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



бет5/24
Дата15.06.2016
өлшемі2.66 Mb.
түріКнига
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24


Миллионы зрителей наблюдали в программе новостей столкновения гоночных автомобилей "Инди-500" со стенами. Это -сверхлегкие автомобили на основе углеродных волокон; их части сконструированы так, чтобы рассеивать энергию удара при смятии или разрушении. Несмотря на то что они подвергались воздействию удара с энергией, во много раз превосходящей энергию при столкновениях на шоссе, корпус автомобиля и защитные устройства для водителя обычно предотвращали серьезный ущерб. Гиперавтомобили сочетают качества материалов е удачной конструкцией, которая выдерживает самые разнообразные дорожные происшествия. Образно этот подход можно описать как "человека, погруженного в пену, окруженного сверхпрочной скорлупой, обернутого пористым упаковочным материалом". Сверхлегкие автомобили обеспечивают защиту их собственных пассажиров и представляют меньшую опасност], для пассажиров других транспортных средств при столкновении. Это путь к прекращению "гонки вооружений", которая характеризуется появлением всё более тяжелых "колесниц". Дополнительные средства безопасности, в том числе четыре ведущих колеса, отсутствие участков обзора, закрытых для водителя, на всегда сухих электронных зеркалах заднего вида и легкость управления снижают вероятность несчастных случаев.

Экономика сверхлегкости

Гиперавтомобили обязаны многими из своих преимуществ отказу от почти столетнего опыта использования конструкций, основанных на стали. Этот отказ мог бы поначалу показаться донкихотством. Сталь повсеместно распространена и всём знакома, её технологии высоко развиты. Современный стальной автомобиль, по оценкам экспертов, удовлетворяет часто находящимся в противоречии друг с другом требованиям - быть эффективным, однако относительно безопасным, мощным, однако относительно экологически чистым. Большинство автомобилестроителей всё еще полагает, что только сталь достаточно дешева для доступных автомобилей и что альтернативные конструкции, например на основе углеродных волокон, непреодолимо дороги. Однако история индустриального общества богата примерами, когда стандартные материалы быстро замещались новыми. В США ку-

\056\

зова автомобилей еще в 1920 г. на 85% состояли из дерева, а уже в 1927 г. - на 70% из стали. Детройтские руководители, которые полагают, что полимерные композиты никогда не найдут места в автомобильной промышленности, возможно во время своих уи-кендов катаются на катерах из композита на основе стекловолокна и полиэстера. Синтетические материалы уже доминируют в строительстве катеров и яхт и быстро завоевывают позиции в аэрокосмической промышленности. Логически, автомобили -следующие на очереди, потому что новые методы производства и новое мышление в экономике создания транспортного средства в целом позволяют сделать следующий вывод: сталь - дешевый материал, но делать из него автомобили дорого, в то время как углеродные композиты - дорогостоящий материал, но делать из него автомобили дешевле.



Углеродные волокна - черные, блестящие, жесткие нити тоньше человеческого волоса. По плотности они в 4 раза легче стали, но более жесткие и прочные. В 1995 г. 1 кг углеродного композита стоил приблизительно в 20 раз дороже, чем 1 кг стали. В ближайшие годы это отношение может уменьшиться до 12. Но если ориентировать углеродные волокна должным образом и переплести их, чтобы распределить напряжения, то такая же прочность и жесткость, что и у стали, может быть достигнута с меньшей в 2 или 3 раза массой углеродных волокон, погруженных в прочную полимерную "матрицу". Всё это вместе и есть композит. Более того, во многих случаях применения волокна из стекла и кевлара столь же хороши как углерод или лучше его и к тому же в 2-6 раз дешевле. Комбинации разных волокон обеспечивают огромную гибкость конструкции и её точное соответствие требованиям к данной детали. Композиты также дают возможность использовать облегченную конструкцию кузова, в том числе совершенно бескаркасную, (подобно яйцу, скорлупа которого играет и роль каркаса). её чрезвычайная жесткость улучшает управляемость и безопасность. (Если вы сомневаетесь в прочности тонкого, жесткого, бескаркасного кузова, попробуйте есть омара или клешню краба без специальных инструментов.) Такие проекты позволяют сэкономить дорогостоящие материалы - требуется лишь около 450 кг углеродных волокон на автомобиль.

Углеродные волокна, даже если их расходовать бережливо, всё еще выглядят слишком дорогими в расчете на 1 кг. Но стоимость 1 кг — неправильное основание для сравнения, потому что автомобили продаются штуками, а не на вес, и должны производиться из соответствующего сырья. Только приблизительно 15% от стоимости типичной стальной автомобильной детали - это не-

\057\

посредственная стоимость стали; остальное - стоимость штамповки, сварки и обработки. В отличие от этого детали из композитов и других литых синтетических материалов отливаются в готовом виде и не требуют обработки. Даже очень крупные и сложные узлы могут быть отлиты целиком. Композитный кузов собирается приблизительно из 5-20 частей, в то время как стальной кузов состоит из 200-400 деталей. Для изготовления каждой из этих сотен стальных деталей необходимы в среднем четыре пресс-формы из инструментальной стали, каждая из которых обходится в 1 млн долл. Полимерные же соединения отливаются в готовом виде за один шаг с использованием пресс-форм низкого давления, которые можно сделать даже из эпоксидной смолы с защитным покрытием. Затраты на обработку снижаются на 90%. Большая экономия достигается на следующих этапах производства после изготовления кузова - затраты труда на сборку и необходимые рабочие площади уменьшаются примерно на 90%. Легкие и удобные в обращении детали можно поднимать без лебедки. Они точно подгоняются друг к другу без дополнительной обработки и соединяются с помощью сверхпрочного клеи вместо использования сотен сварочных автоматов. Окраска — самый дорогостоящий, наиболее сложный и грязный этап производства, который составляет от четвертой части до половины общей конечной стоимости окрашенных частей стального кузова, - может быть устранена добавкой красителя в расплав композита. Вместе эти преимущества могут сделать углеродное волокно конкурентоспособным в производстве кузовов автомобилей [348. 353, 374]. Различия между использованием стали и композитов проявляются на каждом этапе производства. Для обычной новой модели автомобиля тысяча инженеров расходует год на проектирование и год на изготовление оборудования стоимостью в 1 млрд долл. - целое футбольное поле стальных пресс-форм размером с автомобиль. На возмещение их стоимости уходят годы, даже десятилетия. Этот негибкий набор инструментов в свою очередь требует огромных эксплуатационных расходов и увеличивает финансовые риски, поскольку продолжительность цикла производства значительно превосходит срок надежного прогнозирования рынка. Дели изделие терпит неудачу на рынке, огромные инвестиции фактически теряются. В отличие от этого несложные инструментальные средства для производства гиперавтомобилей можно изготовить за сутки. Стратегия гиперавтомобиля построена на использовании труда малочисленных бригад проектировщиков, дешевом массовом производстве, высокой рентабельности, быстрой экспериментальной проверке и диверсификации новой модели и большой гибкости всего процесса. Комбинация



\058\

низкой капиталоёмкости и быстрых циклов изготовления характеризуется меньшим финансовым риском, объединением процессов, отработанных по отдельности и с большей чистотой и безопасностью для рабочих [73, 74, 353].



Гибридный электрический двигатель и революция водородных топливных элементов

Гиперавтомобили, как и аккумуляторные электрические автомобили, используют очень эффективные электродвигатели для вращения колес и возможность вернуть значительную часть энергии торможения для повторного использования. Однако гиперавтомобили отличаются от аккумуляторных электрических автомобилей не только значительно меньшей массой, но также и источником электроэнергии. Несмотря на последние достижения, батареи, подзаряжаемые в сети станций обслуживания, остаются слишком тяжелыми, дорогостоящими и не позволяют запасти достаточную энергию для движения на большие расстояния. Аккумуляторные электрические транспортные средства, как заметил профессор Ван дер Кох из Дельфтского университета, -это "автомобили, которые перевозят в основном батареи, но не очень далеко и не очень быстро, - иначе им потребовалось бы еще больше батарей".

Поскольку бензин и другие жидкие топлива содержат в 100 раз больше полезной энергии на 1 кг веса, чем батареи, поездки на большие расстояния лучше всего совершать, запасая энергию в форме топлива, а затем преобразовывая её по мере необходимости в электроэнергию с помощью маленького бортового двигателя, турбины или топливного элемента. Гибридный двигатель - маленький и благодаря своему размеру может быть установлен ближе к типичным потребителям тягового усилия, так как его не требуется непосредственно связывать с колесами и он постоянно работает в условиях, близких к оптимальным. В результате современная гибридно-электрическая система привода весит в 3 раза меньше, чем полтонны батарей, необходимых для аккумуляторного электрического автомобиля, а её способность временно запасать энергию должна составлять лишь несколько процентов от аналогичного показателя аккумуляторного автомобиля. Таким образом, гибриды обладают всеми преимуществами электрического двигателя, отвечающего требованиям нулевых выбросов, принятым в штате Калифорния, но без недостатков батарей.

\059\


В зависимости от выбора бортовой силовой установки гиперавтомобили могут использовать бензин или любое чистое альтернативное топливо, включая жидкости, произведенные из отходов сельского хозяйства и лесозаготовок [364]. Такого "биогорючего" достаточно, чтобы обеспечить очень эффективную систему транспорта в США без выращивания специальных культур или добычи ископаемых углеводородов. Сжатый природный газ или водород также удобно использовать в качестве топлива в таких эффективных автомобилях, потому что даже маленький, легкий, недорогой бак может содержать достаточно газового топлива для продолжительного движения, особенно, если это топливо - водород и он используется в топливных элементах, очень высокий КПД которых увеличивает и КПД самого транспортного средства.

Но самое большое достижение гипсравтомобилей может состоять в преобразовании не только автомобильной, нефтяной, сталелитейной и алюминиевой отраслей промышленности, но также и угольной промышленности, и энергетики. Причина этого заключается в том, что самый чистый и наиболее эффективный известный способ питания гиперавтомобиля - водородный топливный элемент. Технология, изобретенная в 1839 г., лишь в 90-х годах XX в. совершила крупный прорыв, обеспечивший её широкое распространение.

Вам уже знаком принцип действия топливного элемента, если в кабинете химии средней школы Вы проводили эксперимент по пропусканию электрического тока через воду в пробирке. При этом вода расщеплялась на пузырьки водорода и кислорода. Этот процесс получил название "электролиза". В топливном элементе тот же самый процесс просто протекает в обратном направлении: на тонкой пластиковой мембране с напыленным слоем платины6 кислород (обычно в составе воздуха) соединяется с водородом. В результате образуются электричество и чистая горячая вода, и больше ничего. Нет никакого сгорания. Электрохимический процесс, родственный процессам в аккумуляторе, но использующий непрерывный поток топлива, является бесшумным, стабильным и наиболее эффективным и безопасным из известных способов превратить топливо в электричество в любом масштабе - от слухового аппарата [459] до фабрики. Моряки на подводных лодках и астронавты пьют воду, являющуюся побоч-

6 Мы упоминаем здесь о топливных элементах на основе протоно-обменных мембран, поскольку они обещают стать очень дешевыми при больших объемах производства. Еще ряд типов топливных элементен находятся в промышленной или огп.п-пой эксплуатации, и некоторые из них также могут оказаться недорогими. См. [K5J. а по общим вопросам перехода к водороду - [362J.

\060\


ным продуктом топливных элементов. Опубликованы фотографии мэров Ванкувера и Чикаго, которые пьют воду, вытекающую из выхлопных труб автобусов на топливных элементах. Эти автобусы находятся в пробной эксплуатации.

Для конкурентоспособного использования s гиперавтомобилях топливные элементы должны стать дешевле, что и произойдет, если они будут подготовлены для массового производства и начнут производиться в достаточных количествах. Топливные элементы используют умеренное количество относительно простых (хотя и высокотехнологичных) материалов и потенциально намного проще в изготовлении, чем, скажем, автомобильные двигатели с их тысячей перемещающихся металлических частей. Это - трюизм современного производства, проверенный на широком диапазоне изделий: каждое удвоение объема суммарного производства обычно удешевляет производимые товары приблизительно на 10-30%. Есть все основания предположить, что топливные элементы ожидает та же участь. В 1998 г. прототипы топливных элементов, изготовленные вручную докторами наук, стоили около 3000 долл. за киловатт. На начальном этапе массового производства стоимость киловатта, возможно, снизится до 500-800 долл., а еще через несколько лет, по мере расширения производства и улучшения конструкции, - до 100 долл. Это лишь в несколько раз выше, чем стоимость сегодняшнего генератора, работающего от бензинового двигателя (а ведь они совершенствовались более ста лет), примерно в 10 раз дешевле электростанции, работающей на каменном угле, и в несколько раз дешевле одних лишь проводов, которые подводят энергию этой станции к вашему долгу, где могли бы располагаться топливные элементы. Когда топливные элементы начнут производить и очень больших объемах, они могут стать чрезвычайно дешевыми, возможно, меньше 50 долл. за киловатт7, что в 5-10 раз дешевле стоимости энергии сегодняшних самых дешевых электростанций. Большинство автомобилестроителей понимают, что они должны достигнуть таких низких затрат прежде, чем топливные элементы смогут конкурировать с двигателями внутреннего сгорания. Однако гиперавтомобили так легки и аэродинамически совершенны, что нуждаются в меньшем уровне мощности, меньшем числе киловатт, поэтому для них приемлемы затраты около 100 долл. за киловатт, и на гиперавтомобилях применение топливных элементов может начаться раньше [607].



6 Ряд независимых исследований (например, [335]) на основе стандартных технологий дают цены 20-35 долл. за киловатт для батарей топливных элементов. При упрощенных технологиях эти цены возрастут незначительно.

\061\


Достаточный объем производства, чтобы достигнуть стоимости 100 долл. за киловатт, легко обеспечить, применяя топливные элементы сначала в зданиях - это огромный рынок, который потребляет до двух третей всей электроэнергии Америки. Начинать со зданий имеет смысл потому, что топливные элементы могут превратить 50-60% энергии водорода в высоко надежное, первоклассное электропитание, а остальную часть - в воду, нагретую примерно до 60 °С. Это - идеальная температура для систем обогрева, охлаждения и осушения. В типичном квартале это помогло бы заплатить за природный газ и топливный процессор* для преобразования газа в то, в чем нуждается топливный элемент — в водород. Таким образом, расходы на топливо будут в значительной степени скомпенсированы, и электричество даже от несовершенных топливных элементов должно быть достаточно дешевым, чтобы конкурировать с эксплуатационными расходами существующих тепловых и атомных электростанций, не говоря уже о дополнительных расходах по доставке энергии, которые в 1996 г. составляли в среднем 2,4 цента за 1 квт-час [356]. Коммунальные службы, поставляющие электроэнергию или газ, могут сдавать в аренду и обслуживать топливные элементы наиболее эффективно, если они первоначально разместят их в зданиях тех районов, где электрические сети перегружены и необходимы дорогостоящие работы но их расширению, чтобы обеспечить возрастающий спрос, или где непревзойденные качество энергии и надежность топливных элементов важны для специальных применений, например, для питания компьютеров.

Если топливные элементы станут рентабельными и будут установлены в гиперавтомобиль, транспортное средство фактически станет чистой, бесшумной электростанцией на колесах с генерируемой мощностью от 20 до 40 от. В среднем американский автомобиль находится на стоянке приблизительно 96% времени, обычно в населенных местах. Представьте, что вы вносите ежегодную арендную плату приблизительно от 4000 до 5000 долл. за привилегию поездок на пашей "электростанции" в течение остальных 4% времени. Когда вы её не используете, вместо подключения вашего автомобиля к электрической сети для подзарядки, что необходимо для аккумуляторных автомобилей, вы будете её использовать в качестве генератора. Пока вы сидите за своим письменным столом, ваша силовая установка на колесах



8 Он состоит из реформсра - термохимического или чище каталитического реактора, который извлекает водород из углеводородного i-орючсго. - и устройств, удаляющих окись углерода, серу и другие примеси, которые способны огранить катализатор топлишюй ячейки.

\062\


посылает 20 квт электроэнергии в сеть. Вам автоматически засчитывают это производство энергии по текущей цене, которая выше всего в дневное время. Таким образом, ваш второй по величине, но ранее бесполезный предмет собственности теперь возмещает значительную часть арендной платы за него. Как только достаточное число людей воспользуется этим преимуществом, каменный уголь и атомные электростанции окажутся не у дел, потому что в конечном счете парк гиперавтомобилей в США мог бы обладать генерируемой мощностью, в 5-10 раз превышающей мощность энергосистемы страны.

Для автомобилей на топливных элементах часто высказываемые опасения относительно опасности водорода безосновательны. Хотя никакое топливо не свободно от потенциальной опасности, перевозка сжатого водорода в эффективном автомобиле фактически более надежна, чем перевозка резервуара с эквивалентным запасом бензина [1611. Скромный запас водорода [282] будет, как правило, содержаться в чрезвычайно прочном резервуаре из углеродного волокна. В отличие от пролитого бензина утечка водорода сопровождается его немедленным рассеянием, так как он очень летуч и быстро диффундирует. Хотя водород легко воспламеняется, для его зажигания требуется в 4 раза более богатая смесь в воздухе, чем для паров бензина. Чтобы водород взорвался, требуется в 18 раз более богатая смесь плюс нетипичная конструкция. Кроме того, водородное пламя не может обжечь вас, если только вы не находитесь внутри этого пламени, в отличие от горящего бензина и других углеводородов, чьи раскаленные частицы сажи испускают интенсивное тепловое излучение, которое может вызвать сильные ожоги на расстоянии. (Из-за уникальных характеристик горения газа никто не погиб непосредственно из-за водородного пламени в 1937 г. во время аварии дирижабля "Гинденбург". Некоторые погибли из-за возгорания дизельного топлива, другие выпрыгнули из воздушного корабля, но все 62 пассажира, которые остались в горящем дирижабле, спустились на землю целыми и невредимыми, хотя водородный огонь бушевал над их головами [35].)

Лишено оснований и другое типичное .возражение против автомобилей на водороде: ни один такой автомобиль нельзя продать, пока вся страна не будет обеспечена водородными заводами, трубопроводами и заправочными станциями, а всё это стоит сотни миллиардов долларов. Оборудование для заправки может быть создано существующими методами при существующих рынках на основе стратегии, которая будет выгодной на каждом этапе, начиная с сегодняшнего дня. Сначала автомобили на топливных элементах можно сдавать в аренду людям, которые работают в зданиях, где

\063\


топливные элементы уже установлены, или поблизости от этих зданий. Эти автомобили можно будет заправлять, используя излишки водорода, который топливные процессоры зданий производят в режиме холостого хода. Тем временем те же самые производимые серийно топливные процессоры начнут устанавливаться не только в зданиях. Такие "газозаправочные станции" могут быть более выгодными, чем бензозаправочные станции сегодня, и они не будут нуждаться в новой распределительной системе, поскольку будут использовать периоды холостого хода между пиковыми нагрузками в существующих распределительных системах природного газа и электричества. Конкуренция между этими источниками энергии вынудит снизить цены на водород до уровня, который позволит, как предсказывает компания Форд Моторс, победить бензин при его нынешней стоимости.

Водородное производство уже использует 3% природного газа США, в основном на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах [463. Р. 6-34]. Поскольку децентрализованное производство расширяет рынок для использования водорода топливными элементами в зданиях, на фабриках и в транспортных средствах, станут привлекательными централизованные методы производства и доставка по трубопроводам. Особенно выгодная возможность - преобразовывать природный газ прямо на скважине, где большой завод может выделять водород для поставки на оптовые рынки через новые или существующие трубопроводы. Профессор Роберт Уильяме из Принстонского университета указывает [608], что другой продукт процесса разделения, двуокись углерода, можно затем повторно нагнетать в газовое месторождение, повышая давление. Это поможет добывать почти столько дополнительного природного газа, чтобы оплатить обратное закачивание. Углерод был бы затем безопасно "изолирован" в газовом месторождении, которое может в типичном случае содержать примерно вдвое больше углерода в форме СО:. чем его первоначально содержалось в природном газе. Избыточные ресурсы природного газа - по крайней мере в течение двух столетий - могут таким образом чисто и эффективно использоваться в транспортных средствах на топливных элементах, а также в топливных элементах в жилых домах и производственных зданиях, без нанесения ущерба климату Земли. Поставщик водорода получил бы оплату трижды: за отправленный водород, за расширенное извлечение природного газа и за изолирование углерода в соответствии с Киотским протоколом. Эта возможность уже заставляет несколько главных нефтяных и газовых компаний переходить к добыче водорода. Использование электричества для расщепления воды с целью производства водорода также

\064\

может благотворно влиять на климат, если получать электричество из таких возобновляемых источников, как солнечные батареи или ветряные электростанции, которые могут часто обеспечивать значительно более высокую прибыль от продажи водорода, чем от продажи электроэнергии.



Чем шире будет использоваться водород, тем полнее будет удовлетворяться спрос на него из источников, не наносящих ущерба климату, - с помощью энергии ветра, из природного газа или биогаза и др. Конкуренция на розничном рынке будет высокой, потому что главные способы генерировать водород - против течения и по течению, т.е. с помощью электроэнергии или из природного газа. - будут вести борьбу за тех же самых потребителей. Технология, чтобы удовлетворить этот спрос, уже существует; остается решить задачу коммерциализации этой стратегии, производя достаточно топливных элементов, чтобы они стали дешевыми и применялись повсеместно. Список компаний, стремящихся добиться этого в ближайшие годы, напоминает справочник "Кто есть кто", включающий крупнейшие технологические и производственные фирмы всего мира.

Это сочетание технологий может уменьшить, с выгодой для всех, примерно на две трети выбросы диоксида углерода в Америке и в то же время сохранить подвижность, безопасность, характеристики и комфорт традиционных автомобилей. С помощью топливных элементов или без них лучшие гиперавтомобили и их разновидности - от суперэффективных автобусов и грузовиков |23, 357, 359, 5111 ДР гибридно-электрических мотоциклов9 и дешевого сверхлегкого рельсового транспорта10 - в конечном счете сохранят столько нефти, сколько ОПЕК (Организация стран экспортеров нефти) продает сейчас, причем цены на бензин снизятся и не будут иметь существенного значения для экономики. Благодаря гиперавтомобилям и другим новым способам выгодного замещения нефти в каждой из главных сегодняшних областей её использования нефть, вероятнее всего, станет неконкурентоспособной даже при низких ценах, прежде чем она станет недоступной даже по высоким ценам [350]. Подобно большей части каменного угля и всему урану, которые сейчас находятся в недрах Земли, нефть в конечном счете останется составной частью земной коры.


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