня выработает 120 МВт электроэнергии; если в реальности она выдает только 30 МВт, значит, ее коэффициент использования составляет 25 %. Средние годовые коэффициенты использования в США в 2019 г.: 21 % для солнечных панелей, 35 %
Все это элементарная физика или электротехника, но эти реалии игнорируются на удивление часто. Еще одна распространенная ошибка – путать энергию и мощность, и такое происходит еще чаще. Эта ошибка выдает незнание основ физики, и, к сожалению, ее совершают не только дилетанты. Энергия – это скаляр, и в физике характеризуется только величиной; скалярными также являются такие известные величины, как объем, масса, плотность, время. Мощность характеризует энергию в единицу времени и поэтому аналогична скорости (в физике скорость указывает на изменения, обычно в единицу времени). Установки, вырабатывающие электроэнергию, как правило, характеризуются мощностью, но мощность – это всего лишь скорость производства или потребления энергии. Мощность вычисляется делением энергии на время: единица ее измерения, используемая в науке, называется ватт = джоуль/секунда. Энергия равняется мощности, умноженной на время: джоули = ватты x секунды. Если вы зажжете маленькую свечку в католическом соборе, она может гореть 15 часов, преобразуя химическую энергию воска в тепло (тепловую энергию) и свет (электромагнитную энергию), а ее средняя мощность составит почти 40 Вт [34] .
34
Церковная свеча весом около 50 г, с плотностью энергии парафина 42 кДж/г содержит 2,1 МДж (50 x 42 000) химической энергии, а ее средняя мощность при 15-часовом горении составит почти 40 Вт (как у тусклой электрической лампочки). Но в обоих случаях лишь малая часть общей энергии преобразуется в свет: меньше 2 % для современной лампы накаливания и всего 0,02 % для парафиновой свечи. Вес свечи и время горения см.:световая эффективность см.: https://web.archive.org/web/20120423123823/http://www.ccri.edu/physics/keefe/light.htm
К сожалению, даже в технической литературе встречаются такие абсурдные выражения, как «электростанция вырабатывает 1000 МВт электроэнергии». Электростанция может иметь установленную мощность 1000 мегаватт – то есть вырабатывать столько электричества, – но при этом произведет 1000 мегаватт-часов или (в единицах, используемых в науке) 3,6 триллиона джоулей энергии в час (1 000 000 000 Вт x 3600 секунд). Аналогичным образом скорость основного обмена веществ взрослого мужчины (энергия, необходимая для поддержания всех функций организма в полном покое) составляет около 80 Вт, или 80 джоулей в секунду; мужчине весом 70 килограммов, неподвижно лежащему весь день, потребуется приблизительно 7 мегаджоулей (80 x 24 x 3600) пищевой энергии, или около 1650 килокалорий, чтобы поддерживать температуру тела, обеспечивать сокращение сердца, а также осуществлять мириады ферментативных реакций [35] .
35
Расчет основного обмена веществ: Joint FAO/WHO/UNU Expert Consultation, Human Energy Requirements. Rome: FAO, 2001. P. 37, http://www.fao.org/3/a-y5686e.pdf
В последнее время непонимание сути энергии привело к тому, что сторонники нового «зеленого» мира наивно призывают к почти мгновенному переходу от мерзкого грязного ископаемого топлива, запасы которого ограниченны, к более совершенному, не загрязняющему окружающую среду и возобновляемому солнечному электричеству. Но жидкие углеводороды, извлекаемые из сырой нефти (бензин, авиационный керосин, дизельное топливо, мазут) обладают наибольшей плотностью энергии из всех доступных источников и поэтому больше всего подходят для всех видов транспорта. Вот как выглядит лестница плотности энергии (в гигаджоулях на тонну): сухое дерево – 16, битуминозный уголь (в зависимости от качества) – 24–30, керосин и дизельное топливо – около 46. В терминах объема плотность энергии (все величины в гигаджоулях на кубический метр) дерева – 1, качественного угля – 26, керосина – 38. Плотность энергии природного газа (метана) составляет всего лишь 35 МДж/м3 – менее 1/1000 плотности энергии керосина [36] .
36
Engineering Toolbox. Fossil and Alternative Fuels – Energy Content (2020), https://www.engineeringtoolbox.com/fossilfuels-energy-content-d_1298.html
Значение плотности энергии – а также физических свойств топлива – для транспорта очевидно. Океанские лайнеры с паровыми турбинами не сжигают дерево, поскольку при прочих равных условиях дерево займет в 2,5 раза больший объем, чем качественный битуминозный уголь, необходимый для пересечения океана (и будет как минимум на 50 % тяжелее), что значительно уменьшит эффективность перевозки людей и товаров. Самолеты на природном газе нереализуемы, потому что плотность энергии у метана на три порядка меньше, чем у авиационного керосина; уголь тоже не подходит – разница в плотности энергии не столь велика, но он не потечет из расположенных в крыльях баков к двигателям.