Энергия и цивилизация - Вацлав Смил

Но даже маленькие водяные мельницы давали большие экономические преимущества. Если предположить, что мука обеспечивала половину дневной энергии пищи, то маленькая водяная мельница с персоналом менее десяти человек могла намолоть за день (10 часов) достаточно, чтобы прокормить 3500 человек, обычный средневековый городок, в то время как обмолот вручную потребовал бы 250 работников. В комбинации с инновационной конструкцией во второй половине XVIII века водяные мельницы дали значительный прирост в продуктивности. Отличный пример – применение движимых водой механизмов для изготовления 200 тысяч гвоздей в день, запатентованное в США в 1795 году (Rosenberg 1975). Широкое распространение таких машин снизило цены на гвозди на 90 % за следующие 50 лет.

Водяные мельницы оказались наиболее эффективными из традиционных преобразователей энергии. Их производительность была даже выше, чем у лучших паровых машин, которые превращали менее 2 % угля в полезную мощность к 1870 году, и обычно не более чем 15 % к концу XIX века (Smil 2005). Никакой другой традиционный первичный движитель не мог обеспечить постоянную мощность. Водяные мельницы были незаменимы на ранних стадиях индустриализации как в Европе, так и в Северной Америке. Они достигли своего апогея – как его ни оценивай, в терминах общей или частной мощности, или эффективности – в XIX веке, когда для выполнения разных задач начали понемногу использовать паровые двигатели, и ушли в тень после того, как их затмили новые первичные движители.

Но самые большие объемы мощности вода обеспечивала в первые шесть десятилетий XIX века, и большая часть водяных машин продолжала работать даже после того, как сначала пар, а затем электричество вышли на первые роли. Оценивается (Daugherty 1927), что в США в 1849 году общая номинальная мощность всех мельниц была около 500 МВт (<7 % от всех первичных движителей, включая животных, но исключая человеческий труд) по сравнению с около 920 МВт номинальной мощности паровых двигателей. Сравнение фактически выполненной работы проясняет картину (Schurr and Netschert 1960): расчеты показывают, что в 1850 году водяные мельницы в США давали около 2,4 ПДж, или в 2,25 раза больше, чем паровые двигатели на угле; они были все еще впереди (около 30 %) в 1860 году; паровые двигатели превзошли их полезную работу только в конце 1860-х. Еще в 1925 году 35 500 водяных мельниц работали в Германии (Muller and Kauppert 2004), а некоторые колеса в Европе вращались даже после 1950-го.

Новые большие текстильные фабрики XIX века особенно сильно зависели от водяной энергии. Например, Merrimack Manufacturing Company, первое объединение сукноделов страны (производили в основном ситец) открылось в 1823 году в городке Лоуэлл, штат Массачусетс, и работало на 2 МВт энергии от большого (10 м) водопада на реке Мерримак (Malone 2009). В 1840-м крупнейший британский комплекс – водопроводные сооружения Шоу в Гринкоке, около Глазго – имел 30 колес, поставленных в два ряда на крутом склоне и питаемых водой из большого резервуара. Крупнейшие отдельные водяные колеса имели диаметр порядка 20 м, ширину в 4–6 м и мощность свыше 50 кВт (Woodall 1982).

Самым большим колесом в мире стала «Леди Изабелла», спроектированная Робертом Казементом и построенная в 1854 году Great Laxey Mining Company на острове Мэн, чтобы откачивать воду из шахт Лекси. Это верхнебойное колесо (2,5 оборота в минуту) с диаметром в 21,9 м и шириной в 1,85 м имело 48 деревянных спиц (9,75 м длиной), но ось и диагональные тяжи были сделаны из чугуна (Reynolds 1970). Все потоки на склоне над колесом собирали в огромные металлические резервуары, и затем воду по трубам подавали к каменной башне и поднимали по деревянному водостоку. Мощность передавалась на шток насоса, затем на 451 м в глубину свинцово-цинковой шахты с помощью коленчатого рычага главной оси и 180 м соединяющих тяжей из дерева. Теоретическая пиковая мощность колеса была около 427 кВт, но при обычной работе оно выдавало около 200 кВт полезной энергии. «Леди Изабелла» работала до 1926 года и была восстановлена после 1965-го (Manx National Heritage 2015; рис. 4.11).

Но эра гигантских водяных колес оказалась короткой.

Как раз тогда, когда эти машины начали строить, в первой половине XIX века, с развитием водяных турбин появилась радикальная инновация в области водяных первичных движителей со времен появления вертикальных колес столетиями ранее. Первая реактивная турбина Бенуа Фурнейрона с центробежным потоком была создана в 1832 году, чтобы приводить в движение кузнечные молоты, во Фрезане. Даже при очень малом перепаде воды в 1,3 м и диаметре ротора в 2,4 м она имела мощность в 38 кВт. Пятью годами позже две улучшенных машины, работающих на шелкопрядильной фабрике в Сен-Блазьене, выдавали около 45 кВт при перепаде воды в 108 и 114 см (Smith 1980).

Рисунок 4.11. Колесо «Леди Изабелла» после реставрации (Corbis)

Эффективность турбин Фурнейрона вскоре превзошли центростремительные турбины, которые один из исследователей (Layton 1979) назвал прототипическим продуктом НИОКР^[3]. Такие устройства больше всего известны как «турбина Френсиса» по имени Джеймса Б. Френсиса (1815–1892), британского и американского инженера. Позже появились реактивные турбины Лестера А. Пельтона (запатентованы в 1889 году) и осевые турбины Виктора Каплана (в 1920-м). Турбины заменили водяные колеса во многих отраслях промышленности и стали новыми первичными движителями. Например, в Массачусетсе в 1875 году они выдавали 80 % номинальной мощности. Это было время максимальной важности приводимых в движение водой машин в быстро индустриализирующемся обществе.

Например, каждый из трех крупнейших текстильных центров на реке Мерримак в Массачусетсе и южном Нью-Гемпшире – Лоуэлл, Лоуренс и Манчестер – располагал водяными машинами общей мощностью около 7,2 МВт. Весь бассейн реки давал около 60 МВт номинальной мощности, в среднем по 66 кВт на единицу производственного оборудования (Hunter 1975). Даже в середине 1850-х годов пар был все еще почти в три раза дороже воды, когда использовался в качестве первичного движителя в Новой Англии. Однако эпоха водяных турбин, непосредственно приводивших в движение разные механизмы с помощью передач и ремней, закончилась внезапно. К 1880-м годам появились крупномасштабная добыча угля и более эффективные двигатели, и пар стал дешевле воды практически на всей территории США. К концу XIX века большая часть турбин была перенацелена с прямой генерации движения на генерацию электричества.