Жесткое правоприменение законов физики

журнал «Эксперт» №32 (765) /15 августа 2011

Почти сорокалетний опыт работы Артура Розенфельда свидетельствует, что программы энергосбережения и энергоэффективности лучше запускать в регионах, чем в центре, а деньги тратить не на строительство новых электростанций, а на достижение энергоэффективности и снижения спроса на энергоносители

Восьмидесятичетырехлетнего Артура Розенфельда коллеги называют гуру в области энергосбережения и энергоэффективности. Во многом благодаря ему и его ученикам американские автомобили за тридцать лет вдвое снизили расход топлива, а энергопотребление различных электроприборов и зданий, офисных и жилых, уменьшилось в четыре раза. Общепризнанно, что именно в результате деятельности Розенфельда удельное потребление электроэнергии в Калифорнии, Энергетическим советом которой он долгое время руководил, не изменилось с середины 1970-х. Энергоэффективные стандарты, разработанные ученым, приносят стране, по словам бывшего министра энергетики США Самуэля Бодмана, более 100 млрд долларов экономии в год, и эта цифра продолжает расти. Соратники Розенфельда предложили ввести специальную единицу измерения сохраненной энергии «один розенфельд» (она равна 3 млрд киловатт-часов — столько вырабатывает за год одна ТЭС мощностью 500 МВт). Сейчас благодаря поддержке таких авторитетных людей, как министр энергетики США лауреат Нобелевской премии Стивен Чу, многие энергосберегающие мероприятия, проведенные по инициативе Розенфельда в Калифорнии, распространяются на все Соединенные Штаты, а методики, разработанные им самим и его учениками, основательно изучаются и применяются в других странах, особое место среди которых занимает Китай. В этом году вместе с российским академиком Филиппом Рутбергом Артур Розенфельд стал лауреатом премии «Глобальная энергия». Впервые этой престижной премией, учрежденной российскими энергокомпаниями, наградили ученого, который целенаправленно занимается только проблемой эффективного использования энергии. Эта тема и стала основой нашей беседы.

— Господин Розенфельд, как-то, отвечая на вопрос, кого вы считаете своим кумиром в науке, вы назвали нобелевского лауреата Энрико Ферми.

— Да, это мой наставник, учитель, и, хотя он умер уже более полувека назад, я продолжаю считать его своим другом — такие у нас были теплые отношения и такое влияние он на меня оказал. До 1954 года я учился у него в аспирантуре в Университете Чикаго, работая под его началом в области ядерной физики и физики элементарных частиц — то есть по тем научным темам, которыми он занимался в чикагском Институте ядерных исследований, носящем сейчас его имя. Я даже успел стать с Ферми и еще двумя коллегами соавтором довольно популярного учебника «Ядерная физика». Мне особенно приятно, что много позже, в 2005 году, я получил премию его имени, правда за деятельность уже совсем далекую от ядерной физики. (Премия была вручена ученому с формулировкой «За лидерские исследования в области национальных энергоэффективных стандартов». The Enrico Fermi Award — президентская премия в размере 375 тыс. долларов, присуждаемая по представлению минэнерго США раз в два-три года особо выдающимся ученым, получившим мировое признание за научные и технические достижения в области энергетики. — «Эксперт».)

— Известно, что вы успели поработать еще с одним нобелевским лауреатом — Луисом Альваресом.

— В Калифорнийском университете в Беркли Луис Альварес создал первую водородную пузырьковую камеру для исследования элементарных частиц, а я в Чикаго как раз занимался взаимодействиями пи-мезонов с водородом, и незадолго до своей смерти Энрико Ферми написал мне прекрасную рекомендацию для Альвареса. Тогда я и перебрался в Калифорнию, в лабораторию Альвареса, где мы фиксировали и интерпретировали результаты взаимодействия частиц. Я занимался вычислительными методиками, разрабатывал и устанавливал программы для вычислительных машин и делал по миллиону стереографических снимков в год. Нашей командой были открыты резонансы, короткоживущие нестабильные частицы, за которые Луису Альваресу в 1968 году и вручили Нобелевскую премию по физике. На награждение в Стокгольм он взял всю исследовательскую группу, десять физиков, как бы подчеркивая командный характер награды, о чем и сказал в своей нобелевской речи.

— Как получилось, что вы забросили успешную научную карьеру физика и начали заниматься вопросами энергоэффективности? Пишут, что нефтяные кризисы 1970-х стали тому причиной.

— Так и было. Как физик-экспериментатор я проработал девятнадцать лет — считаю стаж начиная с работы в лаборатории Ферми, а так я уже в 1944 году получил степень бакалавра по физике и до учебы в Чикагском университете успел прослужить два года на флоте в конце Второй мировой войны. В октябре 1973-го, когда случился первый нефтяной кризис, я все еще руководил лабораторией «А» у Луиса Альвареса. Тогда стоимость нефти, которая до ввода странами ОПЕК эмбарго на поставки топлива составляла всего два доллара за баррель, сразу подскочила до десяти долларов, а потом, после второго нефтяного кризиса, разразившегося в 1978 году, взлетела и вовсе до 40 долларов. Пока она стоила два доллара за баррель, в США, да и во многих других странах, энергоэффективностью никто специально не занимался, и с точки зрения сегодняшних технологий все было ужасно неэффективным.

В то время об энергосбережении я знал лишь то, что, по всем расчетам, половина мирового запаса нефти будет сожжена еще при жизни моего поколения. Правда, признаюсь, я довольно долгоживущий представитель своего поколения. Кроме того, еще из опыта жизни в Европе — какое-то время я работал в швейцарском ЦЕРНе — я знал, что европейцы при сопоставимом с США уровне жизни затрачивают вдвое меньше энергоресурсов на доллар валового национального продукта, чем американцы. Наверное, потому, что в отличие от нас они ездили на маленьких машинах и везде выключали за собой свет. Я посчитал, что если бы мы в США относились к сжиганию энергоресурсов так же бережно, как в Европе, то в момент кризиса могли бы сами экспортировать нефть и смеяться над угрозами других стран-экспортеров. Не только я, но и многие мои друзья-физики тогда пришли к выводу, что проще бороться с собственным энергетическим расточительством, чем с ОПЕК.

— Слово «проще» вы здесь использовали как фигуру речи?

— Нет, обнаружились действительно простые способы, на которые раньше не обращали внимания. Я уже писал в своей автобиографии («Искусство энергоэффективности: защищая окружающую среду лучшими технологиями». — «Эксперт») и не раз рассказывал, как одно событие укрепило мое подозрение, что беречь энергию может оказаться делом относительно несложным. Как-то пятничным ноябрьским вечером 1973 года я сидел на работе в предчувствии того, что в выходные мне придется отстоять длиннющую очередь за бензином, чтобы заправить автомобиль. Мне пришло в голову взять и посчитать, сколько энергии в переводе на галлоны сжигается в светильниках, бессмысленно освещающих мой кабинет в течение моего шестидесятичасового отсутствия в выходные. Ну, может быть, не мой, я все-таки выключал за собой свет, но на этаже было еще девятнадцать похожих кабинетов, мощность ламп составляла один киловатт в каждом! Оказалось, на ненужное освещение каждой комнаты в выходные дни на электростанции тратилось пять галлонов природного газа в переводе на нефтяной эквивалент, или сто галлонов на этаж. Уходя домой, я решил везде выключить свет, но это оказалось не таким уж простым делом — выключатели были спрятаны за книгами, шкафами, плакатами, так что на все ушло целых двадцать минут.

— Сдвинуть шкафы, наверное, было не так сложно, как начать заниматься энергосбережением системно?

— Летом 1974-го вместе с десятью инициативными учеными-физиками из различных городов мы провели в Принстонском университете месячное исследование таких вот возможностей экономить энергию. Нас поддержало Федеральное агентство энергетики, в котором уже позже, в 1990-х, когда оно стало министерством, я служил старшим советником министра. Пригласили специалистов из различных отраслей — строителей, транспортников, представителей коммунальных служб. И нам хватило нескольких дней, чтобы понять, почему в Америке такой огромный расход энергии. Этот летний месяц кардинально изменил жизнь некоторых из нас, в том числе мою. Тогда мы обнаружили очень много простейших способов удвоения эффективности потребления энергии. Самый очевидный пример — автомобили. У нас были очень большие автомобили с большими объемами двигателей, в 1974 году они потребляли один галлон бензина на 14 миль (около 17 литров на 100 км. — «Эксперт») — в среднем, конечно, были машины, которые и вдвое больше сжигали. Через десять лет мы добились повышения КПД двигателей в два раза. С 1990 года в соответствии уже с федеральным законом о среднем расходе топлива все автомобили должны расходовать в среднем не более 8,6 литра горючего на 100 километров. (Точнее, согласно закону CAFE — Corporate Average Fuel Economy regulations, средняя величина вычисляется из расхода топлива автомобилями всего модельного ряда, поставляемого одним автопроизводителем на территорию США. — «Эксперт»). А несколько лет назад, в 2007-м, президент Джордж Буш наконец подписал закон, согласно которому к 2020 году средний расход топлива легковых автомобилей должен быть снижен до 6,7 литра на 100 километров.

— Известно, что вы основали Центр строительной науки при LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory при Калифорнийском университете), результатом деятельности которого стало четырехкратное снижение энергозатрат на освещение, вентиляцию и обогрев современных американских домов по сравнению с тем, что было тридцать пять лет назад.

— Сначала это была программа LBNL «Энергоэффективные здания», которую мы организовали и запустили по итогам того летнего исследования, обнаружившего в прямом смысле дыры в энергосбережении во всем, что касается строительных технологий. Мои коллеги посчитали тогда, что только через окна домов зимой в стране уходит тепло, сопоставимое с энергией сжигания двух миллионов баррелей нефти в день — а это, к примеру, половина того, что добывалось на аляскинском месторождении Прудо-Бей. И мы увидели, что положение довольно легко можно исправить, снизив энергопотребление сразу вдвое, экономя на кондиционировании в тех же зданиях летом или на обогреве зимой за счет уплотнения окон, что сейчас кажется совсем банальным. Позже сберегающий эффект был усилен за счет теплоотражающих стеклопакетов со специальным напылением на внутренней поверхности окна. Видимый свет через них проходит, а инфракрасное излучение отражается. (В своих воспоминаниях Розенфельд пишет, что советские ученые еще в 1968 году придумали способ покрытия стекла тончайшей полупроводниковой пленкой, вдвое увеличивающей его тепловое сопротивление и фактически не пропускающей инфракрасное излучение извне. — «Эксперт».)

Оказалось, что у нас вообще тогда не было СНИПов, учитывающих вопросы энергоэффективности и обязывающих применять энергосберегающие технологии. Почему-то существовала, к примеру, норма, что свет в офисных зданиях в зимнее время должен гореть 24 часа в сутки. Другой стандарт определял, что температура внутри здания должна быть не меньше 22 градусов, и системы принудительного обогрева или, наоборот, вентилирования были спроектированы таким образом, чтобы все время сохранять эту температуру без учета и использования внешнего тепла. При этом совершенно не бралось в расчет, что сооружение само обладает значительными тепломассовыми характеристиками и этим можно как-то управлять. Скажем, солнце, освещая здание в течение дня, способствует повышению в нем температуры, и, если это учитывать, можно использовать накопленное тепло ночью. И наоборот, ночную прохладу — днем. Если эта масса достаточно велика и все правильно сконструировать, то дополнительной энергии нужно немного. Сейчас это называется «пассивная солнечная конструкция». Мы решили взяться за новые стандарты и за два года по заказу министерства энергетики разработали программу теплового моделирования Two-Zone для строящихся зданий. Она стала предшественником компьютерной программы DOE-2, которая до сих пор широко используется для проектирования и энергоэффективной оптимизации зданий, обновляясь, конечно, в соответствии с новыми требованиями и по мере появления новых технологий.

— Эти стандарты работают только в южных штатах?

— У нас в США два разных набора стандартов. Действие одного распространяется на всю страну, это стандарты потребления энергии для всяких бытовых приборов: кондиционеров, холодильников, стиральных, посудомоечных машин. Со зданиями по-другому. От штата к штату разная ситуация, один тип строений характерен для Флориды, другой — для Миннесоты или Аляски. В зависимости от климатических зон мы разработали стандарты для нескольких типов офисных и жилых зданий, которые получили распространение. Но и сейчас в США много старых домов, модернизация которых могла бы привести к снижению энергопотребления почти наполовину.

— Вы сказали, что многие энергосберегающие решения лежали на поверхности. А легко ли их было провести?

— Некоторые вещи под влиянием нефтяного шока прошли легко, к тому же в министерстве энергетики сидели квалифицированные и политически мотивированные люди. Но позже многое приходилось буквально протаскивать, я вот везде рассказываю про те же тонированные стеклопакеты или компактные флуоресцентные лампы — как много пришлось заниматься продвижением и рекламой, чтобы они стали привычным стандартом энергосбережения, как сейчас, когда они экономят миллиарды долларов в год.

— Насколько я знаю, вы приложили руку к созданию всего этого.

— Точнее, мы всем этим занимались в Национальной лаборатории в Беркли. Конечно, сами люминесцентные светильники существовали и до этого, но именно мы рассчитали, что при определенном увеличении частоты подаваемого на лампу тока можно увеличить ее эффективность, и разработали высокочастотный электронный балласт, который позволил компании Philips создать компактную люминесцентную лампу с КПД в четыре раза большим, чем лампы накаливания. Но создать ее оказалось легче, чем внедрить. Пришлось вести большую просветительскую деятельность, а сейчас мы стимулируем население к покупке высококачественных энергоэффективных и энергосберегающих бытовых приборов (лампочек, холодильников и так далее) различными маркетинговыми фокусами. На это в Калифорнии тратится миллиард долларов в год, но штат выигрывает в результате энергосбережения три миллиарда.

— Неужели миллиард — это цена энергосберегающего просвещения?

— Эти деньги идут большей частью на так называемые долларовые инициативы — непростой с точки зрения организации маркетинговый ход. Я пример приведу. Компактные флуоресцентные лампы в розницу раньше стоили где-то 10–12 долларов при оптовой цене три доллара за штуку. Понятно, что по такой цене они как-то не очень распродавались. Как нам в итоге удалось добиться массовых продаж? За каждую лампочку мы стали напрямую давать производителю два доллара, и в итоге ее оптовая цена снизилась до доллара, производители борются за эти доллары, стимулируется конкуренция и качество продукции. В  результате, когда такая лампа доходит до розничной сети, то в любом супермаркете она стоит не больше трех долларов.

— То есть стимуляция продаж идет через поддержку производителя, а не продавца. Боюсь, у нас в России все было бы наоборот. А кто рулит этим непростым делом?

— Конкретно этой программой управляют электрические компании, работающие в жилищно-хозяйственном секторе. Кроме того, они же возвращают часть средств, потраченных домохозяйствами на покупку новой энергоэффективной бытовой техники.

— Получается, что энергокомпании сами режут курицу, несущую золотые яйца, уменьшая свою доходную базу?

— В свое время был сделан очень умный ход. В 1980-х были специально разработаны такие механизмы, что энергетикам стало невыгодно производить и реализовывать больше электроэнергии, чем устанавливалось правилами, но они ничего и не теряли в случае падения продаж, так как их хорошо стимулировали при снижении энергопотребления у клиентов. Выходило так, что экономить электроэнергию производителям было выгоднее, чем производить ее больше. В итоге энергокомпании, во-первых, стали активно вкладываться в энергосбережение, а во-вторых, многие из них пересмотрели планы строительства новых мощностей. Приведу в пример Тихоокеанскую газовую и энергетическую компанию. Любопытно, что в конце 1973 года я повздорил с ними из-за антинаучной рекламы, которую они дали тогда в газете. В ней утверждалось, что топить дом газом всю ночь напролет выгоднее, чем просто согреть жилье утром, и предлагалось не пользоваться термостатом, который только «портит дело». После моего разговора с управленцами компании реклама выходить перестала. Так вот, в 1992 году эта калифорнийская энергетическая компания сделала крупнейшее по тем временам в мировой практике вложение в энергосберегающие технологии потребителей — 170 миллионов долларов. Эти инвестиции в итоге принесли свыше 300 миллионов долларов чистой прибыли. В выигрыше оказались прежде всего потребители, но и акционеры компании заработали 40 миллионов долларов чистой прибыли. Если в начале 1980-х компания намечала масштабное строительство электростанций, то в 1990-е планы переиграли, и большую часть нового спроса решили покрывать за счет электроэнергии, сэкономленной благодаря эффективному ее использованию потребителями.

— С 1970-х годов население Калифорнии почти удвоилось, как и экономика штата, ВВП которого занимает первое место в США и восьмое в мире. Кажется невероятным, что удельное потребление электроэнергии в этих условиях оставалось неизменным.

— Тем не менее это так. Уточню, что речь идет об электроэнергии, а не о суммарной энергии. Почему? Потому что в сфере электроэнергии в Калифорнии собственная политика на уровне штата, и мы сами контролируем ситуацию. Что же касается транспорта и ТЭКа в целом, то нормы в этих отраслях контролируются федеральным центром, который мало что в них меняет, в частности, в правила регулирования автомобильного рынка с точки зрения расхода топлива изменения не вносилось почти двадцать лет.

Помучаю вас немного цифрами. В послевоенные годы потребление первичной энергии в США неуклонно снижалось примерно на 0,4 процента в год в расчете на единицу ВВП, после 1973 года падение ускорилось до двух процентов. Это, кстати, общемировая тенденция, и Россия какое-то время, насколько я знаю, демонстрировала показатели падения даже еще более высокие — интенсивность потребления энергии снизилась у вас за десятилетие с середины 1990-х в полтора раза, но, к сожалению, оно и сейчас все еще почти вдвое превышает аналогичные американские показатели. С электроэнергией было по-другому. Сначала ее потребление на душу населения — с учетом промышленного и коммерческого потребления — неуклонно росло повсеместно. С 1960 года до нефтяного кризиса в США оно удвоилось с 4000 до 8000 киловатт-часов в год, в Калифорнии рост был более умеренным (здесь климат более мягкий, и из-за отсутствия угля электричество было более дорогим) и не превысил 7000 киловатт-часов на человека. Но после 1973 года мы начали принимать активные энергосберегающие меры, и в этой борьбе за энергоэффективность штат опережал страну в целом. В итоге в США энергопотребление росло в среднем на 2,5 процента в год и выросло по сравнению с кризисным 1973 годом более чем в полтора раза — почти до 13 тысяч киловатт-часов на человека в год, а в Калифорнии оно так и осталось на уровне 7–7,5 тысячи киловатт-часов.

В 2006 году мы посчитали, что каждый калифорниец тратит на 5,3 тысячи киловатт-часов в год меньше, чем средний американец, а совокупная сумма экономии на электроэнергии составляет почти шесть миллиардов долларов в год на всех жителей штата. И мы планируем снижать использование электроэнергии на душу населения и дальше. Кроме того, я подчеркиваю, по самым скромным подсчетам, нам удалось избежать затрат на строительство как минимум двадцати энергоблоков мощностью по одному гигаватту (20 ГВт — это одиннадцатая часть от всей установленной мощности электростанций России. — «Эксперт») и дополнительной сетевой инфраструктуры. Без этих станций нельзя было бы обойтись, если бы потребление в нашем штате было таким же, как в целом по стране.

— Какие основные факторы энергосбережения вы назвали бы в первую очередь?

К повышению энергоэффективности надо идти прежде всего через стандарты энергопотребления для автомобилей, зданий, бытовой техники, промышленного оборудования и так далее, через другую правоприменительную практику. Вот смотрите, несмотря на очень мощную тенденцию к все большей электрификации жилища, в той же Калифорнии энергопотребление не растет. Казалось бы, почему, ведь становится больше бытовых приборов, больше компьютеров? Намного больше устанавливается кондиционеров, так как на достаточно прохладном побережье Калифорнии уже нет места, застройка идет в Центральной долине, где очень жарко. Ответ простой: потому что в Калифорнии самые жесткие нормы по всей стране, и правоприменение действительно очень жесткое, поэтому во многом федеральные власти в сфере энергоэффективности опирались прежде всего на наш опыт.

Возьмем, к примеру, холодильники. С 1980 года введены последовательно три калифорнийских стандарта, которые потом были подхвачены и усилены тремя федеральными, в результате потребление электроэнергии на средний прибор снизилось с 1800 киловатт-часов в год в 1973-м почти до 400 киловатт-часов — то есть в четыре раза, и это при том, что их средний объем увеличился втрое. Вполовину уменьшилось потребление электричества системами центрального кондиционирования. В итоге применение стандартов и нормативов в строительстве, оборудовании и коммунальном хозяйстве экономит Калифорнии более 45 млрд киловатт-часов ежегодно. Такие правила применимы и в других странах. В Китае переселили более миллиона человек, построили гигантскую ГЭС «Три ущелья», потратив десятки миллиардов долларов, ее планируемая среднегодовая выработка составляет около 100 млрд киловатт-часов. А введение новейших стандартов потребления на холодильники, кондиционеры, другие бытовые электроприборы, трансформаторы, уже существующих у нас и частично внедряемых в этой стране, будет давать с 2020 года 500 млрд киловатт-часов экономии ежегодно (это половина того, что производит Россия сейчас. — «Эксперт»). Вот где резервы для развития, причем без дополнительного строительства новых электростанций. Есть и другие резервы, которые сначала получили региональную калифорнийскую прописку.

— Вы имеете в виду практику перекрашивать крыши в белый цвет, как это происходит сейчас в той же Калифорнии, к примеру?

— Не только. Арнольд Шварценеггер, будучи губернатором Калифорнии, подписал запрет на продажу плоских телевизоров диагональю свыше 40 дюймов. Этот на первый взгляд весьма оригинальный шаг даст примерно 8 млрд долларов экономии за десятилетие. Элан Майер, мой коллега, как-то занялся подсчетами энергии, которая попусту тратится в устройствах, поддерживающих «спящий режим» разного оборудования. Выяснилось, что в каждой из черных коробочек потери составляют от одного до трех ватт, а в средних американских домах таких устройств, включая зарядки для мобильных телефонов, до двух десятков. Мы в Калифорнии выпустили нормативы, и производители быстро наладили выпуск микросхем, которые, поддерживая режим stand-by, тратят всего 45 милливатт, то есть в двадцать раз меньше, чем старые. Теперь такие нормативы вводятся повсеместно.

Что касается белого цвета, то не верьте, будто я для всемирного охлаждения собираюсь покрасить горные вершины, а вот крыши городов — да. Несмотря на то что идея окрашивания крыш в белый цвет совсем не нова — это современный, эффективный метод снижения затрат на потребление энергии для кондиционирования воздуха, который может помочь понизить температуру городов в целом, а в конечном итоге, я уверен, всего мира. В 2005 году в Калифорнии было законодательно закреплено решение красить все плоские крыши в белый свет. Такие крыши отражают 80 процентов энергии солнечного спектра, тогда как черные — только 20 процентов. При этом снижается необходимость в кондиционировании на 10–15 процентов. Если использовать потенциал эффекта белых крыш для тропиков и для умеренного климата, то мы сможем нивелировать эффект разогрева от выброса 1,2 млрд тонн углекислого газа в год. Это эквивалентно тому, как если бы с улиц мира на двадцать лет убрали половину автомобилей или не построили 250 станций, работающих на угле, мощностью один гигаватт каждая.