Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы - [47]

Электричество в тихой зимней ночи

Я как раз устанавливаю солнечные панели на крышу собственного дома, но, даже когда они займут свое место, я буду зависеть от гидроэлектростанций, чтобы делать все то, для чего нам дома нужно электричество. Значительную часть года солнце светит, только когда мы на работе. Когда мы печем хлеб и включаем посудомоечную машину, на улице темно.

В Норвегии электричество вырабатывают благодаря энергии воды: можно открыть и перекрыть воде путь к турбинам, чтобы получить именно столько энергии, сколько нужно в данный момент. Большинство других стран получают электричество из ископаемых источников энергии. Если все эти страны променяют уголь и газ на солнце и ветер, хватит ли нам электричества в безветренную зимнюю ночь?

Если вы решите получать все электричество от солнечной панели с крыши и ветрогенератора на заднем дворе, вы станете рабом погодных колебаний. Не помешает подключиться к установке в соседнем городе. Вдруг ветер там дует чаще, чем у вас. Если мы протянем линии электропередач по всей Европе, в какой-то из точек всегда должен дуть ветер, чтобы обеспечить необходимым ресурсом всех. И мощные компьютеры смогут с помощью прогнозов погоды предсказать, сколько электричества выработается во всех элементах сети в каждый момент времени и на основе имеющихся исторических данных о потреблении энергии, чтобы переместить электричество туда, где оно необходимо.

Но, если вся Европа зависит от испанского ветра, а ветер в Испании достигает такой силы, что сдувает опоры линий электропередач, возможно, погаснет свет на улицах Осло. Чтобы система не оказалась чересчур уязвимой, нужны запасы энергии, которыми можно будет воспользоваться, если упадут поставки. Как это сделать?

Благодаря гидроэнергетике мы можем сделать огромные запасы энергии. Включать и выключать гидроэлектростанцию можно когда угодно, а еще ее можно направить в обратную сторону[271]. Нужны лишь большие насосы и трубы, а такие установки существуют много где в мире, в том числе и в Норвегии. Когда дуют слишком сильные ветры, часть энергии от ветряных мельниц можно направить на закачку воды в резервуар, расположенный за плотиной. Там она и останется, пока ветер не стихнет и жители города не придут домой. Когда поставят заряжаться все электромобили, откроется вентиль – вода течет по турбинам и производит электричество. Не так уж невероятна мысль, что в будущем для Европы Норвегия сыграет роль батареи[272].

Ведь лучших результатов мы достигаем благодаря сочетанию различных систем. Энергию можно сохранить в форме движения в так называемых маховиках – массивных кольцах, которые вращаются в безвоздушном пространстве, а в воздухе держатся благодаря магнитам – энергия от трения не теряется[273]. Или сохранить ее в виде тепла: избыточная энергия тратится на нагревание расплавленной соли до нескольких сотен градусов[274]. Кроме того, чтобы хранить и перемещать энергию, можно воспользоваться батареями и водородом – например, в тех случаях, когда энергия нужна нам для перемещения нас самих и наших вещей. За исключением отдельных поездов и трамваев, наш транспорт зависит от системы, способной высвобождать энергию для двигателя без подсоединения к электросети.

Кобальт в баке

Бензин отлично подходит для транспорта. Перемещаясь, мы сжигаем бензин, а когда мы выключаем двигатель, энергия остается в бензобаке до следующей поездки.

Моей машине бензин не нужен. Свою энергию она хранит в батарее. По аналогии с нефтью и бензином, батарея хранит энергию, сжимая атомы, вполне готовые образовать друг с другом связи. Энергия высвобождается, когда им дают возможность вступить в реакцию с теми элементами, которые им больше нравятся. Из всех имеющихся у нас на выбор элементов наиболее охотно отдает свои электроны литий. Благодаря этому огромное количество энергии передается во время химических реакций, в которых принимает участие литий, а так как литий – легкий элемент, лучшие на сегодняшний день батареи делаются на основе лития – их называют литий-ионными батареями. Атомы называют ионами, когда у них не столько же электронов, сколько протонов в ядре, а во время химических реакций в батарее литий постоянно сохраняет дополнительные электроны.

Литий – довольно распространенный в земной коре элемент, однако в минералах он встречается весьма редко. Сегодня почти половина всего лития в мире добывается из породы в Австралии, а оставшаяся половина – из морской воды в Аргентине и Чили. По оценкам, при современных темпах производства запасов лития хватит на 1200 лет, однако по-прежнему необходимо провести немало исследований, чтобы обнаружить лучшие месторождения лития и найти наиболее эффективный способ добычи[275].

В заряженной литиевой батарее ионы лития образуют связи с углеродом. Когда я завожу свой электромобиль, я разрешаю ионам лития переместиться от углерода к кобальту. Так как кобальт и литий – очень хорошие друзья, во время этого процесса выделяется много энергии[276]. Кобальт – дорогостоящий элемент, и хорошо бы заменить его чем-то менее редким, но его свойства столь уникальные, что найти ему более удачную альтернативу сложно.