скачать книгу бесплатно
В этом же регионе запланировано строительство следующих приливных электростанций: в бухте Инчон 1320 МВт, в бухте Хонсу 700 МВт, в бухте Гарорим 500 МВт.
В России действует одна электростанция подобного вида – Кислогубская, – которая построена в 1968 г. по проекту института «Гидропроект». В 1990-х годах из-за сложной экономической ситуации станция перестала функционировать. Однако в начале 2000-х годов она вновь заработала, а в ноябре 2006 г. мощность станции была увеличена с 0,4 до 1,7 МВт.
Для использования энергии океанских течений вглубь погружают специальные роторы. С 2003 г. опыты проводятся вблизи Великобритании и Ирландии. Однако использование энергии океанских течений требует существенных инвестиций, поэтому в данный момент это направление развивается очень слабо.
Некоторые инноваторы предлагают использовать энергию волн. Основная задача использования энергии волн – это преобразование колебаний воды вверх-вниз во вращательное движение.
Первая волновая электростанция была построена в Португалии в городе Повуа-ди-Варзин. Ее установленная мощность составляет 2,25 МВт. Подрядчиком строительства выступила шотландская компания Pelamis Wave Power. Электростанция состоит из трех конвекторов, которые в свою очередь состоят из четырех секций. На стыках секций установлены гидромоторы, которые приводятся в действие от поднимающихся волн. Генераторы непосредственно присоединены к гидромоторам. Вырабатываемая электроэнергия позволяет обеспечивать поселок из 1600 домов.
В 2009 г. у берегов северной части Шотландии был установлен поплавок-насос. Его уникальность состоит в том, что вся вода под давлением поступает на берег, где из нее вырабатывается энергия. Волны то опускаются, то поднимаются, приводя в действие механизм. Мощность данной электростанции составляет 0,6 МВт, что позволяет обеспечить электроэнергий несколько сотен домов.
Использование энергии приливов, волн и океанских течений резко ограничено высокими инвестиционными вложениями. Однако многие эксперты считают, что это направление довольно перспективное.
Газогидраты
Метан, который широко используется в народном хозяйстве, можно добывать не только из залежей природного газа. Этим углеводородом богаты угольные месторождения, сланцы и газогидраты. Причем наибольшие его объемы сосредоточены в газогидратах, далее по убывающей – в сланцах, угольных месторождениях и традиционных газовых залежах.
Основные объемы метана в настоящий момент добываются как раз из газовых месторождений. В некоторых странах угольный газ также научились использовать, в ряде стран – сланцевые газы. Пока добыча газа из газогидратов в крупных объемах не осуществляется.
Газогидраты образуются при взаимодействии метана с водой под высоким давлением и низкой температуре. Один объем воды связывает от 70 до 210 м
газа. При разложении гидрата метана из 1 куб. м. выделяется порядка 160 м
газа.
Гидраты метана по внешнему сходству напоминают спрессованный снег, который при таянии частично обращается в газ. В природе это соединение встречается очень часто, образуя огромные залежи. Некоторые экологи опасаются, что увеличение температуры приведет к высвобождению метана из гидратов, что резко отрицательно скажется на тепловом балансе планеты.
Образование газогидратов полностью соответствует гидридной теории происхождения Земли, которая будет раскрыта дальше. Водород и углерод, поднимаясь из глубин планеты, вступают в реакцию с водой, образуя месторождения газогидратов. При этом основная их масса сосредоточена в местах, где еще идут процессы океанообразования. По оценке экспертов, на газогидраты приходится порядка 53% органического углерода, что значительно превышает общие запасы угля, нефти и газа.
Рисунок 1.2 – Распределение органического углерода на Земле
В 2017 г. появилась информация о начале промышленной добычи газогидратов Китаем в Южно-Китайском море. С месторождений, находящихся на глубине 1200 м, было добыто 120 тыс. м
газа, 99,5% из которого метан. Китайская коммунистическая партия сообщила, что это прорыв в добыче углеводородов.
В свою очередь Япония планирует выйти на промышленную добычу газогидратов в 2018—2019 г., что позволит повысить энергетический суверенитет страны.
Добыча газогидратов в промышленном масштабе отрицательно скажется на мировых ценах на природный газ. Газпрому есть над чем задуматься.
Сланцевая революция
Начало XXI века ознаменовалось так называемой сланцевой революцией в США. Смысл этого кардинального сдвига в добыче углеводородов состоит в коммерческом извлечении нефти и газа из сланцев. Напомню, что тот же природный газ в сланцах по запасам значительно превосходит традиционные источники, уступая лишь газогидратам.
Сланцевая революция стала возможной на основе новых методов гидроразрыва пласта с использованием огромного массива данных. Новые методы работы с большими массивами информации позволили повысить эффективность этой технологии.
Метод гидроразрыва пласта был открыт в 1862 г., когда участник гражданской войны в США Эдвард Робертс обратил внимание на прирост дебита нефтяных скважин после взрыва артиллерийского снаряда. В 1866 г. Робертс получает патент на «взрывную торпеду», когда в нефтяную скважину помещали цилиндр с порохом. Далее порох взрывали, что приводило к росту притока нефти.
Месторождение Хьюгос стало первым, где в 1947 г. был проведен классический гидравлический разрыв пласта с закачкой воды вместе с речным песком. Подрядчиком работ выступила Stanolind Oil and Gas.
В конце XX века Джордж Митчелл, «отец» сланцевой революции, соединил гидравлический разрыв пласта с горизонтальным бурением, что значительно повысило эффективность технологии.
На современном этапе гидравлический разрыв пласта осуществляется следующим образом. В скважину под высоким давлением закачивается вода с пропантом, что содействует образованию множественных трещин. После откачки воды пропант остается, что приводит к приросту притока нефти и газа. Данная технология применяется как на традиционных нефтяных месторождениях, так и на сланцевых. Прирост добычи нефти фиксируется в течение нескольких лет, но максимальный прилив наблюдается в первый год.
Высокие цены на нефть в 2000-х годах способствовали притоку инвестиций в разработку новых технологий гидравлического разрыва пласта. Множество небольших американских фирм начали вести собственные разработки, в результате чего технология была усовершенствована, и в настоящий момент себестоимость добычи сланцевой нефти составляет порядка 40—50 долл./баррель. При этом на некоторых месторождениях, например, в округе Маккензи себестоимость сланцевой нефти достигла 24 долл./баррель.
Сланцевая революция в США привела к резкому снижению внутренних цен на природный газ, что способствовало уменьшению стоимости электроэнергии. Экспортный потенциал страны по углеводородам значительно вырос, и с февраля 2016 г. сжиженный газ из США стал поступать на европейский континент. В целом за этот год было поставлено порядка 500 млн м
газа, что в принципе пока незначительно влияет на энергетический баланс Европы.
По прогнозам консалтингового агентства Wood Mackenzie к 2020 г., ежегодный экспорт сжиженного газа в Европу из США составит порядка 20 млрд м
, что перекроет 10% потребления в ЕС.
Сланцевая революция стала одним из факторов стабилизации стоимости нефти около 50 долл./баррель. При увеличении цены происходит значительный прирост добычи углеводородов из сланцев, при снижении – некоторые скважины консервируются. Дальнейшее совершенствование гидроразрыва пласта приведет к уменьшению себестоимости добычи и, как следствие, к снижению средней мировой цены на нефть.
На первых этапах сланцевой революции политическое руководство РФ и менеджмент нефтегазовых компаний скептически относились к этому явлению. Они считали, что себестоимость углеводородов будет слишком высокой и они не составят конкуренцию традиционным источникам. Однако в настоящий момент этим «экспертам» приходится пересматривать свои взгляды на сланцевую революцию.
Гидридная теория происхождения Земли
Наличие огромных запасов углеводородов в сланцах и газогидратах ставит под сомнение официальную версию происхождения нефти и газа, согласно которой они образовались в результате жизнедеятельности организмов, и потому считается, что эти природные ресурсы не возобновляются и конечны.
Автор альтернативной теории происхождения Земли (гидридной) Владимир Ларин утверждает, что из недр Земли на поверхность постоянно идут потоки водорода и именно они являются источником происхождения всех углеводородов на планете. Поэтому углеводороды возобновляемы, примером чего выступают месторождения Чечни, где скважины восстанавливались трижды: после Гражданской войны, Великой Отечественной войны и событий 90-х годов. Если бы нефть не поступала из неизвестных источников, то просто физически невозможно было бы ее добывать в течение столетия на одном и том же месте.
Напомню, что природный газ и нефть часто располагаются на таких глубинах, что даже теоретически невозможно предположить их образование из каких-либо микроорганизмов. Это тоже является доводом в пользу гидридной теории происхождения Земли. Кроме того, анализ химического состава нефти никак не подтверждает возможность ее возникновения в результате процессов разложения биомассы.
Логическим продолжением гидридной теории является широкое наличие воды, которая представляет собой оксид водорода.
Владимир Ларин предлагает перейти к прямой добыче выходящего на поверхность водорода. Это позволило бы существенным образом снизить загрязнение атмосферы двуокисью углерода. Кроме того, предполагаемые возобновляемые запасы этого ресурса огромны, что привело бы к снижению стоимости использования энергии.
Доктор геолого-минералогических наук Владимир Павлович Полеванов также на основе многолетних исследований пришел к выводу о возобновляемости нефти. Его доклад выслушан на уровне Российской академии наук, однако воз и ныне там. Никто не спешит использовать гидридную теорию происхождения Земли на практике.
В настоящий момент водород для чистой энергетики вырабатывается только в результате электрохимического разложения воды, что требует огромных затрат электроэнергии. Если пользоваться водородом из возобновляемых источников, то в результате окисления образуется лишь обыкновенная вода. Никаких оксидов серы и углерода в атмосферу бы не поступало.
В европейской части России есть огромное количество мест выхода водорода на поверхность. Эти места хорошо видны из космоса, и они представляют собой огромные круги диаметром под сто метров. Внутри этих кругов происходит гидратация гумуса, что приводит к выбеливанию почвы.
Месторождения водорода прослеживаются даже в Московской области в районе Электростали. В настоящий момент две страны, Мали и США, приступили к промышленной добыче водорода. Стоит отметить, что в России водород пока не включен в список природных ископаемых, поэтому на официальном уровне не разрешается разрабатывать месторождения этого ценного сырья.
Использование водорода пока чрезвычайно трудно, ибо он взрывоопасен. Но технологии постепенно развиваются, и эта проблема в любом случае будет решена, что приведет к снижению роли традиционных углеводородов.
Гидридная теория происхождения Земли крайне опасна для нефтегазодобывающих стран. Ибо она ставит под сомнение конечность нефти и газа, что отрицательно может сказаться на их стоимости. Кроме того, если эта теория подтвердится, то актуальность альтернативных источников энергии резко снизится. Одним из лейтмотивов развития солнечной и ветряной энергетики является как раз конечность традиционных источников энергии.
Управляемый термоядерный синтез
Атомная энергетика является одним из столпов современного энергетического хозяйства. Например, в России в 2016 г. на долю атомных станций пришлось 18,1% общей генерации электроэнергии. Общая установленная мощность атомной промышленности России составляет 26300 МВт.
В традиционных реакторах происходит распад урана-235, в результате чего происходит выделение огромного количества тепла, которое используется для генерации электроэнергии.
Существенным недостатком атомной энергетики является ограниченность урана-235. В природном уране его доля составляет всего 0,7%, а 99,3% приходится на уран-238, который непригоден для выработки электроэнергии. Поэтому перед использованием этого сырья происходит его обогащение, как правило, на центрифугах.
Атомная энергетика не безопасна, примером чего выступают аварии на Чернобыльской АЭС и Фукусиме. Кроме того, продукты распада должны храниться в специально оборудованных полигонах.
В отличие от традиционной атомной энергетики, управляемый термоядерный синтез абсолютно безопасен и экологичен. Смысл термоядерной реакции сводится к образованию более тяжелых элементов из менее тяжелых. На атомных станциях, наоборот, идет процесс разложения тяжелых веществ на более легкие.
Вопрос термоядерной реакции в кругу ученых возник в середине XX века. Источниками этого синтеза могут выступать дейтерий, тритий, гелий-3, литий. Условие возникновения цепной реакции – скорость соударения атомов соответствует температуре плазмы.
В настоящий момент ведутся разработки двух видов реакторов для термоядерного синтеза: квазистационарных и импульсивных систем.
В квазистационарных системах плазма удерживается мощнейшим магнитным полем. В импульсивных системах происходят микровзрывы от воздействия лазера.
Исследование управляемого термоядерного синтеза в настоящий момент осуществляется при помощи токамаков (тороидальных камер с магнитными катушками).
В токамаках изначально откачивают воздух и наполняют смесью дейтерия и трития. Далее при помощи индуктора создается вихревое электрическое поле, что приводит к зажиганию плазмы. Протекающий через плазму ток создает вокруг себя магнитное поле, что позволяет на некоторое время сохранять реакцию управляемой.
В настоящий момент функционирует порядка 300 токамаков (Россия, Казахстан, Китай, Европа, США, Япония). Если удастся удержать плазму магнитным полем продолжительное время, то термоядерный синтез станет одним из надежных и безопасных источников энергии.
К 2025 г. планируется полностью закончить строительство и начать исследования в международном экспериментальном термоядерном реакторе (ITER) в Кадараше на юге Франции. Общие инвестиции в проект составят 19 млрд долл. США. Сам токамак ITER будет представлять 60-метровое сооружение массой порядка 23 000 т. Среди стран-участников проекта стоит отметить Россию, США, Китай, Индию, Южную Корею, Казахстан, Японию. Международное партнерство с высокой вероятностью закончится успехом, и у человечества появится новый неиссякаемый источник энергии.
В отличие от традиционной атомной энергетики, сырья для термоядерного синтеза огромное количество. Кроме того, данная реакция абсолютно безопасна, что позволит строить термоядерные электростанции прямо в крупных городах.
В целом по теме возобновляемых источников энергии стоит отметить следующее. Новые источники энергии, такие как солнечная и ветряная, постепенно увеличивают свое присутствие на рынке. Особенно это ярко проявляется в Европейском союзе и США. Они неуклонно замещают угольную и атомную энергетику. Однако до замещения нефти и газа им пока очень далеко. В свою очередь начинаются разработки нетрадиционных углеводородов – сланцевой нефти и газа. Китай уже начал осваивать добычу газогидратов. Эксперименты по управляемому термоядерному синтезу пока не увенчались успехом.
Глава 2. Роботы уже среди нас
Современный мир трудно представить без роботов. Они заняты выполнением различных функций, с которыми ранее справлялся только человек. Пока их не так много, поэтому они существенным образом не влияют на развитие человечества. Но наступит время, и роботы, наделенные искусственным интеллектом, станут основной движущей силой эволюции.
Сам термин «робот» произошел от чешского слова robota, которое в переводе звучит как подневольный, рабский труд. Первые роботы были неуклюжи, но технологии позволяют говорить, что они когда-то превзойдут человека.
Первые роботы
Первые попытки создания роботов принадлежат великому Леонардо да Винчи. Именно он наделял неживые объекты некоторыми свойствами человека. Все свои работы гений создавал на основе глубокого анализа деятельности человека и животных.
В середине XV века Леонардо да Винчи создал автомат-барабанщик. В те времена барабанщики играли важную роль в жизни человека. Именно они транслировали приказы на поле боя, а в мирное время развлекали дворы. Для создания такого автомата да Винчи подробно изучил движения людей-барабанщиков.
Также рукам этого человека принадлежит создание гуманоидного существа в германо-итальянской рыцарской броне, который был способен имитировать человеческие движения (вставать и садиться, двигать конечностями и головой)[3 - Глобальное будущее 2045. Конвергентные технологии (НБИКС) и трансгуманистическая эволюция. Под ред. проф. Д.И.Дубровского. – М.: ООО «Издательство МБА», 2013. – С.84].
Через три века, в 1735 г., Жак де Вокансон в возрасте 26 лет создал механическую утку. По внешнему виду птица была неотличима от своих сородичей. Умела сидеть, стоять, переваливаться с ноги на ногу, пила воду и крякала. Все это чрезвычайно возбуждало публику. Но изюминкой робота-утки было то, что она умела кушать и испражняться. Этот трюк позволил ее создателю стать членом престижной Французской академии наук.
Естественно, механическая утка не могла переваривать пищу. Трюк состоял в том, что еда поступала в один сосуд, а испражнения выходили из другого.
В 1745 г. Вокансон создал систему перфокарт для управления ткацким процессом, что стало основой для создания станка Жаккарда.
Мэри Шелли в 1818 г. написала роман «Франкенштейн», в котором описано создание искусственной жизни в лаборатории. Однако наибольший вклад в развитие представлений о будущем робототехники внес Айзик Азимов, которому принадлежит авторство трех законов робототехники.
Компания Westinghouse в 1939 г. представила публике робота Электро высотой 2,14 м. Он был одет в алюминиевую одежду, курил сигареты, считал на пальцах и произносил некоторые фразы. Через год спутником Электро стала металлическая собака Спарко. Она могла ходить, гавкать и сидеть на задних лапках.
Одна из первых фирм, которая вышла на рынок продажи роботов, – это компания Unimation. В 1964 г. она продала 30 роботов, однако с 1967 по 1972 ее оборот увеличился с 2 до 14 млн долл. США. Компания была создана выдающимися фигурами роботостроения Джорджем Деволом и Джозефом Энгельбургом.
В середине 1970-х гг. Unimation выпустила на рынок робота-манипулятора PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly). Это послужило началом широкого распространения промышленных роботов.
В 1984 г. компания Westinghouse приобрела Unimation за 107 млн долл. США, а через четыре года продала ее французской компании Staubli[4 - Джордан Д. Роботы / Джон Джордан: Пер. с англ. – М.: Издательская группа «Точка», Альпина Паблишер, 2017. – С.75].
Согласно информации Международной федерации робототехники, в настоящий момент используется больше миллиона различных роботов. Они находят свое применение в промышленности, транспорте, торговле, сельском хозяйстве и множестве других отраслей. Кроме того, современные роботы все чаще встречаются в быту. Они выполняют роль уборщиц, сиделок, некоторые роботы уже умеют готовить. Постепенное внедрение элементов искусственного интеллекта сделают роботов незаменимыми. В каждом хозяйстве будет не один, а несколько роботов-помощников.
Классификация роботов
Огромное количество создаваемых роботов можно классифицировать по назначению и форме. Алексей Турчин в своей книге «Футурология. XXI век: бессмертие или глобальная катастрофа?» привел довольно подробное деление роботов по назначению. Стоит рассмотреть данную классификацию подробней:
1. Роботозированные транспортные средства. Компания Google успешно проводит испытания робомобиля. У нас подобные исследования ведутся на КаМАЗе. Эксперты практически единогласно уверены, что робомобили в будущем заменят автомобили.
2. Военные роботы. Данный вид роботов особо активно развивается в США. Огромный военный бюджет частично идет на финансирование исследований в области роботостроения. Военные роботы существенным образом сократят прямые человеческие потери. Однако многие эксперты предостерегают от создания подобных машин. Есть некоторая вероятность, что они могут выйти из-под контроля и вся их мощь будет направлена на своего создателя. Военные роботы используются для разминирования, также широко применение дронов.
3. Промышленные роботы. Пожалуй, это самое массовое и перспективное направление использования роботов. Промышленные варианты могут делать все виды операций: от приема сырья до выдачи готовой продукции. Отдельно успешно развиваются сварочные роботы, роботы-сборщики и роботы-покрасчики. Для выполнения различных процессов используются роботы-манипуляторы.
4. Строительные роботы. 3D-технологии успешно развиваются в создании различных объектов. Механизмы уже сейчас печатают одноэтажные дома. В 2008 г. правительство Южной Кореи заявило о создании технологии, позволяющей полностью автоматизировать строительство многоэтажных домов.
5. Медицинские роботы. Роботизированная хирургия стала появляться в 80-х гг., когда был создан автоматический хирург «da Vinci». В отдаленном будущем ожидается разработка нанороботов, классических узких специалистов заменят экспертные системы.
6. Исследовательские роботы и роботы-ученые. Исследовательские роботы активно применяются в средах, недоступных человеку, например, вследствие высоких температур, радиации, давления. Для ликвидации аварии на Фукусиме активно использовались роботы Tri-Star IV, разработанные учеными Токийского технологического университета.
7. Домашние роботы-слуги и роботы для ухода за престарелыми гражданами. В быту активно появляются роботы по типу пылесоса Roomba. Южная Корея планирует снабдить каждую семью роботами к 2020 г. В отдаленном будущем у каждого человека будет по несколько помощников-роботов.
8. Сексуальные роботы. Силиконовые куклы постепенно совершенствуются. Некоторые из них уже неотличимы по внешнему виду от человека и умеют говорить простые фразы. Также куклы могут улыбаться, учащенно дышать, моргать и двигать тазом. После разработки искусственного интеллекта станет возможным брак между роботом и человеком[5 - Турчин А. В. Футурология. XXI век: бессмертие или глобальная катастрофа? / А. В. Турчин А. В., Батин М. А. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2017. – С.212].
По форме роботы могут быть в виде человека, колеса, шара, животного, отдельного механизма. Для нас наиболее привлекательным роботом является андроид, который выглядит как человек. Но для выполнения отдельных функций роботы могут быть разнообразными. В том числе множество нанороботов смогут создавать необходимую фигуру, или появятся роботы-облака.
Разнообразие роботов существенным образом облегчит жизнь человека. Тяжелые и опасные операции полностью будут выполняться автоматическими механизмами.
Промышленные роботы
Промышленный робот предназначен для выполнения определенных функций на производствах. По специализации стоит различать следующие виды:
1. Вспомогательные промышленные роботы.
2. Технологические промышленные роботы.
3. Универсальные промышленные роботы широкого технологического назначения.
Данные роботы широко используются в машиностроении, литейном, сварочном и покрасочном производствах, в гальванических цехах и на складах.
Особенно роботы незаменимы в цехах с вредными условиями. Например, в литейном производстве это высокие температуры, в гальванических и покрасочных цехах – вредные пары.
Промышленные роботы позволяют автоматизировать практически все производственные процессы. Главное условие роботизации – это массовое стандартное или алгоритмизируемое производство. Хотя появляются универсальные роботы, которые могут быть применены как в крупном, так и в малом бизнесе.
Среди производителей промышленных роботов стоит отметить компании FANUC и KUKA.
В японской компании FANUC трудится порядка 5200 сотрудников. Почти 60-летний опыт позволяет производить высококачественное оборудование для промышленной автоматизации. Роботы FANUC используются по всему миру.
Немецкая компания KUKA – один из ведущих мировых поставщиков в области робототехники. В компании работает порядка 12500 человек. Компания предлагает как отдельные элементы, так и целые автоматизированные промышленные комплексы.
