ЧАСТЬ I.
Пятьдесят примеров учетверения
производительности ресурсов
Глава 1.
Двадцать примеров революционных преобразований в использовании энергии
Люди привыкли говорить об «энергосбережении». Выражение «экономия энергии» имеет моралистический подтекст. Отец обычно убеждает своих детей выключать свет, выходя из комнаты, и никогда без нужды не оставлять работающими электрические приборы. В конце концов, расточительность не только стоит денег, но и всегда считалась грехом. Когда была осознана необходимость охраны окружающей среды, реакция со стороны правительств и поставщиков электроэнергии не отличалась изобретательностью: вы (выставляющие слишком большие требования люди) можете получить столько охраны окружающей среды, сколько захотите, если вы готовы радикально уменьшить ваши требования. Упрощенческое понятие о сбережении энергии путем добровольного самоограничения позволило руководителям избежать творческого решения вопроса об энергии.
В последние годы появилось новое выражение: «рациональное использование энергии». Употребление этого термина усиливает репутацию оратора: предполагается, что он компетентен в вопросах энергетики. Поэтому, хотя мы и не решаемся отвергнуть этот термин, он нас не устраивает. Он звучит так бюрократически, сложно и оборонительно. Он не доставляет никакой радости и непонятен, когда речь идет о связи между использованием энергии и технологическим прогрессом. Именно о технологическом прогрессе эта книга. Или скорее о переориентации технологического прогресса. Мы предпочитаем говорить об «энергетической производительности».
Сам по себе и в зависимости от условий, в которых вы находитесь, термин «производительность» может иметь положительный или отрицательный смысл. Это смешение значений — медвежья услуга экономистов, которые сузили термин до такой степени, что он означает только производительность труда. В прошлом производительность труда означала процветание, сегодня же она неизбежно связана с угрозой безработицы.
С другой стороны, энергетическая производительность — нечто, что все могут с радостью приветствовать. Практически никто от нее не проиграет.
Эта глава — о повышении энергетической производительности в четыре раза. Выражения «энергосбережение» или «рациональное использование энергии» просто недостаточны для того, чтобы передать соответствующий смысл жизнерадостной атаки на широко распространенных технологических динозавров. Понятие об «энергетической производительности» более соответствует поставленной задаче.
На первый взгляд может показаться, что, используя в качестве эталона «фактор четыре», мы исключаем значительную часть производства: выплавку алюминия, учитывая законы термодинамики, невозможно сделать в четыре раза более энергетически эффективной. То же справедливо и для производства хлора, цемента, стекла и некоторых других исходных материалов. Но нам не придется отказываться от потенциала «фактора четыре», которым обладают эти материалы. Алюминий и стекло в высшей степени пригодны для переработки, и такая переработка сэкономила бы большую часть энергии, необходимой для их производства из сырьевых материалов. Для некоторых конечных использований ряд материалов можно заменить другими, без какого-либо ущерба для производящего сектора, либо материалы могут быть использованы более целесообразно. Поэтому большинство применений металлов или стекла, с учетом всего срока службы, должно обеспечивать четырехкратное увеличение энергетической производительности.
В этой книге, однако, мы сосредоточим внимание на примерах с прямым потенциалом увеличения энергоэффективности в четыре с лишним раза. Начнем с примера, имеющего колоссальное значение для мирового энергетического баланса.
1.1. Гиперавтомобили: по США на одном топливном баке*
С 1973 по 1986 год средняя новая выпускаемая в США легковая автомашина стала в два раза экономичнее — с 17,8 до 8,7 литра бензина на 100 км. Около 4% экономии было получено благодаря изготовлению легковых автомобилей с уменьшенным размером салона, 96%— благодаря облегчению и улучшению конструкции; путем простого вырезания явно излишнего веса было сбережено 36%. С тех пор, однако, топливная экономичность возросла всего лишь примерно на 10%. В середине 1991 г. производители автомобилей заявляли, что к концу этого века без чрезмерных затрат или ухудшения технических характеристик реальными будут еще какие-нибудь 5— 10%.
Можем ли мы добиться лучших результатов?
Скромность этого заявления кажется странной по двум причинам. Во-первых, многие усовершенствования в производимых в массовых количествах и хорошо продающихся легковых автомобилях применяются далеко не всегда. Установлено, что полное внедрение всего лишь 17 таких усовершенствований помогло бы сэкономить еще 35% топлива, потребляемого, скажем, средним новым автомобилем выпуска 1987 г., без какого-либо изменения его размера, ходовых качеств или приемистости. Среди них назывались такие известные решения, как привод передних колес, четыре клапана на цилиндр, верхнее расположение распредвала и пятискоростная коробка передач. В данный список не вошли даже некоторые очевидные улучшения, например, отведение назад тормозных суппортов (как в тормозах мотоциклов) для того, чтобы колодки не прижимались к диску и не останавливали машину, когда водитель пытается заставить ее двигаться. Это улучшение до 5,36 л на 100 км обошлось бы только в 14 центов на сэкономленный литр — менее половины самой низкой сегодня цены на бензин в Америке, где он дешевле, чем вода в бутылках.
Пока производители автомашин сомневались в этих данных, «Хонда» подтвердила их выпуском в 1992 г. модели «Субкомпакт VX», давшей еще большую экономию — 56%, т. е. 4,62 л на 1-00 км, и с еще меньшими затратами (наибольшая экономия уже составляла 18 центов на литр). Этот автомобиль был на 16% экономичнее, чем прогнозируемый (уже после его создания!) Национальным исследовательским советом США малогабаритный автомобиль 2006 г.
Если такое отставание прогноза от реальных событий воспринималось как временное предубеждение, то второй довод в пользу того, чтобы считать, что мы можем сделать лучше, был просто очевиден. Все, что существует, возможно. В середине 80-х годов производители автомобилей создали десятку новых моделей, которые сочетали в себе довольно традиционные слагаемые и давали двойную или тройную экономию топлива. Эти легковые автомобили, рассчитанные на четыре-пять пассажирских мест, расходовали 1,7—3,5 л на 100 км при улучшенных параметрах безопасности, выбросов и ходовых качеств. Массовое производство по крайней мере двух моделей — «Вольво» и «Пежо» — стоило бы столько же, сколько производство сегодняшних автомобилей. Однако в США игнорировали это обстоятельство, считая, что упомянутые модели не отвечают американским стандартам, поскольку разрабатывались в Европе или Японии.
К середине 1991 г. в Институте Рокки Маунтин (ИРМ) сформировалась гораздо более радикальная концепция. Почему бы не перепроектировать автомобиль? Почему бы не пересмотреть его заново, начиная с колес, чтобы коренным образом упростить его? Эйнштейн говорил, что «все нужно делать максимально просто, но не упрощать». Автомобили же постепенно стали невероятно вычурными, с нагромождением одного «наворота» на другой, в попытках решения проблем, устранить которые можно в первую очередь благодаря улучшению конструкции.
Назад к основам
Новое изучение автомобиля как физической системы привело к поразительному выводу: инженеры в Детройте, Вольфсбурге, Каули и Осаке стали настолько узкими специалистами, что знали почти всео почти ни о чем; вряд ли кто-нибудь из них смог бы самостоятельно сконструировать автомобиль целиком. Терялась имеющая принципиальное значение взаимосвязь между элементами конструкции. Проектировщики слишком много думали о мелких деталях и слишком мало об автомобиле как о системе. Промышленность за скрупулезным вниманием к детали потеряла из виду технику создания цельной системы — технику, которая чрезвычайно проста и именно поэтому очень трудна.
На деле автомобильная промышленность в течение десятилетий целенаправленных усилий конструировала автомобиль, если так можно выразиться, задом наперед. Примерно 80—85% энергии топлива теряется до того, как она доходит до колес, и в конечном итоге только около 1% энергии используется для движения. Почему? Да потому, что машина делалась из тяжелой стали, и чтобы разогнать такую махину, требовался настолько большой двигатель, что основную часть времени он работал почти вхолостую. Использовалась такая крохотная часть его мощности, что коэффициент полезного действия двигателя уменьшался вдвое. Производители стали привносить дополнительные усложнения, чтобы выжать чуть больший к.п.д. из двигателя и трансмиссии (карданная передача). Были достигнуты и продолжают достигаться впечатляющие успехи, но экономия мала, а затрачиваемые усилия огромны.
Но посмотрим на машину с другой стороны. Что происходит с 15— 20% энергии топлива, которой действительно удается «добраться» до колес? При езде по ровной дороге в городских условиях примерно треть идет на нагревание воздуха, сопротивление которого преодолевает машина (эта величина возрастает до 60—70% на скоростных автомагистралях), треть нагревает шины и дорогу и треть — тормоза. Каждая единица энергии, сэкономленная за счет преодоления этих фатальных недостатков, в свою очередь, сэкономила бы примерно от пяти до семи единиц энергии топлива, которое не нужно было бы подавать в двигатель для того, чтобы она добралась до колес! Таким образом, вместо того, чтобы сосредоточивать усилия на устранении одной десятой процента потерь в карданной передаче, конструкторы должны поставить во главу угла сбережение энергии путем создания принципиально более экономичного автомобиля.
Стратегия сверхлегкости
Использование сверхпрочных и вместе с тем сминаемых при аварии, ударогасящих материалов (главным образом, современных композитов) помогло сделать автомобиль, рассчитанный на четыре-пять пассажиров, в 3 раза легче. Он весит всего 473 кг. Улучшенный дизайн в 2—6 раз повысил аэродинамические свойства его обтекаемого профиля. Покрышки лучшего качества при меньшем весе машины уменьшили износ резины в 3—5 раз. Автомобиль проектировался не как танк, а скорее как самолет.
«Сверхлегкая» стратегия уже претворена в жизнь. В конце 1991 г. «Дженерал моторс» представила свою разработку сверхлегкого четырехместного автомобиля «Алтралайт» из углеродволоконного композита. Модель экономична, безопасна, отличается прекрасным комфортом, изяществом отделки, а также высокими спортивными характеристиками (разгон от 0 до 100 километров в час за 8 секунд), которые можно сравнить с приемистостью двенадцатицилиндрового БМВ, но с меньшим, чем у автомобиля «Хонда Сивик» двигателем (111л. с.). За 100 дней 50 специалистов создали два автомобиля «Алтралайт».
Этот и другие эксперименты показали, как очень легкая и обтекаемая конструкция позволила сделать весьма привлекательную машину в 2—2,5 раза более экономичной по сравнению с обычным автомобилем.
Гибридный электрический привод
Между тем в ходе других экспериментов (в основном в Европе) было установлено, что «гибридная» система электрической тяги увеличивает экономичность на 30—50% частично за счет регенерации 70% энергии на торможение, ее временного накопления и затем повторного использования для подъема в гору и для ускорения. Автомобиль получает энергию за счет сжигания любого подходящего жидкого или газообразного топлива в миниатюрной бортовой силовой установке любого вида (двигатель, газовая турбина, топливный элемент и т. д.). Горючее является более удобным способом накопления энергии, нежели аккумуляторные батареи, которые дают менее 1% полезной энергии на единицу веса. Именно поэтому батарейные автомобили, как заметил голландский специалист П. Д. ван дер Коох, «перевозят в основном батареи, но не очень далеко и не очень быстро — иначе им потребовалось бы еще больше батарей».
Изучив положение дел, аналитики Института Рокки Маунтин обнаружили нечто удивительное: искусное сочетание стратегий сверхлегкости и гибридного привода повышало экономичность не в 2—3 раза, как ожидалось, а примерно в 5 раз. Это походило на открытие уравнения, согласно которому два плюс один равняется пяти. Вскоре, однако, основные причины этой магической синергии стали понятны:
выигрыш в весе нарастает как снежный ком, поскольку, чем легче автомобиль, тем больше комплектующих деталей уменьшаются в размерах или становятся ненужными;
«накопление» экономии в весе происходит еще быстрее в случае гибридного привода;
когда стратегия сверхлегкости почти полностью устранит безвозвратные потери энергии (на нагревание воздуха, шин и дороги), единственным местом, куда может пойти энергия колес, станет система торможения, а «регенеративное» электронное торможение возвратит большую часть этой энергии;
экономия колесной энергии умножается затем вдвое или втрое благодаря предотвращению потерь в карданной передаче при доставке этой энергии к колесам.
Таким образом, если бы автомобиль «Алтралайт» компании «Дженерал моторс» был оснащен гибридным электрическим приводом вместо традиционного двигателя и ведущего моста в блоке с коробкой передач, его экономичность возросла бы не в 2, а примерно в 4—б раз, т. е. до 1,2—2,1 л на 100 км. Разработчики ИРМ вскоре нашли пути повышения экономичности привлекательной семейной автомашины (литр бензина на сто с лишним километров). Этого в конечном счете достаточно, чтобы пересечь Соединенные Штаты на одном баке горючего (0,8—1,6 л/100 км). И, к их большому удивлению, оказалось, что такой автомобиль настолько проще, а его изготовление настолько легче, чем штамповка, сварка и покраска стали, что в итоге он мог бы стоить примерно столько же, сколько и сегодняшние автомобили — а может быть, и еще меньше.
Идея распространяется
Осенью 1993 г. ISATA, крупнейшая в Европе конференция по автомобильной технологии, присудила этой разработке свою Ниссанов-скую премию как одной из трех лучших из 800 представленных работ. Производители автомобилей стали уделять ей значительное внимание, она все шире освещалась в печати. Разработка была выдвинута на соискание трех премий США за дизайн. В апреле 1994 г. Министерство энергетики США провело испытание созданного студенческой командой из Университета Западного Вашингтона двухместного легкого гибридного автомобиля на автострадах Лос-Анджелеса. Показанный результат составлял 1,16 л на 100 км. Осенью 1994 г. научный руководитель ИРМ председательствовал на международной конференции в Аахене, посвященной сверхлегкому гибридному варианту, который теперь называют «гиперавтомобилем». Небольшая швейцарская фирма «ЭСОРО» продемонстрировала легкий четырехместный гибридный автомобиль, потребляющий 2,4 л на 100 км. Среди заслуживающих особого внимания достижений следует назвать четырехкратное уменьшение цены на углеродное волокно за последние два года. Данное обстоятельство может подорвать позиции стали как материала для изготовления автомобильного кузова при любом объеме производства.
К концу 1996г. более 25 известных производителей во многих странах решили выпускать на рынок гиперавтомобили. Некоторые компании связали себя обязательствами, вложив значительные средства (составляющие в сумме примерно два миллиарда долларов), для того чтобы достичь цели прежде, чем это сделают их конкуренты. Десятикратный потенциал гиперавтомобилей в плане сокращения продолжительности производственного цикла, расходов на оборудование и оснастку, количества деталей кузова, персонала, занятого сборкой, и рабочих площадей мог бы дать в конкурентной борьбе решающее преимущество компаниям, которые выйдут на рынок первыми.
Не занимают позицию сторонних наблюдателей и правительства. Организованное президентом Клинтоном «Партнерство по созданию нового поколения транспортных средств», заключившее в 1993 г. с тремя крупнейшими производителями автомобилей в США соглашение о разработке в течение 10 лет автомобиля с утроенной экономичностью, оказывает весьма действенную поддержку. Ожидается, что в 1997 г. калифорнийские органы технического надзора отнесут гиперавтомобили к категории «транспортных средств с нулевым выбросом выхлопных газов», поскольку они выбрасывают меньше токсичных веществ, чем энергоустановки для подзарядки электромобилей. Это дополнительный стимул для выпуска гиперавтомобилей на рынок к 2003 г., когда 10% продаваемых в Калифорнии автомобилей должно иметь «нулевой выхлоп».
Готов или не готов — вот он
Сегодняшние автомобили отличаются поразительной сложностью и изощренностью, представляя собой высочайшее достижение Железного века. Но многие эксперты полагают, что они будут сметены грядущим крупнейшим со времени создания микросхемы изменением в промышленности. Подобно производству компьютеров, такие изменения могут произойти в любой части света при относительно небольших капитальных затратах и с поразительной скоростью. Ожидается, что это приведет к исчезновению смога в городах, увеличению числа автомобилей, покрывающих еще большие расстояния (что свидетельствует о необходимости срочного проведения транспортных реформ, описанных в разделе 6.3), и позволит сберечь больше нефти, чем сейчас добывают страны-экспортеры нефти.
Это может произойти очень быстро. Два ведущих американских эксперта в области экономичных автомобилей — Пол Мак Криди (изобретатель солнечного автомобиля «Санрейсер», приводимого в движение человеком самолета «Госсамер Кондор», автомобиля с ударной аккумуляторной батареей и многих других уникальных транспортных средств) и Роберт Камберфорд (корреспондент журнала «Автомобиль») —считают, что к 2005 г. большинство автомобилей, демонстрируемых в выставочных залах, будут иметь электрическую тягу, и почти все они будут гибридными. Американцы разделяют мнение других экспертов о том, что за сверхлегкими гибридами, обладающими преимуществами, которые дает электрическая тяга, и свободными от недостатков, связанных с использованием аккумуляторов, будущее, и оно не за горами.
Большинство людей станут покупать гиперавтомобили не потому, что они экономят 80%—95% топлива и уменьшают смог на 90%— 99%, а скорее потому, что это машины более высокого класса — иными словами, по той же причине, по которой люди теперь покупают компакт-диски вместо виниловых граммофонных пластинок.
|
