У нас ніколи не було стільки інформації під рукою, як сьогодні, але більшість не знає, як насправді влаштований світ. Від виробництва енергії та харчових продуктів, через глобалізацію до екологічної катастрофи, книжка «Як насправді влаштований світ», що вийшла друком у видавництві «Лабораторія», пропонує вкрай необхідну інформацію про реальний стан речей.
Вацлав Сміл – провідний світовий експерт з енергетики. Його книжка – це спроба пояснити важливі факти про світ, спираючись на новітню науку, зокрема власні дослідження.
Численні переваги електрики
Якщо енергія, за словами Фейнмана, — «ота абстрактна річ», то електрика — одна з найбільш абстрактних форм «отієї абстрактної речі». Для прямого контакту з кількома типами енергії, їх розрізнення й користування їхніми перетвореннями не конче розуміти їхню фізичну природу. Тверді й рідкі палива (хімічна енергія) матеріальні (колода, грудка вугілля, каністра бензину). Їхнє горіння (лісові пожежі, палеолітичні печерні вогнища, паровози чи автомобілі) вивільняє тепло (теплову енергію). Вода, що падає чи тече, — наочний приклад гравітаційної й кінетичної енергії, яку досить просто перетворити на корисну кінетичну (механічну) за допомогою простих дерев’яних водяних коліс. Щоби перетворити кінетичну енергію вітру на механічну, потрібну для помелу зерна чи чавлення олійного насіння, досить буде вітряного млина, де прості дерев’яні шестерні передаватимуть рух жорнам.
На противагу всьому вищеописаному, електрика нематеріальна, і її суть годі осягнути так само просто, як суть різних палив. Утім, її таки можна побачити (статичні розряди, іскри, блискавка); невеликі розряди можна відчути, а від струму силою понад 100 міліампер — навіть померти. Поширені визначення електрики неінтуїтивні — щоб їх зрозуміти, треба знати кілька основних функціональних понять типу «електрони», «потік», «заряд» і «струм». У першому томі своїх знаменитих «Лекцій із фізики» Фейнман обходиться поверхневою фразою: «електрична енергія пов’язана з притягуванням і відштовхуванням електричних зарядів», але коли в другому справа доходить до детальнішого розгляду механічної та електричної енергії й постійного струму — задіює математичний аналіз.
На думку більшості людей, сучасний світ сповнений чорних скриньок — пристроїв, чиї внутрішні механізми (повністю чи частково) лишаються таємницею для їхніх користувачів. Електрику теж можна уявити у вигляді всеохопної й ідеальної системи чорних скриньок: багато з нас досить добре розуміють, що потрапляє всередину (згоряння палива на великій ТЕС, падіння води на ГЕС, поглинання сонячної радіації фотоелементом, розщеплення урану в реакторі), і всі отримують користь від кінцевого результату (світла, тепла, руху), але мало хто добре тямить, що відбувається на самих електростанціях, у трансформаторах, лініях електропередач і електроприладах.
Блискавка (найпоширеніший природний вияв електрики) — надто потужне, короткочасне (частки секунди) й руйнівне явище, щоб його (коли-небудь?) можна було спрямувати в продуктивне русло. Будь-кому під силу видобути невеликі статичні електророзряди за допомогою тертя підхожих матеріалів чи використання батарейок, які годинами служитимуть без підзарядки в ліхтариках і портативній електроніці, — але генерувати електроенергію для масового комерційного використання дорого й складно. Передавати її з електростанцій до місць і областей найбільшої потреби (міст, підприємств і електротранспортних мереж) теж непросто: для цього потрібні великі трансформатори, розгалужені мережі високовольтних ліній електропередач і (після подальшої трансформації) спрямування низьковольтними повітряними чи підземними лініями в домівки мільярдів споживачів.
І навіть у цю епоху високотехнологічних чудес ми досі не навчилися бюджетно зберігати електроенергію, якою можна було б тиждень-два задовольняти потреби середнього міста (500 000 мешканців) чи бодай пів дня — потреби мегаполісу (понад 10 мільйонів мешканців). Утім, попри всі проблеми, дорожнечу й технічні складнощі, ми вже давно прагнемо електрифікувати сучасні економіки, і гонитва за електрифікацією триватиме, бо ця форма енергії поєднує чимало незрівнянних переваг. Найочевидніша: на етапі кінцевого споживання використовувати електрику завжди легко, чисто й переважно винятково ефективно. Одним перемиканням важеля, натисканням кнопки чи налаштуванням термостата (якому тепер досить помаху руки чи голосової команди) можна вмикати електричні лампи, двигуни, обігрівачі й охолоджувачі — без громіздких паливних складів, довгих перевезень і завантажень, ризиків неповного згоряння (викидів отруйного чадного газу) й потреби чистити лампи, печі та комини.
Електрика — найліпша форма енергії для світла: їй нема рівних у категоріях домашнього чи громадського освітлення всіх масштабів, і мало які інновації так вплинули на сучасну цивілізацію, як можливість подолати обмеження денного світла й освітити ніч. Усі попередні альтернативи (від стародавніх воскових свічок і олійних каганців до ранньопромислових газових і гасових ламп) були ненадійними, дорогими й дуже неефективними. Найчіткіший критерій порівняння джерел світла — світловіддача, тобто здатність продукувати візуальний сигнал, виражена відношенням світлового потоку (загальної кількості випроміненої енергії в люменах) до потужності джерела світла (у ватах). Прийнявши світловіддачу свічок за 1, можна сказати, що в міських газових ліхтарів на зорі індустріалізації вона була в 5–10 разів більша, в електролампочок із вольфрамовою ниткою розжарювання перед Першою світовою — у 60, у нинішніх найліпших флуоресцентних ламп — у 500, а в натрієвих ламп (для зовнішнього освітлення) — у 1 000.
Годі точно сказати, який тип перетворювачів енергії сильніше вплинув на людську історію — лампи чи двигуни. Перетворення електрики на кінетичну енергію за допомогою електродвигунів спершу зробило переворот майже в усіх секторах промислового виробництва, а потім проникло в усі ніші домашнього господарства. Менш відповідальну ручну роботу, а також роботу, де парові двигуни підіймали вантажі, чавили, різали, пряли й виконували інші промислові операції, було майже повністю електрифіковано. У США це відбулося в межах сорока років після появи перших електродвигунів змінного струму. До 1930 року електропривід майже подвоїв виробничу потужність американських мануфактур. Наступне подвоєння сталося наприкінці 1960-х. Паралельно електродвигуни почали поступово завойовувати колійні перевезення — спершу настала черга трамваїв, а потім і пасажирських поїздів.
Сфера послуг домінує в усіх сучасних економіках — і її функціонування повністю залежить від електрики. Електродвигуни запускають у хід ліфти й ескалатори, кондиціонують приміщення, відчиняють двері й пресують сміття. Без них не обійтися навіть в інтернет-продажах, адже це саме вони рухають лабіринти конвеєрних стрічок на велетенських складах. Але найпоширеніших електричних знарядь людям, які користуються ними щодня, зовсім не видно. Я кажу про крихітні елементи, що активують вібрацію в мобільних телефонах: розмір найменших із них — лише 4 × 3 міліметри, менш ніж половина нігтя на середньому дорослому мізинці. Самому їх можна побачити, розібравши апарат чи ввімкнувши відповідне відео.
У деяких країнах залізничний транспорт майже повністю електризовано, і всіма швидкісними поїздами (до 300 км/год) рухають електролокомотиви або розміщені в кількох різних місцях двигуни (випадок першого японського експреса «Сінкансен», запущеного в 1964 році). Нині навіть у стандартних автівках є від 20 до 40 невеличких електродвигунів (а в дорогих їх значно більше). Усі вони додають машині ваги й швидше розряджають батареї. У домогосподарствах електроенергія не лише дає світло й живить електроприлади (останнім часом серед них з’явилися охоронні сигналізації), а ще й виконує механічну роботу, дає тепло й холод на кухнях, гріє воду і труби.
Без електрики в містах не було б питної води, а в усьому світі — рідких і газоподібних паливних копалин. Потужні електричні насоси постачають воду в міські водогони; у містах із густою адміністративною та житловою забудовою її ще й треба підіймати на значну висоту — а це аж ніяк не просто. Електромотори запускають усі бензонасоси, що подають бензин, гас і дизельне паливо в цистерни та крила. І хоча в розподільних газопроводах може бути вдосталь природного газу (паливо часто постачають газові турбіни), у Північній Америці, де переважає калориферне опалення, вентилятори, які женуть трубами повітря, нагріте природним газом, запускаються маленькими електромоторчиками.
Досить давню тенденцію до електрифікації (збільшення частки палив, які конвертуються в електрику, а не споживаються в природному вигляді) годі заперечити. Нові поновні типи енергії (сонячна й вітряна; водна вже не нова, бо її почали використовувати ще 1882-го) легко в неї впишуться, але історія видобутку електроенергії нагадує, що процес буде складним і тривалим.
До того ж, попри свою дедалі більшу важливість, електроенергія досі становить відносно невелику частку світового енергоспоживання — лише 17 %.
Перш ніж клацнути вимикачем
Щоб належним чином оцінити основи, інфраструктуру й спадщину 140 років розвитку електроенергетики, слід почати із самого початку. Комерційне виробництво електроенергії почалося 1882 року з трьох дебютів. Два з них — перші вугільні електростанції, які розробив і запустив Томас Едісон (електростанція біля лондонського віадука Голборн запрацювала в січні 1882-го, а на нью-йоркській Перл-стріт — у вересні 1882-го), а третій — перша гідроелектростанція (на Фокс-Ривер в Еплтоні, штат Вісконсин; теж працює з вересня 1882 року). Мережа електростанцій почала стрімко розширюватись у 1890-х, коли лінії електропередачі змінного струму стали кількісно переважати над давнішими лініями постійного струму, а на підприємствах і в домогосподарствах набули популярності нові версії електродвигунів змінного струму. 1900 року на вироблення електрики йшло менш ніж 2 % світового видобутку паливних копалин, 1950-го — менш ніж 10, а тепер ця цифра піднялася до 25 %.
Конкурентне розширення гідроелектричних потужностей прискорилось у 1930-х, після запуску державних надпрограм у США і СРСР, сягнуло нових висот після Другої світової й кульмінувало в спорудженні рекордних проєктів у Бразилії (Ітайпу, закінчено 2007 року, 14 гігават) та Китаї («Три ущелини», закінчено 2012-го, 22,5 гігавати). Ядерні реакції почали давати комерційну електроенергію 1956-го (Колдер-Голл, Велика Британія). АЕС стали популярними в 1980-х, вийшли на пікову потужність 2006-го, відтоді дещо сповільнили поширення й тепер становлять близько 10 % усіх світових електростанцій. ГЕС у 2020-му становили приблизно 16 % усіх електростанцій, вітряні й сонячні станції — майже 7 %, решта електроенергії (близько двох третин) вироблялася на великих централізованих станціях, що працювали здебільшого на вугіллі й природному газі.
Не дивно, що споживання електрики зростало значно швидше, ніж споживання інших комерційних видів енергії: за пів століття, з 1970 до 2020 року, світовий енерговидобуток збільшився вп’ятеро, а попит на первинну енергію — лише втричі. Зростання базового обсягу енергії (мінімальної норми видобутку за день, місяць чи рік) прискорилося, коли дедалі більше людей перебралося жити в міста. Кількадесят років тому енергоспоживання в Америці було найнижчим літніми ночами, коли зачинялися магазини й фабрики, переставав ходити громадський транспорт, а майже все населення спало з відчиненими вікнами. Тепер вікна позачиняні: до самого ранку в помешканнях гудуть кондиціонери, щоб людям було легше спати спекотними паркими ночами; чимало фабрик і заводів у великих містах і мегаполісах працюють у дві зміни, а крамниці й аеропорти часто відчинено цілодобово. Лише пандемія коронавірусу змусила нью-йоркське метро зробити перерву в роботі. Токійське спить якихось п’ять годин: перший потяг із токійського вокзалу до Сіндзюку вирушає о 5:16, останній — о 0:20). Нічні супутникові знімки, зроблені з кількарічним інтервалом, показують, як вуличні, паркувальні й прибудинкові ліхтарі світять дедалі яскравіше, позначають шляхи між містами й часом зливаються в неозорі освітлені конурбації.
Дуже висока надійність електропостачання (за словами фахівців, бажаний її рівень — шість десяткових дев’яток: якщо електрика постачається з надійністю 99,9999 %, на рік випадає лише 32 секунди вимкнень) — життєва потреба для суспільств, у яких електрика живить усе: від ламп (у лікарнях, уздовж злітних смуг чи біля аварійних виходів) до апаратів серцево-легеневої реанімації й міріадів виробничих процесів. Хаос, страждання й неминучі смерті пандемії коронавірусу не йдуть у жодне порівняння з можливими наслідками кількаденного суворого обмеження електропостачання в будь-якому густонаселеному регіоні — а якщо це обмеження триватиме кілька тижнів по всій країні, його наслідки будуть катастрофічні й зовсім непередбачувані.
