Полный текст книги хокен П., Ловинс э-, Ловинс X



бет4/24
Дата15.06.2016
өлшемі2.66 Mb.
түріКнига
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24
Изобретаем колеса заново: гиперавтомобили и вокруг них

Автомобильная промышленность как пример для других отраслей - Реструктуризация мировой индустрии - Сверхлегкий, гибридный гиперавтомо-биль - Сегодня коэффициент полезного действия равен одному проценту - Сделать легкие автомобили безопасными - Революция водородных топливных элементов - Конец Железного века - Ограничение рождаемости для автомобилей •• От общественного транспорта - к общине

Самая крупномасштабная промышленность в мире - автотранспортная - уже прошла свою часть пути к Фактору Четыре или даже к более существеиным достижениям в производительности ресурсов. Она уже начинает применять замкнутые циклы для материалов, многократно используя долгоживущис материалы при изготовлении новых автомобилей; резко снижается воздействие на атмосферу, климат и другие ключевые элементы естественного капитала благодаря полному переосмыслению того, как заставить автомобиль двигаться. Эта перестройка структуры столь хорошо организованного сектора экономики получает импульс не от налоговых ограничений или предоставления субсидий, а от новых возможностей передовой технологии, запросов клиентов, конкуренции и предпринимательства.

Вообразите диалог, происходящий в конце XIX столетия. Группа влиятельных и дальновидных бизнесменов объявляет, что желает создать в Соединенных Штатах гигантскую новую отрасль промышленности, которая обеспечит рабочие места для миллионов людей, будет продавать новое изделие каждые две секунды и создаст небывалый уровень подвижности для тех, кто использует эти изделия. Однако это новшество принесет с собой и другие последствия, так что через сто лет мы получим следующие результаты:

будет покрыто асфальтом пространство, равное площади всех пахотных земель штатов Огайо, Индиана и Пенсильвания,

\046\


;( обслуживание этого пространства будет стоить более 200 млн долл. в день;

преобразуется общество и жизнь американцев, ограничится подвижность большинства граждан, которые не хотят или не способны приобрести новое изделие и управлять им;

будут изувечены 250 млн человек и погибнет больше американцев, чем во всех войнах в истории страны:

будет каждый день сжигаться 8 м.ън баррелей нефти (1700 л на человека в год);

Соединенные Штаты будут всё более и более зависимыми от поставок зарубежной нефти стоимостью 60 млрд долл. в год;

всё большая доля этой нефти будет поставляться из регионов, в значительной степени враждебных по отношению к США, в вооружении которых заметную роль сыграют американские платежи за нефть, что потребует от Соединенных Штатов больших военных расходов и постоянной готовности к войне; •

будет погибать миллион диких животных за неделю, от оленей и лосей до птиц, лягушек и опоссумов, и десятки тысяч домашних животных;

во всех городских районах появится шум, который будет мешать сну, концентрации внимания и умственной работе, а вредные выбросы сделают воздух в некоторых городах настолько непригодным для дыхания, что дети и пожилые люди не смогут выйти на улицу в некоторые дни;

значительно увеличится число заболеваний астмой, эмфиземой, сердечными болезнями и бронхиальными инфекциями;

отрасль будет выбрасывать четвертую часть парниковых газов США, создавая у грозу глобальной устойчивости климата и сельскому хозяйству; •

и, наконец, каждый год будет производиться более 3 млрд кг не регенерирующихся металлолома и других отходов.

Теперь вообразите, что этот проект успешно реализован.

И вот мы имеем автомобильную промышленность - настолько мощный сектор производства, что в 1998 г. пять из семи самых крупных в США индустриальных фирм производили автомобили или топливо для них. Если эта промышленность сможет существенно перестроиться, за ней последуют и другие отрасли. И это Неизбежно. Данная глава описывает, как доминирующий в мире автомобильный бизнес перестраивается, чтобы стать значительно менее вредным для биосферы.

Эти преобразования опираются, пока еще частично, на самые последние из длинной череды автомобильных новшеств.

\047\

В 1991 г. в Институте Рокки Маунтин создана конструкция, которая вобрала в себя многие из находящихся в стадии становления автомобильные технологии и получила название гиперавтомобиля1. Чтобы добиться максимального успеха в конкурентной борьбе и завоевать признание, проект был открыт для публики (и не патентовался) в надежде, что это вызовет крупнейший сдвиг в мировой индустриальной структуре (после появления микропроцессоров). Эта революция началась и продолжается мирно, в основе её лежат простые факты и еретические идеи.



Автомобильная промышленность завершившегося XX столетия - возможно самое яркое выражение Железного века. Автомобиль представляет собой сложную конструкцию из приблизительно 15 тыс. частей, сохраняющих надежность в широком диапазоне условий и отвечающих значительно повышенным стандартам безопасности и чистоты, а килограмм его веса стоит теперь меньше, чем закуска в "Макдональдсе". Однако промышленность, которая выпускает автомобили, "исчерпала себя", и основная концепция конструкции нуждается в пересмотре. Продавцы автомобилей борются за любую малейшую нишу на рынке, близком к насыщению; их теперь покупают через Интернет подобно канцелярским товарам, и большинство торговых агентов продает новые автомобили с убытком для себя. К середине 90-х годов промышленность стала, по существу, умирающей с точки зрения внедрения новшеств. Как отметил Джеймс Вомак. "вы понимаете, что промышленность находится в застое, если самое большое новшество прошлого десятилетия состоит в увеличении количества вешалок для шляп"2. В сущности, все достижения в эффективности, чистоте и безопасности автомобиля были незначительными и представляли собой лишь реакцию на ограничения, придуманные социальными активистами. В процессе конструирования автомобили стали тяжелее, сложнее и, как правило, дороже. Всё это - безошибочные признаки того, что автопромышленность созрела для перестройки. В 90-х годах революционные достижения в электронике, программном обеспечении, материалах, технологиях, вычислительной технике и в других областях сделали возможным спроектировать автомобиль, который легко преодолеет все ограничения обычных автомобилей.

Современный автомобиль, после ста лет усовершенствований, поразительно неэффективен. Из энергии топлива, которое он потребляет, по меньшей мере 80% теряются, в основном на



1 Те, кому не нравится это фирменное название Института Рокки Маунтин. могут называть такой антомобиль "сверхлегким гибридом".

2 Частное сообщение Вомака 23 февраля 1УУ9 г.

\048\


нагревание двигателя и выхлоп, так что только 20% фактически используются для вращения колес. Из результирующей силы 95% тратятся на перемещение самого автомобиля и лишь 5% - на перемещение водителя, пропорционально его массе. 5% от 20%, т.е. 1% - неутешительный итог для американских автомобилей, которые сжигают за год количество бензина, равное их собственному весу.

Обычный автомобиль тяжел, он сделан главным образом из стали, имеет много выступов, кромок и швов, которые делают поток воздуха, обтекающий автомобиль, турбулентным. Большой вес передается на шины, что ведет к непроизводительным затратам энергии на трение и нагревание. На автомобиле установлен двигатель внутреннего сгорания, механически соединенный с колесами. Полное перепроектирование автомобиля с введением трех коренных изменений в его конструкцию могло бы сохранить по крайней мере от 70 до 80% топлива, которое расходуется в настоящее время, сделав в то же время автомобиль более надежным, спортивным и удобным. Эти три изменения таковы:

1. Создать сверхлегкое транспортное средство, с массой в 2-3 раза меньшей, чем у стальных автомобилей.

2. Снизить до предела лобовое сопротивление, тогда автомобиль сможет "скользить" в воздухе и катиться по дороге в несколько раз легче.

3. После выполнения 1 и 2 условий сократить в 2-3 раза мощность, необходимую для перемещения транспортного средства, установив на нем "гибридно-электрическую" двигательную установку.

В гибридно-электрическом приводе колеса вращаются в значительной степени или полностью одним или несколькими электродвигателями; но электричество не запасается в тяжелых батареях, перезаряжаемых во время стоянки (как у полностью аккумуляторных электрических транспортных средств), а производится на борту из топлива по мере необходимости. Это может быть достигнуто многими способами; электрический генератор можно приводить в движение эффективным бензиновым двигателем, дизелем, двигателем Стирлинга (внешнего сгорания) или газовой турбиной. Другой путь генерирования электроэнергии -батарея топливных элементов, т.е. твердотельных устройств без Движущихся частей и без сгорания. Такие элементы бесшумно, эффективно и надежно преобразуют водород и воздух в электричество и горячую воду, без всяких вредных выбросов [6071.

Электрический двигатель обладает многими преимуществами. Он может преобразовывать 90% произведенного электриче-

\049\


ства в тягу. Электрический двигатель не потребляет энергию, когда транслортное средство движется на холостом ходу или накатом. Электродвигатели легки, просты (они содержат только одну движущуюся часть), безопасны, недороги при массовом производстве и способны даже при низких скоростях обеспечить высокий крутящий момент-двигатель размером с кулак дает несколько лошадиных сил в непрерывном режиме или приблизительно десять лошадиных сил в течение короткого времени. Наконец, двигатель, который использует электричество, чтобы ускорить движение автомобиля, может также работать как генератор, производя электроэнергию при замедлении. Энергия, возвращенная при таком регенеративном торможении, может многократно использоваться, а не тратиться впустую, как это имеет место при механическом торможении1.

Сверхлегкие автомобили с гибридным двигателем могут быть долговечными и потенциально будут стоить меньше, чем традиционные автомобили. Сочетание лучших сегодняшних технологий позволяет создать семейный легковой автомобиль с кузовом типа "седан", спортивный или пикап, который соедишп в себе комфорт "Лексуса", прочность "Мерседеса", безопасность "Вольво", приемистость БМВ, цену "Тауруса", четырех-восьми-кратную экономию топлива (т.е. до 3-1,2 л на 100 км), пробег от 1000 до 1300 км между дозаправками топливом и нулевые выбросы. На реализацию такой конструкции может потребоваться от одного до двух десятилетий, но все необходимые технологии существуют уже сегодня [62, 73, 74, 119, 124. 200, 347. 353, 374, 397-400,607].

Гиперавтомобиль может также десятикратно уменьшить каждый из четырех ключевых параметров производства. Это -время, которое требуется для превращения эскизного проекта в новый серийный автомобиль, инвестиции в производство (которые являются главным барьером для новых фирм или моделей, выходящих на рынок, и главным фактором финансового риска автомобилестроителей), место и время, необходимые для сборки, и число деталей кузова или всего автомобиля. Взятые вместе, они дали бы первым производителям значительный экономический выигрыш в промышленности, оперирующей триллионами долларов.

3 Электроэнергия обычно может запасачься на нремя it относительно небольших легких приборах, предназначенных для выравнивании нагрузки. Эти буферные устройства также сглаживают колебания между периодами, когда электроэнергия генерируется и когда она используется, т.е. служат разнязкой между двигателем и ходовой частью, что даст возможность уменьшить размеры двигателя.

\050\


Чтобы успешно вывести гиперавтомобиль на рынок, не нужны новые налоги на бензин или правительственные стандарты. Излишними станут опасения многих участников экологического движения и надежды нефтедобытчиков на резкий и долговременный рост цен на нефть. (Такое повышение цен маловероятно по двум причинам. Во-первых, существует жесткая конкуренция с другими способами производства или сохранения энергии. Во-вторых, подобно ценам на любой товар, цены на нефть менялись совершенно случайным образом по крайней мере 118 лет [347], а никакая важная социальная цель не должна зависеть от случайной величины). Наконец, гиперавтомобили не будут маленькими, тихоходными или ненадежными; наоборот, как безупречное и действительно превосходное изделие, они найдут своих покупателей по той же самой причине, по которой люди покупают компакт-диски вместо виниловых грампластинок.

По этим причинам в течение 1993-1998 гг. частный сектор инвестировал приблизительно Э млрд долл. на разработки концепции гиперавтомобиля. Это привело к быстрому успеху4. В апреле 1997 г. компания "Даймлер-Бенц" объявила о совместном проекте с канадской фирмой "Баллард" стоимостью 350 млн долл., нацеленном на создание двигателя на водородных топливных элементах. "Даймлер" заложил ежегодное производство 100 000 таких транспортных средств к 2005 г., что составит седьмую часть общего текущего производства. Шестью месяцами позже президент фирмы "Тойота" заявил, что готов побиться об заклад, что гибридно-электрические автомобили захватят одну треть мирового рынка автомобилей к 2005 г.

В декабре 1997 г., на десять лет раньше, чем ожидало большинство аналитиков, "Тойота" представила гибридно-электрический легковой автомобиль "Прайс" с кузовом типа "седан". Он лидировал на инновационной автомобильной выставке в Токио, выиграв два приза "Автомобиль Года". Представив "Прайс" на японский рынок по цене более 16 000 долл., фирма продала автомобили, выпущенные за два месяца, в первый же день. Тем временем "Форд1' добавил более 420 млн. долл. к сделке "Даймлера-Балларда" по топливным элементам. В следующем месяце компания "Дженерал Моторс" ответила на этот вызов, выставив на Детройтской автомобильной выставке три экспериментальных четырехместных гибридных модели (газотурбинную, дизельную и на топливных элементах) на базе своего аккумуляторного электромобиля EV-1. "Дженерал Моторс" обещала подготовить производство гибридной версии в 200! г. и версии на топливных элементах к 2004 г.

Хронологию можно найти по адресу: www.hypercarccntcr.org

\051\

Automotive News (Автомобильные новости) сообщили, что готовый к продаже "Форд Р2000" - облегченный на 40% алюминиевый легковой автомобиль с кузовом типа "седан", гибридные версии которого с расходом топлива 3,4-3,8 л на 100 км были опробованы ранее, - появится в продаже в 2000 г. "Крайслер" показал легкие, дешевые автомобили на основе литых композитен, одна из гибридных моделей характеризуется расходом топлива 3,4 л на 100 км.



В феврале 1998 г. президент компании "Фольксваген" Фердинанд Пич (чей дедушка Фердинанд Порше изобрел гибридно-электрический двигатель в 1900 г.) заявил, что его компания готова начать полномасштабное производство автомобиля с расходом 3 л на 100 км, а позднее перейти на модели с расходом 2 и затем 1 л на 100 км.

Действительно, весной 1998 г. по крайней мере пять автомобилестроителей планировали производство автомобилей с расходом 3 л на 100 км.

В середине 1998 г. "Тойота", продолжая расширять производство модели "Прайс", чтобы удовлетворить спрос и подготовиться к выпуску модели н 2000 г. на рынки США и Европы, обнародовала план представить на рынок к 2002 г. автомобили на топливных элементах. В октябре 1998 г. "Дженерал Моторс" подтвердила, что комбинация топливных элементов и электропривода имеет "больший потенциал, чем любая другая известная двигательная установка". В ноябре 1998 г. "Хонда" объявила, что гибрид с расходом 3,4 л на 100 км появится на рынке США осенью 1999 г. т.е. на год раньше, чем "Прайс".

Эти новинки - предшественники технологической, рыночной и культурной революции [62], которая приведет к пересмотру взглядов не только на то, на чем и сколько мы двигаемся, но и на функционирование мировой экономики. Гиперавтомобили могут в итоге ознаменовать собой конец сегодняшних автомобильной, нефтяной, сталелитейной, алюминиевой, электроэнергетической и угольной отраслей промышленности и рождение новых, более экономически эффективных отраслей.

В конечном счете гиперавтомобиль воплотит в себе четыре различных элемента естественного капитализма. Его конструкция включает многие формы повышенной производительности ресурсов. Материалы, из которых он изготовлен, использовались бьт в замкнутых циклах, с ограниченной или нулевой токсичностью и высокой долговечностью. Гиперавтомобили, по-видимому, будут чаще не продаваться, а сдаваться в аренду, возможно даже как часть разносторонне развитой "службы движения". Прямое и косвенное преобразование энергопотребления и производства материалов, обсуждаемое ниже, делает гиперавтомо-

\052\


биль мощным средством обратить вспять эрозию естественного капитала, и, в частности, остановить глобальное потепление, особенно если объединить новое автомобилестроение с разумной политикой в области транспорта и землепользования, что обеспечит людям подвижность без необходимости обладать автомобилями. Так что же такое гиперавтомобиль?

На пути к эффективности

Чтобы устранить потерю 99% энергии автомобиля на пути от заполненного бензобака до перевозки водителя, нужно рассмотреть два фундаментальных недостатка конструкции: транспортное средство приблизительно в 20 раз тяжелее, чем водитель, а двигатель приблизительно в 10 раз мощнее, чем требуется для обычного движения. Оба эти недостатка - результат первоначального выбора Генри Форда, который поставил своей целью массовый выпуск доступного автомобиля, и для осуществления этой цели машины начали делать в основном из стали. Для быстрого разгона такого тяжелого автомобиля требуется мощный двигатель. Но автомобиль в действительности нуждается только в шестой части имеющейся мощности при движении по шоссе. Еще меньшая мощность требуется в городе. Результат мало чем отличается от участия спортсмена весом в 140 кг в марафонском забеге: расхождение между большой выходной мощностью двигателя и умеренными средними нагрузками уменьшает коэффициент полезного действия вдвое. Сталь - отличный материал, если вес не имеет значения или выгоден, но в автомобиле это не так. Эффективный автомобиль, как и хороший самолет, не может быть сделан из стали. И если автомобиль по своей конструкции больше похож на самолет, чем на танк, то благодаря законам физики начинают происходить удивительные вещи.

В Детройте долго занимались повышением коэффициента полезного действия трансмиссии, т.е. старались увеличить долю энергии топлива, которая преобразуется двигателем в крутящий момент и затем передается к колесам. Но есть лучшее решение. Концепция гиперавтомобиля подходит к проблеме с другой стороны, прежде всего уменьшая мощность, которую необходимо подвести к колесам. Чтобы подвести к колесам обычного автомобиля энергию, равноценную сгоранию 1 л бензина, нужно в действительности сжечь 5-7 л топлива, поэтому повышение эффективности использования энергии, подводимой к колесам, снижает потери и, следовательно, обеспечивает значительную экономию топлива.

\053\


Мощность, необходимую для движения автомобиля, можно систематически уменьшать тремя способами. В городе, при движении по обычным дорогам, примерно одна треть мощности используется на разгон автомобиля, а затем теряется на разогрев тормозов, когда автомобиль останавливается. Другая треть мощности тратится на нагревание примерно 6-7 т воздуха, который автомобиль должен расталкивать при своем движении - это так называемое "аэродинамическое сопротивление". Последняя треть мощности нагревает шины и дорогу в результате преодоления сопротивления качению. Следовательно, ключ к проектированию эффективного автомобиля - сокращение всех этих потерь.

Кузов, отлитый из углеродных композитов, может уменьшить массу в 2-3 раза. Это пропорционально снижает потери на торможение и сопротивление качению, а также размер двигательной установки, требуемой для достижения заданного ускорения. Простые обтекаемые детали, в частности плавная форма задней части автомобиля и несколько уменьшенная лобовая поверхность, могут сократить воздушное сопротивление примерно на 40-60% без ограничения стилистического разнообразия. Уменьшение массы транспортного средства вместе с применением шин удвоенной эффективности, которые уже появились на рынке, может сократить сопротивление качению примерно на 66-80%5. Вместе эти изменения помогут в 2-3 раза сократить мощность, необходимую для перемещения автомобиля и пассажиров и, следовательно, в несколько раз уменьшить расход топлива для обеспечения этой мощности.

В середине 80-х годов многие автомобилестроители продемонстрировали концептуальные модели автомобилей, выполненные вручную для испытания новых идей. Они вмещают от четырех до пяти пассажиров и весят всего 450 кг, т.е. в 3 раза меньше, чем средний новый автомобиль в США сегодня. С традиционным двигателем они в 2—4 раза эффективнее сегодняшнего среднего нового автомобиля и изготовляются из легких металлов, например алюминия и магния. Те же самые результаты теперь получить еще проще, заменив штампованный металлический корпус на корпус, отлитый из композитов, армированных углеродом, кевларом, стеклом и другими сверхпрочными волокнами. Такие усовершенствованные композитные автомобили первоначально

5 Сконструированные фирмой "Дженерал Моторс" для аккумуляторных электромобилей марки EV-1, эти шины высокого давления имеют хорошее сцепление с дорожным покрытием несмотря на малый нес ант омобиля благодаря тому, что они более узкие (поэтому давление в области контакта не уменьшается) и содержат специальные добавки для улучшения сцепления, например, кварц.

\054\


весили приблизительно 700 кг для шестиместной модели, сравнимой по объему с полуторатонным "Таурусом" Форда. В дальнейшем их массу возможно удастся снизить до 600 кг или даже меньшей величины. Типичный четырех-пятиместный легковой автомобиль с кузовом типа "седан" может весить еще меньше.

Особое внимание, уделяемое созданию сверхлегкого автомобиля, приносит свои плоды, потому что экономия веса окупается. При облегчении тяжелого автомобиля на 1 кг его масса фактически уменьшается на 1,5 кг, так как требуются более легкие рама и подвеска, чтобы поддерживать эту массу, меньший двигатель, чтобы перемещать автомобиль, менее мощные тормоза, чтобы остановить его, и меньшее количество топлива для питания двигателя. Экономия 1 кг в сверхлегком автомобиле снижает его массу еще больше, потому что компоненты транспортного средства не просто уменьшаются в размерах, а могут даже стать ненужными. Например, рулевой привод с усилителем и мощные тормоза не нужны для управления таким легким транспортным средством. Гибридный электропривод становится маленьким и достаточно дешевым, что особенно привлекательно в таком легком автомобиле, а это в свою очередь позволяет отказаться от сцепления, трансмиссии, карданного вала, универсальных шарниров, осей, дифференциала, стартера, генератора переменного тока и т.д. Специфические характеристики сверхлегкого корпуса и остекления могут также сочетаться с новаторскими методами уменьшения шума и обеспечивать комфорт, освещение и другие дополнительные удобства при уменьшении энергии и массы в несколько раз.



Сделать легкий автомобиль безопасным

Генри Форд сказал, что легкий человек способен победить тяжелого человека: вес — не есть предпосылка силы. Современные композиты подтверждают эту истину: испытания при столкновении с препятствием показали, что новаторские сверхлегкие конструкции по крайней мере столь же безопасны, как стандартные автомобили, даже при столкновениях на большой скорости с опорами моста или с тяжелыми стальными транспортными средствами. Композиты столь необычно прочны, что они могут поглощать в 5 раз больше энергии на единицу массы, чем сталь. Примерно 5 кг полых конусов из пластика, армированного углеродными волокнами, могут при своем разрушении плавно поглотить полную энергию 500-килограммового автомобиля при ударе о стену на скорости 80 км/час.

\055\

Такие качества позволяют по-новому подойти к конструированию систем безопасности, которые сводят на нет недостаток массы сверхлегкого автомобиля при столкновении с тяжелыми транспортными средствами.


Каталог: resurs -> conspcts -> all2014
all2014 -> Наши в зарубежном авиастроении doc
all2014 -> Lubishvk doc Конспект книги
all2014 -> Чирков Юрий Георгиевич. Дарвин в мире машин. Изд. 2-е, испр и доп. М.: Ленанд, 2012. 288с
all2014 -> Книга посвящена обоснованию природы языкового знака. Не раскрыв сущность языкового знака, не познать и механизм взаимодействия языка с мышлением, речью, текстом, действительностью
all2014 -> В. Г. Шухов выдающийся инженер и ученый
all2014 -> Посвящается
all2014 -> Концептуальный анализ и проектирование Введение в аппарат ступеней и его применение Концепт Москва 2010 Серия «Концептуальный анализ и проектирование»
all2014 -> Чаянов Б. А. Воспоминания о Физтехе


Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24




©dereksiz.org 2020
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет