Полный текст книги хокен П., Ловинс э-, Ловинс X
Производство с более эффективным использованием энергии
жүктеу/скачать 2.66 Mb.
|
| Производство с более эффективным использованием энергии
В течение столетий, даже тысячелетий, инженеры искали пути снижения потребностей промышленности в энергии и ресурсах. Предыдущая промышленная революция ускорила переход от паровой машины Ньюкомена с КПД 0,5% к наиболее эффективно- 1 В отличие от ядерной реакции деления, где уменьшение массы ничтожно мало. \097\
му сегодня дизельному двигателю с КПД более 50%. В течение десятилетий энергия, используемая для изготовления определенного изделия, обычно снижалась на 1 или 2% в год: быстрее, когда цены на энергию повышались, медленнее - когда они падали. Однако на каждой стадии технологического процесса вес еще существует возможность сделать больше и лучше с гораздо меньшими затратами. Даже в наиболее развитых странах и отраслях промышленности человеческая изобретательность создает всё новые технологии и находит лучшие способы применить их, позволяя свести к минимуму отходы и улучшить качество продукции, причем эти новые технологии развиваются быстрее, чем используются. Отчасти это объясняется тем, что устаревшие фабрики не готовы воспринять более совершенные технологии, а отчасти тем, что люди и фирмы не обучаются новым методам так быстро, как они могли бы и должны были бы обучаться. Усовершенствования, конечно, могут когда-то замедлиться, но в обозримом будущем это не более вероятно, чем падение человеческого творческого потенциала. Рассмотрим только один пример. Химическая промышленность использует высокие температуру и давление сначала для того, чтобы инициировать реакции, которые преобразуют форму молекул в нужном направлении, а затем - чтобы отделить нужные продукты от нежелательных. Инженеры-химики снижали стоимость энергии и материалов целое столетие. Только с начала 70-х годов потребление энергии химическими фирмами США уменьшилось вдвое. Они ликвидировали утечки пара, установили теплоизоляцию и начали многократно использовать тепловую энергию. Но возможности экономии далеко не исчерпаны. Плазменная технология обеспечивает создание температуры, точно соответствующей задачам процесса, и позволяет затем регенерировать тепловую энергию. Эти два усовершенствования могут еще в 2 с лишним раза уменьшить потребление энергии и быстро окупаются - за шесть месяцев при модернизации типовой установки [270]. Тем временем проектировщики подбирают катализаторы, которые помогают ускорить определенные химические реакции и увеличить их эффективность, т.е. снизить объем нежелательных компонентов, масса которых при получении чистых химических веществ нередко в 5-50 раз, а в фармацевтике в 25-100 раз превосходит массу желательных продуктов [6, 537]. Любая отрасль промышленности обладает потенциалом для радикального повышения эффективности использования энергии. Это относится даже к наиболее развитой в мире отрасли -производству микрочипов, сектору с самой высокой добавленной стоимостью в США [551, 593], который скоро станет одним из \098\
крупнейших в мире производств. Заводы по изготовлению микрочипов спроектированы настолько плохо, что существенную часть их энергии можно сберечь и получить 100%-ную прибыль за вычетом налога, а затем вложить её в модификацию производства, совершенствование технологии и ускоренное проектирование более экономичных новых заводов [351]. Например, крупный завод по производству чипов в одной из азиатских стран в 1997 г. сократил расход энергии на каждый чип на 69% меньше чем за год; сингапурский завод по производству чипов с 1991 по 1997 г. сократил потребление энергии на одну пластину на 60%, так что половина расходов завода окупается за 12 месяцев, а четыре пятых расходов - за 18 месяцев; другой завод сэкономил за год 5,8 млн долл., вложив в проект модернизации производства всего 0,7 млн долл. [Ли Энглок, частное сообщение 29 декабря 1997 г., 631]. Производители микрочипов во всём мире, которые сейчас проектируют новые заводы общей стоимостью 169 млрд долл. ([490], эту работу и результаты обсуждения с ведущим её автором мы широко использовали в этом разделе), наконец поняли, что высоко эффективные заводы с их новыми принципами проектирования и управления позволят им обогнать конкурентов. Потребовалось бы много книг, чтобы описать существующий потенциал для экономии энергии, ресурсов и денег, снижения загрязнений, уменьшения количества отходов в промышленной сфере, потому что диапазон этих возможностей многообразен и сложен. Одна лишь химическая промышленность США включает свыше 30 отраслей и выпускает более 70 000 различных продуктов на 12 000 фабрик [270]. Однако если рассматривать возможности в общем виде, методы увеличения производительности энергии и материалов в промышленности можно отнести по крайней мере к шести главным категориям, которые часто дополняют друг друга: • проектирование, • управление, • корпоративная культура, • новые процессы, • экономия материалов. Проектирование Системный подход, разработанный для гиперавтомобилсй, можно применить и в других отраслях промышленности: похоже, что все нынешнее оборудование, потребляющее энергию, было спроектировано на основе ошибочных примитивных представле- \099\ ний. Задаваясь различными вопросами, как это делал научный сотрудник Эдвин Ланд, определивший изобретение как "внезапное излечение от глупости", можно предложить конкретные цели для инновационного процесса. Это может дать значительную экономию энергии в таком заурядном оборудовании как клапаны, трубы, вентиляторы, амортизаторы, двигатели, провода, теплообменники, изоляция и большинство других элементов технического проекта, во многих технических системах, которые используют энергию, в большинстве практических применений, во всех отраслях. Эта новая революция эффективности в значительной степени достигается за счет модернизации оборудования, т.е. основывается не столько на новых технологиях, сколько на более разумном применении существующих технологий, некоторые из которых относятся к Викторианскому периоду. Иногда самые простые усовершенствования в конструкции дают наилучший результат. Замена полумиллиона лабораторных вытяжных шкафов на более эффективные позволила бы Америке сэкономить 60-80% энергии, расходуемой на эти цели, а ведь речь идет всего лишь об изменении расположения одной вентиляционной решетки2. При решении рутинной, но очень дорогостоящей задачи удаления загрязненного воздуха из чистых комнат новый механический регулятор воздушного потока3, использующий единственную движущуюся часть, приводимую в движение исключительно силой тяжести и воздушным потоком, может снизить потребление энергии на 50-80%, уменьшить общую стоимость монтажных работ и повысить безопасность и рабочие характеристики. Новая геометрия может удвоить эффективность насосов для канализации [13] и в 5 раз повысить эффективность аэраторов [560]. Такие простые, но значительные возможности встречаются на каждом шагу в самых сложных отраслях промышленности. Стальные слитки обычно отливаются далеко от металлопрокатных заводов, которые превращают их в тонкий лист, поэтому перед прокаткой их приходится повторно нагревать. Размещение этих процессов поблизости друг от друга сохранит приблизительно 18% энергии, затрачиваемой на повторный разогрев [270]. Достижение цели, поставленной перед стекольной промышленностью США, — уменьшить потребление 2 Lab Grafters, Int., 2085 S'h Avc., Ronkonkoma. NY I 1779, 516/471-7755, fax-9161. Возможно дальнейшее усовершенствование при неизменных размерах [365, методы 3 и 4], повышающее экономию до 70-80% [Дж. Стайн, Е SOURCE, частное сообщение 4 августа 1998 г.). Вытяжные шкафы часто потребляют 50-75% всей энергии в лабораториях. 3 Progressive Technologies, 200 Ames Pond Dr., Tewksbury, MA01876-1274, 978/K63-1000. \100\
энергии в 2 раза к 2020 г. [270] - будет отчасти зависеть от уменьшения потерь тепла в регенеративных печах. До сих пор исследования и разработки были сосредоточены в основном на уменьшении менее значительных потерр, - 23% тепла, которые рассеиваются в вытяжных трубах. Но почему сначала не сосредоточить усилия на устранении самых больших потерь - 40% тепловой энергии, которые улетучиваются через стены печи, теплоизоляцию которых можно улучшить? Нужно "разбудить" конструкторов и скорректировать их менталитет в некоторых традиционных отраслях промышленности. Мало кто верил, что Вейс (Гамбургский нефтеперерабатывающий завод) сможет устранить незаконные выбросы стоков в гавань, пока активисты Гринписа не потеряли терпение, закупорили трубу и объявили, что заводу дается два часа, чтобы решить проблему очистки стоков, иначе его отстойники переполнятся. Завод остановили на полгода, полностью перепроектировали технологический процесс и ликвидировали стоки [Майкл Браун-гарт, частное сообщение 8 февраля 1998 г.]. Новые технологии Новые материалы, конструкции и технологические методы, электроника и программное обеспечение могут в комплексе дать непредвиденные результаты - технологии более мощные, чем сумма их частей. От сверхэффективных охлаждающих змеевиков до синхронного электродвигателя с коммутируемой реактивностью (который может с помощью своего программного обеспечения непрерывно настраиваться на максимальный КПД при любых условиях эксплуатации), от интеллектуальных материалов до сложнейших датчиков, от быстрого макетирования до сверхточного изготовления, от усовершенствованных полупроводниковых коммутаторов мощности до микроманииуляторов, микроструйной автоматики [6] и микромеханизмов [534, 535] -революция прокладывает путь в бесчисленных технических и научных применениях. Инновационные идеи не могут иссякнуть. Технологии, доступные сегодня, способны сэкономить вдвое больше электроэнергии, чем пять лет назад, и снизить реальные затраты в 3 раза. Такая скорость прогресса была реальной в течение последних 15-20 лет. Существенная часть продолжающегося повышения эффективности использования энергии обусловлена совершенствованием технологий, которые позволяют получить больше работы от каждой единицы энергии и ресурсов. Однако \101\
в последнее время изменения в менталитете конструкторов, нацеленные на применение этих известных технологий, стали еще более необходимыми. Каждый раз, когда кажется, что мы близки к практическим пределам инновационного процесса или даже к ограничениям, налагаемым законами физики, кто-то изобретает способ преодоления этих пределов, по-новому сформулировав задачу. Поколения инженеров-энергетиков знали, что в соответствии с законом Карно их электростанции не смогут когда-либо обеспечить КПД более 40 с небольшим процентов. Таковы были теоретические пределы. Удивительно, но теперь вы можете купить вездеход с парогазовой турбиной с КПД около 60%, использующий иной термодинамический цикл, не подчиняющийся закону Карно. Топливные элементы могут работать еще эффективнее. К тому же они позволяют избежать потерь тепловой энергии. Это даст возможность повысить полезную отдачу, обычно в виде электроэнергии, до 90% с лишним от первоначальной энергии топлива. Управление Информационные технологии обеспечивают большую экономию в тех отраслях промышленности, которые применяют их. Электростанция на каменном угле, которая работала по старинке (парни в касках с большими гаечными ключами бегали от одного регулирующего клапана к другому, а мастер следил за стендом с гидравлическими датчиками), наняла пару молодых инженеров, выпускников Технического университета Джорджии. Они ввели своего босса в расходы, попросив купить им за 200 долл. портативный компьютер фирмы "Радио Шек", на котором они написали простую программу оптимизации работы электростанции. В первый же год их инициатива сэкономила миллионы долларов. Новички-инженеры вскоре предстали перед советом директоров. Их доклад послужил сигналом к началу преобразований в культуре Энергетической компании Джорджии [Джим МакКлой, бывший в то время руководителем стратегического планирования Энергетической компании штата Джорджии, частное сообщение, конец 80-х годов]. Большинство фабрик во всём мире до сих пор нуждается в таких же простых крупномасштабных методах оптимизации и управления. Кроме того, многие существующие методы управления не используются должным образом. Управляющие устройства должны измерять то, что происходит сейчас, а не то, что случилось час назад, потому что проблемы, не обнаруженные и не \102\
решенные немедленно, порождают потери. Империя "Тойота" была построена на доходах, полученных благодаря ткацким станкам с автоматическим управлением Сакичи Тойоды, которые немедленно выключались, если нить рвалась, прежде чем они могли выработать дефектную ткань. Этот очевидный принцип всё еще часто игнорируется в тех отраслях промышленности, где запаздывающая обратная связь обходится дорого. Дистилля-ционные колонны потребляют 3% от общего количества энергии США для разделения химических компонентов и нефтепродуктов, но большинство операторов вместо непрерывного контроля чистоты выпускаемого продукта испытывают время от времени только отдельные образцы, чтобы удостовериться, что они отвечают требованиям спецификации. А между этими испытаниями операторы, работая на "автопилоте", часто прогоняют один и тот же материал через колонну большее количество раз, чем необходимо, расходуя впустую 30-50% энергии, чтобы быть действительно уверенными, что изделие пройдет испытание. Лучшие регуляторы, которые измеряют фактическую чистоту продукта и непрерывно подстраивают процесс для получения необходимых показателей, могут сократить затраты в 2 раза [270]. Цивилизация, которая способна с помощью роботов измерить состав грунта на Марсе, должна быть способна измерить химический состав в трубе на Земле. Интеллектуальные устройства измерения и управления должны быть встроены в каждую единицу производственного оборудования так, чтобы каждая часть процесса управляла сама собой. Реакции должны протекать при нужной температуре, механические станки должны работать с нужной скоростью, а текстиль должен нагреваться так, чтобы он высох, но не поджарился. Чем шире распределены устройства управления и обратной связи, тем точнее управление. Вездесущие микрочипы обеспечивают теперь не только такой простейший контроль, но и позволяют создавать нейронные сети, способные обучаться, и использовать нечеткую логику, которая принимает невероятно умные решения. Ближайший этап развития распределенного управления - самоорганизующиеся системы всех видов. Иерархические системы управления имеют единый централизованный орган, это может быть человек или компьютер, который сообщает каждому, что делать, и передает команды по уровням управления. Распределенное управление, напротив, использует много децентрализованных равноправных органов, принимающих решении и оценивающих результаты по единым правилам, взаимодействующих Друг с другом и обучающих друг друга. Отдельные их решения \103\
взаимодействуют друг с другом и управляют коллективным поведением всей системы. Это очень похоже на то, как работает экосистема. Кевин Келли в своей книге "Самоуправление" [297] описывает, как эта модель, подобная экосистеме, где много мелких деталей соединяются, чтобы создать единое целое с высокой способностью к адаптации, постепенно охватывает весь мир, самоорганизуется и встраивается в процесс эволюции совместно с окружающей средой и с самой жизнью. Таким образом, "мир вещей" начнет приобретать всё большее сходство с "миром существ": технические изделия начнут организовываться и управляться биологическими, потому что биологические системы в процессе эволюции уже выработали успешные решения [1- 596]. Пользуясь этими и другими важными способами, конструкторы начинают учитывать в индустриальных применениях опыт конструирования, накопленный за миллиарды лет и отраженный в биологических принципах. Этот опыт учитывается не только в процессе конструирования, но также и в самой архитектуре систем и управлении ими. Завод, операторы которого полагаются на случай или интуицию, чтобы оптимизировать сложные процессы с сотнями взаимодействующих переменных, уже проигрывает заводу, где операторы сели за мощные компьютеры, снабженные искусственным интеллектом и "генетическими алгоритмами" и позволяющие принимать оптимальные решения с помощью математической версии дарвиновского естественного отбора. Оператор, просматривающий бесконечные столбцы чисел, так же как и оператор, чей компьютер изображает всё в виде графика, не поймет, что происходит на заводе, как улучшить ситуацию и как спроектировать следующий завод лучше существующего. В конечном счете, если фабрики станут действительно интеллектуальными, они не будут нуждаться в специальных системах управления. Они будут управлять даже чрезвычайно сложными процессами с той самой небрежной легкостью, с которой самоорганизующаяся клетка вырабатывает несметное число биохимических веществ, а самоорганизующаяся экосистема адаптируется к изменяющимся условиям окружающей среды. Корпоративная культура Предприятие, которое функционирует как обучающаяся организация, отдавая должное измерениям, контролю, критической мысли и непрерывному усовершенствованию, будет всегда опережать предприятие, корпоративная культура которого основывается на людях, наблюдающих за показаниями приборов и на- \104\ жимающих кнопки. Предприятие, которое отдает предпочтение мощным средствам измерения, моделирования, эмуляции и графического отображения, может превратить процесс проектирования и производства из линейного (задание, проектирование, строительство, повторение) в циклический (задание, проектирование, строительство, измерение, анализ, усовершенствование, повторение). Предприятие, которое игнорирует измерения, неизбежно отстанет в осуществлении полезных и экономящих средства открытий - подобно химической компании, которая десятилетиями, забыв об этом, круглый год эксплуатировала сорока-киловаттный электрический отопитель под своей автостоянкой, чтобы снег таял быстрее. Никто не вспомнил об этом и не выключил устройство до тех пор, пока измерения не показали, что энергетический баланс не сходится и не был обнаружен источник этого расхождения. Многие производственные фирмы, сами того не ведая, испытывают подобные финансовые потери из-за своих пневматических систем: вы можете идти по территории завода и слышать, как деньги шипя вылетают из щелей. Усовершенствование пневматического оборудования и его обслуживания обычно дает экономию 50% с шестимесячным сроком окупаемости [17J. Но если на это не обращать внимание, хозяйство остается в убытке. Это обычно замечают, если кто-то оказывается на предприятии в выходной день, видит, что компрессор работает, восстанавливая потери давления из-за утечек, а затем задается вопросом, почему компрессор вообще работает, когда на предприятии никого нет. Иногда всем ясно, что что-то не в порядке, но никто не может понять почему. Кирпичная гостиница на юго-западе долгое время пользовалась пассивным охлаждением, но вдруг начала перегреваться. Владелец как раз собрался купить большой кондиционер, но один из посетителей, который оказался экспертом по солнечному освещению из Израиля, поставил диагноз: раньше стены здания белили, а теперь окрасили в коричневый цвет. Можно подумать, что такие очевидные ответы должны легко придти в голову на современных фабриках, где полно толковых инженеров. Но это не так [458]. Иногда оборудование неправильно устанавливают, потому что на фабрике на него наклеили неправильные этикетки. В 1981 г. Тихоокеанская газовая и электрическая компания неправильно установила опоры главного трубопровода атомной электростанции в Каньоне Дьявола и понесла огромные убытки, потому что кто-то повернул светокопию не той стороной. Двадцатилетний проект космического телескопа Хаббла стоимостью 2,5 млрд долл. завершился запуском в космос деформированного зеркала из-за ошибки в знаке в ал- \105\
гебраическом уравнении. Или возьмем бытовой случай: измерения в 3000 домов в Южной Калифорнии показали, что пятая часть домов не была подключена к сети, так как в них отсутствовал заземляющий провод или были перепутаны заземление и нейтральный провод. Электрики, которые делают проводку на фабриках, тоже ошибаются. В течение десятилетий, даже после того, как память компьютера стала настолько дешевой, что первоначальные аргументы давно потеряли смысл, квалифицированные программисты, часто по прямым указаниям своих руководителей, в целях экономии денег писали даты с двумя цифрами для обозначения года вместо четырех, что привело к проблеме программной и аппаратной ошибки 2000 г. Это могло привести к неисчислимым потерям, составляющим значительную часть прибыли от компьютеризации во всём мире. К счастью, большинство ошибок имеют смехотворный характер и не наносят реального ущерба экономике. Чтобы проверить конструкцию скоростного поезда. Британские железные дороги позаимствовали у Федерального управления авиации орудие, которое обстреливает лобовые стекла самолета мертвыми цыплятами, чтобы проверить, могут ли стекла в поездах выдержать удар птицы. Инженеры-железнодорожники пришли в ужас, когда испытательный цыпленок прошил насквозь ветровое стекло, водительское кресло и привел в жуткий вид заднюю стену кабины. Федеральное управление авиации проверило протокол и рекомендовало повторить испытания, "но на сей раз сначала удостовериться, что цыпленок разморозился". Новые процессы Инновации в производственных процессах позволяют уменьшить число этапов, расход материалов и затраты. Результаты улучшаются, несмотря на использование более простого и дешевого сырья. Практически в каждой отрасли промышленности изобретательные сотрудники улучшают процессы и изделия, создают чрезвычайно ресурсоэффективные материалы, методы и оборудование. Даже в железо- и сталелитейной отраслях, которые относятся к самым старым, самым крупномасштабным и наиболее ресурсозатратным, исследователи обнаружили способы снизить потребление энергии примерно на четыре пятых при улучшении качества выпускаемой продукции, сокращении производственного цикла, рабочих площадей, а нередко и инвестиций, и полной стоимости. Особенно поразительных усовершенствований можно до- \106\
биться при замене высокотемпературных процессов на более щадящие и дешевые, основанные на биологических моделях с использованием микроорганизмов или ферментов. Подобные открытия рождаются из наблюдения и подражания природе. Эрни Робертсон из Института биомассы в Виннипеге отметил, что имеются три способа превратить известняк в конструкционный материал. Вы можете распилить его на блоки (крупные, но неинтересные), размолоть его и обжечь при температуре около 1500 "С [301] для получения портланд-цемента (неэлегантно) или скормить его цыплятам и получить через несколько часов обратно в виде более прочной яичной скорлупы. Если бы мы были столь же умны как цыплята, мы могли бы овладеть этой изящной технологией и реализовать её практически при температуре скружающей среды, но в более широких масштабах и с увеличенной скоростью. Если бы мы были столь же умны как моллюски и устрицы, мы могли бы даже делать это медленно приблизительно при 4 °С или производить в холодной морской воде микроструктуры, столь же внушительные как внутренний остов морских ушек, который более прочен, чем керамический носовой конус ракеты [42]. Или рассмотрим сложнейшую химическую фабрику внутри каждого скромного паука. Джанни Бениус сопоставил поведение паукообразных с производственными процессами. Единственный из производимых нами материалов, который близок к паутине, - это полиарамид кевлар. Его волокна столь прочны, что могут останавливать пули. Но чтобы изготовить кевлар, мы помещаем молекулы нефтяного деривата в герметизированный бак с концентрированной серной кислотой и кипятим этот состав при температуре в несколько сот градусов, чтобы перевести его в жидкокристаллическую форму. Затем мы применяем высокое давление, чтобы выдавить и вытянуть волокна. При этом расход энергии чрезвычайно велик, а ядовитые побочные продукты отвратительны. Паук умеет производить столь же прочное и намного более жесткое волокно при температуре тела, без высоких давлений, высокой температуры или кислот, вызывающих коррозию. Если бы мы научились делать то, что делает паук, мы могли бы использовать растворимое сырье, которое является бесконечно возобновляемым, и изготавливать сверхпрочное, нерастворимое в воде волокно с незначительными расходами энергии и без ядовитых отходов [42], Уроки природы могут часто привести к непредвиденным результатам. Наблюдая по телевизору репортаж о морских выдрах, пострадавших от нефтяных пятен в результате аварии танкера "Эксон Вальдсз" в 1989 г., парикмахер из штата Алабама Филип МакКрори заметил, что мех выдры чрезвычайно хорошо впиты- \107\
вает нефть. Эта особенность выдры помогает ей оставаться сухой в чистой воде, но по той же самой причине оказывается фатальной, когда выдра должна проплыть через нефтяную пленку. Нельзя ли использовать эту особенность, чтобы извлечь нефть из воды? Могут ли человеческие волосы обеспечить то же самое? МакКрори собрал волосы, разбросанные по полу его салона, затолкал их в пару колготок, чтобы сделать искусственную выдру, и бросил это изделие в детский бассейн, заполненный водой с добавкой нескольких литров моторного масла. Через две минуты он увидел, что "вода стала кристально чистой". Клиенты его салона, работавшие в НАСА, свели его с экспертом, который провел крупномасштабный эксперимент. Испытания показали, что "600 т волос, помещенных в подушки с отверстиями, могли бы за неделю впитать всё нефтяное пятно, оставшееся после аварии танкера "Эксон Вальдез", сберечь значительную часть из 2 млрд долл., потраченных судном, чтобы собрать всего лишь 12% из 5 млн л вылившейся нефти" [424J. В природе ничто съедобное не аккумулируется; все материалы участвуют в замкнутых циклах, которые превращают отходы в продовольствие, и циклы сохраняются достаточно короткими, чтобы отходы могли действительно стать пищей. Технологи должны стремиться к тому же. Один из наиболее поучительных примеров организации такого замкнутого цикла был реализован в 1988 г., когда Университет Цюриха решил обновить устаревший элементарный лабораторный курс 1971 г., сопровождающий вводные лекции по неорганической, органической и физической химии4. Каждый год студенты проводили лабораторные работы, в результате которых чистые, простые реактивы стоимостью 8000 долл. превращались в сложную, грязную, ядовитую вязкую массу, и чтобы от нее избавиться, необходимо было потратить еще 16 000 долл. Курс учил студентов прямолинейному мышлению. Тогда профессора Ханс Фишер и С. Ойгстер решили обратить процесс вспять и стали обучать студентов, как превратить ядовитые отходы в чистые, простые реактивы. Это сократило затраты и поощрило формирование "циклического мышления". По мнению профессоров, "такая подготовка нескольких выпусков студентов станет лучшей инвестицией в защиту окружающей среды с помощью химии". Студенты добровольно занимались этой рабо- 4 Проф. Ханс Фишер, частное сообщение 4 декабря 1997 г. Физико-химический институт Цюрихского университета, Wmterthurerstrasse 190. СН-8057 7iirich, Switzerland, fax 41 1 362-0139, hflscheKa-pci.uni/h.ch. Мы благодарим вице-президента Доу Юрен д-ра Клода Фусслера за этот пример. См. [193-195,294]. \108\
той во время каникул, и к 1991 г. переработка отходов в чистые реактивы превысила поступление отходов. С тех пор курс ежегодно производит лишь несколько килограммов химических отходов - меньше чем по 100 г на студента, т.е. количество отходов сократилось на 99%, а суммарные производственные расходы сократились на 20 000 долл., или приблизительно на 130 долл. на одного студента. Предприятия химической промышленности, которые примут на работу этих студентов, уже обнаружили многократные преимущества многих других видов инноваций. Например, в процессе отбеливания бумаги на смену хлору, который может способствовать формированию диоксинов, приходят полиокси-металаты. Эти новые реактивы для отбеливания работают так же хорошо, легко восстанавливаются, уменьшают количество жидких отходов, расширяют повторное использование воды в технологическом процессе и вдвое снижают потребление электроэнергии [270]. Небольшая фирма из штата Орегон разработала способ производить такие продукты, как томатная паста, используя мембраны вместо кипячения; этот процесс5 проще, он повышает выход и качество продукта и использует на 95% меньше энергии. Молекулярное сито на основе сарана (пленки из поливинилиденхлорида) с крошечными отверстиями обогащает продовольственные продукты при комнатной температуре и сохраняет аромат, структуру и пищевую ценность, разрушаемые при обычном кипячении. Концентрированный соляной раствор создает высокое осмотическое давление - 28 кг на 1 кв. см, - которое "высасывает" воду из пищевого продукта сквозь мембрану. Не разрушая большие молекулы, которые придают томатной пасте и пюре из других продуктов их вязкость, осмотическое давление сохраняет структуру, удаляет меньше воды и позволяет увеличить выход более ценного, неповрежденного пищевого продукта. Подобные мембраны применяются для извлечения тяжелых металлов и других токсичных материалов, загрязняющих почву. Они могут также устранять 95% воды из навоза, извлекая из ядовитых отстойников питьевую воду и оставляя в них в 3 раза более легкое удобрение, которое проще транспортировать15. Некоторые инновации дают сразу много выгод. Архитектор Уильям А. МакДонат пишет в своем, удостоенном премии, проекте для конструкторского отделения компании "Стилкейс", самого крупного американского изготовителя офисной мебели:
\109\
Несколько лет назад мы помогли придумать и спадать обивочную ткань, поддающуюся биохимическому распаду - биологический питательный материал. Ткань так безопасна, что её можно буквально есть. [Европейские] государственные органы недавно определили обрезки f-гскстильных фабрик]. как опасные отходы. Мы придумали другое применение нашим обрезкам: для мульчирования садовой почвы в местном клубе. Чтобы [произведенная из естественного сырья] ткань могла безопасно вернуться в почву, её нужно освободить от мутагенов, канцерогенных веществ, тяжелых металлов, соединений, поражающих эндокринную систему, устойчивых отравляющих веществ и соединений, накапливающихся в живых организмах. Шестьдесят химических компаний приглашали принять участие в проекте, и все они отказались. Наконец. компания "Циба-Гайджи". согласилась участвовать. С помощью этой компании группа участников проекта рассмотрела более 8000 химикатов, используемых в химической промышленности, и отклонила 7962 из них. Ткань - фактически вся гамма тканей - была создана с использованием лишь тридцати восьми химикатов. Когда контролеры пришли проверять стоки, они решили, что их приборы сломались. После испытания входящего потока они поняли, что их приборы в порядке - вода, выходящая из фабрики, была столь же чиста, как [швейцарская питьевая] вода на входе. Сам технологический процесс фильтровал воду [377]. МакДонат также сообщает о снижении себестоимости производства - никаких забот о нарушениях законодательства, более дешевые химикаты. Концепция проекта, отмечает он, состояла в том, чтобы "извлечь фильтры из труб и поместить их туда, куда следует - в головы проектировщиков". Всё, чего не должно быть в процессе, было устранено при проектировании. Новое мышление при проектировании может преобразовать технологические процессы и даже всю структуру и логику производства. В конечном счете имеются убедительные свидетельства того, что на смену крупномасштабным, специализированным фабрикам и оборудованию, разработанному для определенных процессов и изделий, может прийти даже "настольное производство". Гибкие, управляемые компьютером "сборочные программы" поместят каждый отдельный атом в нужное место в молекуле, чтобы произвести именно то, что нам нужно, при почти нулевых отходах и почти без затрат энергии. Такая технология возможна, она не нарушает каких-либо физических законов, потому что именно так случается всякий раз, когда природа преобразует почву и солнечный свет в деревья, насекомых в птиц, траву в коров, а материнское молоко — в младенцев. Мы уже начинаем понимать, как реализовать эту молекулярную алхимию: такие \110\ "нанотехнологии" дают удивительные результаты в лаборатории7. Когда они приобретут промышленный масштаб, фабрики, которые мы знаем сегодня, уйдут в прошлое, и 99% энергии и материалов, которые они используют, станут ненужными. Воздействие этой технологии затмит любое из технических предложений, встречающихся в этой книге. Однако пока нанотехнология не приобрела коммерческого масштаба, промышленность должна продолжить поиски того, как уменьшить огромные потоки материалов в обычных технологических процессах. Даже если нанотехнологическая революция никогда не наступит, почти такой же экономии можно добиться, сосредоточив усилия на последней и возможно самой многообещающей из наших ближайших возможностей - на производительности материалов. Производительность материалов - такой же урок биологического конструирования, как и создание паутины: подражание природе может сообщить нам не только о том, как спланировать определенный производственный процесс, но и как построить структуру и функции экономики в целом. Как отметил Бениус. экономика, перестроенная по примеру экологии, будет работать не как агрессивная колониальная экосистема, а как зрелое общество. Вместо высокопроизводительной, относительно расточительной и односторонне развитой экосистемы она будет напоминать то, что защитники окружающей среды называют экосистемой третьего типа, которая подобна устойчивому лесу из дуба и орешника. Такая система поддерживает широкое многообразие различных биологических форм при относительно небольшом потреблении. Все её бесчисленные ниши заполнены организмами, деловито впитывающими и преобразующими каждую крошку отходов и новую жизнь. Таковы тенденции экономики, следующей примеру экосистемы. Так происходит эволюция устойчивых экономик. Бениус напоминает: "Нам не нужно изобретать устойчивый мир -это уже сделано"15. Всё это - вокруг нас. Мы должны только научиться у экосистемы успешному поддержанию максимума благосостояния при минимальном потоке материалов. жүктеу/скачать 2.66 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|