Politicum - историко-политический форум


Неакадемично об истории, политике, мировоззрении, регионах и народах планеты. Здесь каждый может сказать свою правду!

Энергия и цивилизация

О истории развития наук и ремесел охватывающей разные временные периоды и разные регионы

Первые полеты

Новое сообщение ZHAN » 21 янв 2023, 14:26

Девятью днями позже после второго нырка Мэнли братья Райт были готовы испытать свой Flyer в Китти-Хок. Их летательный аппарат представлял собой хрупкий биплан с носовым управлением (хвостовой стабилизатор располагался перед крыльями) с деревянной (ель) рамой и покрытием из плотной хлопковой ткани; размах крыльев был 12 м, а вес – всего 283 кг. Цепь зубчатой передачи приводила в движение два пропеллера, вращавшихся в противоположных направлениях. Во время первого полета, примерно в 10:35, Орвилл был пилотом, он лежал на животе на нижнем крыле и управлял бипланом с помощью рычага, который был присоединен к тяжам, идущим к крыльям и рулю. Первый полет скорее напоминал прыжок на 37 метров, и пилот находился в воздухе всего 12 секунд.
Изображение

Второй полет, совершенный после устранения повреждений, полученных во время первого, покрыл 53 метра, третий – 61 метров. Во время четвертой попытки биплан начал рыскать вверх-вниз, пока Уилбур не вернул контроль, а затем внезапно упал, в результате чего сломалась рама для руля, но до этого он провел в небе 57 секунд и оставил позади 260 метров. Перед тем как отправиться обратно в Дейтон, братья послали телеграмму отцу, преподобному Милтону Райту:
«Успех четыре полета утром четверг все против ветра в двадцать одну милю начали с уровня мощности двигателя только средняя скорость в воздухе тридцать одна миля длиннейший 57 секунд информируй прессу дома к Рождеству».
Патент (U.S. 821393) был выдан только в мае 1906 года, и он не раз нарушался по мере того как конструкторы во многих странах начали строить собственные аэропланы. Прогресс в контроле над полетом и в его продолжительности оказался быстрым. 20 сентября 1904 года Райты пролетели первый полный круг и 9 ноября преодолели три мили. Менее чем пятью годами позже, после периода интенсивной международной конкуренции, Луи Блерио (1872–1936), до этого создавший первый в мире моноплан, пересек Английский канал 25 июля 1909 года, и к 1914 году основные воюющие силы имели новорожденные ВВС, которые сильно увеличились за время Первой мировой.

Когда бензиновые двигатели с искровым зажиганием уже вышли на дорогу к коммерческому успеху, Рудольф Дизель (1858–1913) предложил совершенно иной способ зажигания, и запатентовал его в 1892 году.

В дизельных двигателях топливо впрыскивается в цилиндр и воспламеняется самопроизвольно при высокой температуре, которая возникает при степени сжатия в 14–24, по сравнению с 7-10 в бензиновом двигателе Отто. Этот процесс требует большей массы двигателя и меньшей скорости, но дизели изначально более эффективны. Даже во время первых сертификационных тестов новой машины в феврале 1897 года прототип имел эффективность выше 25 % (по сравнению с 14–17 % для лучших бензиновых движков того времени). К 1911 году значение достигло 41 %, и сейчас лучшие дизельные машины немного превосходят 50 %, то есть они в два раза эффективнее бензиновых сородичей. Кроме того, они используют более тяжелое и дешевое топливо: дизель примерно на 14 % тяжелее бензина (820–850 г/л против 720–750 г/л), а плотность энергии на единицу массы у них одинакова, что значит – энергетическая плотность дизельного двигателя на объем, почти 36 МДж/л, будет на 12 % выше.

Дизель принял решение создать более эффективную машину внутреннего сгорания уже во время учебы в университете, и в декабре 1892 года он в конечном итоге (после двух отказов) получил патент на
«двигатель внутреннего сгорания, характеризующийся тем, что в цилиндре чистый воздух… столь сильно сжат поршнем, что полученная температура находится много выше температуры воспламенения топлива… и добавление топлива… происходит так постепенно, что сгорание имеет место без значительного роста температуры или давления, поскольку поршень движется наружу и сжатый воздух расширяется…»
Как упоминалось, по патенту нельзя было построить работающий двигатель; второй патент выдали в 1895 году, и Дизель получил практическую помощь от Генриха фон Буца (1833–1918), генерального директора Maschinenfabrik Augsburg, ведущего инженерного предприятия страны, и от магната стальной отрасли Фридриха Альфреда Круппа (1854–1902), оба вложили достаточно денег, чтобы получить работающую машину.

Официальный сертификационный тест с двигателем в 13,5 кВт состоялся 17 февраля 1897 года, он показал полезную эффективность в 26,2 % и максимум давления в 34 атмосферы, одну десятую от оригинальной спецификации Дизеля. К осени того же года эффективность удалось поднять до 30,2 %, и это значило, что Дизель изготовил лучший двигатель, воплотил свою мечту, но социальное влияние двигателя оказалось совсем не таким, как надеялся его создатель.

Коммерциализация нового двигателя шла более медленно, чем изначально предполагалось, менее 300 штук было продано до конца 1901 года. В 1903-м первое судно на дизеле, маленький нефтяной танкер «Вандал», начал ходить по Волге и Каспийскому морю; в 1904-м первая электростанция на дизеле открылась в Киеве, и французская Aigrette стала первой подводной лодкой, приводимой в движение дизелем. Но большой успех пришел только в феврале 1912 года, когда датская Selandia (грузопассажирское судно в 6200 тонн водоизмещением) стала первым океанским кораблем с дизельным двигателем. За год до смерти в середине 1912 года, Дизель писал
«Появилось новое слово в морских кругах: дизель. Нам нужен только дизель… так говорят повсеместно».
И все же быстрый успех двигателей внутреннего сгорания – проникших в самолеты, дорожный транспорт и корабли, начавших заменять тягловых животных в сельском хозяйстве на Западе – не завершил эпоху пара. Другой первичный движитель обрел коммерческую значимость в конце XIX века, и его дальнейшее развитие определило промышленный прогресс века двадцатого. Этим изобретением стала паровая турбина, быстро нашедшая себе место в производстве электричества во все больших и больших объемах.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Двигатель Дизеля: намерения и результат

Новое сообщение ZHAN » 22 янв 2023, 17:22

Мечта Дизеля состояла в том, чтобы создать легкий, маленький (размером со швейную машинку того времени) дешевый двигатель, который могли бы покупать независимые предприниматели (механики, часовщики, владельцы ресторанов). Результатом стала бы значительная децентрализация промышленности, как писал изобретатель:
«Безо всяких сомнений, лучше децентрализовать промышленность до такой степени, до какой только возможно, и попытаться разместить ее в окрестностях города, даже в сельской местности, а не концентрировать ее в больших городах, где все скучено без воздуха, света или пространства. Эта цель может быть достигнута с помощью независимой машины вроде той, которая предложена здесь и которую легко обслуживать. Без сомнений, новый двигатель может дать более прочные основания развитию малых промышленных предприятий, увести нас в сторону от фальшивых современных трендов, на которые опирается все в экономике, политике, гуманитарной и гигиенической сферах.»
(Diesel 1893)

Десятилетием позже в работе под названием Solidarismus: NatQrliche wirtschaftliche Erlosung des Menschen [Солидарность: естественное хозяйственное освобождение людей (нем.)] (Diesel 1903) он предлагал создать управляемые рабочими фабрики и мечтал о веке честности, правосудия, братства, мира, сострадания и любви. Дизель видел рабочие кооперативы как ульи, а рабочих как пчел с идентификационными картами и контрактами.

Но из 10 тысяч экземпляров книги было продано всего 300, и современное общество вовсе не организовано вокруг рабочих кооперативов.

Дизель говорил сыну, что его «главное достижение в том, что я решил социальный вопрос» (Diesel 1937), но его двигатели нашли применение вовсе не в маленьких мастерских, а в тяжелых механизмах, в грузовиках и локомотивах, а после Второй мировой войны в больших танкерах, сухогрузах и контейнеровозах. Они помогли создать нечто противоположное тому, о чем мечтал изобретатель, беспрецедентную централизацию масштабного производства и дешевого распределения продуктов в новой глобальной экономике.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Электричество

Новое сообщение ZHAN » 23 янв 2023, 11:27

Систематическое понимание базовых свойств и законов электричества было получено благодаря трудам многих европейских и американских ученых и инженеров на протяжении второй половины XVIII века и первых шести десятилетий девятнадцатого. Во многих случаях вклад отдельных пионеров был отмечен тем, что их фамилии стали использовать для обозначения базовых физических единиц. В число тех, кто славно поработал на стезе электричества в XVIII веке, были Луиджи Гальвани (1737–1798), который экспериментировал с лягушачьей лапкой в 1790-х годах (отсюда пошел ошибочный термин «животное электричество»), Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806), изучавший электрическую силу («кулон» сейчас стандартная единица электрического разряда) и Алессандро Вольта (1745–1827), создавший первую электрическую батарею (в «вольтах» измеряют электростатический потенциал).

В 1819 году Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) открыл магнитный эффект электрического тока (в эрстедах сейчас измеряют напряженность магнитного поля), и в 1820-х Андре-Мари Ампер (1755–1836) сформулировал концепцию замкнутой цепи и дал количественную оценку магнитному эффекту электрического тока (ампер – единица силы тока). Но самое важное открытие начала XIX века было сделано Майклом Фарадеем (1791–1867), который обнаружил электромагнитную индукцию. Фарадей решил ответить на простой вопрос – если, как показал Эрстед, электричество порождает магнетизм, то может ли магнетизм порождать электричество? – и у нас есть точная дата и его детальный отчет о том, как он получил ответ.
Изображение
Майкл Фарадей. Фотография Wellcome Library, Лондон

Опыт Фарадея показал, что механическую энергию можно превратить в электричество (чтобы сгенерировать переменный ток), и наоборот, и это открыло путь практическому производству и конверсии энергии, которая не зависела бы и не была ограничена тяжелыми батареями, имеющими низкую плотность энергии.

Но потребовались десятилетия работы многих людей, чтобы эта возможность превратилась в коммерческую реальность. Когда Жюль Верн (1828–1905) опубликовал свой роман «Двадцать тысяч лье под водой», он заставил капитана Немо объяснить профессору Аронаксу: «Есть могущественная, послушная сила, простая в обращении, которой принадлежит первое место на моем корабле. Все делается ею: она меня освещает, согревает, очень быстро приводит в действие машины. Эта сила – электричество!» – но в 1870 году это оставалось еще научной фантастикой, поскольку электричество нельзя было получать в больших объемах, и мощность электромоторов ограничивали батареи малой емкости.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Открытие Фарадеем электромагнитной индукции

Новое сообщение ZHAN » 24 янв 2023, 16:15

Фарадей был самоучкой и работал ассистентом в Королевском институте, где помогал в основном Хэмфри Дэви (1778–1829), первому ученому, который описал электрическую дугу, каковая возникает, если развести на небольшое расстояние два углеродных электрода.

Первую значимую работу об электричестве (об электромагнитном вращении) он опубликовал в 1821 году, где обрисовал принципы работы электромотора. Новую серию экспериментов Фарадей начал в 1831-м, и она в конечном итоге привела к открытию электромагнитной индукции 17 октября 1831 года. Беспокоясь, что его результаты могут быть искажением, которое породила экспериментальная установка, он провел финальный эксперимент, используя отличную технику, получая постоянный ток. Результаты он представил на лекции в Королевском обществе 24 ноября 1831 года. Вот как он описал их в «Экспериментальных исследованиях по электричеству» (Faraday 1832,128):
«В предыдущих экспериментах провода размещались рядом друг с другом, и контакт индуцирующего с батареей возникал, когда требовался индуктивный эффект; но поскольку некоторые отдельные действия могли быть восприняты как причина воздействия в моменты возникновения и разрыва контакта, индукция была получена другим путем. Несколько футов медного провода были вытянуты в форме широкого зигзага, представляя букву W, на поверхности широкой доски; второй провод был расположен точно таким же образом на второй доске, так что когда его подносили к первому, они должны были совпасть, если бы между ними не находился слой толстой бумаги. Один из этих проводов был присоединен к гальванометру, другой – к вольтовой батарее. Первый провод затем двигался по направлению ко второму, и когда он приближался, стрелка отклонялась. Когда провод удаляли, стрелка отклонялась в обратном направлении. Сначала сближая провода, а затем удаляя их друг от друга, удавалось получить все более мощные колебания стрелки, но когда же провода прекращали двигать, то стрелка гальванометра вскоре возвращалась к обычной позиции.

По мере того, как провода сближались, индуцируемый ток шел в направлении, противоположном индуцирующему. Когда провода расходились, индуцированный ток шел в том же направлении, что и индуцирующий. Когда провода не двигались, индуцируемого тока не возникало».
Эта задержка не так уж удивительна, поскольку генерация электричества, его передача и превращение в тепло, свет, движение и химический потенциал является крайне сложным достижением в ряду энергетических инноваций. Ранее новые источники энергии и первичные движители конструировали, чтобы быстрее и дешевле выполнять определенные задачи, или получать больше мощности, и их можно было без труда использовать в рамках существовавших производственных отношений (например, жернова стали вращать мельничные колеса вместо животных). По контрасту, освоение электричества потребовало изобретения, развития и установки целой новой системы, необходимой для надежной генерации, безопасной передачи на большие расстояния и удобной доставки к конкретным пользователям, а также эффективной конверсии в различные формы энергии, нужные этим самым пользователям.

Коммерциализация электричества началась с поиском источников лучшего освещения. Как уже отмечалось, Дэви продемонстрировал эффект дуги в 1808 году, но первые лампы, где он использовался, загорелись на площади Согласия (Париж) в декабре 1844-го, и затем в Лондонской Национальной галерее в ноябре 1848-го.

В 1871 году Зеноб Грамм (1826–1901) представил первую динамо-машину, которую он назвал machine magneto-electrique produisant de courant continu, Академии наук в Париже. Его конструкция в конечном итоге открыла дорогу к дуговой лампе, питаемой с помощью динамо: с 1877 года они освещали некоторые известные общественные места в Париже и Лондоне, а к середине 1880-х распространились по многим европейским и американским городам. Но дуговые лампы требовали контроля, чтобы поддерживать постоянную дугу в то время как ток сжигал положительный электрод, и они не подходили для использования внутри домов, а замена электродов представляла собой значительную логистическую проблему: для лампы в 500 Вт на каждые 50 м километр городской дороги потребовал бы в год 3,6 км толстых (15 и 9 мм) углеродных электродов.

Разработка системы домового освещения с помощью раскаленных нитей растянулась на шесть десятилетий – от экспериментов Уильяма де ла Ру с платиновой спиралью в 1820-х до 1879 года, когда Эдисон представил свою первую надежную лампу с угольной нитью (Edison 1880). В процессе оказались задействованы почти две дюжины выдающихся (и забытых) изобретателей из Великобритании, Франции, Германии, России, Канады и США.

Необходимо отметить по меньшей мере Германа Шпренгеля, который изобрел ртутный насос, позволивший получить вакуум, в 1865 году; Джозефа Уилсона Свана (1818–1914), начавшего работу в 1850-м и в конечном итоге получившего патент Великобритании на лампу с угольной нитью в 1880 году; канадцев Генри Вудворда и Мэтью Эванса, чей патент 1875 года послужил основой работы Эдисона.

Почему достижения самого Эдисона намного превзошли то, чего сумели добиться его многочисленные предшественники и конкуренты?

Эдисон преуспел, потому что понял, что победа в гонке достанется не тому, кто получит первую надежную лампочку, но тому, кто сумеет создать целую практичную коммерческую систему электрического освещения, в которую входят бесперебойная генерация, передача и контроль расхода. В результате своим возникновением индустрия электричества, больше чем в любом другом случае инноваций XIX века, обязана достижениям единственного человека. Это потребовало точной идентификации технических проблем, их решения с помощью упорных междисциплинарных исследований, и быстрого введения полученных инноваций в коммерческий оборот.

В то время были другие изобретатели ламп или больших генераторов, но только Эдисон совместил все и добавил к этому решительность и организационный талант.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Электрическая система Эдисона

Новое сообщение ZHAN » 25 янв 2023, 16:46

Первая надежная электрическая лампа, продемонстрированная Джозефом Сваном в Ньюкасле 18 декабря 1878 года, имела те же ключевые компоненты, что и лампочка Эдисона, запатентованная десятью месяцами позже: провода из платины и свинца и карбоновую нить. Но нити Свана имели очень низкое сопротивление, и их массовое использование требовало очень низкого напряжения, слабых токов и массивных передающих проводов. Более того, лампы до Эдисона соединялись последовательно и питались постоянным током от динамо, и ни одну из них нельзя было отключить отдельно, зато в случае единого обрыва они потухали все одновременно. Эдисон осознал, что система освещения, имеющая коммерческую ценность, должна минимизировать потребление электричества путем использования нитей высокого сопротивления, соединенных параллельно под постоянным напряжением.

Подобное мнение полностью противоречило техническому консенсусу эпохи, но простое сравнение показывает практические выводы из двух подходов. Стандартная установка до Эдисона – лампа в 100 Вт требовала целых 7 ампер. Эдисон же выбрал 140 Ом, что требовало всего 0,85 А, и тем самым значительно снижалась цена на медные проводники. Эдисон описал это в своем заявлении на патент, поданном 12 апреля 1879 года:
«Используя такие лампы с высоким сопротивлением, я получаю возможность помещать их большое число в многопролетную арку без приведения общего сопротивления всех ламп к такой низкой точке, которая требует большого магистрального провода; наоборот, я получаю возможность использовать магистральный провод умеренного сечения».
Закон Ома требует, чтобы спецификации Эдисона получали 118 В, и такое напряжение (110–120 В) остается стандартным в Северной Америке (и Японии), в то время как в Европе оно составляет 240 В.

Но этот вердикт был не таким уж и единодушным. Я могу присоединиться к мнению одного из коллег:
«Эдисон был целостным концептуализатором и упорным разрешателем проблем, связанных с ростом систем… Концепции Эдисона вырастали из его потребности найти организационные принципы, достаточно мощные, чтобы интегрировать и дать целевое направление различным факторам и компонентам».
Но есть и другие мнения, например:
«полнота этой системы была скорее продуктом возможностей, обеспеченных техническими достижениями и финансовыми ресурсами, чем продуктом целеустремленного системного подхода».
Невозможно отрицать, что Эдисон был исключительно изобретательным и настойчивым человеком (его интеллектуальные достижения превосходила только его же легендарная настойчивость), чьи противоречивые качества рационального, вдохновленного изобретателя и продвигающего себя, ничего не стесняющегося бизнесмена могли как привлекать, так и отталкивать тех, кто работал с ним в команде. Несомненно, он не достиг бы столь многого без щедрой финансовой поддержки от богатейших людей той эпохи, но он хорошо использовал инвестиции в своей лаборатории в Менло-Парк. Он исследовал многие новые концепции и возможности, и его подход можно рассматривать как основу корпоративных НИОКР, возникших и расцветших в XX веке.
Изображение
Томас Э. Эдисон в 1882 году, когда его первая электростанция на угле начала работать в нижнем Манхэттене. Фотография Библиотеки Конгресса

Нить Эдисона из карбонизированного хлопка в вакууме дала устойчивый свет 21 октября 1879 года, и он продемонстрировал 100 новых ламп в Менло-Парк, Нью-Джерси, 31 декабря 1879-го, осветив собственную лабораторию, соседние улицы и железнодорожную станцию. Хотя первые лампочки были очень неэффективными, они по этому показателю превосходили все прочие источники света. Они оказались, например, почти в десять раз ярче, чем газовые рожки, и в сотни раз ярче свечей. А такой большой прогресс в освещении был ничуть не менее важным для индустриальной модернизации и повышения качества жизни, чем внедрение новых первичных движителей.

Надежная лампочка была только началом: за три года после ее появления Эдисон получил около 90 патентов на нити лампы, 60-на различные магнито- или динамоэлектрические машины, 14-на системы освещения, 12-на системы дистрибуции электричества, и 10-на электромоторы и электросчетчики. Попутно он и его сотрудники переводили эти идеи в практическую реальность с невероятной быстротой. Первая электростанция, построенная компанией Эдисона у железнодорожной станции Холборн-Виадук, начала давать энергию 12 января 1882 года. Электростанция на Перл-стрит, запущенная 4 сентября того же года, оказалась первой в Америке ТЭС. Через месяц после открытия она давала свет около 1300 лампам в финансовом квартале города, а годом позже их число возросло до 11 тысяч.

Я нахожу особенно замечательными два факта: первый сводится к комбинации озарений и качества законченной работы, которая сделала систему Эдисона столь успешной и столь полной, что ее основные параметры все еще используются. Несмотря на критику и вопросы, те, кто оценил сложности разработки такой системы с нуля, всегда признавал и достижения. Возможно, лучше всех высказался Эмиль Ратенау, основатель Allgemeine Elektrizitflts Gesellschaft, крупнейшего производителя электрического оборудования в Германии и лидирующего разработчика отрасли в Европе. В 1908 году он вспоминал впечатления от того, что увидел на Парижской Электрической выставке в 1881-м:
«Система освещения Эдисона была столь прекрасно разработана до мельчайших деталей, и столь тщательно сделана, словно ее тестировали десятилетиями в разных городах. Не требовалось ни разъемов, ни переключателей, ни предохранителей, патронов или других аксессуаров, чтобы дополнить инсталляцию; и генерация тока, регуляция и проводка через распределительные щитки, счетчики и прочее… все имело признаки удивительного умения и несравнимого гения».
И второй факт, возможно, еще более важный: сколь бы широкомасштабной и фундаментальной ни была работа Эдисона, она сама по себе не смогла бы создать полную, надежную и эффективную электрическую систему – и все требуемые инновации заняли свое место не только в очень короткий период (почти все в чудесные 1880-е), но в почти оптимальной манере. В течение 120 лет доминирования элементов нашей нынешней энергетической системы – паровых турбогенераторов, трансформаторов и линий передачи высоковольтного переменного напряжения – они стали более эффективными, надежными, но базовое устройство и свойства остались такими же, и те, кто их придумал, узнали бы свои детища в том, что мы используем сейчас.

И хотя лампы накаливания были превзойдены лампами дневного света (производство в коммерческих масштабах началось в 1930-х годах), а совсем недавно еще более эффективными светильниками (натриевые лампы, серные лампы, светодиоды), почти нетронутыми остались электромоторы, еще один ключевой элемент глобальной системы, возникшей в 1880-е годы. Именно по этой причине необходимо более тщательно рассмотреть четыре важных изобретения или инновации, к которым не имел отношения Эдисон, но которые помогли перевести невероятный теоретический потенциал электричества в универсальную экономическую и социальную реальность: паровые турбины, трансформаторы, электромоторы, и передачу переменного тока.

Я уже отметил высокий показатель масса/мощность паровых двигателей и их ограниченную мощность. Эти первичные движители, бывшие громоздкими и откровенно неэффективными, ушли в прошлое после того как Чарльз Парсонс (1854–1931) запатентовал более эффективную, легкую и меньшую по размерам паровую турбину в 1884 году. Компания Парсонса установила турбину в 75 кВт в Ньюкасле в 1888-м, и уже в 1 МВт в 1900 году в германском Эльберфель-де; крупнейшая из машин, установленная в Чикаго в 1912-м, достигла мощности в 25 МВт.

Паровые двигатели редко давали больше нескольких сотен оборотов в минуту, а современные турбины достигли 3600 об./мин. и могут работать под давлением до 34 МПа и с паром, перегретым до 600 °C, результатом чего является эффективность до 43 %. Их можно построить с заданной мощностью от нескольких киловатт до более чем 1 ГВт, и они способны заполнять ниши от маломасштабной конверсии остаточного тепла в электричество до массивных турбогенераторов на ядерных электростанциях.

Трансформаторы, вероятно, выиграли бы конкурс на устройство, которое широко распространено и незаменимо в современном мире, но практически отсутствует в общественном сознании. Они используются обычно в скрытом виде (под землей, внутри зданий, за высокими заборами), молчаливы и неподвижны, но именно они обеспечивают недорогую централизованную генерацию электричества.

Применявшиеся поначалу системы передачи постоянного напряжения от электростанций к потребителям были ограничены по дистанции. Передача энергии на расстояние больше чем в четверть мили потребовала бы установки массивных проводников, которые, как сделал вывод Сименс «невозможно более размещать в узких каналах под тротуарами, так что они потребуют создания затратных подвесных линий – подлинных cava electrica».

Другой возможный вариант состоял в постройке огромного количества станций, обеспечивающих ограниченные территории, и он тоже выглядел достаточно затратным. Трансформаторы переменного тока обеспечили дешевое и надежное решение.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Преобразование энергии и потери при ее передаче

Новое сообщение ZHAN » 26 янв 2023, 16:42

Электричество эффективнее всего производить и использовать при низком напряжении, но поскольку потеря мощности при передаче растет согласно квадрату переданного тока, лучше всего использовать высокое напряжение, чтобы ограничить эту потерю. Трансформа-торы превращают один ток в другой, либо снижая, либо увеличивая напряжение входящего потока, и делают это практически без потерь энергии и в широком спектре напряжений. Простые расчеты иллюстрируют это преимущество. Мощность переданного электричества является производной силы тока и напряжения (ватты = амперы х вольты); напряжение является производной силы тока и сопротивления (закон Ома, V = АО), мощность – производной А20.

Потеря мощности (сопротивление), следовательно, уменьшается обратно квадрату напряжения: если увеличить его в 10 раз, линейное сопротивление будет только 1/100 при передаче электричества в том же объеме. Это всегда играет на руку максимально возможному напряжению, но на практике его увеличение ограничено другими обстоятельствами (коронный разряд, требования к изоляции, размер вышек на линии передачи), так что что высоковольтная и сверхвысоковольтная передача сейчас обычно совершается при 240–750 тысяч вольт (240–750 кВ), с потерями 7 % от переданного электричества.

Как уже отмечалось, трансформаторы работают благодаря электромагнитной индукции, процессу, открытому Фарадеем, и их развитие было не результатом прорывного изобретения, а следствием неспешных усовершенствований, которые базировались на фундаментальных исследованиях английского физика. Ранняя конструкция Люсьена Голара (1850–1888) и Джона Гиббса была представлена в 1883 году, и позже три венгерских инженера усовершенствовали ее, используя железные сердечники. Но только Уильям Стэнли (1858–1916), молодой инженер, работавший на «Вестингауз», в 1885 году создал прототип устройства, которое мы используем сейчас и которое дает возможность передавать высоковольтный переменный ток с электростанций со сравнительно небольшими потерями и распределять его уже при низком напряжении по потребителям.

Как и в случае с другими компонентами новой электрической системы, мощность трансформаторов быстро выросла за конец XIX века и отрезок времени перед Первой мировой войной. Я не могу предложить лучшей оценки этого простого, но хитроумного устройства, чем высказывание Стэнли, адресованное в 1912 году Американскому институту инженеров-электриков:
«Это простое и полное решение сложнейшей проблемы. Оно заставляет устыдиться за все попытки механической регуляции, оно работает с легкостью, уверенностью и экономией, позволяя преобразовывать колоссальное количество энергии, которое мгновенно передается или получается с его помощью. Оно очень надежно, нерушимо и определенно. В этой смеси стали и меди экстраординарные силы столь изящно сбалансированы, что их почти и не видно».
Трансформаторы стали основой для выбора переменного тока как рабочего для новых электросетей. Постоянный ток был логичным выбором для первых сетей локального масштаба, а кроме того, тогда существовали некоторые сомнения по поводу безопасности высоковольтного переменного тока. Но они не оправдывают ни запущенной Эдисоном агрессивной кампании, начатой в 1887 году и включавшей убийство бродячих собак и кошек с помощью листа металла, заряженного до 1 кВ от генератора переменного тока (чтобы продемонстрировать, насколько рискованно его применение), ни персональных выпадов в сторону Джорджа Вестингауза (1846–1914), ведущего промышленника той эпохи, работодателя Стэнли и сторонника переменного тока.

Даже в 1889 году Эдисон писал:
«Я бы лично хотел совершенно запретить использование переменного тока. Он столь же опасен, сколь и не нужен… и я поэтому не вижу оправдания для введения системы, в которой нет элемента постоянства, зато есть элемент опасности для жизни и собственности».
В этой борьбе Эдисон нашел неожиданного союзника в Великобритании, лорда Кельвина, ведущего физика. Но уже годом позже Эдисон выступил в качестве защитника переменного тока, и эту перемену объясняют иногда тем, что кажущаяся иррациональной оппозиция была на самом деле рациональным выбором, сделанным из необходимости поддержать рыночную ценность предприятий Эдисона, которые продолжали производить компоненты для систем на постоянном токе, и тем самым улучшить условия для продажи его собственных акций. Как только инвестиции прекратились, конфликт резко исчез.

Но эта знаменитая «война токов» имела далеко идущие последствия: фундаментальные физики предпочитали переменный ток, и после 1890 года новые системы базировались на нем (переходу помогло появление точного и дешевого счетчика переменного тока в 1889 году), а существующие системы постоянного тока, которые к 1891 году давали более половины городского освещения в США, можно было перевести на переменный благодаря изобретению вращающегося преобразователя. Он был запатентован Чарльзом Брэдли, бывшим работником Эдисона, в 1888 году, и сделал возможным использование оборудования существующих генераторов постоянного тока при передаче полифазного высоковольтного переменного тока на большие расстояния.

Распространение переменного тока ускорилось благодаря масштабным проектам 1890-х годов, в число которых входила Большая Депфордская станция в Лондоне, обслуживавшая более 200 тысяч ламп, и крупнейшая в мире линия переменного тока от электростанции на Ниагарском водопаде до Буффало. В 1900 году появилась первая публичная сеть, использующая трехфазный ток, максимальное напряжение передачи увеличилось до 60 кВ в этом же году и до 150 кВ в 1913-м. Таким образом, все компоненты современной сети генерации и передачи энергии уже работали до Первой мировой войны.

Тремя годами позже трансформатора Стэнли Никола Тесла запатентовал первый практичный полифазный индукционный мотор на переменном напряжении. Как и лампы накаливания, это изобретение появилось после десятилетий экспериментов и испытаний, и даже коммерческого использования моторов постоянного тока, работающих от батарей, которое началось в 1830-х годах, и от динамо в 1870-х. Высокие операционные издержки и ограниченная емкость батарей привели к тому, что небольшие моторы на постоянном токе были худшими первичными движителями, чем паровые машины.
Изображение
Никола Тесло в 1890 году. Фотография Napoleon Sarony

Первый небольшой электромотор на постоянном токе (а их были проданы тысячи) также получал энергию от громоздкой батареи, и его запатентовал Эдисон в 1876 году; он монтировался на верхушке стилуса, чтобы приводить в движение изготавливающую шаблоны ручку, которая использовалась для механического копирования памятников. Как только появились большие динамо, тут же начались попытки устанавливать малые электромоторы на трамваях (сначала в Германии) и решать с их помощью производственные задачи (в основном в США). Перспективы изменились, по большому счету, только после изобретения Никола Тесла (1857–1943): концепция была придумана в Европе и воплотилась в работающую машину после того, как молодой сербский инженер эмигрировал в США.

Тесла утверждал, что исходная идея пришла к нему в 1882 году, но после переезда в США он поступил на работу к Эдисону, а тот мало интересовался переменным током. Тесла легко нашел финансирование, он открыл собственную компанию в 1887 году и оформил все необходимые патенты – 40 штук между 1887 и 1891 годами. Создавая свой полифазный мотор, серб нацеливался на то, чтобы «получить большую экономию при конверсии энергии, чем достигнута на данный момент, более дешевый, надежный и простой аппарат, которым можно было бы без труда управлять, чтобы избежать любой опасности при передаче экономически оправданных объемов тока высокого напряжения».

Вестингауз купил все патенты Теслы в области переменного тока в июле 1888 года, и в 1889-м компания получила первое электрическое устройство с мотором Теслы: маленький вентилятор (125 Вт) с мотором переменного тока равной мощности; к 1900 году было продано почти 100 тысяч единиц.

Первый патент серба был выдан на двухфазную машину, а первую трехфазную конструкцию создал Михаил Осипович Доливо-Домбровский (1862–1919), русский инженер, работавший на AEG. Трехфазные моторы (каждая фаза отстоит от другой на 120°) обеспечивают, чтобы одна из фаз всегда была на пике или рядом с ним, результатом становится более равномерный выход мощности, чем у двухфазной конструкции, и при этом они немногим хуже четырехфазных, которым требуется дополнительный провод. Трехфазные моторы быстро завоевали рынок, и это привело к большим изменениям в производстве.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Технические инновации

Новое сообщение ZHAN » 28 янв 2023, 12:17

Великий переход от растительного топлива к ископаемому и от одушевленных первичных движителей к механическим повлек за собой беспрецедентные изменения, касающиеся появления новых, по-настоящему эпохальных черт цивилизации, а также скорости их принятия. В 1800 году обитатели Парижа, Нью-Йорка или Токио жили в мире, чьи энергетические основы почти не отличались не только от мира 1700 года, но и от мира 1300-го: дерево, древесный уголь, тяжелый труд и тягловые животные приводили в движение все общество. Но к 1900 году многие люди в крупных городах Запада жили в обществах, чьи технические параметры почти полностью отличались от тех, что доминировали в мире век назад, и были в своей основе ближе к нашему миру, к году 2000-му. Как сказал по этому поводу историк Льюис Мамфорд (Mumford 1967):
«Мощь, скорость, движение, стандартизация, массовое производство, систематизация, количественные параметры, однообразие, астрономическая регулярность, контроль, свыше всего контроль – вот что стало паролями для прохода в современное общество западного стиля».
Примеров таких изменений много, из них я выбрал несколько глобальных достижений, чтобы продемонстрировать величину стремительных инноваций той эпохи.

На фундаментальном уровне в 1800 году мир потреблял около 20 ЭДж энергии (эквивалент менее чем 500 Мт сырой нефти), из которых 98 % приходилось на фитомассу, большей частью на древесину и древесный уголь; к 1900 году общая первичная выработка энергии более чем удвоилась (до около 43 ЭДж, эквивалента 1 Гт сырой нефти), и половина этой величины происходила от ископаемого топлива, в первую очередь – угля.

В 1800 году самый сильный (ну я не лез ранее в собственно текст, но сильный движитель – это ерунда, он может быть только мощным) неодушевленный первичный движитель, паровая машина Уатта, имел мощность чуть выше 100 кВт; в 1900-м паровой двигатель мог выдать 3 МВт, или в 30 раз больше.

В 1800 году сталь была редкостью, к 1850-му даже в Великобритании она «была известна в коммерции только в сравнительно малых количествах», и лишь несколько сотен тонн ее производили по всему миру, но к 1900 году общее производство выросло до 28 Мт.

Но заметьте мою осторожность, слова «почти» и «на фундаментальном уровне», когда я описываю мир в 1900 году. Достигнутый сдвиг, как в качественном, так и в количественном отношении был глубок, и его скорость часто выглядит ошеломительной; но мир ископаемого топлива и неодушевленных первичных движителей был молодым, далеким от зрелости и очень неэффективным, и ассоциировался с сильным негативным воздействием на окружающую среду. К 1900 году США и Франция были большей частью обществами, жившими за счет ископаемого топлива, но мир в целом все еще получал половину первичной энергии от дерева, древесного угля и пожнивных остатков, и даже в США пик общего количества тягловых лошадей наступил только через 17 лет. И хотя лампы накаливания, электрические моторы и телефоны распространялись очень быстро, электричество, используемое большей частью семей в США или Германии, уходило на работу лишь нескольких ламп.

Основы нового энергетического мира были уже на месте, но на протяжении XX века все компоненты этой системы в значительной степени изменились благодаря комбинации дальнейшего быстрого роста и качественного совершенствования, иными словами – благодаря выигрышу в эффективности, продуктивности, надежности и безопасности. Прогресс был прерван Первой мировой войной, а затем кризисом 30-х годов. Вторая мировая ускорила развитие ядерной энергии и освоение газовых турбин (реактивные двигатели) и ракетной техники. Рост возобновился после 1945 года во всей энергетической отрасли и достиг новых высот в 1970-х, но затем во многих направлениях наблюдался застой. Значимые примеры включают мощность паровых турбин, тоннаж типичных нефтяных танкеров, объем передачи энергии по высоковольтным линиям.

Эта приостановка была большей частью не вопросом технических пределов, а скорее результатом роста издержек и неприемлемого воздействия на окружающую среду Другим важным фактором, замедлившим прогресс в области энергии, стало двухраундовое повышение цен на нефть ОПЕК (1973–1974, 1979–1980), за которым последовал спад потребления энергии. В результате большая эффективность, надежность и экологичность стали новыми целями в индустрии. Но цены на энергию в конечном итоге стабилизировались, и экономика США, на то время крупнейшая, пережила новое десятилетие быстрого расширения на протяжении 1990-х годов, и именно в это время на общее потребление энергии в мире стал влиять Китай.

После десятилетий бедности при маоистском режиме страна с самым большим в мире населением начала реформы, которые учетверили ее потребление энергии на душу населения между 1980 и 2010 годами. В 2009 году Китай стал крупнейшим в мире потребителем энергии (к 2015-му он примерно на 30 % опережал США). В 2015 году среднее потребление энергии около 95 ГДж было сравнимо с показателями Франции в начале 1970-х, но промышленный рост все еще продолжается, а домашнее потребление остается более низким, чем в странах Запада на сравнимой стадии развития. К 2015 году показатели роста китайской экономики и спроса на энергию неизбежно замедлились, но в Индии, Юго-Восточной Азии и Африке живут миллионы людей, которые надеются повторить успех Китая, и более 2 миллиардов людей добавятся к общему итогу 2015-го в 2050 году.

То, что спрос на энергию продолжит расти – трюизм, но никто из нас не в силах предвидеть, как он повлияет на мир, полный экономического неравенства и тревоги по поводу глобального состояния окружающей среды. В прогнозах и сценариях нет недостатка, но история энергетического прогресса показала, что никто не предвидел, по какому пути она пойдет на самом деле.

Далее я обозреваю и подвожу итоги основных тенденций, которые определили распространение, совершенствование и трансформацию добычи, обработки и доставки ископаемого топлива, продвижение в освоении невозобновляемых и возобновлямых источников энергии, изменения композиции и эффективности механических первичных движителей. Но прежде чем я углублюсь в детали, я должен указать на несколько общих моментов, которые характеризовали производство ископаемого топлива, электричества и распространение первичных движителей.

Добыча ископаемого топлива после 1900 года характеризовалась тремя заметными тенденциями.

Во-первых, глобальное расширение добычи угля и производства углеводородов подняло годовое извлечение ископаемого углерода, грубо, в 20 раз между 1900 и 2015 годами: от 500 Мт в 1900-м до 6,7 Гт столетием позже и до 9,7 Гт в 2015 году; чтобы выразить эти суммы в терминах CO2, их нужно умножить на 3,67. Поскольку распределение ископаемого топлива неравномерное, то рост его добычи неизбежно привел к появлению по-настоящему глобальной торговли легко транспортируемой сырой нефтью и к росту экспорта как угля, так и природного газа (как через трубопроводы, так и с помощью танкеров, перевозящих сжиженный природный газ). Но более пристальный взгляд открывает некоторые важные оговорки и исключения, ведь глобальный рост поглотил многие сложные особенности в разных странах, в числе которых было и уменьшение, и полное прекращение добычи топлива.

Во-вторых, многочисленные технические достижения были самыми важными стимулами этой экспансии, приведшей к более дешевой и продуктивной добыче, перевозке и обработке топлива, и они же снизили степень специфического загрязнения (и в одном замечательном случае даже способствовали уменьшению абсолютных выбросов в глобальном масштабе).

В-третьих, произошел очевидный сдвиг в сторону топлива высокого качества, то есть от угля к сырой нефти и природному газу, процесс, который имел результатом сравнительную декарбонизацию (рост соотношения Н: С) в глобальной добыче ископаемого топлива, хотя абсолютный уровень выбросов CO2 в атмосферу продолжает расти, несмотря на несколько лет небольшого падения. Соотношение Н: С при сжигании дерева варьируется, но не превышает 0,5, для угля оно составляет 1,0, для бензина и керосина 1,8 и 4,0 для метана, главного компонента природного газа.

Если сравнивать содержание энергии, то высокоуглеродное топливо (дерево и уголь) обеспечивали 94 % мировой энергии в 1900 году, 73 % в 1950-м, но только 38 % в 2000-м. В результате средняя величина углеродоемкости на мировом рынке ископаемого топлива продолжает падать: если выразить ее в терминах углерода на единицу глобальной тотальной первичной энергии, то она упала с почти 28 кг С/ГДж в 1900 году до менее чем 25 в 1950-м и чуть более 19 в 2010 году, грубо говоря, произошло падение на 30 %. Затем, по причине того, что Китай начал резко наращивать добычу угля, показатель немного вырос в первое десятилетие нового века. Глобальные выбросы углерода от сжигания ископаемого топлива выросли с 534 Мт в 1900 году до 1,63 Гт в 1950-м, 6,77 Гт в 2000-м, и 9,14 Гт в 2010 году.

Производство электричества комбинировало технологические усовершенствования с масштабным пространственным расширением, и в случае последнего процесс удивительным образом затянулся даже в США и до сих пор далек от завершения во многих бедных странах. Начался он с небольших локальных энергетических сетей и двигался в сторону их увеличения: в Европе они покрыли целый континент, Россия обладает очень обширной сетью, с 1990 года Китай построил множество линий большой протяженности, и среди высокоразвитых экономик только у США и Канады нет интегрированной на национальном уровне сети.

Последняя трансформация, повлиявшая на отрасль – появление ветровой турбины, солнечных батарей и солнечных электростанций. Эти новые возобновляемые источники энергии (в противоположность гидроэлектричеству, старой форме возобновляемой генерации) часто активно продвигаются и субсидируются, и объемы производства постоянно растут; но присущая им изначально прерывистость и низкая эффективность ставят нетривиальные проблемы на пути их интеграции в глобальную сеть.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Уголь

Новое сообщение ZHAN » 29 янв 2023, 22:53

Две универсальные тенденции в производстве угля сводятся к растущей механизации подземной добычи и увеличению доли разработок открытым способом.

Продуктивность добычи в США, самая высокая в мире, поднялась с менее 4 тонн на шахтера за смену в 1900 году до средней по стране часовой выработки в 5 тонн на работника, отдельные показатели варьируются от 2–3 т/час в глубоких шахтах Аппалачских гор до около 27 т/час в открытых разработках бассейна Паудер-Ривер в Монтане и Вайоминге. Высокой продуктивностью также отмечена добыча жирного лигнита (коричневый уголь) в Австралии и Германии. Уголь из таких крупных шахт во все больших количествах сжигался на мощных, расположенных рядом с местом добычи тепловых электростанциях. Его перевозку на удаленные рынки осуществляли на специальных поездах, состоящих из ста и более крупных, легких саморазгружающихся вагонов, тянут которые мощные локомотивы.

В потреблении угля наблюдались две основные тенденции: падение спроса на него на традиционных промышленных, бытовых и транспортных рынках, и компенсирующие это падение преимущества генерации электроэнергии на основе угля, и, в гораздо меньшей степени, рост производства металлургического кокса и использования угля в качестве сырья для химического синтеза.

Уголь, сжигавшийся для отопления и приготовления пищи в частных домах, постепенно был заменен более чистыми и эффективными источниками энергии, и сейчас в этой области доминируют природный газ и электричество. Уголь оставался главным топливом в транспорте всю первую половину XX века, но переход локомотивов и кораблей на дизельные двигатели (начался в первом и третьем десятилетии века соответственно) ускорился после Второй мировой войны, и все новые скоростные поезда (сначала японские shinkasen в 1964 году, затем французские TVG в 1978-м, потом другие европейские и азиатские) приводились в движение уже электромоторами.

Сжигание угля для тепловой генерации энергии началось в 1880-х годах почти во всех странах с традициями добычи угля, и зависимость от него только выросла, когда после Второй мировой войны начали строить большие ТЭЦ, и когда рост доли поверхностной добычи сделал уголь еще более доступным. На протяжении 1950-х сжигание угля обеспечивало самую большую долю производства энергии в США, Великобритании, Германии, России и Японии. Нефтяное топливо обрело значение только в 1960-х годах, но большая часть стран перестала использовать его для генерации электричества после того, как ОПЕК подняла цены на нефть в 1970-х, и зависимость от угля остается высокой в Китае, Индии и США. Использование металлургического кокса (в показателях килограммов кокса на килограмм горячего металла) снижалось десятилетиями, но рост плавки железа, изготовление которого поднялось с около 30 Мт в 1900 году до около 1,2 Гт в 2015-м, увеличил и объемы производства кокса примерно до 1,2 Гт.

История угольной индустрии в разных странах демонстрирует нам много предсказуемых и некоторое количество удивительных изменений, включая прекращение добычи в странах, которые долго были лидерами. Добыча угля в Британии достигла пика 292 Мт в 1913 году, и уголь обеспечивал не только промышленность страны, но и расширение колониальной империи в XIX веке и, благодаря доминированию на морях, процветание торговой империи. В 1947 году, когда лейбористское правительство национализировало отрасль и создало Национальный совет по углю, все еще добывали более 200 Мт. Пик в послевоенные годы пришелся на 1952-й (и затем на 1957-й) и составил 228 Мт, но рост импорта нефти и начало (с 1970 года) собственной нефтяной и газовой разработки в Северном море снизили зависимость страны от угля вдвое к 1980 году.

Во время долгой стачки шахтеров в 1984 году добыча угля упала до 51 Мт, затем ненадолго поднялась и снова снижалась до реприватизации, случившейся в 1994 году. В 2000 году в стране добывали всего 31 Мт, а в июле 2015-го угольный холдинг Великобритании объявил о немедленном закрытии копей в Торсби и прекращении операций на последней британской шахте, Келлингли, в декабре того же года. После 400 лет подпитки экономики отрасль, которая сделала Британию великой в экономическом и политическом отношении (и чей пик с точки зрения занятости пришелся на начало 1920-х годов, когда в угольной индустрии работали 1,2 миллиона человек, или около 7 % от всей трудовой силы), ныне сведена к нескольким музеям и подземным маршрутам для туристов.

Добыча угля в США достигла 508 Мт в 1950 году и пика в 1,02 Гт в 2001-м. За этот период уголь совсем перестали использовать в транспорте и почти совсем в домашнем хозяйстве, производство кокса тоже уменьшилось, но зато вырос экспорт. Более 90 % всей добычи сейчас сжигают на тепловых электростанциях: в 1950 году в США 46 % электричества получали с помощью угля, и эта доля выросла до 52 % в 1990-м и оставалась такой же высокой более десятилетия; к 2010 году она все еще составляла 45 %, но к 2015-му (с закрытием старых ТЭС на угле и при обилии дешевого газа) уменьшилась до 33–37 %.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Производство угля в Китае

Новое сообщение ZHAN » 30 янв 2023, 18:30

Как только коммунистическая партия Китая установила новый режим 1 октября 1949 года, она тут же запустила индустриализацию сталинского типа, опираясь на запасы угля в стране, обширные, но неравномерно распределенные. На протяжении следующих десятилетий относительная зависимость страны от угля падала, но объемы добычи выросли до рекордных уровней. Рост произошел с 32 Мт в 1949 году до 130 Мт в 1957-м, и было заявлено, что он достигнет 400 Мт в 1960 году, во время бесславного (породившего голод) Большого скачка, который Мао Цзэдун инициировал, чтобы обойти Британию за 16 лет или быстрее в производстве железа, стали и других важных промышленных продуктов. После того, как Скачок не состоялся, более спокойный рост добычи угля продолжился и достиг более 600 Мт к 1978 году, когда Дэн Сяопин начал долгосрочные экономические реформы, которые в конечном итоге превратили Китай в крупнейшего мирового экспортера промышленных товаров и подняли стандарты жизни почти 1,4 миллиарда человек.

Две вещи, которые не изменились в стране – жесткий контроль партии за государством и зависимость экономики от угля. Относительная зависимость упала от более чем 90 % в 1955 году до 67 % в 2010-м, и доля электричества, полученного с помощью угля, тоже уменьшилась, хотя и составляет более 60 %. Но общая добыча угля в Китае выросла более чем в четыре раза между 1980-м (907 Мт) и 2013 годом (3,97 Гт), когда на Китай приходилось почти столько же, сколько на весь остальной мир. 2014-й стал первым годом, когда наблюдался спад в 2,5 %, и в 2015-м был отмечен спад еще на 3,2 %, но эти данные нельзя назвать точными. В сентябре 2015 года Национальное бюро статистики Китая без каких-либо объяснений подняло цифры добычи за годы между 2000-м и 2013-м.

Громадная добыча угля была главным источником смертности на производстве в Китае и крупнейшим источником очень высокого загрязнения воздуха, при котором содержание мелких частиц (<2,5 μм) периодически на порядок превосходит предельно допустимые концентрации.

До 1983 года в СССР производили больше угля, чем в США, но после распада государства добыча уменьшилась в связи с переходом на сырую нефть и природный газ.

Индия в данный момент является третьим производителем в мире (в 2014 году – только одна шестая от добычи в Китае), но индийский уголь намного худшего качества, чем китайский или американский, и продуктивность его добычи очень низкая.

Индонезия и Австралия (обе – ведущие экспортеры) входят в топ-5, и за ними следуют Россия, Южная Африка, Германия, Польша и Казахстан, а некоторые важные производители угля в прошлом, включая Германию и Великобританию, стали его импортировать.

Поскольку при сгорании угля получается больше CO2 на единицу полученной энергии, чем при сгорании любого другого ископаемого топлива – значения обычно более 30 кг С/ГДж для угля, около 20 кг С/ГДж для жидких углеводородов и менее 15 кг С/ГДж для природного газа – то будущее этого вида топлива в свете заботы об окружающей среде выглядит нестабильным. Высокая зависимость от угля в производстве электричества в Китае, Индии и как минимум дюжине других стран предотвращает быстрый отказ от этого топлива, но в более долгой перспективе уголь может стать первым важным энергетическим ресурсом, чья добыча, несмотря на изобилие, будет ограничена, исходя из экологических соображений.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Углеводороды

Новое сообщение ZHAN » 31 янв 2023, 13:04

В начале XX века нефть в значительных количествах добывали немногие страны, и она обеспечивала только 3 % от всей энергии, даваемой ископаемым топливом. К 1950 году доля выросла до 21 %, энергетический вклад сырой нефти превзошел вклад угля к 1964 году и достиг пика в 1972-м, когда составил 46 % от всего ископаемого топлива.

Два распространенных мнения – что XX век был временем доминирования нефти, а девятнадцатый временем доминирования угля – оба ошибочны. Дерево было самым важным топливом до 1900 года и, если взять XX век в целом, то он в большей степени определялся углем. Мои лучшие расчеты показывают, что уголь примерно на 15 % опережает нефть (приблизительно 5,2 ИДж против 4 ИДж) и даже если включить неэнергетическое использование нефтепродуктов (смазки, дорожные материалы), то уголь все равно будет впереди жидких углеводородов. В лучшем случае, если учесть сущностную неопределенность при превращении извлеченной массы в эквивалент общей энергии, то кумулятивное производство двух типов топлива в XX веке окажется примерно одинаковым.
Изображение

Но жидкое топливо, полученное очищением нефти, превосходит все виды угля, и в то время как угольный рынок XX века (как только что было показано) постепенно сократился до двух больших секторов, генерации электричества и кокса, рынок жидких углеводородов постоянно расширялся, и там, где они вытесняли другое топливо, и с появлением новых секторов потребления. Главные замены – это переход от угля к нефтепродуктам в морском транспорте (начался перед Первой мировой войной, ускорился в 1920-х годах), и в наземном транспорте (начался в 1920-х); так же от угля к нефтепродуктам (а затем к природному газу) в промышленном и домашнем отоплении, и от угля к жидким и газообразным углеводородам как базе для синтетической химии (после Второй мировой войны).

Первый новый большой рынок возник с появлением удобных автомобилей, начался этот процесс перед Первой мировой с «Модели Т» Форда, и быстро ускорился после Второй мировой войны. Второй – с появлением реактивных двигателей в 1950-х годах, инновации, которая превратила авиацию в масштабную индустрию. Нефтяная промышленность смогла справиться с растущим спросом, поскольку использовала множество технических достижений буквально в каждом аспекте своего существования. Список основных улучшений XX века в этой области содержит более дюжины пунктов.

Его нужно начать с прогресса в методах геофизической разведки: они включают идею измерения электрической проводимости (1912), диаграммы каротажа сопротивления скважин (1927) для идентификации углеводородсодержащих поверхностных слоев, потенциал собственной поляризации (1931) и индукционный каротаж (1949), предложенные Конрадом Шлюмберже (1878–1936) и его родственниками, и впоследствии усовершенствованные нефте- и газодобытчиками.

К инновациям в методах добычи необходимо в первую очередь отнести повсеместное распространение вращательного бурения (первый раз использовалось на нефтяном фонтане Спиндлтоп около Бомона, Техас, в 1901 году), затем внедрение шарошечной буровой головки Говардом Хьюзом (1905–1976) в 1909 году, изобретение трехшарошечного конического долота в 1933-м, и улучшения в наблюдении и регулировании потока нефти и предотвращении прорывов на скважинах. Рост использования вторичных и третичных методов добычи (применение воды и других жидкостей или газов, чтобы выдавить больше нефти на поверхность) продлевал сроки эксплуатации скважин и увеличивал традиционно очень низкую производительность (добывалось обычно всего лишь 30 % пластовой нефти).

Все большее значение в добыче нефти приобретали скважины на территории шельфа. Бурение с пирсов было распространено в Калифорнии к 1900 году, но первая скважина за пределами вида с берега появилась в 1947-м в водах штата Луизиана. Морские буровые установки (большей частью наполовину подводные) работают на глубинах более 2000 м. Платформы, смонтированные на главных шельфовых полях, относятся к числу наиболее массивных сооружений. И самые недавние достижения в продуктивности случились благодаря росту экстракции из нетрадиционных источников сырой нефти, включая высоковязкую нефть (во многих местах по всему миру), нефть, содержащуюся в битуминозных песках (Альберта, Венесуэла), и добыче сланцевой нефти с помощью гидравлических разрывов.

Данная техника, впервые освоенная в США, оказалась столь успешной, что страна вновь стала одним из крупнейших в мире производителей сырой нефти и нефтепродуктов. Если рассматривать только сырую нефть, то Саудовская Аравия все еще немного впереди (на 2015 год), она производит 568,5 Мт против 567,2 Мт в США.

Система транспортировки сырой нефти претерпела трансформацию благодаря появлению бесшовных стальных труб, из которых состоят магистральные трубопроводы, способные пересекать континенты. Именно они являются самым безопасным, надежным, чистым и компактным способом транспортировки топлива по суше. Американские линии, переносящие нефть из Мексиканского залива на Восточное побережье, были построены во время Второй мировой войны, но их превзошли созданные в 1970-х годах структуры, призванные доставить нефть из Западной Сибири в Европу.

Нефтепровод Усть-Балык – Курган – Альметьевск (диаметр 120 сантиметров, длина 2120 километров) доставляет в год 90 Мт нефти из супергигантского Самотлорского нефтяного месторождения в европейскую часть России, а затем еще 2500 километров ветвящихся линий гонят жидкое топливо на европейские рынки, дотягиваясь до Германии и Италии.

Послевоенный спрос на импортную нефть в Европе и Японии привел к быстрому росту размеров нефтяных танкеров. В результате нефть стала доступна повсюду, и расстояние между местом добычи и точкой потребления сделалось далеко не самым важным экономическим параметром (ежегодная торговля сырой нефтью на межконтинентальном уровне превосходит 2 Гт).
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Гигантские нефтяные танкеры

Новое сообщение ZHAN » 01 фев 2023, 14:09

Первый танкер, построенный в Британии немецкий GIQckauf, спущенный на воду в 1886 году, мог перевозить только 2300 тонн нефти. Последующий рост добычи привел к появлению кораблей водоизмещением 20 тысяч тонн к началу 1920-х годов. Во время войны наиболее широко используемые американские танкеры (Т-2) имели водоизмещение в 16 500 тонн, быстрый рост объемов начался только после возникновения глобальной торговли нефтью (поставки в Европу и Японию) в конце 1950-х. Universe Apollo был первым судном с водоизмещением в 100 тысяч тонн (1959); в 1966 году Idemitsu Маги достиг 210 тысяч тонн, и когда ОПЕК подняла цены в пять раз в 1973 году, самый большой корабль мог везти более 300 тысяч тонн.
Изображение

Постройка корабля, способного перевезти миллион тонн, была технически осуществимой, но непрактичной по многим причинам: размер и осадка ограничивали количество возможных маршрутов и портов назначения, например, такие корабли не могли бы ходить через Суэцкий и Панамский каналы, им требовалось большое расстояние для остановки, их было очень дорого страховать, и они становились причиной катастрофических разливов нефти, например Amoco Cadiz (Франция 1978), Castillo de Belver (Южная Африка 1983) и Exxon Valdez (Аляска 1989).

Крупнейший в мире танкер Seawise Giant сошел со стапелей в 1979 году (водоизмещение 564 763 тонны), получил повреждения во время ирано-иракской войны, снова вышел в море как Jahre Viking (почти 459 метров длиной, 1991–2004), затем под именем Knock Nevis использовался как плавающий склад и наливная станция в Катаре (2004–2009), потом был продан индийским разрушителям кораблей и назван Mont для последнего путешествия в порт Аланг в Гуджарате.

Единственным важным достижением в очищении нефти стал каталитический крекинг. Термальный крекинг был нормой до 1936 года, когда Эжен Одри (1892–1962) начал производить высокооктановый бензин, главное топливо для автомобилей, на Sun Oil’s Pennsylvania refinery, где смонтировал первую установку для каталитического крекинга. Она дала возможность получать большую долю более ценных (легких) нефтепродуктов (бензин, керосин) из средних и тяжелых компонентов.

Вскоре после этого подвижные катализаторы научились восстанавливать, не прекращая производства. Еще более высокий уровень производства высокооктанового бензина стал возможным с появлением порошкового, переносимого по воздуху катализатора. На протяжении 1950-х годов жидкий каталитический крекинг был дополнен гидрокрекингом при сравнительно высоком давлении, и эти две технологии до сих пор обеспечивают большую часть производства.

Для очищения также важен процесс десульфуризации жидкого топлива, который делает даже столь легендарно загрязняющее топливо как дизель приемлемым для личных автомобилей, где требуется низкий уровень выбросов.

Последствия у всех этих процессов оказались следующие.

Во-первых, глобальное производство нефти выросло, грубо, в 200 раз на протяжении XX века; к 2015 году оно было (свыше 4,3 Гт) на 20 % больше, чем в 2000-м, и с 1964 года, когда по содержанию энергии нефть обошла уголь, она стала самым популярным в мире топливом.

Во-вторых, нефть сейчас добывают на всех континентах и морских скважинах в каждом океане за исключением арктических морей и Антарктики, из залежей на 7 км ниже уровня земли, а месторождение Тупи в Бразилии находится не только на дне океана в 2,1 км от поверхности, но еще и на 5 км подо дном.

В-третьих, нефть – максимально ценный ресурс, торговля которым ведется в таком масштабе: в 2001 году (приняв среднюю цену 93$ за баррель техасской нефти среднего качества) годовая добыча стоила порядка 3 триллионов долларов, в 2015-м (цены упали примерно до 49$ за баррель) она стоила около 1,6 триллиона (ВР 2016).

Хотя добыча нефти широко распространена, крупнейшие нефтяные поля обнаружили на суше, в районе Персидского залива между 1927-м (Киркук в Ираке) и 1958 годами (Ахваз в Иране). Аль-Гавар, крупнейшее в мире нефтяное месторождение на востоке Саудовской Аравии, начало давать нефть с 1951 года, второе по размеру поле, Большой Бурган в Кувейте, находится в разработке с 1946-го.

Ничто не в силах изменить этот фундаментальный факт: в 2015 году почти половина известных запасов конвенциональной (жидкой) нефти находилось в этом регионе, который, к сожалению, является постоянным источником сложных конфликтов и хронической политической нестабильности.

На протяжении десятилетий природный газ вносил меньший вклад в поступление энергии: в 1900 году он давал всего 1 % от энергии ископаемого топлива, и к 1950-му его доля была около 10 %. Однако впоследствии три важных тенденции спроса подняли его глобальную долю до почти 29 % от всех ископаемых энергий к 2000 году, и двадцатый век увидел 375-кратный рост в объеме энергии, получаемой в год от самого чистого вида ископаемого топлива. Сравнительно маленький, но очень важный рынок возник при использовании газа как сырья и топлива при синтезе аммиака – самого важного азотного удобрения, в настоящее время из него обычно производят твердую мочевину – и для производства пластика.

Крупнейший из новых глобальных рынков возник в ответ на возросший уровень загрязнения воздуха в большинстве западных городов во время ускоренной индустриализации после Второй мировой войны. Замена угля газом в промышленном и домашнем отоплении (и приготовлении пищи) устранила выбросы твердых частиц и уменьшила выбросы SO2 (нетрудно удалить серные компоненты из газа перед сжиганием). Города в быстро модернизирующихся странах Латинской Америки и Азии последовали за трендом, хотя многие из них, включая Токио и другие японские городские агломерации, Сеул, Гуанчжоу, Шанхай и Мумбай должны были делать это с помощью экспортного сжиженного природного газа (СПГ). И самый последний процесс, подхлестнувший использование газа, появился в энергетике, где для эффективной генерации электричества начали применять газовые турбины, а затем еще более эффективные турбины смешанного цикла. Развитие технологии гидравлического разрыва после 2005 года не только остановило упадок добычи природного газа в США, но и вернуло страну в число ведущих мировых производителей.

Транспортировка природного газа по трубопроводам неизбежно обходится дороже, чем перекачка жидкостей, и длинные системы становятся экономически оправданными только при использовании стальных труб большого диаметра (до 2,4 м) и эффективных газотурбинных компрессоров. США и Канада пользуются интегрированной системой газпроводов с 1960-х годов, но самая протяженная национальная сеть возникла в Европе в конце 1960-х. Самые длинные линии – 4451 км от Уренгоя до станции Ужгород на границе Украины и Словакии, и 4190 км от Ямала до Германии – доставляют сибирский газ в Центральную и Восточную Европу, где соединяются с поставками из Нидерландов, Северного моря и Северной Африки.

Перевозка СПГ по морю, начавшаяся в 1960-х годах, обходилась очень дорого, и в последующие три десятилетия этот способ торговли использовали только страны Восточной Азии (Япония, Тайвань, Южная Корея), не имевшие своих запасов газа. Открытие новых запасов и постройка более крупных танкеров для СПГ привели к сравнительно быстрому расширению этой торговли, и к 2015 году почти треть экспортируемого газа перевозилась танкерами. Япония по-прежнему является крупнейшим импортером, но в ближайшее время Китай станет самым важным потребителем. США, традиционно импортировавшие газ по трубам из Канады, построили множество установок по производству СПГ, надеясь стать ведущим экспортером, возможно, даже конкурентом Катара, маленькой богатой страны, продающей СПГ из крупнейшего в мире газового месторождения в Персидском заливе.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Электричество

Новое сообщение ZHAN » 02 фев 2023, 19:00

Прогресс в электрификации потребовал экспоненциального роста показателей во всех компонентах энергетических систем. Первые, сравнительно маленькие котлы, топили кусками угля, загружаемыми на движущиеся решетки. С 1920-х годов их начали заменять многоуровневыми системами, работающими на измельченном топливе, оно впрыскивалось в камеру сгорания и нагревало воду, которая циркулировала в трубах из стали, проходящих вдоль стенок котла. Нефть и природный газ также стали обычным топливом для больших электростанций, но использование нефти (кроме как в России и Саудовской Аравии) было прекращено после того, как ОПЕК вторично подняла цены (1979–1980). Природный газ для получения электричества сейчас сжигается большей частью в газовых турбинах не только в богатых газом странах, но и в тех, которые вынуждены экспортировать дорогой СПГ. В США доля электричества, полученного с помощью газа, поднялась с 12 % в 1990 году до 33 % в 2014-м; в Японии с 28 % в 2010 году до 44 % в 2012-м из-за закрытия АЭС после катастрофы в Фукусиме.

Большие котлы обеспечивали паром турбогенераторы на три порядка более мощные, чем использовавшиеся в 1900 году (крупнейший, во Франции на АЭС Фламанвиль, дает 1,75 ГВт), а их рабочее давление и температура позволили поднять пик эффективности с менее 10 % в 1900 году до свыше 40 %. Становится возможной даже более высокая эффективность, порядка 60 %, при использовании комбинации газовых турбин (крупнейшие дают свыше 400 МВт) и паровых турбин (горячий газ, покидающий газовую турбину, уходит на производство пара). Ничего удивительного, что турбины комбинированного цикла стали предпочитаемым способом генерации электричества, особенно чтобы закрыть потребности в пиковые периоды спроса. Большие дизельные генераторы были наиболее экономным выбором для производства электричества в отдаленных местностях и для обеспечения непрерывной подачи тока в случае экстремальных обстоятельств.

Расширение городских систем электроснабжения до национального масштаба началось после Первой мировой и ускорилось после Второй мировой войны. Оно преследовало следующие цели (Hughes 1983): достижение масштабной экономии, постройка более крупных станций рядом с большими городами или прямо в них, создание высоковольтных линий, чтобы передавать энергию от удаленных электростанций, продвижение массового потребления, объединение систем меньшего размера, чтобы обеспечить стабильную подачу энергии и более низкие номинальную и резервную мощности. После 1950 года забота о загрязнении воздуха привела к появлению новых крупных электростанций, расположенных рядом с источниками топлива. Переход к таким электростанциям повысил спрос на высоковольтную передачу.

Вследствие этого мощность крупнейших трансформаторов выросла в 500 раз, и самое высокое напряжение передачи увеличилось более чем в 100 раз по сравнению с 1890-ми годами. Передача начиналась с деревянных столбов и медных проводов, и постепенно дошла до вышек из стали, несущих усиленные сталью алюминиевые кабели, заряженные до 765 кВ; высочайшее напряжение постоянного тока сейчас ±800 кВ, несущих 6,4 ГВт между ГЭС Сянцзяба и Шанхаем. Внутридомовые системы выросли от нескольких розеток до разветвленных структур с десятками переключателей и выводов. Повышение мощности и рост генерации сопровождались увеличением надежности, особенно важной в мире, наполненном электронными устройствами и средствами контроля.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Надежность поставки энергии

Новое сообщение ZHAN » 03 фев 2023, 17:26

Надежность поставки электричества часто выражают в количестве «девяток», иными словами, в проценте времени от стандартного года в 365 дней, когда отдельная сеть работает нормально и способна удовлетворить все требования. Система с четырьмя девятками, когда электричество доступно 99,99 % времени, может выглядеть надежной, но на уровне года это означает 53 минуты без энергии. Пять девяток снизят это время до чуть более 5 минут, а цель отрасли – достигнуть 99,9999 % (шести девяток) надежности, чтобы система оставалась без электричества всего на 32 секунды в год.

Текущий показатель в США около 99,98 %, с перебоями, причиной которых становится не только погода (торнадо, ураганы, снежные бури, экстремальный холод), но также вандализм и нарушения в поставке топлива.

Электронные коммуникации, средства контроля и запасы информации сейчас поддерживают каждый сектор экономики, начиная от диспетчерского управления доставкой продуктов до автоматизированного производства микрочипов, от биржевой торговли до контроля воздушных перелетов. Единственный способ обеспечить бесперебойное функционирование – установить системы резервной подачи энергии (батареи и генераторы, способные на быстрый ответ). Даже краткие перебои в снабжении могут обойтись очень дорого, издержки достигают 10 миллионов долларов в час в некоторых случаях, и между 2003 и 2011 годами потери по всем США варьировались от 18 до 75 миллиардов (в 2008 году, когда случился ураган Айк). Электрические сети являются первоочередными целями для кибератак со стороны террористических групп или враждебных государств.

Ядерный распад стал другим важным способом получения пара для тепловой генерации энергии после Второй мировой войны. За первой демонстрацией феномена Лизой Мейтнер и Отто Фришем в декабре 1938 года последовала первая цепная реакция, ее запустили в университете Чикаго 2 декабря 1942-го.

Первую ядерную бомбу испытали в июле 1945 года, и две бомбы были сброшены с разницей в три дня в августе 1945-го. Если не учитывать продолжительную разработку более мощного ядерного оружия, то первой послевоенной ядерной программой в США стали ядерные реакторы для подводных лодок. Nautilus спустили на воду в 1955 году, и почти немедленно Хайман Риковер (1900–1986), военный руководитель программы, получил задание перестроить реактор для коммерческого производства энергии.

Первая АЭС в США, Шиппингпорт в Пенсильвании, начала работу в декабре 1957-го, более чем на год позже, чем (в октябре 1956-го) заработала британская Колдер-Холл.

В ретроспективе видно, что это была не лучшая конструкция реактора из всех возможных, но она стала доминирующей во всем мире. И пусть он не был превосходным, его раннее внедрение открыло дорогу другим реакторам, которые разработали достаточно быстро.

В середине 2015 года 277 из 437 работающих в мире ядерных реакторов являлись герметичными реакторами с водяным охлаждением, и большая часть их находилась в США и Франции.

Изучив почти полвека коммерческой ядерной энергетики, я назвал ядерное электричество «успешным провалом», и этот вердикт только подкрепляют новые исследования. Проект был успешным, поскольку в 2015 году давал 10,7 % мирового электричества, и до недавнего прорыва Китая в области угольных электростанций эта доля составляла около 17 %. Во многих странах цифры еще выше, среди них почти 20 % в США, 30 % в Южной Корее (и в Японии до 2011 года), и 77 % во Франции.

Но провалился проект по той причине, что громадные надежды, которые он вызвал (в 1970-х годах практически все ожидали, что к концу века АЭС станут доминировать в генерации энергии) остались по большому счету неоправданными.

Технические слабости доминирующей конструкции, высокие затраты на постройку АЭС и хронические задержки при введении в эксплуатацию, нерешенная проблема долгосрочного хранения радиоактивных отходов и широко распространенная тревога по поводу безопасности (ее подогревают, даже после 60 лет коммерческого использования, преувеличенные мнения о негативном влиянии на здоровье) ограничили дальнейший рост ядерной индустрии. Проблема безопасности и негативные оценки риска выросли после аварии на АЭС Три-Майл-Айленд (1979), а затем после катастрофы 1986 года в Чернобыле и взрыва реактора в Фукусиме в 2011 году, который последовал за землетрясением и цунами.

В результате некоторые страны отказались от постройки ядерных станций (Австрия, Италия), другие запланировали их закрытие в ближайшем будущем (Германия, Швеция), и большинство стран, имеющих АЭС, либо совсем перестали вводить новые мощности десятилетия назад (Канада, Великобритания) или вводили очень мало, куда меньше, чем нужно даже для замены старых электростанций. США и Япония – две наиболее заметные страны в последней категории: к середине 2015 года по всему миру работало 437 реакторов, из 67 строящихся 25 находились в Китае, 9-в России и 6-в Индии. Западные же страны в сущности отказались от этого чистого, лишенного выбросов углерода способа генерации электричества.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Возобновляемые источники энергии

Новое сообщение ZHAN » 04 фев 2023, 12:28

Растущая зависимость от ископаемого топлива сделала биологическое топливо куда менее важным, но по причине быстрого роста населения в сельских регионах бедных стран (где очень ограничен доступ к современным источникам энергии, либо его совсем нет) мир сейчас потребляет больше дров и каменного угля, чем когда-либо. Согласно моим лучшим оценкам, валовая энергия традиционного биотоплива достигла около 45 ЭДж в 2000 году, почти в два раза больше, чем было в 1900-м, и на протяжении первых 15 лет XXI века эта величина почти не уменьшилась. Это значит, что в 2000 году биотопливо давало примерно 12 % первичной энергии в мире, и к 2015-му эта доля упала до 8 % (в 1900 году было 50 %).

К сожалению, даже такого снижения (эквивалент около 1 Гт нефти) недостаточно: с сотнями миллионов людей в сельских районах бедных стран Африки, Азии и Латинской Америки, где все еще жгут растительное топливо, спрос на дрова и древесный уголь остается ведущей причиной уничтожения лесов. Наиболее остро эта проблема стоит в районе Сахеля в Африке, в Непале, Индии, континентальном Китае и большей части Центральной Америки.

Самый продуктивный способ справиться с деградацией окружающей среды – ввести новые, эффективные (2530 % по сравнению традиционными 10–15 %) печи: эта замена оказалась наиболее успешной в Китае, где такие печи были введены в 75 % домашних хозяйств до конца века.

Вместе с тем, древесное топливо добывается не только в лесах. Во многих бедных странах значительную долю собирают семьями (чаще всего женщины и дети) в зарослях кустарника, на плантациях (каучука, кокосового ореха), и в придорожных посадках. Исследования в Бангладеш, Пакистане и Шри-Ланке показали, что добытое не в лесах дерево составляет более 80 % от всего, что сжигается. По меньшей мере пятую часть всех пожнивных остатков в бедных странах до сих пор сжигают, и сухой навоз остается важным источником энергии в некоторых регионах Азии, хотя древесный уголь везде стал предпочитаемым видом биотоплива.

Как ожидалось, Китай и Индия – крупнейшие в мире потребители традиционного биотоплива, за ними идут Бразилия и Индонезия, но по относительным параметрам всех опережает Африка к югу от Сахары, где в конце XX века некоторые страны получали более 80 % сельскохозяйственной энергии от древесины и пожнивных остатков, и это по сравнению с 25 % в Бразилии и менее 10 % в Китае. Если пересчитать на душу населения, то показатели варьируются от 5 до 25 ГДж /год.

Последние десятилетия XX века ознаменовались появлением сравнительно масштабного производства этанола. Эксперименты с этанолом как топливом для пассажирских автомобилей проводились еще перед Второй мировой войной (и Генри Форд принял в них участие), но современное массовое производство транспортного спирта началось в 1975 году в Бразилии, где его получали при ферментации сахарного тростника. В США такое же производство, только на основе кукурузы, стартовало в 1980 году. Выработка в Бразилии начала стагнировать с 2008 года, а в США, где программа была утверждена Конгрессом в 2007-м, производство вряд ли вырастет.

Также существует небольшая промышленность по производству биодизеля, где жидкое топливо делают из богатой маслом фитомассы – соевых бобов, рапса и плодов масличной пальмы. Глобальное производство жидкого биотоплива достигло около 75 Мт в нефтяном эквиваленте в 2015 году, то есть около 1,8 % энергии, извлекаемой ежегодно из сырой нефти (ВР 2016). Развертывание этой отрасли до такой степени, чтобы она заняла значительную долю на мировом рынке биотоплива, откровенно говоря, маловероятно.

Использование потенциальной и кинетической энергии воды для производства электричества – второй наиболее важный возобновляемый источник энергии, идущий за традиционным и современным биотопливом. Водяная генерация электричества началась в 1882 году, одновременно с тепловой, когда маленькая мельница на Фокс-ривер в Апплетоне, штат Висконсин, привела в движение два динамо и дала 25 КВт для 280 слабых ламп. Еще до конца столетия все более и более высокие дамбы возводились в альпийских странах, в Скандинавии и США. Но первая большая гидроэлектростанция, построенная у Ниагары в 1895 году, казалась маленькой (37 МВт) рядом с проектами 1930-х в США, где поддержку начало оказывать государство через Службу мелиорации, и в СССР, где они были частью сталинской индустриализации. Крупнейшими проектами в США были плотина Гувера на реке Колорадо (1936; 2,08 ГВт) и плотина Гранд-Кули на реке Колумбия, первую ступень которой закончили в 1941 году (окончательная мощность 6,8 ГВт).

За три послевоенных десятилетия ГЭС стали источником почти 20 % мирового электричества, крупные проекты были завершены в Бразилии, Канаде, СССР, Конго, Египте, Индии и Китае. В большинстве стран строительство станций замедлилось или прекратилось в 1980-х годах, но только не в Китае, где крупнейшая плотина в мире, «Три ущелья» (номинальная мощность в 18,2 ГВт в 26 единицах), была завершена в 2012 году. В 2015-м водяные турбины давали около 16 % мирового электричества, а в Канаде эта доля была 60 %, в Бразилии – 80 %, и даже выше в целом ряду малых африканских стран.

Два возобновляемых источника энергии, получившие немалую долю внимания – солнечная и ветровая. Интересом они обязаны быстрому увеличению мощностей – между 2010 и 2015 годами глобальная генерация с помощью ветра выросла в 2,5 раза, а с помощью солнца почти в 8 раз – и преувеличенным ожиданиям их значения в будущем. Быстрый рост – обычный признак первых стадий развития, но вклад этих двух источников энергии остается пренебрежимо малым на глобальном уровне (в 2015 году ветер давал около 3,5 %, прямое солнечное излучение – 1 % мирового электричества). Интеграция более объемных потоков этих прерывистых энергий (многие ветровые турбины работают только 20–25 % времени, находящиеся в море установки – 40 %) в существующие сети ведет за собой много проблем.

Развитие современной ветровой энергетики началось с налоговых субсидий в США в начале 1980-х годов, и резко закончилось, когда субсидии были прекращены в 1985-м. Европа стала новым лидером в 1990-х, когда несколько правительств – Дания, Великобритания, Испания, и в первую очередь Германия, в рамках программы Energiewende, – объявили политику перехода на возобновляемые источники. Издержки уменьшились, и более мощные установки (сейчас до 8 МВт, обычно 1–3 МВт) и крупные кластеры ветрогенераторов (включая расположенные в прибрежной зоне) обеспечили рост с менее чем 2 ГВт в 1990 году до 17,3 ГВт в 2000-м и 432 ГВт к концу 2015 года.

Фотоэлектрический эффект (генерация электричества, для которой используются металлические электроды, находящиеся под воздействием солнечного света) был открыт Эдмоном Беккерелем (1852–1908) в 1839 году, но только в 1954-м Bell Laboratories создали дорогой, низкоэффективный (сначала 4,5 %, потом 6 %) кремниевый солнечный элемент, который использовался в 1958 году, чтобы питать энергией (всего 0,1 Вт) спутник Vanguard-1. Четырьмя годами позже, в 1962-м, Telstar-1, первый коммерческий телекоммуникационный спутник, нес солнечные батареи мощностью в 14 Вт, в 1964 году спутники Nimbus могли похвастаться уже 470 Вт.

Применение этой технологии в космосе, где издержки не столь важны, развивалось десятилетиями, но наземное использование солнечных батарей было ограничено теми же издержками, и отрасль начала расти только в конце 1990-х. В терминах пиковой мощности (которая доступна, даже при солнечной погоде, всего несколько часов в день) фотоэлементы давали всего 50 МВт в 1990 году, 17 ГВт в 2010-м, и около 50 ГВт в 2015-м, при кумулятивном объеме 2272q ГВт.

Но этот вид генерации еще менее стабилен, чем ветровой (гарантированное время работы в более облачном климате 11–15 %, и даже в Аризоне – около 25 %), и в 2015 году солнечные батареи давали всего около 30 % от того, что получали с помощью ветряных турбин. И снова рост отрасли был не постепенным естественным процессом, его искусственно подталкивали с помощью правительственных субсидий. Ничто не показывает это лучше, чем тот факт, что в 2015 году облачная Германия производила почти в три раза больше солнечной энергии, чем солнечная Испания.
Изображение
Солнечная электростанция в испанской Андалусии

Нагревание воды, использование небольших домашних нагревателей на крышах и крупных промышленных установок предшествовало росту этого способа генерации. Номинальная мощность нагревателей на конец 2013 года составляла около 270 ГВт, и большей частью они находились в Китае и Европе. Концентрированная солнечная энергия (КСЭ), когда зеркала используются для концентрации солнечного излучения для нагрева воды (или соли) для генерации энергии, является полезной альтернативной солнечным батареям, но лишь несколько установок (общей мощностью менее чем 5 ГВт) работали в 2015 году.

По сравнению с большой четверкой (биотопливо, гидроэнергия, ветровая и солнечная), другие возобновляемые источники дают пренебрежимо малую мощность, хотя некоторые из них играют важную роль на национальном или региональном уровне, например, геотермальная энергия. Горячие источники использовали с доисторических времен, и более глубокие обеспечивают горячую воду для отопления и промышленных процессов во многих странах. Но места, где эта энергия может применяться в качестве натурального пара для производства электричества, встречаются редко.

Первая геотермальная электростанция начала работать в Лардерелло (Италия) в 1902 году; Вайракей в Новой Зеландии запустили в 1958-м, и Гейзере в Калифорнии открылись в 1960 году. К 2014-му общая номинальная мощность у всех источников такого типа составляла 12 ГВт. США обладали самой высокой номинальной мощностью, а Исландия в наибольшей степени зависела от этого возобновляемого источника энергии.

Не были реализованы и некогда существовавшие долгосрочные планы на большие приливные электростанции; работает всего несколько таких комплексов во Франции и в Китае. Новые посадки быстрорастущих деревьев (ивы, тополя, эвкалипта или сосны) дают возможность получать щепу для генерации электричества – вот выбор, стоящий на дороге у многих проблем окружающей среды, и пожнивные остатки и другие органические отходы сейчас также используют для крупномасштабного производства биогаза (в первую очередь в Германии и Китае), но его вклад имеет значение только на локальном уровне.

Несмотря на разнообразие возобновляемых источников энергии, быстрое продвижение по отдельным направлениям и многие противоречивые заявления, вердикт очевиден: как и в случае других энергетических переходов, замена ископаемого топлива будет длительным процессом, и нам придется подождать, чтобы увидеть эволюцию различных видов конверсии, способных занять заметное место в новом энергетическом мире.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Первичные движители в транспорте

Новое сообщение ZHAN » 05 фев 2023, 18:10

В свете той важности, которую имеет мобильность как людей, так и товаров для современной цивилизации, финальный раздел моего обозрения, посвященного техническим достижениям, определяющим текущие энергетические основания современного общества, будет отдан первичным движителям в транспорте во всех их разновидностях, от малых двигателей до мощных ракет. Развитие двигателей четырехтактного цикла (в наше время в основном бензиновых, с небольшой долей работающих на этаноле и природном газе) сильно замедлилось с первого десятилетия XX века, когда их начали производить массово. Наиболее важные изменения включают примерное удвоение коэффициента сжатия, снижение массы и рост мощности, результатом чего стало уменьшение соотношения масса/мощность: оно упало с почти 40 г/Вт в 1900 году до всего лишь 1 г/Вт столетием позже. Первый массово производимый в США автомобиль, Curved Dash компании Ransom Olds, имел одноцилиндровый двигатель в 5,2 кВт (7 л. с.). Двигатель Model Т Форда, производство которой закончилось только в 1927 году после 19 лет и 16 миллионов единиц, был в три раза мощнее.

Рост средней мощности американских автомобилей был прерван с повышением цен ОПЕК в 1970-х, но возобновился в 1980-х годах: средняя мощность легкового автомобиля выросла с 90 кВт в 1990-м до 175 кВт в 2015 году. Но «легковой автомобиль» на самом деле неверный термин, поскольку в США около 50 % персонального транспорта – микроавтобусы, грузовики-пикапы и внедорожники.

Дизельные двигатели тоже стали сравнительно более легкими и мощными, и эти усовершенствования позволили им доминировать на нескольких важных транспортных рынках. Первые грузовики на дизеле появились в Германии в 1925 году, первые тяжелые пассажирские автомобили (тоже в Германии) – в 1936-м. Накануне Второй мировой большинство грузовиков и автобусов в Европе были дизельными, и после войны это стало нормой по всему миру. Автобусные дизельные движки с мощностью в 350 кВт имели соотношение масса/мощность 3–9 г/ Вт и могли проезжать до 600 тысяч километров без капитального ремонта.

Соотношение масса/мощность для автомобильных дизельных двигателей в конечном итоге уменьшилось до 2 г/Вт, а это значит, что дизели в пассажирских автомобилях лишь немного тяжелее, чем их бензиновые родичи. Относительно низкая цена на топливо сделала дизельные легковые автомобили обычным делом в ЕС, где они сейчас составляют более 50 % от становящихся на учет машин. Но такие машины остаются редкостью в США: в 2014 году на них приходилось всего 3 % автомобилей. Имидж этой разновидности транспорта сильно пострадал в 2015-м, когда «Фольксваген» был вынужден признать, что многие модели с дизельным двигателем, проданные после 2008 года, содержали незаконное ПО, которое выдавало фальшивые сведения о выбросах, чтобы обойти законодательство США в области окружающей среды.

Локомотивы на дизельном топливе (мощностью до 3,5 МВт) тянут (и толкают) грузовые поезда на всех неэлектрифицированных железных дорогах мира. Как уже было отмечено, дизельные двигатели начали завоевывать море до Первой мировой войны и стали незаменимым первичным двигателем глобализации, поскольку вся морская торговля энергоресурсами, сырьем, возвратными отходами, пищевыми и промышленными товарами сейчас приводится в движение этими массивными, эффективными машинами. Наиболее мощные морские двигатели в супертанкерах и огромных контейнеровозах разработаны в Европе компаниями MAN и Wartsila, построены в Южной Корее и Японии, и их мощность достигает почти 100 МВт.

Возвратно-поступательные авиационные двигатели совершенствовались очень быстро. Те, что приводили в движение Clipper в 1936 году (большой гидроплан концерна «Боинг», совершавший регулярные перелеты между Западным побережьем США и Восточной Азией), были примерно в 130 раз мощнее тех, которые использовали Райты в 1903-м, при соотношении масса/мощность в десять раз выше.

Газовые турбины – совершенно новые первичные движители, повысившие эффективность как в авиации, так и во многих других отраслях – были теоретически разработаны в начале XX века, но первые практичные конструкции появились только в конце 1930-х. Фрэнк Уиттл в Англии и Ханс Пабст фон Охайн в Германии независимо создали экспериментальные газовые турбины для военных самолетов, но первые реактивные истребители появились слишком поздно, чтобы принять участие во Второй мировой войне.

Быстрое развитие нового первичного движителя началось сразу после войны. Скорость звука впервые удалось превзойти 14 октября 1947 года на самолете Bell Х-1, сверхзвуковые истребители и бомбардировщики появились в конце 40-х и с тех пор развиваются; быстрейший из них, МиГ-35, дает максимум скорости в 3,2 Маха.

Появление газовых турбин сделало возможными межконтинентальные перелеты: их низкий показатель масса/мощность (с тягой в 500 кН он всего лишь 0,06-0,07 г/Вт), высокое соотношение тяга/вес (>6 для коммерческих двигателей, 8,5 для лучших военных образцов), и высокая степень двухконтурности (12 к 1 самое высокое значение, 92 % воздуха, сжатого двигателем, обходит его камеру сгорания; это снижает потребление топлива и уменьшает шум двигателей) отличают конструкцию этих все более мощных и эффективных первичных движителей. Газовые турбины в авиации стали столь надежными, что самолеты с двумя двигателями не только пересекают Атлантику, но также задействованы на многих транстихоокеанских маршрутах.

Как это часто случается со зрелыми отраслями, глобальный рынок реактивных двигателей в конечном итоге оказался поделен между четырьмя производителями. «Роллс-Ройс» был первым, кто создал коммерческий авиационный движок (в 1953 году), за ним последовали две американских компании, «Дженерал Электрик» и Pratt&Whitney, и CFM International, совместная компания «Дженерал Электрик» и французской Snecma Moteurs, созданная в 1974 году и сосредоточившаяся на создании двигателей для авиации малой и средней дальности. Полеты сверхзвукового «Конкорда» (коммерциализирован в 1976 году) оказались слишком дорогими для того, чтобы занять место на рынке, и были прекращены в 2003-м.

В 1952 году британский Comet стал первым пассажирским реактивным самолетом, но структурные дефекты в большей степени, чем проблемы с двигателем, привели к трем фатальным случаям, и самолет перестали использовать. После изменений в конструкции он снова полетел в 1958 году, но коммерческого успеха добиться не удалось. Первым успешным коммерческим реактивным лайнером стал «Боинг-707», представленный в 1958 году. Первый широкофюзеляжный «Боинг-747» полетел в 1969-м: образцовый лайнер приводился в движение большими турбовинтовыми двигателями с тягой более 200 кН и мог выдавать пиковое значение тяги в 280 МВт во время взлета. К 2015 году самый мощный реактивный двигатель, GE 90-115В, выдавал 513 кН тяги.
Изображение
Схемы и вид спереди примечательных реактивных самолетов. «Боинг-707» (1957) был создан на базе самолета-заправщика. «Боинг-737» (1967) – самолет, продававшийся и продающийся лучше всего (почти 9000 штук продано на конец 2015 года, и еще 13000 заказано). Сверхзвуковой англо-французский «Конкорд», летавший по нескольким маршрутам в 1976–2003 годах, оказался крайне затратным курьезом. «Боинг-747» (летает с 1969 года) был первым широкофюзеляжным дальним лайнером. Для сравнения приведен нарисованный в масштабе самолет братьев Райт и маршрут их полета 7 декабря 1903 года. Основано на публикациях «Боинг», Aeroapatiale/Bae,Jakab (1990)

Единственным первичным движителем, который мог выдать больше мощности на единицу веса, чем газовая турбина, оказался ракетный двигатель для запуска военных ракет и космических аппаратов. Основатели современной ракетной науки – Константин Циолковский (1857–1935) в России, Герман Оберт (1894–1989) в Германии и Роберт Годдард (1882–1945) в США – совершенно верно предвидели окончательный успех старой идеи ракетного движения, которая с помощью современного инженерного искусства превратилась в самый мощный первичный движитель современности. Быстрый прогресс начался во время Второй мировой войны: в 1942 году работающий на этаноле Фау-2, спроектированный Вернером фон Брауном (1912–1977), достиг тяги на уровне моря в 249 кН (эквивалент около 6,2 МВт, с соотношением масса/мощность 0,15 г/Вт) и скорости 1,7 км/с. Дальность этой ракеты оказалась достаточно большой, чтобы атаковать Великобританию.

Космическая гонка супердержав началась с запуском первого искусственного спутника Земли, советского «Спутника», в 1957 году, и появились мощные и более точные межконтинентальные баллистические ракеты. 16 июля 1969 года одиннадцать двигателей американской ракеты Saturn С-5 на керосине и водороде (разрабатывал которые Вернер фон Браун) отправили корабль «Аполлон» на Луну. Они работали всего 150 с, и их комбинированная тяга достигла почти 36 МН, эквивалент 2,6 ГВт, при соотношении масса/мощность (включая вес топлива и трех ракет-ускорителей) всего в 0,001 г/Вт.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Цивилизация ископаемого топлива

Новое сообщение ZHAN » 10 фев 2023, 20:41

Контраст очевиден.

Доиндустриальные общества потребляли практически только что преобразованные потоки солнечной энергии, конвертируя пренебрежимо малую долю неистощимого солнечного излучения. Современная цивилизация зависит от извлечения запасов древней энергии, она опирается на источники, которые невозможно восполнить даже за время на порядок большее, чем срок существования нашего вида. Ядерный распад и возобновляемые источники энергии (добавление ветровых генераторов и солнечных батарей к более чем 130-летней истории гидроэнергии, и разработка новых способов превращения фитомассы в топливо) возымели определенный эффект, но к 2015 году ископаемое топливо все еще давало 86 % первичной энергии в мире, всего на 4 % меньше, чем поколение назад, в 1990 году.

Используя богатые запасы, мы создали общества, которые трансформируют беспрецедентные количества энергии. Эта трансформация повлекла за собой колоссальный прогресс в сельскохозяйственной продуктивности и рост урожайности; ее первыми результатами стали быстрая индустриализация и урбанизация, за ними последовали расширение транспортной сети и увеличение скорости транспорта, а затем еще более впечатляющий рост наших информационных и коммуникационных возможностей. Комбинация этих трендов обеспечила долгие периоды быстрого экономического роста, результатом которого стало настоящее процветание, повышение качества жизни для большинства населения земного шара, и в конечном итоге появление новой, высокоэнергетической сервисной экономики.

Но использование столь беспрецедентной мощности повлекло за собой много беспокоящих последствий, и его результатом стали изменения, которые при дальнейшем углублении могут грозить основам современной цивилизации. Урбанизация стала ведущим источником изобретательства, технического прогресса, роста стандартов жизни, объемов информации и скорости коммуникации, но она же является ключевым фактором разрушения окружающей среды и ужасающего неравенства доходов. Политические импликации неравного распределения энергетических ресурсов имеют как внутри-, так и межнациональные последствия, которые варьируются от регионального дисбаланса до существования коррупционных, часто нетолерантных или откровенно насильственных режимов.

Современное высокоэнергетичное оружие увеличило разрушительную силу на порядки, если сравнивать с доиндустриальными временами, и современные военные конфликты ведут к гораздо большему числу жертв не только в армии, но и среди гражданского населения. Развитие ядерного оружия первый раз в истории создало возможность если не уничтожить, то серьезно покалечить цивилизацию в целом. И в то же время некоторые из хуже всего контролируемых средств современной агрессии не требуют управления сконцентрированной энергией, поскольку они полагаются на хорошо зарекомендовавшие себя методы индивидуального террора. Но даже если современная цивилизация гарантированно избежит крупномасштабного ядерного конфликта, ее существование не будет стабильным. Определенно самой серьезной проблемой является широко распространенная деградация окружающей среды. Быстрые изменения в этой области происходят из-за извлечения и конверсии как ископаемого топлива, так и неископаемых энергий, растущей промышленности, быстрой урбанизации, экономической глобализации, истребления лесов, неправильных практик в сельском хозяйстве.

Кумулятивный эффект этих изменений ушел далеко за пределы локальных и региональных проблем, он достиг уровня дестабилизации биосферы в целом, и тут в первую очередь стоит отметить сравнительно быстрое глобальное потепление. Современная цивилизация произвела настоящий прорыв в использовании энергии и обеспечила контроль человека над неодушевленными энергиями ранее немыслимого уровня. Эти достижения сделали ее освобождающей и конструктивной, но в то же время дискомфортно ограничивающей, разрушающей и во многих отношениях саморазрушительной. Все эти изменения обеспечили продолжительный экономический рост и появление ожиданий, что этот процесс, питаемый постоянными инновациями, не закончится никогда, хотя на самом деле его продолжение вовсе не гарантировано.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Беспрецедентная мощность и ее использование

Новое сообщение ZHAN » 11 фев 2023, 13:21

Рост потребления энергии, даже прерванный двумя мировыми войнами и худшим в истории экономическим кризисом (в 1930-х годах), шел с беспрецедентной скоростью в первые семь десятилетий двадцатого века. После этого случилось замедление, вызванное тем, что ОПЕК в 5 раз увеличила цены на нефть между октябрем 1973-го и мартом 1974 года, но замедление произошло бы и так, поскольку абсолютные величины повышались слишком быстро, чтобы поддерживать рост, возможный при более низких агрегированных уровнях. Но (при более низком темпе) громадные количественные изменения продолжились, и они сопровождались новыми и заметными качественными выигрышами. Лучшие компиляции глобальных статистических данных показывают постоянный экспоненциальный рост производства ископаемого топлива с того времени, когда началась его крупномасштабная добыча в девятнадцатом веке.

Добыча угля выросла в 100 раз, с 10 Мт до 1 Гт, между 1810 и 1920 годами; она достигла 1,53 Гт в 1950 году, 4,7 Гт в 2000-м и 8,25 Гт в 2015 году, и только потом начала уменьшаться до 7,9 в 2015-м. Добыча сырой нефти выросла в 300 раз, с менее 10 Мт в конце 1880-х до свыше 3 Гт в 1988 году; в 2000 году она составила 3,6 Гт и почти 4,4 Гт в 2015-м. Производство природного газа выросло в 1000 раз, с менее 2 Гм3 в конце 1880-х до 2 Тм3 к 1991 году, оно составило 2,4 Тм3 в 2000 году и 3,5 Тм3 в 2015-м. На протяжении XX века глобальное извлечение ископаемой энергии выросло в 14 раз в терминах агрегированной энергии.

Но лучший способ продемонстрировать экспансию состоит в том, чтобы выразить ее в терминах полезной энергии, реально произведенного тепла, света и движения. Как мы уже видели, ранние способы конверсии ископаемого топлива были очень неэффективными (менее 2 % для ламп накаливания, менее 5 % для паровых локомотивов, менее 10 % для тепловой генерации электричества, менее 20 % для маленьких угольных печей), но усовершенствование угольных котлов и печей вскоре удвоило эффективность, и в этой области до сих пор остается потенциал для движения вперед. Жидкие углеводороды, сжигаемые для домашнего отопления, а также с промышленными целями и для генерации энергии, конвертируются с более высокой эффективностью, и только бензиновые двигатели внутреннего сгорания в пассажирских автомобилях сравнительно неэффективны. Сжигание природного газа в топках, котлах или турбинах отличается высокой эффективностью, обычно она превосходит 90 %, и таковы же показатели конверсий первичного электричества.

Вследствие этого в 1900 году средняя взвешенная эффективность глобального использования энергии была не выше 20 %, к 1950-му – выше 35 %, и к 2015 году глобальное среднее конвертации ископаемого топлива и первичного электричества достигло 50 % от общей коммерческой потребляемой мощности. Международное агентство по энергии считает, что в 2013 году мировое производство составило 18,8 Гт в нефтяном эквиваленте, а окончательное потребление – 9,3 Гт в нефтяном эквиваленте, с самыми высокими потерями в тепловой генерации энергии и на транспорте, что предсказуемо. Особенно примечательным выглядит тот факт, что в ключевом секторе потребления, домашнем отоплении, население целых стран совершило переход к полной эффективности на протяжении нескольких десятилетий.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Эффективность домашнего отопления

Новое сообщение ZHAN » 12 фев 2023, 14:51

Менее чем за 50 лет я успел пожить в домах, которые обогревались четырьмя разными видами топлива, и видел, как эффективность конверсии этого ключевого энергетического процесса утроилась. В конце 1950-х годов, в деревне, окруженной лесами, мы обогревали наш дом, как и большинство соседей, дровами. Отец заказывал уже спиленную и лишенную ветвей ель или пихту, и мне приходилось летом колоть дрова, чтобы получился готовый материал для печи (а также более тонкая растопка) и складывать их под навесом, чтобы они высохли. Эффективность нашей дровяной печи была не выше, чем 30–35 %. Когда я учился, все энергоемкие операции – отопление, приготовление пищи, генерация энергии – зависели от лигнита, а угольная печка в моей комнате, в бывшем монастыре, здание которого отличалось толстыми стенами, имела эффективность около 45 %. После переезда в США мы сняли верхний этаж пригородного дома, он обогревался нефтью, которую привозили в цистерне и сжигали в котле с эффективностью не более 60 %. Наш первый дом в Канаде имел газовый котел с эффективностью 65 %, и когда я спроектировал новый, суперэффективный дом, то поставил котел с показателем 94 %, а потом заменил на другой, дающий 97 %.

В то время как общее производство всех ископаемых энергий выросло в 14 раз на протяжении XX века, постоянный прогресс эффективности дал нам в 30 раз больше полезной энергии, чем было доступно в 1900 году. В результате богатые страны, где ископаемое топливо преобладало уже к 1900-му, сейчас получают в два или даже в три раза больше полезной энергии на единицу первичного поступления, чем столетие назад, и поскольку традиционные энергии биотоплива конвертировались с очень низкой эффективностью (<1 % для света, <10 % для тепла), то бедные страны, где современные энергии начали доминировать только на протяжении второй половины двадцатого века, теперь получают от пяти до десяти раз больше на единицу первичного поступления, чем сто лет назад. Если перевести все на душу населения – с населением в 1,65 миллиарда в 1900 году и 6,12 миллиарда в 2000-м – то глобальный рост в поставках полезной энергии будет более чем восьмикратным, но эта цифра прячет значительные национальные различия.

Другой способ оценить агрегированный размер современных потоков энергии – сравнить их с традиционными, как в абсолютных, так и в относительных показателях. Лучшие оценки демонстрируют, что потребление растительного топлива поднялось с 700 Мт в 1700 году до примерно 2,5 Гт в 2000-м. Это дает приблизительно 280 Мт и 1 Гт в нефтяном эквиваленте, менее чем учетверение за три века. За то же самое время добыча ископаемого топлива поднялась с менее 10 Мт до 8,1 Гт в нефтяном эквиваленте, то есть примерно в 800 раз.

В терминах валовой энергии глобальные поставки биотоплива и ископаемого топлива были почти одинаковыми в 1900 году (оба примерно 22 ЭДж); к 1950-му ископаемое топливо давало примерно в три раза больше энергии, чем дерево, пожнивные остатки и навоз; и к 2000 году разница была почти в восемь раз. Но с учетом реально потребленной, полезной энергии разница к тому же году достигла 20 раз.

Всплески в использовании энергии подняли уровень среднего потребления на душу населения на беспрецедентную высоту. Энергетические потребности кочевых обществ определялись в основном добычей пищи, их годовое потребление в среднем составляло не выше 5–7 ГДж на человека. Высокие культуры древности добавили медленно растущий расход энергии на лучшие убежища и одежду, на транспорт (приводимый в движение энергией пищи, фуража и ветра) и некоторое количество производства (на древесном угле в первую очередь). Египет времен Нового царства потреблял не более 10–12 ГДж на душу населения, моя лучшая оценка для ранней Римской империи – около 18 ГДж на человека. Ранние индустриальные общества с легкостью удвоили традиционное использование энергии на душу населения. Большая часть этого роста приходилась на производство на каменном угле и новые средства транспорта. Среднее по Европе оценивается как около 22 ГДж на душу населения в 1500 году, затем наблюдалась стагнация на уровне 16,6-18,1 ГДж на человека до 1800 года.

После этого появилась уже упомянутая разница между индустриальными странами и теми, чья экономика так и осталась в основном аграрной. Оценки для Англии и Уэльса показывают, что среднее потребление выросло с 60 ГДж на душу населения в 1820 году до 153 ГДж на душу в 1910-м, а в Германии показатель за то же время увеличился в пять раз (с 18 до 86 ГДж на душу населения), но зато в Италии рост составил всего 20 % (с 10 до 22 ГДж на душу). Для сравнения, средняя величина в США поднялась с менее 70 ГДж до около 150 ГДж на душу населения между 1820 и 1910 годами. Столетием позже все богатые европейские страны превысили 150 ГДж на душу населения, а США – 300 ГДж на душу, и по мере того как росло среднее потребление, изменялся его состав.

В кочевых обществах пища была единственным источником энергии; мои оценки показывают, что пища и фураж составляли около 45 % всей энергии в ранней Римской империи. В доиндустриальной Европе их доля колебалась от 20 до 60 %, но в 1820 году среднее было уже не более 30 %; к 1910-му – менее 10 % в Великобритании и Германии. К 1960-м годам энергия фуража уменьшилась до пренебрежимо малой величины, а на пищу осталось 2–3% общего потребления энергии в наиболее обеспеченных обществах, где ведущие роли стали принадлежать промышленному, транспортному и домашнему использованию топлива и электричества. Потребление электричества на душу населения выросло на два порядка в богатых странах, к 2010 году оно составило около 7 МВт/г. в Западной Европе и 13 МВт/г. в США. Контрасты между энергетическими потоками, находящимися под прямым контролем человека, впечатляют ничуть не меньше.

Когда в 1900 году фермер на Великих равнинах держал поводья шести больших лошадей во время вспашки пшеничного поля, он контролировал – прикладывая значительные физические усилия, сидя на стальном сиденье, часто в облаке пыли – не более 5 кВт одушевленной энергии. Столетием позже его праправнук, расположившийся в кондиционированной кабине трактора, без усилий направлял больше 250 кВт мощности дизельного двигателя. В 1900 году машинист, ведущий угольный локомотив с вагонами по трансконтинентальному маршруту со скоростью около 100 км/ч, повелевал около 1 МВт пара, максимальной мощностью, которую давала ручная подача угля. К 2000 году пилот «Боинга-747», идущего по межконтинентальному маршруту на высоте 11 км, мог использовать автопилот большую часть путешествия, а четыре газовых турбины давали до 120 МВт мощности и скорость 900 км/ч.

Подобная концентрация мощности требует намного более высоких стандартов безопасности, поскольку возрастает цена ошибки. Экипажи, которые до конца девятнадцатого века использовались в городском транспорте, развивали постоянную мощность не более 3 кВт (четыре запряженные лошади) и перевозили от 4 до 8 человек. Пилоты реактивного лайнера контролируют 30 МВт и перевозят 150–200 пассажиров. Временная невнимательность или ошибка в оценке ситуации приведут к совершенно разным последствиям, когда у того, кто ошибется, «в руках» 3 кВт и 30 МВт, то есть разница в четыре порядка. Очевидный способ снизить такие риски – использовать электронный контроль.

Самая безопасная система транспорта в мире – японский shinkansen («новая магистраль») между Токио и Осакой, 50 лет его работы без происшествий отпраздновали 1 октября 2014 года – использует централизованный электронный контроль с самого своего появления. Автоматический контроль поддерживает нужное расстояние между поездами и пускает в ход тормоза, если скорость превышает обозначенный максимум; централизованный контроль движения следит за выполнением маршрутного расписания; детекторы землетрясений фиксируют первые сейсмические волны, достигшие поверхности Земли, и могут остановить или замедлить составы до того, как начнется собственно землетрясение.

Современные реактивные самолеты автоматизированы много десятилетий назад, и продвинутый контроль все больше проникает в автомобилестроение. Электронный контроль и постоянный мониторинг – применение которых сейчас варьируется от комнатных термостатов до больших плавильных печей, от антиблокировочных тормозных систем до повсеместного CCTV в городах – появились с широким распространением компьютеров и переносных электронных устройств и стали новой категорией спроса на электричество.

Рост глобального производства электричества в XX веке был даже быстрее, чем расширение добычи ископаемого топлива, чья средняя величина в год составила около 3 %. Менее 2 % всего топлива превращали в электричество в 1900 году, менее 10 % в 1945-м, но к концу века доля поднялась до 25 %. Новые гидроэлектростанции (в большом масштабе начали строить после Первой мировой войны) и новые ядерные мощности (с 1956 года) еще увеличили производство энергии. В результате глобальные поставки электричества росли примерно на 11 % в год между 1900-м и 1935-м, и затем на более 9 % в год до начала 1970-х. В оставшейся части века рост уменьшился до 3,5 % в год, в основном потому, что спрос в богатых экономиках понизился, а эффективность конверсии возросла. Новые способы генерации электричества от возобновляемых источников, таких как солнечная энергия и ветер, показали значительный рост с конца 1980-х годов.

Никакой другой выигрыш, обеспеченный этой новой мощностью, не был столь фундаментальным, как значительный рост в глобальном производстве продовольствия, который сделал возможным предоставить адекватное питание почти 90 % мирового населения. Никакое изменение не определило вид современного общества в большей степени, чем процесс индустриализации, и никакое новое улучшение не внесло больший вклад в появление глобальной цивилизации, чем эволюция массового транспорта и громадное увеличение нашей возможности по накоплению информации и вовлечению в коммуникации с частотой и интенсивностью, не имеющей исторических прецедентов. Но эти впечатляющие достижения не были разделены между всеми людьми в равной степени, и я напишу о том, как выгоду от глобального экономического роста непропорциональным образом получила небольшая часть человечества, и отмечу значительные внутринациональные различия. Но даже при всем при этом имели место многие универсальные усовершенствования.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Энергия в сельском хозяйстве

Новое сообщение ZHAN » 13 фев 2023, 13:28

Ископаемое топливо и электричество стали незаменимыми ресурсами в современном земледелии. Они использовались прямо, чтобы приводить в движение механизмы, и косвенно, чтобы строить эти машины, добывать минеральные удобрения, синтезировать азотистые вещества и защитные химикалии (пестициды, фунгициды, гербициды и др.), чтобы создавать новые разновидности растений. А с недавнего времени – чтобы приводить в действие электронику, берущую на себя многие функции и поддерживающую аккуратное земледелие. Ископаемое топливо обеспечило рост объема и стабильности урожаев, оно заменило практически всех тягловых животных в богатых странах и значительно уменьшило их использование в бедных, а замена мускулов двигателями внутреннего сгорания и электромоторами продолжила снижение интенсивности труда, начатое доиндустриальными достижениями в сельском хозяйстве.

Непрямое влияние ископаемого топлива на сельское хозяйство началось уже (пусть и в небольшом масштабе) в XVIII веке, когда плавку железной руды перевели с древесного угля на кокс. Оно расширилось с распространением стальных механизмов во второй половине XIX века и достигло новых высот с появлением новых, более мощных полевых машин, оросительных насосов, а также различного оборудования в XX веке. Но объем вложенной в машины энергии – всего лишь доля энергии, прямо использованной на управление тракторами, комбайнами и другими, на то, чтобы качать воду, сушить зерно и обрабатывать злаки. Из-за присущей им высокой эффективности дизельные двигатели стали доминировать во всех этих областях, но на долю бензина и электричества тоже осталось немало.

Использование двигателей внутреннего сгорания в сельскохозяйственных механизмах началось в США, в то же десятилетие, когда легковые машины стали массово производимым товаром. Первый тракторный завод был заложен в 1905 году, устройство отвода мощности для навесного оборудования появилось в 1919-м, а мощные подъемники, дизельные двигатели и резиновые шины – в начале 1930-х. До 1950-х годов механизация в Европе шла несколько медленно, в густонаселенных странах Азии и Латинской Америки она началась только в 1960-х, а в некоторых бедных государствах идет прямо сейчас. Механизация полевых работ была главной причиной роста производительности труда и снижения доли занятого в сельском хозяйстве населения. Сильная западная лошадь начала XX века работала с мощностью шести человек, но даже первые тракторы выдавали эквивалент 15–20 тяжелых лошадей, а сегодняшние машины, работающие в Канадских прериях, выдают до 575 л. с.

Я показал, как рост производительности снизил средние трудовые вложения в выращивание пшеницы в Америке с 30 часов на тонну в 1800 году до менее 7 часов на тонну в 1900-м; к 2000 году показатель уменьшился до 90 минут на тонну. Высвободившаяся трудовая сила начала перемещаться в города, вызвав мировое сокращение сельского населения и продолжающийся до сих пор рост урбанизации. Американская статистика позывает результаты перемещения. Процент трудящихся на селе уменьшился с более 60 % от всей рабочей силы в 1850 году до менее 40 % в 1900-м; эта доля составила 15 % в 1950 году, а в 2015-м она была всего 1,5 %. Для сравнения, сельским трудом в ЕС сейчас занято 5 % работающих, а в Китае все еще около 30 %.

Максимальная численность американских тягловых лошадей составила 21,4 миллиона в 1915 году, а количество мулов достигло пика в 1925–1926 годах: 5,9 миллиона особей. На протяжении второго десятилетия XX века общая тягловая сила была в десять раз больше, чем у только что появившихся тракторов; в 1927 году эти два первичных движителя сравнялись по объемам, а к 1940-му тракторы уже в два раза превосходили животных. Но сама по себе механизация не могла высвободить такое большое количество сельского труда. Более высокие урожаи новых разновидностей злаков, лучшие удобрения, эффективные гербициды и пестициды, усовершенствованная ирригация – все это внесло свой вклад.

Важность хорошо сбалансированного питания растений определил Юстус фон Либих (1803–1873). В 1843 году он сформулировал «закон минимума»: питательное вещество, которого меньше всего, определит уровень конечного урожая. Из трех макронутриентов (веществ, которые требуются в сравнительно больших количествах), а именно, азота, фосфора и калия – два последних довольно просто обеспечить. В 1842 году Джон Беннет Лоус (1814–1900) предложил обработку фосфатных пород растворенной серной кислотой, чтобы получать обычный суперфосфат, и позже этот способ использовался на крупных месторождениях фосфатов во Флориде (1888) и Марокко (1913). Калий в виде КС1 можно добывать во многих шахтах в Европе и Северной Америке.

Но вот обеспечение азотом, который всегда требуется растениям в большом количестве, было самой сложной задачей. До 1890-х годов единственный вариант сводился к импорту чилийских нитратов (открыты в 1809 году). Затем сравнительно малое количество сульфата аммония начали получать из новых коксовальных печей; дорогой цианамидный процесс (кокс, вступающий в реакцию с известняком, производит карбид кальция, комбинация которого с чистым азотом дает цианамид кальция) поставили на коммерческую основу в 1898 году; в самом начале XX века электрическую дугу (процесс Биркеланда-Эйде, 1903 год) начали использовать для получения оксида азота, который можно было превратить в азотную кислоту и нитраты. Ни одна из этих технологий не могла стать основой массового производства, и прорыв на мировой уровень произошел только в 1909 году, когда Фриц Габер (1868–1934) изобрел каталитический процесс при высоком давлении, синтез аммиака из его элементов.

Быстрая коммерциализация (к 1913 году) имела место на заводе BASF в Людвигсхафене, где руководил Карл Бош (1874–1940). Но сначала этот процесс использовали не для изготовления удобрения, а для того, чтобы делать нитрат аммония, необходимый для взрывчатки на полях Первой мировой войны. Первые синтетические азотные удобрения поступили в продажу в начале 1920-х годов. Их производство оставалось ограниченным до Второй мировой, и даже к 1960 году больше трети американских фермеров не использовали синтетических удобрений. Синтез аммиака и последующее его превращение в жидкие и твердые удобрения – энергоемкий процесс, но технический прогресс снизил общие энергетические затраты, и азотистые соединения вышли на мировой рынок, так что их производство в 2000 году достигло эквивалента 100 Мт азота (они составили 80 % от всех синтезированных веществ).
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Энергетические затраты на производство азотистых удобрений

Новое сообщение ZHAN » 14 фев 2023, 20:43

Энергетические расходы на синтез по схеме Габера – Боша включают топливо и электричество, используемые в процессе, и энергию, воплощенную в сырье. Процесс, базирующийся на коксе, с которого все начиналось на заводе BASF, требовал более 100 ГДж/т NH3 в 1913 году; перед Второй мировой войной показатель уменьшился до около 85 ГДж/т. После 1950 года процесс, основанный на природном газе, снизил энергетические издержки до 50–55 ГДж/т аммиака; центрифугальные компрессоры, более эффективные катализаторы и паровая конверсия под высоким давлением уменьшили сначала до менее 40 ГДЖ/т к 1970-м годам, затем до 30 ГДЖ/т к 2000-му, когда лучшим заводам требовалось всего 27 ГДЖ/т, близкое значение к стехиометрическим энергетическим расходам (20,8 ГДж/т) для синтеза аммиака. Обычно новый завод на природном газе тратит около 30 ГДж/т, примерно на 20 % больше в случае использования тяжелых нефтепродуктов, и до 48 ГДж/т при синтезе на основе угля.

Средняя производительность составляла около 35 ГДж/т в 2015 году; последний показатель соотносится с 43 ГДж/т азота. Но большинство фермеров не применяют аммиак (газ при обычном давлении), они предпочитают жидкости или твердые вещества, особенно мочевину, содержащую больше всего азота (45 %) среди всех твердых веществ, которые легко использовать даже на небольших участках. Превращение аммиака в мочевину, упаковка и транспорт увеличивают общие энергетические затраты до 55 ГДж/т. Используя этот показатель в качестве глобального среднего, можно подсчитать, что в 2015 году, когда около 115 Мт азота было использовано в сельском хозяйстве, на синтез азотистых удобрений ушло 6,3 ЭДж энергии, или чуть более 1 % глобального потока энергии.

Никакое другое использование энергии не предлагает такую отдачу в виде роста урожая, как использование синтетического азота: потратив, грубо, 1 % глобальной энергии, можно обеспечить около половины всех питательных веществ, потребляемых ежегодно злаками всего мира. Поскольку около трех четвертей всего азота в пищевых белках поступают из обрабатываемой земли, почти 40 % текущих поставок пищи зависят от процесса синтеза аммиака Габера-Боша. Если перевернуть данные, можно сказать, что без синтеза по схеме Габера-Боша число людей, получающих удовольствие от современного рациона, составило бы 40 % от сегодняшнего.

Западные страны, использующие большую часть зерна в качестве пищевого сырья, могут с легкостью уменьшить зависимость от синтетического азота, снизив высокое потребление мяса. Бедные страны с большим населением имеют куда меньшую свободу выбора. Особенно стоит отметить, что синтетический азот обеспечивает около 70 % всех энергетических вложений в Китае. Более 70 % белка в стране происходит из злаков, и поэтому, грубо говоря, половина всего азота в пище Китая поступает из синтетических удобрений. В его отсутствие обеспечение продуктами упадет до полуголодного уровня, или текущий уровень питания будет доступен только для половины населения.

Добыча поташа (10 ГДж/т К) и фосфатов и разработка фосфатных удобрений (вместе 20 ГДж/т Р) добавляют 10 % к общей сумме. Общие энергетические расходы на другие сельскохозяйственные химикалии много ниже. Послевоенный рост применения удобрений сопровождался введением в использование и расширением спектра гербицидов и пестицидов, химикалий, которые уменьшают заражение посадок сорняками, насекомыми и грибками. Первый коммерческий гербицид поступил на рынок в 1945 году (2,4-D), и он убивает многие широколиственные растения, не нанося вреда злакам. Первым инсектицидом был ДДТ, выпущенный в 1944-м (Friedman 1992). В списке гербицидов и пестицидов сейчас тысячи соединений, большей частью получаемых из нефтехимического сырья: их синтез куда более энергоемок, чем производство аммиака (обычно более 100 ГДЖ/т, а для некоторых – более 200 ГДж/т), но количества, используемые на гектар, на порядки ниже.

Территория орошаемых земель за XX век увеличилась в пять раз, с менее 50 Мга до более 250 Мга, а к 2015 году достигла 275 Мга. В относительных терминах это значит, что около 18 % сельскохозяйственных земель сейчас орошаются, около половины из них – водой, качаемой из колодцев, 70 % всей орошаемой земли находится в Азии. Там, где вода добывается из водоносных слоев, энергетические затраты на ее подкачку (используются обычно дизельные или электрические насосы) неизменно составляют самую большую часть от общих (прямых и косвенных) энергетических затрат на выращивание злаков. Оросительная система все еще подает большую часть выкачанной воды в бороздки, но гораздо более эффективные и дорогие разбрызгиватели (особенно вращающиеся) тоже используются во многих странах.

Только приблизительные расчеты можно сделать, чтобы отследить подъем прямого и косвенного использования ископаемого топлива и электричества в современном сельском хозяйстве. На протяжении XX века, когда население мира выросло в 3,7 раза, а обрабатываемая площадь расширилась на 40 %, антропогенный энергетический вклад поднялся с 0,01 ЭДж до почти 13 ЭДж. В результате в 2000 году средний гектар земли получал в 90 раз больше энергии, чем в 1900-м. Или, отстранясь от цифр, мы можем просто сказать вместе с Говардом Одумом (Odum, 1971):
«Целое поколение граждан думало, что текущий объем нашей планеты пропорционален площади обрабатываемой земли и что мы с большей эффективностью используем солнечную энергию. Но это печальное заблуждение, поскольку человек индустриальной эпохи не ест картофель, сделанный из солнечной энергии, сейчас он ест картофель, частично изготовленный из нефти».
Но эта трансформация изменила общую доступность пищи несколькими способами. В 1900 году валовое производство злаков (не считая потерь при хранении и перевозке) давало только крохотный выигрыш над человеческими потребностями в пище, что означает – большая часть человечества питалась скудно, и доля урожая, которую можно было использовать для прокорма животных, оставалась минимальной. Значительно выросшие вложения энергии позволили новым сортам растений (гибридная кукуруза, появившаяся в 1930-х годах, пшеница с коротким стеблем, новые разновидности риса в 1960-х) реализовать их потенциал полностью, результатом чего стали рост урожаев всех культур и увеличение энергии пищи в шесть раз.

В начале XXI века глобальные урожаи обеспечивают дневную норму в среднем (для популяции в 4 раза больше, чем в 1900 году) около 2800 ккал на человека, более чем достаточно, если бы она была доступна для всех. Примерно 12 % мирового населения до сих пор недоедают по той причине, что доступ к пище у них ограничен, но не потому что ее вообще нет, а потому что она распределяется неравномерно.

В обеспеченных странах поставки пищи на 75 % выше реальной потребности, результатом чего становится ненормально большое количество пищевых отходов (30–40 % всей пищи в розничной продаже) и высокий уровень ожирения у населения. Более того, немало зерна (50–60 %) в богатых странах скармливают домашним животным. Курица – самый эффективный конвертер корма (около трех единиц концентрированного корма на единицу мяса); для свинины это соотношение девять к одному, производство говядины самое затратное, оно требует 25 единиц корма на единицу мяса.

Это не самое лучшее соотношение также является функцией пропорции мясо/живой вес: для курицы она равняется 0,65, для свиньи – 0,53, для крупного рогатого скота всего 0,38. Но энергетические потери при получении мяса (и молока) имеют собственную питательную отдачу: рост потребления животной пищи обеспечивает высокобелковый рацион во всех богатых странах (проявляется в увеличении роста) и в среднем адекватное питание большинству даже самых бедных стран. Интересно, что среднее потребление энергии пищи на душу населения в Китае сейчас около 3000 ккал/сут., то есть на 10 % выше, чем в Японии.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Индустриализация

Новое сообщение ZHAN » 15 фев 2023, 23:15

Индустриализация подразумевает многочисленные связанные друг с другом изменения, и так дело обстоит, в каком бы масштабе не рассматривался процесс.

До сегодняшнего времени самое важное изменение на уровне фабрики – введение электрических моторов, приводящих в движение отдельные машины, что обеспечило точный и независимый контроль, позволило ликвидировать ненадежную систему трансмиссий, кожаных приводов и валов, которые требовались паровой машине. Но даже эта фундаментальная трансформация имела бы ограниченное воздействие, если бы высокоскоростные станки и сталь лучшего качества не были доступны для производства более качественных машин и финальных компонентов. Интенсификация международной торговли не произошла бы без новых, более мощных первичных движителей, но их развитие в свою очередь зависело не только от продвижения в конструктивной области, но также от огромных объемов нового жидкого топлива, получать которое стало возможно благодаря добыче сырой нефти и ее дальнейшей очистке.

Схожим образом, растущая доля механического производства, сконцентрированного на фабриках, потребовала размещения работников поблизости от мест производства (отсюда различные формы урбанизации) и развития новых навыков и целых профессий (отсюда беспрецедентный рост сферы профессионального обучения и технического образования). Использование монетарной экономики, мобильности труда и капитала установило новые контрактные отношения и привело к росту миграции и расширению банковского сектора. Погоня за массовым производством и низкими издержками на единицу продукции создали новые большие рынки, чье существование опиралось на надежный и недорогой транспорт.

В противоположность общему мнению, рост доступности полученных с помощью угля и паровых двигателей тепла и механической мощности вовсе не был нужен для того, чтобы инициировать этот комплекс перемен. Производство в загородных мастерских, основанное на дешевом сельском труде и обслуживавшее не только национальный, но и международные рынки, существовало за поколения до того, как началась угольная индустриализация. Такая протоиндустриализация имела место не только в отдельных районах Европы (Ульстер, Костуолдс, Пикардия, Вестфалия, Саксония, Силезия и многие другие). Масштабное ремесленное производство товаров для внутреннего и внешнего рынков существовало также в Китае династий Мин и Цинь, в Японии сегуната Токугава, в отдельных районах Индии.

Отличным примером является карбонизация сыродутного железа для получения индийской стали wootz, качества которой лучше всего известны по дамасским клинкам. Ее производство в некоторых регионах Индии (Лахор, Амритсар, Агра, Джайпур, Мисор, Малабар, Голконда) имело почти индустриальные масштабы, экспорт шел в Персию и Турецкую империю. Частично механизированное и сравнительно крупное производство тканей, опирающееся на энергию воды, часто становилось следующим шагом европейского перехода от сельских мастерских к централизованным мануфактурам. Во многих регионах промышленные водяные мельницы и турбины успешно конкурировали с паровыми машинами на протяжении десятилетий после появления нового неодушевленного первичного движителя.

Да и массовое потребление не было таким уж новшеством.

Мы привыкли думать о материализме как о последствии индустриализации, но в Западной Европе, особенно в Нидерландах и Франции, он являлся значимой социальной силой уже в XV и XVI веках. Схожим образом в Японии эпохи Токугава (1603–1868) богатые жители городов, особенно Эдо, столицы, начали развлекаться совершенно необычным для того времени образом: покупать иллюстрированные книги (ehon), ходить по ресторанам (тогда стали популярны суши), посещать театральные представления, коллекционировать цветные изображения (ukiyoe) ландшафтов и актеров. Вкусы и стремления растущего числа состоятельных людей обеспечили важный культурный импульс для индустриализации. Им требовался доступ к товарам: от посуды для ежедневной готовки до экзотических специй и тонких тканей, от искусно выгравированных карт до чайных наборов.

Термин «индустриальная революция» столь же привлекательный и глубоко въевшийся, как и ошибочный.

Процесс индустриализации был скорее комплексом отдельных и постепенных, часто неравномерных шагов вперед. Дело обстояло так даже в регионах, которые сравнительно быстро перешли от ремесленных мастерских к крупномасштабному производству на экспорт. Иллюзорно аккуратное размещение этих изменений на временной шкале игнорирует сложность и истинную эволюционную природу процесса целиком. Его начало в Англии можно проследить как минимум до конца XVI века, но полную мощность он набрал только после 1850 года. Даже к этому времени традиционные ремесленники значительно превосходили числом рабочих механизированных фабрик: перепись 1851 года показала, что в Великобритании все еще было больше сапожников, чем шахтеров на угольных шахтах, больше кузнецов, чем металлургов.

Взгляд на мировую индустриализацию как на серию волн, имитирующих английские достижения, ничуть не более правилен. Даже Бельгия, чей прогресс наиболее сильно напоминал британский, шла собственным путем. Намного большее значение имела металлургия, и меньшее – текстильная промышленность. По причине значительных национальных отличий не было общих шаблонов индустриализации. Во Франции активно использовали энергию воды, Америка и Россия очень долго полагались на древесину, а Япония – на искусных ремесленников. Уголь и пар были изначально вовсе не революционными новшествами. Постепенно они стали давать тепло и механическую мощность на невиданном ранее уровне и с высочайшей надежностью.

Индустриализация могла расширяться и ускоряться в одно и то же время, в конечном итоге становясь причиной еще более высокого потребления ископаемых энергий. Добыча угля вовсе не является необходимой для индустриальной экспансии, но она определенно важна для ее ускорения; сравнение Бельгии и Нидерландов показывает этот эффект. Высоко урбанизированное голландское общество, с прекрасным флотом и сравнительно продвинутыми торговыми и финансовыми возможностями, осталось позади богатой углем, но бедной всем остальным Бельгии, которая стала передовой индустриальной страной континента в середине девятнадцатого века. В число других регионов Европы, где рано сформировалась основанная на угле экономика, входили Рейн-Рур, Богемия и Моравия в империи Габсбургов, прусская и австрийская части Силезии.

Этот шаблон повторился и за пределами Западной и Центральной Европы. Пенсильвания с ее высококачественным антрацитом и Огайо с прекрасным битуминозным углем стали лидерами в США. В России до Первой мировой войны разработка богатых запасов угля в Донецком бассейне и нефтяных залежей в Баку в 1870-х годах открыла дорогу быстрой индустриальной экспансии. Японская погоня за модернизацией в эпоху Мейдзи основывалась на угле из месторождений северного Кюсю. Крупнейшая коммерческая империя в Индии выросла из домны Дж. Тата, которая использовала бихарийский кокс (Джамшедпур) с 1911 года.

Получив в свое распоряжение энергию угля и пара, традиционные производители смогли обеспечить большие объемы более качественной продукции по более низким ценам. Это достижение было необходимым условием для массового потребления. Доступность недорогой и надежной механической энергии также позволила использовать все более сложные машины. И соответственно увеличилась специализация в производстве компонентов, инструментов и механизмов. Новые отрасли, живущие за счет угля, кокса и пара, возникали с невероятной скоростью из-за необходимости обеспечивать национальные и международные рынки. Изготовление котлов высокого давления и труб к ним началось после 1810 года, производство рельсов и локомотивов выросло после 1830-го, а изготовление водяных турбин и корабельных винтов – после 1840 года. Стальные корпуса и подводные телеграфные кабели нашли новый большой рынок после 1850 года, а коммерческие способы изготовления недорогой стали – сначала в конвертерах Бессемера после 1856-го, затем в мартеновских домнах в 1860-х – открыли новые большие рынки, от кухонной утвари до рельс, от плугов до несущих балок.

Рост потребления топлива и замена ручных инструментов машинами сделали человеческие мускулы несущественным источником энергии. Труд сравнительно быстро превратился в поддерживающий, контролирующий и управляющий процесс. Эту тенденцию хорошо показывает анализ переписей в Англии и Уэльсе за полтора столетия. В 1871 году около 24 % всех работающих занимались физическим трудом (в сельском хозяйстве, строительстве и промышленности), и только 1 % составляли люди «заботящихся» профессий (медицина и обучение, забота о детях и социальное обеспечение). Но к 2011 году доли составили соответственно 8 % и 12 %, и некоторая часть сегодняшнего физического труда, вроде уборки или рутинных операций на фабриках, включает немало механизированных задач.

Но хотя важность человеческого труда упала, новые систематические исследования отдельных задач и полных фабричных процессов продемонстрировали, что производительность труда значительно увеличилась после оптимизации, перестройки и стандартизации мускульной активности. Фредерик Уинслоу Тейлор (1856–1915) был пионером в области подобных исследований. Начиная с 1880 года, он потратил 26 лет на количественные оценки всех ключевых переменных, задействованных при резке стали, свел находки к простому набору вычислений и вывел общие заключения по управлению эффективностью в книге «Принципы научного менеджмента». Столетием позже эту книгу продолжают использовать некоторые из наиболее успешных изготовителей товаров широкого потребления.

Радикально новый период индустриализации начался, когда паровые машины превзошла электрификация. Электричество – совершенная форма энергии, и не только по сравнению с паровой. Оно сочетает мгновенный и легкий доступ со способностью очень надежно обслуживать почти любой сектор экономики, кроме авиации. Щелчок выключателя превращает электричество в свет, тепло, движение или в химический потенциал. Легко контролируемый поток обеспечивает ранее недостижимые точность, скорость и контроль процессов. Более того, оно чисто и бесшумно в точке потребления. И как только нужная проводка проложена, электричество может решать почти бесконечное количество растущих или меняющихся задач.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Re: Энергия и цивилизация

Новое сообщение ZHAN » 16 фев 2023, 20:44

От экспериментов с резкой стали до японского экспорта автомобилей

Главной заботой Фредерика Уинслоу Тейлора были потери труда, иными словами, непродуктивное использование энергии, эти «неловкие, неэффективные или неточно нацеленные движения человека», которые «не оставляют ничего видимого или ощутимого после себя», и он пытался оптимизировать физические усилия. Критики Тейлора увидели в этом всего лишь особенно жестокий способ эксплуатации, но усилия Тейлора базировались на понимании реальной энергетики труда. Он возражал против слишком больших рабочих квот («если человек переутомлен работой, тогда задача поставлена неверно и такой подход далек от научного менеджмента настолько, насколько это возможно») и подчеркивал, что совместное знание управляющих уступает «в значительной степени совместному знанию и умению рабочих людей, которые им подчиняются». Естественно, что он призывал к «доверительной кооперации управляющих с рабочими».

Рекомендации Тейлора были сначала отвергнуты (компания Bethlehem Steel уволила его в 1901 году), но «Принципы научного менеджмента» стали в конечном итоге учебником для менеджеров всего мира. В особенности, глобальный успех японских компаний был основан на постоянных усилиях по устранению непродуктивного труда, излишней загрузки и неравной скорости работы, на привлечении рабочих к участию в производственном процессе, например, путем внесения предложений по его улучшению, и на минимизации конфликтов между управляющими и трудящимися. Знаменитая производственная система фирмы «Тойота» – аллитерирующее трио muda mura muri (ликвидация не имеющих ценности видов деятельности, неравномерного ритма производства и чрезмерной загруженности) – представляет собой чистый тейлоризм.

Эти свойства делают электрификацию промышленности по-настоящему революционным сдвигом. В конечном итоге паровые машины, заменившие водяные мельницы, не изменили способ передачи механической энергии, с помощью которой выполняются различные производственные работы. Поэтому такая замена мало повлияла на общую фабричную производительность. Пространство под крышей фабрики осталось загроможденным главными валами, связанными с параллельными распределительными валами, передающими движение отдельным машинам с помощью ременных приводов. В случае перебоев в функционировании первичного движителя (низкий уровень воды, поломка машины) или повреждения трансмиссии (вала или привода) останавливалась вся работа. Подобный комплекс также характеризовался высокими потерями на трение и допускал лишь ограниченный контроль мощности на отдельных рабочих местах.

Первые электрические моторы вращали более короткие валы для меньших групп машин. После 1900 года персональные приводы постепенно сделались нормой в производстве. Между 1899 и 1929 годами общая номинальная механическая мощность американской промышленности примерно учетверилась, а мощность индустриальных электромоторов выросла почти в 60 раз и достигла почти 82 % общей доступной мощности, по сравнению с менее чем 5 % в конце XIX века (USBC 1954; Schnurr et al. 1990). После этого доля электрической мощности изменялась мало: замещение паровых и приводимых в движение водой механизмов на моторы было практически завершено всего через три десятилетия после начала этого процесса в конце 1890-х годов. Этот эффективный и надежный источник энергии не только удалил постоянный грохот над головой и повышенную опасность несчастных случаев. Устранение древней трансмиссии освободило потолок для установки лучшего освещения и вентиляции, обеспечило возможность роста производственных площадей и гибкую организацию производства. Высокая эффективность электрических моторов в комбинации с точным, гибким, индивидуальным контролем мощности в лучшей рабочей среде привела к росту производительности труда.

Электрификация также открыла дорогу для множества специализированных отраслей. Первой стало производство ламп, динамо и проводки (после 1880 года), а также паровых и водяных турбин (после 1890-го). Котлы высокого давления на измельченном в порошок угле появились после 1920 года; создание огромных плотин, использующих большое количество железобетона, началось десятилетием позже. Широкое распространение приборов контроля за загрязнением воздуха началось после 1950 года, а первые атомные электростанции появились до 1960-го. Рост спроса на электричество также стимулировал геофизические исследования, добычу топлива и расширение транспортной сети. Немалый объем фундаментальных исследований в материаловедении, автоматизации и метрологии потребовался для того, чтобы получить лучшую сталь, другие металлы и сплавы, увеличить надежность и срок службы дорогих устройств для извлечения, транспортировки и конвертации энергии.

Доступность надежного и дешевого электричества преобразовала буквально каждый вид промышленной деятельности. Вне всяких сомнений, самое большое воздействие на производство оказало широкое распространение сборочных линий. Классическая, ныне устаревшая, негибкая разновидность, использованная Фордом, базировалась на конвейере, изобретенном в 1913 году. Современная, гибкая японская разновидность полагается на доставку комплектующих «строго вовремя», и на рабочих, способных выполнять ряд различных задач. В системе, представленной на фабриках «Тойоты», скомбинированы элементы американской практики с новыми хитроумными подходами и оригинальными идеями. Производственная система «Тойоты» (kaizen) базируется на постоянном совершенствовании продукта и самоотверженном стремлении к лучшему контролю качества. И снова фундаментальная унификация всех этих действий минимизирует потери энергии.

Доступность недорогого электричества также способствовала появлению новых металлургических и электрохимических отраслей. Электричество обеспечило масштабную плавку алюминия электролизом глинозема (А12O3), растворенного в электролите, обычно криолите (Na3AlF6). С 1930-х годов электричество незаменимо в синтезе все растущего набора различных пластмасс, а с недавнего времени – в освоении производства новых композитных материалов, в первую очередь углеродных волокон. Энергетические затраты на эти материалы примерно в три раза выше, чем на алюминий, но их первым полем приложения стало как раз вытеснение алюминиевых сплавов из авиастроения: новейший «Боинг-787» почти на 80 % состоит из композитов.

В то время как новые легкие материалы заменяют сталь в различных отраслях, производство самой стали тоже не стоит на месте. Используются дуговые плавильные печи, и новые, более легкие и прочные стали находят другие области применения, особенно в автостроении (Smil 2016). И перед тем как закончить этот перечень, который может затянуться на много страниц, я должен подчеркнуть, что без электричества невозможна крупномасштабная микрообработка деталей с достаточной точностью для таких сфер промышленности, как изготовление реактивных двигателей и медицинской диагностической аппаратуры. Ну и само собой, не появилось бы ни точного электронного контроля, ни вездесущих компьютеров, ни миллиардов телекоммуникационных устройств, которые сейчас используются по всему миру.

Хотя доля промышленности (в процентах занятого населения или ВВП) постоянно уменьшается в практически всех богатых странах – в 2015 году в США в производстве было занято чуть более 10 % работающих, и оно давало около 12 % ВВП США – индустриализация продолжается, но ее конфигурация изменилась. Мощные потоки энергии и материалов по-прежнему лежат в ее основе; металлы остаются наиболее существенными промышленными материалами; железо, используемое сейчас обычно в виде стали, сохраняет ведущую роль среди металлов. В 2014 году производство стали было почти в 20 раз больше, чем производство четырех ведущих цветных металлов вместе: алюминия, меди, цинка и свинца. Плавка железной руды в домнах, за которой следует плавка стали в основных кислородных конвертерах, и использование металлолома в дуговых печах доминируют в производстве стали. Значительный рост этого производства был бы невозможным без более крупных и эффективных домен.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Увеличение объема домн и баланс массы и энергии в них

Новое сообщение ZHAN » 17 фев 2023, 19:40

Немногие производственные структуры со средневековой родословной остаются столь же важными для функционирования современной цивилизации, как доменные печи. Новый дизайн Белла в 1840 году увеличил в пять раз их внутренний объем, доведя его до 250 м3. К 1880 году крупнейшие домны превзошли 500 кубометров, достигли 1500 м3 к 1950-му, а к 2015 году рекорд внутреннего объема находился между 5500 и 6000 м3. В результате рост продуктивности привел к тому, что выход горячего металла поднялся с 50 т/сут. в 1840 году до более 400 т/сут. к 1900-му. Отметка в 1000 т/день была достигнута перед Второй мировой войной, а сегодняшние крупнейшие домны производят около 15 000 т/сут., с рекордным показателем для печи Pohang-4 компании POSCO (Южная Корея) 17 000 т/день.

Для функционирования больших домен требуются колоссальные потоки массы и энергии. Для домны, производящей 10 000 тонн железа в день, чтобы загружать сырьем прилегающий кислородный конвертер, потребуется 5,11 Мт руды, 2,92 Мт угля, 1,09 Мт флюсового сырья и около 0,5 Мт стального скрапа. Большой интегрированный сталелитейный завод, таким образом, каждый день потребляет около 10 Мт материалов. Современные домны производят горячий металл непрерывно 15–20 лет, а затем их отражательная кирпичная поверхность и горн из углеродистых блоков обновляют.

Выигрыш в продуктивности сопровождался снижением потребления кокса. В 1900 году типичные потребности в коксе составляли 1–1,5 тонн на одну тонну горячего металла, к 2010 году национальные показатели составили около 370 кг/т в Японии и менее 340 кг/т в Германии. Энергетические затраты при плавке железа на коксе упали с около 275 ГДж/т в 1750 году до около 55 ГДж/т в 1900-м, приблизились к 30 ГДж/т в 1950-м, а в 2010 году лежали между 12 и 15 ГДж/т.

Схожим образом технологии изготовления стали сделались более эффективными не только из-за снижения использования энергии, но также из-за роста продуктивности. Первые конвертеры Бессемера превращали сначала менее 60 %, а позже – более 70 % железа в сталь. Мартеновская печь в конечном итоге превращала около 80 %, современные кислородные конвертеры, появившиеся в 1950-х годах, дают 95 %, а электродуговые печи – до 97 %. Последние потребляют сейчас менее 350 кВт/т стали, по сравнению с более 700 кВт/т в 1950 году; более того, этот выигрыш сопровождался снижением вредных выбросов: между 1960 и 2010 годами выбросы в США упали (на тонну горячего металла) на 50 % для CO2 и на 98 % для пыли. Энергетические затраты на производство стали уменьшились благодаря непрерывному литью горячего металла. Эта инновация устранила традиционное производство слитков, которые требовали нагревания перед дальнейшей обработкой.

Финальный рост продуктивности оказался достаточно значительным, чтобы она увеличилась на порядки даже в расчете на душу населения: в 1850 году, до начала современного производства стали, изготовлялось менее 100 тысяч тонн металла, ремесленным способом, всего 75 г на душу населения в год. В 1900-м годовой показатель был 30 Мт, среднее по миру значение 18 кг на душу населения; в 2000-м 850 Мт, 140 кг на душу населения; в 2015-м 1,65 Гт, около 225 кг/душу, грубо, в 12 раз больше, чем в 1900 году. Мои расчеты показывают, что в 2013 году всемирное производство железа и стали требовало приблизительно 35 ЭДж топлива и электричества, или менее 7 % от первичной выработки энергии, и это сделало отрасль самой энергоемкой в мире, В сравнении с 23 % для всей прочей промышленности, 27 % для транспорта и 36 % для бытового и служебного пользования. Если бы интенсивность потребления энергии в секторе осталась той же, какой была в 1960-х годах, тогда индустрия потребляла бы как минимум 16 % мировой первичной выработки энергии в 2015-м. Это впечатляющий образец продолжающегося роста эффективности.

Самой важной инновацией в цветной металлургии оказалось развитие плавки алюминия. Элемент был выделен в 1824 году, но экономически оправданный процесс его крупномасштабного производства разработали только в 1866-м. Независимые изобретения Чарльза М. Холла в США и Поля Эру во Франции базировались на электролизе оксида алюминия. Минимальная энергия, которая требуется, чтобы отделить металл, в шесть с лишним раз превышает необходимую для плавки железа. По этой причине плавка алюминия эволюционировала очень медленно даже после начала массовой генерации электричества. На протяжении 1880-х годов электрические требования составляли более 50 000 кВт на тонну алюминия, последующее совершенствование процесса Холла-Эру снизило это значение на две трети к 1990 году.

Потребность в алюминии стала увеличиваться по мере прогресса авиации. Металлические корпуса заменили деревянные и сделанные из ткани в конце 1920-х годов, спрос резко вырос во время Второй мировой войны, когда понадобилось много истребителей и бомбардировщиков. После 1945 года алюминий и его сплавы использовались вместо стали в тех случаях, когда конструкция требовала сочетания легкости и прочности. Такое применение варьировалось от легкового автомобилестроения и саморазгружающихся вагонов до космических аппаратов, но последний рынок сейчас обслуживается также новыми легкими сталями.

С 1950-х годов титан стал заменять алюминий там, где речь шла о высоких температурах, прежде всего в сверхзвуковой авиации. Производство титана по меньшей мере в три раза более энергоемко, чем алюминия.

Хотя фундаментальная важность массового производства металлов часто ускользает из поля зрения общества, озабоченного последними достижениями в телекоммуникациях, нет сомнений, что современное производство было трансформировано его продолжающимся слиянием с современной электроникой. Этот союз в значительной степени увеличил набор конструктивных опций, обеспечил беспрецедентный контроль точности и гибкость, изменил маркетинг, дистрибуцию и контроль эффективности. Сравнение на международном уровне показывает, что в США в 2005 году услуги, приобретенные производителями у сторонних фирм, составили 30 % от добавленной стоимости конечного товара, и показатели в ведущих экономиках ЕС сравнимы (23–29 %). В 2008 году связанная с услугами занятость составила большинство (53 %) в США, от 44 до 55 % в Германии, Франции, Великобритании, до 32 % в Японии. И хотя многие товары на вид не отличаются от своих предшественников, они на самом деле гибридны.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Автомобили как мехатронные устройства

Новое сообщение ZHAN » 18 фев 2023, 14:41

Нет лучшего примера объединения электронных и механических компонентов, чем современный легковой автомобиль. Oldsmobile Tornado, выпущенный «Дженерал Моторе» в 1977 году, был первой машиной, снабженной электронным блоком управления (ЭБУ), способным контролировать зажигание. Четырьмя годами позже «Дженерал Моторе» имела около 50 тысяч строк кода в программном обеспечении контроля двигателя, собранного на главном производстве. Сейчас даже в дешевых автомобилях установлено до 50 ЭБУ, а некоторые машины класса «премиум» (включая «Мерседес-Бенц» S-класса) содержат до 100 соединенных в сеть ЭБУ, и поддерживающее их ПО имеет до 100 миллионов строк кода. И это по сравнению с 5,7 миллиона строк ПО, необходимых для функционирования F-35, ударного истребителя ВВС США, или 6,5 миллиона строк для «Боинга-787», самой последней версии коммерческого авиалайнера.

Автомобильная электроника становится более сложной, но сравнение количества строк ведет к неверным выводам. Главная причина, почему ПО для автомобилей более объемное, состоит в том, что требуется обеспечивать большее количество опций и конфигураций, предлагаемых в роскошных моделях, включая информационно-развлекательный центр и систему навигации, которые не имеют ничего общего с автомобильным делом; также присутствует значительная доля повторно используемого, автоматически сгенерированного и излишнего кода.

Электроника и ПО сейчас составляют до 40 % затрат на производство автомобилей класса «премиум»: машины превратились из чисто механических устройств в мехатронные гибриды, и каждое дополнение в области полезных контрольных функций – система слежения за разметкой, система автоматического торможения или продвинутый комплекс диагностики – расширяет требования к ПО и увеличивает цену машины. Тренд очевиден, но полностью автономные, самоуправляемые автомобили не появятся так быстро, как ожидают многие некритично настроенные обозреватели.

Автомобили – идеальный образец отрасли, в которой исследования, дизайн, маркетинг и обслуживание играют не менее важную роль, чем реальное производство товаров. Независимо от того, как изменилось использование воплощенной энергии (на автомобиль, компьютер или заводской узел): выросло (благодаря более энергоемким материалам, большей массе или лучшей выработке), осталось тем же самым или уменьшилось, – кроме объема выпуска стали очень важны внешний вид, заметность бренда и качество. Этот тренд имеет значительные импликации как для использования энергии в будущем, так и для структуры занятости, но мы пока не можем знать, каково будет его влияние.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Транспорт

Новое сообщение ZHAN » 19 фев 2023, 11:45

Несколько атрибутов характеризуют все виды транспорта на ископаемом топливе и электрического транспорта. По контрасту с традиционными способами перевозки людей и товаров они много быстрее, иногда просто невероятно: каждый год десятки миллионов людей пересекают Атлантику за 6–8 часов, хотя столетием ранее на это уходило шесть дней, а половину тысячелетия назад задача была решена за пять недель.

Транспорт стал несравнимо более надежным: даже лучшая упряжка с сильнейшими лошадьми встретилась бы с трудностями при попытке пересечь альпийские перевалы, ее ждали бы сломанные оси, изувеченные животные и ослепляющие шторма; сейчас сотни полетов совершаются над теми же горами, а поезда идут по туннелям.

Что до цен, то перед Первой мировой войной пересечь Атлантику стоило в среднем 75$, или около 1900$ в ценах 2015 года. Дорога туда-обратно обошлась бы почти в 4000$, и это по сравнению со средней (без скидок) ценой в 1000 долларов на перелет Лондон – Нью-Йорк.

Начало XIX века ознаменовалось важным прогрессом в общей мощности, в эффективности и в стационарном использовании природной кинетической энергии водяных и ветряных мельниц, но наземный транспорт, приводимый в движение теми же мускулами, очень мало изменился со времен древности. Тысячелетиями не было более быстрого способа путешествовать по земле, чем на спине хорошей лошади. Столетиями не было транспорта менее утомительного, чем экипаж на хорошей подвеске. К 1800 году некоторые дороги получили лучшее твердое покрытие, и многие экипажи обзавелись хорошими рессорами, но все это были различия в степени, но не в принципе.

Железные дороги преобразили транспортную систему на протяжении всего лишь десятилетий. Благодаря им не только сжалось и изменило свою конфигурацию пространство, повысился и уровень комфорта для путешественников. Скорость миля в минуту (96 км/ч) была первый раз достигнута на краткое время рядовым английским поездом в 1847 году; этот год также отмечен величайшей активностью в постройке железных дорог в Великобритании, которая получила плотную сеть нового транспорта всего за два поколения.

Крупномасштабная постройка железных дорог, по которым двинулись поезда, снабжаемые все более мощными паровыми машинами на угле, была завершена в Европе и Северной Америке менее чем за 20 лет: 1820-е годы стали десятилетием экспериментов; к 1890-м самые быстрые поезда проходили отрезки маршрута со скоростью более 100 км/час. Очень быстро после своего появления пассажирские вагоны, поначалу просто телеги на рельсах, обзавелись отоплением и удобствами. Пассажиры, способные заплатить больше, получали соответствующий комфорт, питание и спальные принадлежности. Быстрые и более удобные поезда возили не только путешественников и мигрантов в города, они привносили городской стиль жизни в сельскую местность. Туристическое агентство «Томас Кук» начало предлагать поездки выходного дня на поездах с 1841 года. Линии электричек обеспечили первую большую волну субурбанизации. Растущая емкость грузовых поездов позволила ускорить доставку ресурсов и готовых товаров.

Общая протяженность британских железных дорог вскоре была превзойдена американскими, которые начали сооружать в 1834 году в Филадельфии. К 1860 году в США было 48 тысяч километров путей, в три раза больше, чем в Соединенном Королевстве. К 1900 году разница увеличилась почти в 10 раз. Первая трансконтинентальная ветка была закончена в 1869 году, и к концу века построили еще четыре таких линии. В России железнодорожный транспорт тоже развивался очень быстро: к 1860 году было менее 2000 км путей, но цифра выросла до более 30 тысяч к 1890-му и до почти 70 тысяч в 1913-м. Трансконтинентальную ветку через всю Сибирь до Владивостока начали строить в 1891 году, но полностью закончили только в 1917-м. Когда англичане ушли из Индии в 1947 году, они оставили после себя 54 тысяч километров железных дорог (и 69 тысяч на всем субконтиненте). Никакая другая материковая страна Азии не строила железные дороги в значительных объемах до Второй мировой войны.

После войны конкуренция со стороны автомобилей, автобусов и самолетов снизила сравнительную важность железных дорог в большинстве промышленных стран, но на протяжении второй половины XX века СССР, Бразилия, Ирак и Алжир были в числе стран, энергично строивших новые ветки, а Китай стал лидером в Азии, он добавил более 30 тысяч километров между 1950 и 1990 годами. Но самая успешная инновация послевоенного периода – быстрые электрифицированные поезда дальнего следования. Японские shinkasen, начавшие ходить в 1964 году между Токио и Осакой, достигали максимума скорости в 250 км/ч, а появившиеся позже nozomi достигли 300 км/ч.

Французские trains a grand vitesse (TVG) начали ходить с 1983 года; быстрейший маршрут подразумевает скорость почти 280 км/ч. Похожие скоростные линии сейчас существуют в Испании (AVE), Италии (Frecciarossa) и Германии (Intercity), но Китай стал вотчиной новых рекордов в общей протяженности высокоскоростного железнодорожного транспорта: в 2014 году там было 16 тысяч километров подобных дорог. И по контрасту единственный в Америке Acela (Бостон – Вашингтон, средняя скорость всего 100 км/ч) нельзя даже отнести к числу современных высокоскоростных поездов.

Если вести отсчет от появления первых практичных бензиновых двигателей в конце 1880-х годов, тогда вторая наземная транспортная революция, развитие сети дорог для машин с двигателями внутреннего сгорания, потребовала не меньше времени. В богатых странах Европы и Северной Америки ее развитие было дважды прервано мировыми войнами. Соединенные Штаты имели большое количество автомобилей в личном пользовании уже в конце 1920-х годов, но в Европе и Японии сравнимые показатели были достигнуты только в 1960-х, а в Китае эра массового использования автомобилей началась в 2000 году. Благодаря огромному населению и большим инвестициям в новые фабрики и торговлю легковыми машинами Китай превысил показатели США в 2010 году. К этому времени на весь мир приходилось около 870 миллионов легковых машин и более миллиарда других автомобилей.

Экономические, социальные и экологические изменения, которые повлекло за собой появление автомобиля, относятся к числу наиболее глубоких трансформаций нового времени. В разных странах (первыми стали США в середине 1920-х годов) автомобилестроение постепенно становилось ведущей отраслью промышленности в терминах стоимости продукции. Автомобили также стали одной из главных статей международной торговли. Их экспорт из Германии (после 1960 года) и даже больший из Японии (после 1970-го) позволил этим двум экономикам процветать десятилетиями. Большие сегменты других отраслей – в первую очередь производство стали, резины, стекла, пластика, нефтепереработка – зависят от автомобилестроения. Строительство скоростных шоссе невозможно без участия государства, и подразумевает огромные капитальные инвестиции. Автобаны Гитлера 1930-х предшествовали системе автострад между штатами Эйзенхауэра (начало положено в 1956 году, общая протяженность сейчас свыше 77 тысяч километров), и последнюю превзошла китайская Система национальных автодорог, достигшая 112 тысяч километров в 2015 году.

Определенно самым очевидным процессом, начавшимся благодаря автомобилям, стала всемирная реорганизация городов вокруг разрастающихся дорог и парковочных площадок. Там, где позволяло пространство, произошел быстрый рост субурбанизации (а в Северной Америке также эксурбанизации), изменилось размещение и формы служб торговли и сервиса. Социальные воздействия оказались еще более впечатляющими: владение автомобилем стало важной частью жизни среднего класса, и некоторые удачные конструкции, запустившие этот тренд, прожили удивительно долгую жизнь. Первым был «Модель Т» Форда, цена которого упала до 265$ в 1923 году, и чье производство продолжалось 19 лет. Другие известные модели – «Остин 7», «Моррис Майнор», «Ситроен 2CV», «Рено 4CV», «Фиат Тополино», и самый популярный, появившийся в рамках политики Гитлера «Фольксваген» Фердинанда Порше.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

«Фольксваген» и другие долгоживущие модели

Новое сообщение ZHAN » 20 фев 2023, 18:34

В терминах общего количества произведенных машин и долговечности (посредством новых модификаций) никакой автомобиль, разработанный для широкого спроса, не подходит и близко к тому, что Адольф Гитлер назвал «народным автомобилем». Осенью 1933 года он объявил характеристики машины – предел скорости в 100 км/ч, расход 7 л/км, возможность перевозить двух взрослых и трех детей, воздушное охлаждение и цена ниже 1000 рейхсмарок. Фердинанд Порше (1875–1951) сумел изготовить такой автомобиль, пусть не особенно красивый, прозванный «жуком», к 1938 году. Из-за войны производство остановилось, и серийная сборка «Фольксвагена» началась только в 1945 году под наблюдением британской армии, а точнее – майора Айвана Хирста (1916–2000), сумевшего сохранить поврежденный завод.
Изображение

В первые годы западногерманского Wirtschaftswunder [экономическое чудо (нем)] (до того, как «Мерседес», «Ауди» и «БМВ» стали пользоваться массовым спросом), «жуки» заполонили немецкие дороги. В 1960-х «Фольксваген» стал наиболее популярным импортным автомобилем в США, и только позже его вытеснили «Хонды» и «Тойоты». Производство оригинального «жука» прекратилось в Германии в 1977 году, но продолжалось в Бразилии до 1996-го и в Мексике до 2003 года; последний автомобиль, выпущенный заводом в Пуэбла, имел номер 21529464. «Новый Жук», получивший новый дизайн от Дж. Мейса и двигатель спереди, производился между 1997 и 2011 годами; с 2012 модельного года имя самой последней конструкции (А5) превратилось в «Фольксваген Битл».

«Рено 4CV», втайне сконструированный во время Второй мировой войны, стал французским конкурентом «жука»; более миллиона машин было выпущено между 1945 и 1961 годами. Самым же известным французским автомобилем стал «Ситроен 2СV», изготовлявшийся между 1940 и 1990 годами: deux cheveaux обозначает просто количество цилиндров; мощность двигателя на самом деле была 29 л. с..

«Маленькая мышь», как прозвали «Фиат Тополино», двуместный автомобиль с колесной базой всего 2 метра, изготавливался между 1936 и 1955 годами, и британский «Морис Майнор» – между 1948 и 1971 годами. Все эти модели были вытеснены японскими: после сравнительно малого экспорта в 1960-х и 1970-х они стали лидерами продаж по всему миру в 1980-х.

Свобода личного передвижения оказала громадное воздействие на мобильность населения. Обнаружилось, что переезжать с места на место не только просто, но и приятно.

Аналогия автомобиля как механического боевого коня, а водителя как рыцаря, наделенного мобильностью аристократа, который с презрением смотрит на пешеходов-простолюдинов (и для него немыслимо к ним присоединиться), все же несколько преувеличена. В 2010 году приходилось только 1,25 человека на единицу автотранспорта (включая автобусы и грузовики) в США, и показатель составил 1,7 в Германии и в Японии.

Широко распространенная зависимость от такой мобильности превратилась в трудно преодолеваемую привычку: после индуцированного рецессией спада 2009–2011 годов продажи автомобилей в США достигли нового рекордного уровня в 16,5 миллиона единиц в 2015-м.

Мы зашли очень далеко, чтобы сохранить привилегию пользования автомобилем (в Северной Америке все еще проще, поскольку более 90 % машин продаются в кредит), и нет ничего удивительного в том, что китайцы и индийцы хотят повторить североамериканский опыт. Но подобно любой зависимости, эта тоже обходится дорого. В 2015 году на дорогах мира находилось 1,25 миллиарда автомобилей, а продажи новых легковых машин достигли цифры в 73 миллиона. В то же время дорожные происшествия приводят к 1,3 миллиона смертей ежегодно, 50 миллионов человек получают ранения, а загрязнение воздуха выхлопными газами стало главной причиной распространенного по миру феномена сезонного (или полупостоянного) фотохимического смога в мегаполисах. Продолжительность жизни среднего автомобиля варьируется сейчас от почти 11 лет в богатых странах до более 15 в бедных. Сталь, медь и некоторая доля резины большей частью возвращаются в производство, но за все это мы платим смертями, ранами и загрязнением окружающей среды.

Перевозка товаров грузовиками тоже имела много глубоких социоэкономических последствий. Ее массовое распространение началось в 1920-х годах в сельской Америке, она снизила затраты и ускорила передвижение фермерских продуктов на рынок. Этот способ вскоре стали применять в Европе и Японии, а в последние два десятилетия также во многих странах Латинской Америки и Азии. В богатых государствах тяжелые дальнобойные грузовики стали основой доставки продуктов питания, ключевым элементом в дистрибуции деталей и промышленных товаров, и их использование упростилось благодаря универсальным контейнерам, которые можно с помощью кранов перегружать прямо с океанских кораблей на платформы грузовиков. Во многих быстро растущих экономиках грузовики сделали ненужными железные дороги (Бразилия – лучший пример) и открыли отдаленные регионы для торговли и развития, но и для разрушения окружающей среды тоже. Автобусы в бедных странах стали главным средством дальнего транспорта.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Лайнеры

Новое сообщение ZHAN » 21 фев 2023, 21:05

Первые пароходы пересекали Северную Атлантику не быстрее, чем лучшие парусники той же эпохи, если последним благоприятствовал ветер. Но уже в конце 1840-х годов превосходство пара было очевидным, и время пути сократилось до 10 дней. К 1890 году путешествия менее чем в шесть дней стали нормой, как и стальные корпуса кораблей. Сталь ликвидировала ограничения по размеру: структурные соображения лимитировали длину деревянного корпуса 100 м. Большие корабли таких знаменитых линий как «Кунард», «Коллинз» или «Гамбург-Америка» стали гордыми символами технической эпохи. Они были снабжены мощными двигателями и двойными винтами, каюты на них поражали роскошью, а сервис превосходил отельный.

Богатство этих больших лайнеров контрастировало с вонью и толчеей, царившими в третьем классе. К 1890-му пароходы привозили более полумиллиона пассажиров в год только в Нью-Йорк. К концу 1920-х общий траффик через Северную Атлантику превосходил один миллион пассажиров в год, и вскоре после этого лайнеры достигли максимального тоннажа.

Но к 1957 году самолеты перевозили больше людей через океан, чем корабли, а появление дальних реактивных лайнеров в том же году определило судьбу океанских пассажирских перевозок: десятилетием позже регулярные трансатлантические рейсы прекратились.

Торговые пароходы пережили ранний расцвет после открытия Суэцкого канала в 1869 году и после появления эффективных рефрижераторов в 1880-х. Позже их использование было простимулировано открытием Панамского канала (1914) и появлением мощных дизельных двигателей (после 1920 года), а также возникновением рынка сырой нефти. С 1950-х большие специализированные корабли требовались, чтобы перевозить не только нефть, но и громоздкие твердые грузы (руду, древесину, зерно, химикалии) и все большее количество автомобилей, станков и потребительских товаров.

Регулярный международный воздушный транспорт начался с ежедневных перелетов Лондон – Париж в 1919 году, когда скорости были менее 200 км/ч, и развился до трансокеанских рейсов перед Второй мировой войной: Clipper компании PanAm долетел до Гонконга из Сан-Франциско за шесть дней в марте 1939 года. Эра массовых воздушных путешествий наступила с появлением реактивных самолетов в конце 1950-х (британский Comet начал летать в 1952-м, закончил в 1954-м после трех катастроф). «Боинг-707» совершил первый полет в 1957 году, в регулярном использовании находится с октября 1958-го. За ним вскоре последовал «Боинг-727» средней дальности (в эксплуатации с февраля 1964-го, производился до 1984 года), и рассчитанный на краткие и средние дистанции «Боинг-737». Этот самый маленький из реактивных лайнеров «Боинг» стал наиболее популярным продуктом корпорации: к середине 2015 года поставлено более 8600 штук (по сравнению с 9200 для всех моделей Airbus). На протяжении 50-х и 60-х годов «Макдоннелл Дуглас» (DC-9, трехмоторный DC-10), General Dynamics (Convair), «Локхид» (Tristar) и Sud Aviation (Caravelle) представили собственные реактивные самолеты, но (если не учитывать российских) к концу века осталось только два производителя: американский «Боинг» и европейский Airbus.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

«Боинг» и Airbus

Новое сообщение ZHAN » 22 фев 2023, 18:30

«Боинг» – старая американская компания, была основана Уильямом Э. Боингом (1881–1956) в 1916 году. Именно ей принадлежат такие классические конструкции, как «Боинг 314 Клипер» и «307 Стратолайнер» (оба 1938 года), «Боинг-707» (первый успешный реактивный самолет, 1957 год), и «Боинг-747», первый широкофюзеляжный лайнер, созданный в 1969 году. Последней инновацией компании стал «Боинг-787», в котором более легкие и прочные углеродные волокна составляют 80 % корпуса, что увеличивает эффективность использования топлива на 20 % по сравнению с «Боингом-767».

Компания Airbus была создана в декабре 1970 года при участии французов и немцев, позже к консорциуму присоединились испанские и британские компании. Первый реактивный самолет с двумя двигателями, «Аэробус А300» (226 пассажиров) был выпущен в октябре 1972 года, и за ним последовали самые разнообразные модели, от предназначенных для коротких рейсов А319, 320 и 321 до дальнего широкофюзеляжного А340. В 2000 году Airbus первый раз превзошел «Боинг» по количеству проданных самолетов. Величайшей инновацией компании стал А380, двухпалубный широкофюзеляжный самолет, летающий с 2007 года, имеющий емкость в 853 пассажира одного класса, но до сих пор выпускаемый только в трехклассной конфигурации для 525 человек (сравним с 416 в трехклассной и 524 в двуклассной конфигурации «Боинга-747»).

Эти компании постоянно очень тесно конкурировали друг с другом, например, между 2001 и 2015 годами «Боинг» поставил 6803 самолета, a Airbus произвел 6133 реактивных машины. Обе компании имеют значительный предзаказ на много лет вперед, чтобы обеспечить растущий спрос, особенно в Азии. Обе компании заключили множество кооперативных соглашений с разработчиками двигателей и самолетов, а также с поставщиками компонентов в Европе, Северной Америке и Азии, и обе сталкиваются с растущей конкуренцией снизу.

Канадская компания Bombardier и бразильская Embraer понемногу увеличивают размеры производимых самолетов: канадский CRJ-900 имеет 86 сидений, бразильский ЕМВ-195 берет до 122 пассажиров. Обе эти компании, как и российский «Сухой», китайский СОМАС [Commercial Aircraft Corporation of China] и японский «Мицубиси» в данный момент пытаются войти на рынок узкофюзеляжных лайнеров, сейчас обслуживаемый «Боингом-737» и «Аэробусом А319/320».

Скорость и дальность этих самолетов, расширение сети авиасообщения, почти универсальное сращение систем резервирования обеспечили возможность путешествия между практически всеми основными городами планеты за один день. К 2000 году максимальная дальность широкофюзеляжных авиалайнеров достигла 15 800 км, и в 2015-м самый длинный регулярный перелет (Даллас – Сидней и Йоханнесбург – Атланта) продолжался почти 17 часов, а многие крупные города сейчас соединены частыми челночными рейсами (в 2015 году было почти 300 дневных рейсов между Рио-де-Жанейро и Сан-Паоло, почти 200 между Нью-Йорком и Чикаго). Более того, затраты на перелеты постоянно уменьшались в реальном выражении, частично за счет более низкого потребления топлива. Эти достижения открыли перспективы для бизнеса и породили массовый дальний туризм как в большие города, так и на пляжи тропиков и субтропиков. Новые возможности также появились у мигрантов и беженцев, у торговцев наркотиками и у международных террористов, которые в том числе угоняют самолеты.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Информация и коммуникация

Новое сообщение ZHAN » 23 фев 2023, 17:33

С любой точки зрения, общества, живущие за счет ископаемого топлива, производят, запасают, распределяют и используют несравнимо большее количество информации, чем их предшественники. В Восточной Азии и в Европе ранней современности печать обрела коммерческое значение за столетия до того, как начали добывать ископаемое топливо, но ручной набор был трудоемким, и объемы издаваемых текстов ограничивались производительностью медленных печатных машин. Железные рамы ускорили работу. Но даже продвинутая версия машины Гуттенберга не могла давать больше 240 оттисков в час. Однако уже первый пресс на паровой тяге – разработан Фридрихом Кёнигом и Андреасом Фридрихом Бауэром и продан Times в 1824 году – делал 1100 оттисков в час. К 1827 году эта цифра поднялась до 5000, и первые ротационные печатные машины 1840-х выдавали 8000 оттисков в час; двумя десятилетиями позже нормой было 25 тысяч в час.

Массовое издание дешевых газет стало ежедневной реальностью, новости начали путешествовать быстрее благодаря телеграфу (коммерческое использование с 1838 года), а через два поколения и телефону (1876). До конца XIX века появились две новых информационно-коммуникационных технологии: звукозапись и воспроизведение, а также кино. За исключением книгопечатания, все эти технологии родились в век высокой энергии, базирующейся на ископаемом топливе. Кроме фотографии и первых фонографов, все они не могли существовать без электричества. И опять же, за исключением книгопечатания, которое сейчас в упадке, поскольку электронные форматы чтения потеснили его, все остальные продолжают развиваться, искать новые способы получения, сохранения, записи, воспроизведения и разделения информации в современном мире.

Недорогая, надежная и в самом деле глобальная телекоммуникация стала возможна только с появлением электричества. В первое столетие его развития доминировали сообщения, передаваемые по проводам. Десятилетия экспериментов в различных странах закончились появлением первого практичного телеграфа: его продемонстрировали Уильям Кук и Чарльз Уитстоун в 1837 году. Его успех зависел от надежного источника электричества, который появился в виде батареи Алессандро Вольта, разработанной в 1800 году. Принятие системы кодирования Сэмюэла Морзе в 1838-м и быстрое расширение наземных линий связи в комплексе с железными дорогами стало одним из первых важных достижений. Строительство подводных линий (через Ла-Манш в 1851 году, через Атлантику в 1866-м) и изобилие технических инноваций (включая некоторые ранние изобретения Эдисона) способствовали тому, что телеграф приобрел глобальное значение всего за два поколения. К 1900 году мультиплексная проводка с автоматическим кодированием передавала миллионы слов в день. Послания варьировались от личных до дипломатических, включали колебания цен на фондовом рынке и деловые распоряжения.

Телефон, запатентованный Александром Грэхемом Беллом в 1876 году всего на несколько часов раньше, чем альтернативную заявку подал Элиша Грей (Hounshell 1981), распространился еще быстрее телеграфа в местном и региональном масштабе. Надежная и дешевая связь на больших дистанциях развивалась очень неспешно. Первая трансатлантическая линия была проложена только в 1915 году, а телефонный кабель под океаном появился в 1956-м. Радиотелефонные линии, доступные с конца 1920-х, не были ни дешевыми, ни надежными. Крупные телефонные монополии обеспечивали хороший сервис, но не стремились к инновациям: классический черный телефон с диском появился в конце 1920-х и оставался единственным вариантом четыре десятилетия: первый кнопочный аппарат был принят в США только в 1963 году.

Технологии хранения, воспроизводства и передачи звука и изображения развивались одновременно с прогрессом в телефонии. Фонограф Томаса Эдисона 1877 года был простой ручной машиной, как и более сложный граммофон Эмиля Берлинера (1851–1929), появившийся в 1888 году (Gronowand Saunio 1999). Электрические проигрыватели разработали только в 1920-х. Технология создания изображений развивалась достаточно медленно, начиная с работ французов Ж. Н. Ньепса и Л. Ж. М. Дагерра на протяжении 1820-х и 1830-х годов. (Newhall 1982; Rosenblum 1997). Первая недорогая камера «Кодак» появилась в 1888 году, развитие ускорилось после 1890-го с прорывом в кинематографе: первые короткометражки братьев Люмьер увидели свет в 1895 году. Звуковое кино появилось в 1920-х (первым игровым полнометражным фильмом стал The Jazz Singer в 1927 году), первый полнометражный цветной фильм (после многих лет цветных короткометражек) вышел в 1935-м, а изобретение ксерографии Честером Карлсоном (1906–1968) произошло двумя годами позже (Owen 2004).

Поиск способов беспроводной передачи информации начался с опытов Генриха Герца (1857–1894), который сгенерировал электромагнитные волны в 1887 году, а предсказала их существование теория электромагнитного излучения Джеймса Максвелла (1831–1879.
Изображение
Портрет Джеймса Клерка Максвелла. Гравюра, основанная на фотографии Фергюса (Corbis). Сформулированная Максвеллом теория электромагнетизма открыла путь для освоения так и не раскрытых до конца возможностей современной беспроводной электроники. Мгновенные коммуникации и глобальное информационное пространство, весь электронный мир двадцать первого века стоит на озарениях Максвелла

Дальнейший прогресс в области практического применения был быстрым. В 1899 году Гильермо Маркони (1874–1937) передал сигналы через Ла-Манш, а двумя годами позже – через Атлантику. В 1897 году Фердинанд Браун (1850–1918) изобрел катодно-лучевую трубку, устройство, благодаря которому появились телекамеры и телеприемники. В 1906 году Ли де Форест (1873–1961) создал первый триод, ставший незаменимым для радиовещания, дальней телефонной связи и для компьютеров до появления транзистора.

Регулярные радиопередачи начались в 1920 году, Би-Би-Си предложила первую программу телепередач в 1936-м, а американская RCA последовала за ней в 1939 году. Механические калькуляторы – начиная с конструкций Чарльза Бэббиджа и Эдварда Шойца после 1820 года и заканчивая продукцией IBM в 1911-м – наконец ушли в прошлое с появлением первых электронных компьютеров во время Второй мировой войны. Но эти машины – британский Mark, американские Harvard Mark 1 и ENIAK были уникальными, сложными и массивными (размером с комнату, чтобы уместились тысячи стеклянных вакуумных трубок) устройствами, не имевшими очевидного коммерческого потенциала.

Эта впечатляющая взаимосвязь значительно улучшенных и совершенно новых коммуникативно-информационных технологий и служб оказалась затушевана прогрессом, начавшимся после Второй мировой войны. Его основанием стал рост твердотельной электроники, который начался с изобретением транзистора, миниатюрного твердотельного полупроводника, эквивалента вакуумной трубки, способной усиливать и переключать электронные сигналы.

Юлий Эдгар Лилиенфельд запатентовал свой транзистор в Канаде в 1925-м, и годом позже в США; в бумагах на патент был четко очерчен способ контроля и усиления тока между двумя точками электроцепи. Однако Лилиенфельд не попытался сам создать это устройство, и практический успех пришелся на долю исследователей из Bell Lab, Уолтера Браттейна и Джона Бардина; 16 декабря 1947 года они использовали в своих опытах кристалл германия. Но, как признает сейчас сайт Bell System Memorial: «Совершенно очевидно, что Bell Labs не изобретала транзистор, он был переизобретен», хотя при этом вовсе не замечает значительной доли пионерских исследований и конструкторских достижений, случившихся в первом десятилетии двадцатого века. В любом случае, не грубое точечно-контактное устройство Браттейна и Бардина, а более практичный вариант биполярного транзистора, запатентованный в 1951 году Уильямом Шокли (1910–1989) оказал революционное влияние на компьютерную отрасль. В тот же год Гордон К. Тил и Эрнест Билер преуспели в создании более крупных кристаллов кремния и улучшении методов вытягивания кристаллов и внесения присадок в кремний.

Очень важный теоретический шаг был сделан в 1948 году, когда Клод Шеннон открыл способ количественной оценки энергетических затрат при коммуникации. Несмотря на впечатляющий прогресс, достигнутый за предшествующие годы (рост на три порядка в плотности информационного потока по единственному проводу, ныне толщиной в человеческий волос), теоретический лимит Шэннона показывал, что эффективность можно поднять еще на несколько порядков. Но после Второй мировой войны не случилось немедленного прорыва в области ЭВМ, и созданный компанией Remington Rand первый UNIVAC (Universal Automatic Computer, выросший из ENIAC «Eckert-Mauchly») был продан Бюро переписи населения США только в 1951 году.

Скорость работы новых вычислительных машин начала расти по экспоненте только после того, как транзистор вытеснил вакуумные трубки. Использование компьютеров в бизнесе началось в США в конце 1950-х, когда Fairchild Semiconductor, Texas Instruments (они вывели на рынок первый кремниевый транзистор в 1954 году) и IBM были самыми успешными разработчиками материальной и программной частей. В 1958–1959 годах Джек С. Килби (1923–2005) из Texas Instruments и Роберт Нойс (1927–1990) из Fairchild Semiconductor независимо друг от друга изобрели микросхему, интегрированную в тело полупроводникового материала. Планарный транзистор Нойса открыл новую эпоху твердотельной электроники.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Изобретение интегральных микросхем

Новое сообщение ZHAN » 24 фев 2023, 21:01

В свою бытность директором по исследованиям в Fairchild Semiconductor (Санта-Клара, Калифорния) Роберт Нойс записал в рабочем блокноте, что было бы желательно разместить многочисленные устройства на одном куске кремния, чтобы получить возможность объединить взаимодействия между устройствами в единой процесс и тем самым уменьшить размер, вес и в конечном итоге цену активного элемента.

Заявка на патент, поданная Нойсом в 1959 году, описывала «полупроводниковую схему со средствами изоляции», иными словами, планарный транзистор. Его особые
«чашеобразные соединения простирались до поверхности тела примесного полупроводника, изолирующий слой состоял в сущности из оксида того же самого полупроводника, закрывающего соединения, а концевые выводы в форме содержащих вакуум или другим образом сформированных металлических полосок выходили за пределы изоляции и прилегали к слою изолирующего оксида для создания электрических соединений с и между различными областями тела проводника без укорачивания соединений».
Патент Нойса (US 2981877) был выдан в апреле 1961 года, патент Килби (US 3138743) – только в июле 1964-го, а судебные разбирательства продолжались до 1971 года, когда Верховный суд вынес решение в пользу Нойса. Победа оказалась несущественной, поскольку летом 1966-го две компании согласились разделить производственные лицензии и потребовать от других производителей заключить сепаратные соглашения с каждой из них. В принципе идеи Килби и Нойса были идентичными, но Нойс умер от сердечного приступа в 1990-м, а Килби прожил достаточно долго, чтобы разделить Нобелевскую премию 2000 года «за участие в изобретении интегральной микросхемы».

Вооруженные силы США стали первыми пользователями интегральных микросхем. В 1965 году, когда количество транзисторов на микрочипе увеличилось до 64 с 32 в предыдущий год, Гордон Мур предсказал, что это удвоение будет продолжаться (Moore 1965), и это правило, ныне известное как закон Мура, работает до нашего времени. Первым в мире коммерческим продуктом под контролем микропроцессоров был программируемый калькулятор, разработанный Busicom, маленькой японской компанией; набор из четырех чипов был создан только что основанной фирмой «Интел» в 1969-70 годах. Busicom продал лишь несколько больших калькуляторов на чипе MCS-4 и обанкротился в 1974 году. К счастью, «Интел» заранее выкупил права на процессор и сумел выпустить первый в мире универсальный микропроцессор Intel 4004 размером 3 на 4 мм, содержавший 2250 металл-оксидных полупроводниковых транзисторов и стоивший 200$ (ноябрь 1971 года). Он выполнял 60 тысяч операций в секунду и был функциональным эквивалентом ENIAC размером с комнату из 1945 года.
Изображение
Закон Мура в действии. Первый появившийся на рынке микрочип (Intel 4004) содержал 2250 металл-оксидных полупроводниковых транзисторов, в последних устройствах содержится более двух миллиардов компонентов, что показывает рост на шесть порядков (в миллион раз). Основано на данных из Smil (2006) и Intel (2015)

Универсальное применение все более и более мощных микропроцессоров в сочетании с все более емкими устройствами памяти оказало воздействие на все сектора современного производства, транспорта, сферы услуг и коммуникации. Впечатляющий рост возможностей сопровождался постоянно падающими затратами и растущей надежностью. Микрочипы стали наиболее широко распространенными комплексными артефактами современной цивилизации. Больше 200 миллиардов производится каждый год, и найти их можно в чем угодно, от повседневно используемых домашних предметов (термостаты, печи, духовки, любой электронный гаджет) до автоматизированных средств производства, в том числе и тех, которые сами делают микропроцессоры. Они управляют временем воспламенения топлива в двигателях автомобилей, оптимизируют работу турбин реактивного самолета, ведут ракеты, которые выносят спутники на заданную орбиту.

Но наиболее персонализированное влияние микропроцессоры оказали посредством массового распространения переносных электронных устройств, в первую очередь – сотовых телефонов. Этому шагу предшествовал прогресс персональных компьютеров, удивительно медленное развитие Интернета и период сравнительно неспешного распространения мобильных телефонов.

Xerox Palo Alto Research Center (PARC) изобрел персональные компьютеры в 1970-х годах, скомбинировав вычислительную мощность микрочипов с мышью, графическим пользовательским интерфейсом, иконками, выпадающими меню, лазерной печатью, редактированием текстов, проверкой орфографии и доступом к принтерам и файлам на сервере по принципу «наведи и щелкни». Без этих достижений Стивен Возняк и Стивен Джобс не смогли бы создать первую коммерчески успешную модель компьютера Apple II с цветной графикой (1977 год). IBM выпустила свою машину в 1981-м, и количество собственников ПК в США выросло с двух миллионов в 1983 году до почти 54 миллионов в 1990-м. Более легкие переносные машины, ноутбуки и планшеты, появились в конце 1990-х, a iPad от Apple – в 2010-м.

Коммуникация с помощью компьютеров была впервые предложена в 1962 году Джозефом Ликлайдером, первым директором Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. Началась же она на практике в 1969-м в рамках ARPANET, каковая сеть сводилась всего к четырем сайтам: Стэндфордского исследовательского института, университета Калифорнии в Лос-Анджелесе, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и университета Юты.

В 1972 году Рэй Томлинсон из BBN Technologies разработал программу для отправки сообщений на другие компьютеры и выбрал символ @ в качестве локализующего для адресов электронной почты.

В 1982 году ARPANET конвертировала протокол, который сделал возможной коммуникацию через систему сетей, и к 1989 году, когда закончилось его действие, он содержал более 100 тысяч хостов. Годом позже Тим Бернерс-Ли создал основанный на гипертексте World Wide Web в женевском ЦЕРН, чтобы упорядочить обмен научной информацией онлайн. Ранняя версия Web не была простой для навигации, но положение быстро улучшилось с появлением эффективных браузеров, первым из которых стал Netscape в 1993 году.

Первым важным электронным достижением в телефонии стала возможность недорогих межконтинентальных звонков, появившаяся благодаря автоматическому вызову через геостационарные спутники. Эта инновация стала результатом комбинации прогресса в микроэлектронике и появления мощных ракетных двигателей в 1960-х годах, и по мере того, как затраты падали, звонки становились дешевле. Но радикальное изменение в телефонии пришло только с мобильными телефонами: впервые они были продемонстрированы в 1973 году, дорогой сервис с использованием громоздкой модели «Моторолы» стал доступен в США в 1983-м, но количество пользователей начало быстро расти (Япония и ЕС обошли тут США) только в конце 1990-х годов. Глобальные продажи сотовых превзошли 100 миллионов штук в 1997-м, и в этот же год «Эриксон» представил первый смартфон.

Продажи достигли отметки в миллиард к 2009 году, и к концу 2015-го около 7,9 миллиарда устройств находилось в использовании, а общие годовые поставки мобильных гаджетов, включая планшеты, ноутбуки и нетбуки, увеличились до почти 2,2 миллиарда единиц, среди них 1,88 миллиарда сотовых телефонов.

Это впечатляющее и быстрое изменение системы коммуникации, развлечений и контроля информации, а также необходимого для нее ПО потребовало значительного количества энергии, воплощенного в высокоэнергоемких электронных устройствах, и на сто процентов зависело (и зависит) от постоянного, очень надежного поступления электричества в соответствующие инфраструктуры, от центров обработки данных до вышек сотовой связи.
Да правит миром любовь!
Аватара пользователя
ZHAN
майор
 
Сообщения: 71871
Зарегистрирован: 13 июн 2011, 11:48
Откуда: Центр Европы
Пол: Мужчина

Пред.След.

Вернуться в История наук и ремесел

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1