Большие котлы обеспечивали паром турбогенераторы на три порядка более мощные, чем использовавшиеся в 1900 году (крупнейший, во Франции на АЭС Фламанвиль, дает 1,75 ГВт), а их рабочее давление и температура позволили поднять пик эффективности с менее 10 % в 1900 году до свыше 40 % (рис. 5.15). Становится возможной даже более высокая эффективность, порядка 60 %, при использовании комбинации газовых турбин (крупнейшие дают свыше 400 МВт) и паровых турбин (горячий газ, покидающий газовую турбину, уходит на производство пара). Ничего удивительного, что турбины комбинированного цикла стали предпочитаемым способом генерации электричества, особенно чтобы закрыть потребности в пиковые периоды спроса (Smil 2015b). Большие дизельные генераторы были наиболее экономным выбором для производства электричества в отдаленных местностях и для обеспечения непрерывной подачи тока в случае экстремальных обстоятельств.
Рисунок 5.15. Максимальные мощности паровых турбогенераторов и эффективности лучших тепловых электростанций, 1900–2000 годы. Основано на данных из Dalby (1920), Termuehlen (2001) и Smil (2008а)
Расширение городских систем электроснабжения до национального масштаба началось после Первой мировой и ускорилось после Второй мировой войны. Оно преследовало следующие цели (Hughes 1983): достижение масштабной экономии, постройка более крупных станций рядом с большими городами или прямо в них, создание высоковольтных линий, чтобы передавать энергию от удаленных электростанций, продвижение массового потребления, объединение систем меньшего размера, чтобы обеспечить стабильную подачу энергии и более низкие номинальную и резервную мощности. После 1950 года забота о загрязнении воздуха привела к появлению новых крупных электростанций, расположенных рядом с источниками топлива. Переход к таким электростанциям повысил спрос на высоковольтную передачу.
Вследствие этого мощность крупнейших трансформаторов выросла в 500 раз, и самое высокое напряжение передачи увеличилось более чем в 100 раз по сравнению с 1890-ми годами. Передача начиналась с деревянных столбов и медных проводов, и постепенно дошла до вышек из стали, несущих усиленные сталью алюминиевые кабели, заряженные до 765 кВ; высочайшее напряжение постоянного тока сейчас ±800 кВ, несущих 6,4 ГВт между ГЭС Сянцзяба и Шанхаем. Внутридомовые системы выросли от нескольких розеток до разветвленных структур с десятками переключателей и выводов. Повышение мощности и рост генерации сопровождались увеличением надежности, особенно важной в мире, наполненном электронными устройствами и средствами контроля (примечание 5.14).
Примечание 5.14. Надежность поставки энергии
Надежность поставки электричества часто выражают в количестве «девяток», иными словами, в проценте времени от стандартного года в 365 дней, когда отдельная сеть работает нормально и способна удовлетворить все требования. Система с четырьмя девятками, когда электричество доступно 99,99 % времени, может выглядеть надежной, но на уровне года это означает 53 минуты без энергии. Пять девяток снизят это время до чуть более 5 минут, а цель отрасли – достигнуть 99,9999 % (шести девяток) надежности, чтобы система оставалась без электричества всего на 32 секунды в год. Текущий показатель в США около 99,98 %, с перебоями, причиной которых становится не только погода (торнадо, ураганы, снежные бури, экстремальный холод), но также вандализм и нарушения в поставке топлива (Wirfs-Brock 2014; North American Electric Reliability Corporation 2015).
Электронные коммуникации, средства контроля и запасы информации сейчас поддерживают каждый сектор экономики, начиная от диспетчерского управления доставкой продуктов до автоматизированного производства микрочипов, от биржевой торговли до контроля воздушных перелетов. Единственный способ обеспечить бесперебойное функционирование – установить системы резервной подачи энергии (батареи и генераторы, способные на быстрый ответ). Даже краткие перебои в снабжении могут обойтись очень дорого, издержки достигают 10 миллионов долларов в час в некоторых случаях, и между 2003 и 2011 годами потери по всем США варьировались от 18 до 75 миллиардов (в 2008 году, когда случился ураган Айк; Executive Office of the President 2013). Электрические сети являются первоочередными целями для кибератак со стороны террористических групп или враждебных государств.
Ядерный распад стал другим важным способом получения пара для тепловой генерации энергии после Второй мировой войны. За первой демонстрацией феномена Лизой Мейтнер и Отто Фришем в декабре 1938 года последовала первая цепная реакция, ее запустили в университете Чикаго 2 декабря 1942-го. Первую ядерную бомбу испытали в июле 1945 года, и две бомбы были сброшены с разницей в три дня в августе 1945-го (Kesaris 1977; Atkins 2000). Если не учитывать продолжительную разработку более мощного ядерного оружия (см. раздел об оружии и войне в следующей главе), то первой послевоенной ядерной программой в США стали ядерные реакторы для подводных лодок. Nautilus спустили на воду в 1955 году, и почти немедленно Хайман Риковер (1900–1986), военный руководитель программы, получил задание перестроить реактор для коммерческого производства энергии (Polmar and Allen 1982). Первая АЭС в США, Шиппингпорт в Пенсильвании, начала работу в декабре 1957-го, более чем на год позже, чем (в октябре 1956-го) заработала британская Колдер-Холл.
В ретроспективе видно, что это была не лучшая конструкция реактора из всех возможных, но она стала доминирующей во всем мире. И пусть он не был превосходным, его ранее внедрение открыло дорогу другим реакторам, которые разработали достаточно быстро (Cowan 1990). В середине 2015 года 277 из 437 работающих в мире ядерных реакторов являлись герметичными реакторами с водяным охлаждением, и большая часть их находилась в США и Франции. Изучив почти полвека коммерческой ядерной энергетики, я назвал ядерное электричество «успешным провалом» (Smil 2003), и этот вердикт только подкрепляют новые исследования. Проект был успешным, поскольку в 2015 году давал 10,7 % мирового электричества, и до недавнего прорыва Китая в области угольных электростанций эта доля составляла около 17 %. Во многих странах цифры еще выше, среди них почти 20 % в США, 30 % в Южной Корее (и в Японии до 2011 года), и 77 % во Франции. Но провалился проект по той причине, что громадные надежды, которые он вызвал (в 1970-х годах практически все ожидали, что к концу века АЭС станут доминировать в генерации энергии) остались по большому счету неоправданными.
Технические слабости доминирующей конструкции, высокие затраты на постройку АЭС и хронические задержки при введении в эксплуатацию, нерешенная проблема долгосрочного хранения радиоактивных отходов и широко распространенная тревога по поводу безопасности (ее подогревают, даже после 60 лет коммерческого использования, преувеличенные мнения о негативном влиянии на здоровье) ограничили дальнейший рост ядерной индустрии. Проблема безопасности и негативные оценки риска выросли после аварии на АЭС Три-Майл-Айленд (1979), а затем после катастрофы 1986 года в Чернобыле и взрыва реактора в Фукусиме в 2011 году, который последовал за землетрясением и цунами (Elliott 2013).
