Доклад Римскому клубу "Фактор четыре"

Пассивное охлаждение

С нежелательным теплом, которое нельзя устранить, но и нельзя игнорировать, нужно бороться путем нормального функционирования самого здания, не применяя специального оборудования. Даже в середине августа в Майами установленный официальными норма-ми комфорт можно поддерживать лишь с помощью потолочных вентиляторов и бассейна на крыше, который накапливает тепло в течение дня, а затем излучает его обратно в ночное небо.

Другой пример пассивных методов -- ледяные бассейны, сохраняющие зимнюю прохладу на протяжении всего лета. Это может быть просто холодный талый снег под слоем соломы. Талая вода при температуре замерзания просто прокачивается насосом по зданию. Для этого нужны лишь несколько процентов энергии, которая иначе потребовалась бы для охлаждения здания. В местах, где есть свободные участки, данный метод может обеспечить экономию даже в такой климатической зоне, где мороз зимой стоит только неделю или две.

Альтернативное охлаждение

Остальную работу в любой части света могут обеспечить три основных альтернативных метода охлаждения. Абсорбционное охлаждение и осушение, связанные с проблемой влажности, достигаются не вращающимся валом, а теплом от сжигания топлива, электрическим генератором, технологическим процессом или коллектором солнечного излучения. Испарительное охлаждение может подавать прохладный влажный или сухой воздух в помещение при довольно низких температурах. Хорошо рассчитанное охлаждение, обеспечиваемое небольшим вентилятором, потребляет скромные количества воды и совсем мало энергии.

В первом эксперименте ACT2 был переоборудован участок научно-исследовательских отделений Тихоокеанской газовой и электрической компании в Сан-Рамоне (Калифорния). Площадь участка -- 1900 квадратных метров, он оснащен эффективными лампами, усовершенствованной оргтехникой и окнами с несколько улучшенной изоляцией, устраняющей сквозняки. Все это сократило необходимость охлаждения наполовину. Затем система охлаждения была заменена испарительным охладителем косвенного действия, в дополнение к которому лишь на 5--10% времени включался очень маленький, специально сконструированный, весьма эффективный охлаждающий аппарат. Коэффициент полезного действия конструкции, вероятно, поставил мировой рекорд: только 0,14 кВт/т, или 25 единиц охлаждения, даваемых за каждую единицу потребленного электричества. Австралийский инженер, сконструировавший систему, уверен, что в следующий раз он сделает ее еще лучше. Данные по текущему контролю пока не поступали, но комфорт стал намного ощутимее. Переход от первоначально установленных на крыше блоков с расходом 2,0 кВт/т к 0,14 кВт/т сократил потребление энергии на единицу охлаждения на 93%. Поскольку необходимый объем охлаждения также был уменьшен вдвое, общее сокращение идущей на охлаждение энергии, предназначенной для здания с поэтическим названием «Закат Солнца», достигает 97%. По мере того, как старая оргтехника постепенно будет заменяться более эффективным оборудованием, нынешнее двукратное сокращение охлаждающих нагрузок составит две трети. Это увеличит сбережение энергии на охлаждение с 97 до 98% -- в климатической зоне, где столбик термометра поднимается до 38°С.

Сверхэффективное охлаждающее кондиционирование воздуха

После первых четырех этапов традиционное кондиционирование для создания комфорта больше не понадобится. А если оно где-то все же будет использоваться, его можно сделать в несколько раз более эффективным при уменьшенных капитальных затратах.

По проекту ACT21992 г. Калифорнийская государственная автомобильная ассоциация построила в Антиохии новый офис, сэкономив три четверти всей энергии, разрешенной самым строгим энергетическим стандартом страны. В то же время комфорт и благоустройство здесь просто исключительны, и это самый дешевый офис, который когда-либо построила ассоциация. Кондиционер на 40% более эффективен, чем обычный агрегат, устанавливаемый на крыше, а при частичной нагрузке работает даже лучше. Тепловая нагрузка также уменьшена примерно вдвое благодаря использованию дневного света, суперокон, более эффективных осветительных приборов и офисного оборудования. Проектировщики не захотели избрать самый эффективный вариант («белый капюшон» плюс застекленная крыша), который вероятно, сэкономил бы более 90% при еще меньшей стоимости. Но и достигнутые 72% экономии -- неплохой результат.

Органы управления и запасы

Какая бы ни использовалась конструкция, если она не является полностью пассивной, ею нужно управлять. Более совершенные регуляторы и программное обеспечение обычно экономят еще 10--30% остающегося энергопотребления, сбережения за счет управления могут даже возрасти примерно до 50%. Обязательное условие при этом -- тщательная подготовка обслуживающих здание операторов на компьютерном тренажере, аналогичном тем, на которых обучают авиапилотов. Без такой помощи в больших зданиях одной интуицией операторов не обойтись.

Приумножение сбережений

Последовательные сбережения не складываются, они умножаются. Каждое сбережение оставляет меньше энергии, которую можно сэкономить дальнейшими мероприятиями. Но сбережения на самом деле быстро накапливаются. Предположим, например, что вы экономите:

q 70% объема требуемого охлаждения путем установки лучшей изоляции, усовершенствованных окон, осветительных ламп и т. д. (примерно две трети, что находится в пределах между реальной и заниженной величиной);

q 20% потребности в охлаждении путем расширения условий, в которых люди чувствуют себя комфортно (разумная и часто зани-женная оценка);

q 80% энергии на тонну охлаждения пассивными или альтернативными методами (вспомните экономию в 93% в здании «Закат Солнца»);

q 50% энергии на тонну в остающемся охлаждении с помощью холодильных аппаратов (если это еще необходимо);

q 20% благодаря улучшенным регуляторам (обычно это нижний конец диапазона). В оптимальном случае общий результат может составить:

(1 -- 0,7) х (1 -- 0.2) х (1 -- 0,8) х (1 -- 0,5) x (I -- 0,2) = 0,0192.

Таким образом, ваша энергия на охлаждение сейчас равна только 2% от того, с чего вы начали. Вот как работает «цепочка» последовательных сбережений: вам не надо чересчур экономить на каждом этапе для того, чтобы добиться заметного умножения общих сбережений, ведь этапов много.

1.19 Четырехкратное увеличение энергетической производительности пятью маленькими шагами

Добиться повышения производительности энергоресурсов за один большой этап не всегда удается. Но ведь можно сделать это за несколько небольших этапов. Проиллюстрируем это простым примером. Начнем с электростанций.

q Новое поколение электростанций, в которых используются так называемые газовые турбины с комбинированным циклом, может повысить полный к.п.д. с 34--40%, характерных для классических тепловых электростанций, по меньшей мере до 50--55% (коэффициент полезного действия самых последних работающих на газе станций с комбинированным циклом составляет 60%, а в перспективе достигнет 65%). Это означает, что для производства 1 киловатт-часа на электростанции необходимо сжечь топлива на 28% меньше.

q Комбинируя получение тепла и электроэнергии и установив оптимизированные газовые котлы, можно в среднем выиграть еще 25%, необходимых для удовлетворения типичных потребностей в электричестве и тепле. Тогда остается 75% от прежнего потребления.

q Использование довольно скромных мероприятий по улучшению изоляции и повышению эффективности электроприборов даст еще 33%, сократив тем самым первоначальное потребление со 100% до 67%. (Учитывая консервативные привычки среднего гражданина, мы забудем здесь все, что было сказано выше об изоляции и более эффективных машинах.)

q Кроме того, типичным семейным хозяйствам удастся уменьшить расход энергии на скромные 7% и согласиться с экономией еще на 3% благодаря улучшенным регуляторам, которые фактически не лишают привычных удобств (например, меньший перегрев или отключение -- вручную либо автоматически -- ламп, вентиляторов или отопления при выходе из помещения более чем на несколько минут). Эти небольшие улучшения дают экономию еще на 10%.

q Наконец, мы предполагаем, что дополнительные 20% в суммарную энергию могут внести возобновляемые источники, например, пассивный обогрев солнечной энергией, использование биомассы и биогаза, небольшие гидроэлектростанции, энергия ветра и немного фотогальванической энергии. Все эти источники вместе взятые сократили бы потребность в традиционном энергоснабжении на 20%.

В совокупности перечисленные весьма скромные изменения способны уменьшить потребность в энергии, производимой угольными, атомными и крупными гидроэлектростанциями, не на сумму, а на произведение частей:

0,70 х 0,75 х 0,67 х 0,90 х 0,80 = 0,25.

Таким образом, нужна была бы только четверть от сегодняшних потребностей. При решительных действиях как государства, так и частного сектора, эта цель могла бы быть достигнута за какие-нибудь 30 лет в Западной Европе и, быть может, на 5--10 лет скорее в Восточной Европе. Для развивающихся стран расчет был бы иным. Его пришлось бы скорректировать с учетом быстро растущей потребности в услугах электроэнергетических компаний, более теплого климата, но менее эффективного парка существующих электростанций и более богатых воспроизводимых ресурсов.

1.20 Выгодное энергосбережение и сокращение потерь на заводе в штате Луизиана

Кен Нельсон -- инженер, который ранее возглавлял работы по энергосбережению в «Доу США» и уже давно помогает насчитывающему 2400 работников Луизианскому отделению химической компании «Доу кэмикл» экономить энергию и сокращать потери. «Доу» -- одна из крупнейших в мире и самых передовых химических компаний, лидер отрасли, в которой царят острейшая конкуренция и режим жесточайшей экономии. Конкуренты вряд ли сказали бы, что «Доу» глупа или ленива. Однако «Доу» сделала ошеломляющее открытие: на территории ее завода повсюду разбросаны купюры достоинством в 10 тысяч и 100 тысяч долларов -- и чем больше их подбираешь, тем больше находишь.

В течение 12 лет -- с 1981 по 1993 г. -- Кен Нельсон ежегодно проводил конкурс среди сотрудников Луизианского отделения, занимающих посты не выше контролера. По условиям конкурса предложения в области энергосбережения или сокращения потерь должны были окупаться в течение одного года при первоначальных затратах не более 200 тысяч долларов. Представленные проекты подвергались тщательному анализу, и наиболее перспективные и экономически выгодные из них реализовывались. Как показал последующий анализ, более тысячи проектов в среднем дали экономию, равную с точностью до 1% прогнозируемой сумме.

q За первый год доход на инвестированный капитал для осуществленных проектов достиг 97% в год. Остальные 11 лет дали доход, выражаемый трехзначным числом, а за все 12 лет доход от 575 проектов в среднем составил 204% в год (прогнозировалось 202%), при общей экономии 110 миллионов долларов в год (Нельсон, 1993).

q В дальнейшем энергосбережения возросли и стали еще прибыльнее. Далеко не истощив наиболее дешевые возможности, конкурсы Нельсона привели к еще более высоким результатам, благодаря обучению на производстве и технологическим усовершенствованиям. (Это похоже на то, как если бы подняв с пола банкноту в 100 тысяч долларов, мы обнаружили под ней еще две.)

q В первый год 27 проектов общей стоимостью в 1,7 миллиона долларов дали доход на инвестированный капитал в 173 %. Многие полагали, что других проектов, обеспечивающих столь высокий доход, не будет. Но они ошибались. На следующий год 32 проекта на общую сумму в 2,2 миллиона долларов в среднем дали 340% дохода на инвестированный капитал. Быстро набираясь опыта, Нельсон изменил правила и отменил предел в 200 тысяч долларов -- зачем при таких выгодных возможностях цепляться за малые? -- и включил проекты, которые повысили бы выпуск продукции. В 1989 г. 64 проекта стоимостью в 7,5 миллиона долларов сэкономили компании 37 миллионов долларов в первый и последующие годы при 470% прибыли на инвестированный капитал (пока это наилучший показатель). Даже на десятом году конкурса, когда 700 проектов уже были реализованы, доход на инвестированный капитал 109 победивших проектов в среднем составил 305%, а в 1993 г. 140 проектов дали в среднем 298% прибыли.

q Все эти чудеса сотворили обыкновенные работники. Они даже не получили никакого специального вознаграждения, если не считать признательности со стороны членов конкурсного жюри. Руководство компании не только не вмешивалось в процесс, но и ничего не знало о нем, а потому не могло помешать. Прибавки Нельсона к итоговой сумме доходов «Доу», хотя и были скрупулезно измерены и документально обоснованы, не базировались на каких-либо хитроумных теориях, они не являлись итогом расширения полномочий, руководства со стороны комитетов или иных управленческих процедур. Скорее, во главу угла здесь был поставлен производственный процесс, в ходе которого добровольная изобретательность претворялась в сэкономленные деньги. Вот так работают рынки, когда они работают по-настоящему -- и все же как мало Кенов Нельсонов, чтобы заставить их работать! Сколько эко-номистов-рыночников требуется для того, чтобы ввернуть миниатюрную люминесцентную лампу? Ни одного -- это сделает свободный рынок. Но без Кена Нельсона, равно как без здравого смысла и усердного труда работников, которых он организовал, лампа никогда не попала бы с полки в патрон.

q Нелегко назвать общую сумму экономии энергии и уменьшения потерь, достигнутую Кеном Нельсоном за 12 лет самоотверженной работы, или оценить выгоды, полученные благодаря аналогичным усилиям еще где-нибудь. Существуют десятки примеров увеличения производительности в 4 раза на протяжении ряда лет. Логично предположить, что многие постараются повторить этот коммерческий успех, однако, как ни странно, этого, кажется, не происходит. Даже Техасское отделение той же компании «Доу» не вняло призывам перенять опыт Луизианского отделения, поскольку в Техасе свои взгляды на то, как поступать. Таково классическое сопротивление инновациям, основанное на принципе «это не наша идея». Действительно, после того как Нельсон в 1993 г. ушел на пенсию, а его оргкомитет был распущен при реорганизации, отслеживание дальнейшего прогресса прекратилось, и оценить последующие результаты нововведений стало невозможно. Таков разрыв между продемонстрированным (не говоря о теоретическом) потенциалом и фактической реализацией. К этой важной особенности мы вернемся во второй части книги при рассмотрении сбоев и провалов в функционировании рыночных механизмов и путей их преодоления.

Глава 2. Двадцать примеров революционного повышения продуктивности использования материалов

Понятие «продуктивность использования материальных ресурсов» ввел в оборот Фридрих Шмидт-Блеек, директор Отделения движения материалов и экономической перестройки Вуппертальского института. Шмидт-Блеек разработал концепцию материалоемкости услуги или материальных затрат на единицу работы -- MIPS (Material Inputs Per Service Unit), позволяющую оценивать количество материалов, которое необходимо переместить для выполнения любой четко определенной работы или услуги. Например, для какой-то работы нужно доставить сырье с медного рудника в Чили, воду и другие материалы из Мехико, упаковку, производимую в Чикаго, и т. д. Более подробно это понятие рассматривается в главе 9.

Продуктивность использования материалов (или производительность материалов) является, следовательно, компонентом сокращения MIPS. Очевидно, что долговечность продукции способствует повышению производительности материалов, если качество оказываемых услуг не меняется во времени. Подумайте о старой мебели, которая с течением времени может фактически приобрести большую ценность. С другой стороны, долговечность находится в конфликте с современностью, модой и техническими характеристиками (в том числе и с эффективностью). Производительность материалов -- это более широкое понятие, чем прочность и долговечность; она связана с жизненным циклом продукта «от колыбели до могилы» -- или «от колыбели до колыбели».

Шмидт-Блеек (1994) полагает, что сокращение MIPS в четыре раза будет недостаточным. По его мнению, для стран ОЭСР необходим «фактор десять» (см. «Клуб фактора десять»). Надеемся, что наш друг простит нам наше малодушие, поскольку мы пока осмеливаемся приводить примеры, относящиеся лишь к «фактору четыре». Давайте договоримся называть их достойным началом.

Институт долговечности изделий в Женеве, руководимый Вальтером Штаэлем, разработал стратегии, направленные на оптимизацию эффективности ресурсов. Основу составляет «экономика услуг», в которой учитывается только услуга конечному потребителю (Джиарини и Штаэль, 1993). Для осуществления такой стратегии целесообразно следующее:

q сдача в аренду вместо продажи, если производитель заинтересован в долговечности;

q усиление ответственности за качество выпускаемой продукции, побуждающее производителей гарантировать низкий уровень загрязнения окружающей среды, отсутствие затруднений при повторном использовании продукции или при ликвидации ее остатков;

q совместное владение или использование (например, автомобилей или электроприборов), что потребовало бы меньшего количества изделий для того же объема услуг;

q обновление -- сохранение устойчивой основы изделия после использования; замена только изношенных деталей;

q оптимизация конструкции изделия, с точки зрения долговечности, обновления и переработки.

Ясно, что перечисленные элементы подразумевают комплексную, многоцелевую стратегию. Движение материалов зависит от того, насколько большую часть задачи мы выполняем; как эффективно используем материалы; сколько руды нужно извлечь и переработать, чтобы получить необходимые материалы; как далеко приходится их отправлять; сколько перемещений совершено в предыдущие годы для создания инфраструктуры, заводов и средств доставки.

Сколько разнообразных вещей имеет каждый из нас в течение всей жизни, и, стало быть, сколько таких вещей необходимо делать каждый год? Ровно столько, чтобы компенсировать те из них, которые ломаются, изнашиваются или выбрасываются, плюс еще столько, сколько требуется, чтобы не отстать от прироста населения. Ключевой переменной, очевидно, является то, как долго служат эти вещи. Чтобы из чего-то пить, керамических кружек нужно намного меньше, чем бумажных или пластиковых стаканчиков, поскольку керамика -- материал почти вечный (нужно только ее не ронять), тогда как «потребительские однодневки» используются раз или два и затем выбрасываются. А если мы сделаем небьющуюся керамическую кружку, она будет служить и нашим праправнукам. Если изготовить достаточно небьющихся кружек (чтобы у каждого была одна или сколько нужно), потом ежегодно не потребуется производить их в большом количестве.

2.1 Долговечная офисная мебель

Долговечность -- одна из наиболее очевидных стратегий по сокращению потерь и повышению продуктивности использования материала. Некоторые детали изнашиваются или теряют свою эстетическую привлекательность из-за капризов моды. Если детали сделаны так, что они способны заменять друг друга, повысить долговечность можно весьма эффективно.

Один из основателей теории долговечности Вальтер Штаэль (мы обязаны ему большей частью материала, излагаемого в этом разделе) считает, что самый перспективный технический подход к борьбе с преждевременным «выбрасыванием на свалку» заключается в отделении «конструктивных элементов» от «видимых». В сочетании с рыночным подходом, согласно которому производитель забирает изделие назад и монтирует на нем усовершенствованные видимые элементы, это в скором времени может привести к созданию «вечного» кабинетного кресла. Действительно, второй крупнейший производитель офисной мебели в Америке Герман Миллер открыл завод, предназначенный специально для бесконечного обновления всевозможных когда-либо выпущенных им видов мебели. Программа, получившая название «Феникс», реализуется весьма успешно.

Видимые и заменяемые элементы могут быть «дематериализованы» (произведены с минимальным MIPS) и предназначены для легкого обновления или переработки. Когда наступает время замены изношенных элементов, они легко разъединяются. Элементы конструкции офисного кресла включают в себя его «подошву», «ножку» и механизм сиденья. Их можно оптимизировать с тем, чтобы достичь наилучших эргономических качеств, комфорта, прочности, долговечности и легкого ремонта. И все же остается большой простор для применения творческой фантазии в оформлении подушки. Если мебель переходит к новым владельцам, компания выбирает новый дизайн, желает изменить имидж или просто хочет дать своим работникам ощущение, что в офисе появилась совершенно иная мебель, замена подушки и ткани не составит труда ни с финансовой, ни с экологической точки зрения.

Знаменитая мебель многих мастеров сделана так, что в ней можно отделить элементы конструкции от видимых элементов. Музеи мебели гордятся, выставляя кресла Ле Корбюзье или Имса, которые сконструированы именно таким образом, хотя и были штучным товаром. Этот принцип стал определять рынки массовой продукции в Германии, когда правительство в законодательном порядке ввело обязательный возврат предметов длительного пользования. Известные производители мебели -- Седус, Вилькхан, Граммер -- начали распространять упомянутый принцип на свои новые коллекции.

Пока нет данных, ясно доказывающих достижение «фактора четыре» в сокращении MIPS этим методом. Однако поверхностная оценка позволяет заключить, что возможны факторы от 5 до 20, в зависимости, конечно, от используемых материалов и базовой модели.

Теоретически долговечная конторская мебель могла оказаться кошмаром для всей обрабатывающей промышленности, потому что насыщение рынка произошло бы очень быстро. Замена подушек и обивки кресел превратилась бы в доходный бизнес скорее для местных мастерских, а наиболее перспективным для производителей стал бы лизинг, который поощрял бы их к максимальному увеличению срока службы продукции. Такое малозаметное изменение могло бы существенно сказаться на структуре всей индустриальной экономики -- оно явилось бы стартовым сигналом к экономике услуг, где в центре внимания стоит коэффициент использования.

2.2 Автомобили/гиперавтомобили с низким MIPS

Ездить на автомобиле означает больше, чем перемещать свое тело. Вы также перемещаете автомобиль массой в тонну или более. Кроме того, большие материальные потоки движутся только для его изготовления. Группа Фридриха Шмидта-Блеека считает, что в последовательных процессах добычи, аффинажа (получения высокой чистоты) и транспортировки металла, производства пластмассы и стекла, а также сборки машины перемещается более 1520 тонн различных материалов. Один десятикилограммовый каталитический конвертер, содержащий несколько граммов платины, требует перемещения материалов весом более двух тонн, поскольку для получения каждой крупицы платины необходимо переместить очень много породы и переработать много руды. Но сконструировав автомобиль заново в расчете на низкую материалоемкость, более высокий срок службы и пониженный расход топлива, можно добиться «фактора четыре» в сокращении MIPS.

Гиперавтомобили

Гораздо более радикальная стратегия -- сконструировать автомобиль заново в соответствии с философией «гиперавтомобиля» (см. раздел 1.1).

В США автомобильная промышленность и прямо или косвенно связанные с ней отрасли составляют одну десятую по числу занятых и по уровню потребительских расходов и одну седьмую валового национального продукта. Они потребляют приблизительно 70% свинца, 60% резины, ковровых покрытий и ковкого чугуна, 40% инструментов и платины, 34% железа, около 20% алюминия, цинка, стекла и полупроводников, 14% стали и 10% меди. За последние десятилетия потребление материалов для производства автомобилей изменялось довольно медленно: с 1984 по 1994 г., например, средний американский автомобиль стал на 1% тяжелее и изменился по «массовому составу» только на У/о, в основном за счет перехода со стали на цветные металлы и полимеры. Но с появлением сверхлегких гибридных гиперавтомобилей большая часть громадных материальных потоков в автомобильной промышленности быстро претерпела бы глубокие изменения.

Гиперавтомобили скоро станут весить примерно в 3 раза меньше, чем сегодняшние автомобили, сделанные из стали, благодаря переходу к использованию полимерных композиционных материалов. Согласно обстоятельному исследованию Института Рокки Маунтин (Ловинс и др., 1996), даже очень ранняя, демонстрационная и не оптимизированная конструкция гиперавтомобиля для четырех-пяти пассажиров, в которой применяется двигатель внешнего сгорания с водяным охлаждением мощностью в 20 кВт (15л. с.), металл-гид-ридная буферная батарея на основе никеля весом 50 кг, застекление, кондиционирование воздуха с охлаждением и другие доступные технологии, легко могла бы весить на две трети меньше, чем средний американский автомобиль выпуска 1994 г. -- по самым скромным подсчетам, 521 кг вместо 1439 кг. Разработанная ИРМ структура массы со 110 позициями, основанная на сопоставлении с существующими изделиями и опытными образцами, приводит к выводу, что такой гиперавтомобиль по сравнению со средним американским автомобилем выпуска 1994 г. мог бы содержать приблизительно:

q вдвое больше композиционных материалов и других полимеров,

q на одну восьмую больше меди,

q на 92% меньше железа и стали,

q на треть меньше алюминия,

q на две трети меньше резины,

q на четыре пятых меньше платины и нетопливных жидкостей.

Эта ранняя конструкция ориентирована на максимальное применение металлов. Альтернативные электрические буферные аккумуляторы и силовые установки, которые, как ожидалось, будут широко распространены в конце 90-х годов, вытеснили бы около трех пятых металлов, в том числе железо, никель и сплав гидрида металла, половину алюминия и значительную долю стали. (По сравнению с автомобилями, выпускаемыми сегодня, использование железа и стали могло бы тогда сократиться не на 92%, а на 96% или более). Эти и другие усовершенствования позволили бы также уменьшить общий вес машины до 400 кг. Медь использовалась бы умеренно, примерно как сегодня, то же относится к платине. Небольшие, но важные ниши на рынке могли бы завоевать некоторые специфические металлы, например, магний и титан, но в целом металлы в конструкции были бы вытеснены современными полимерами.

Привело бы увеличение использования современных композитов -- пластичных смол, армированных сверхпрочным углеродным волокном, -- к значительному расширению пластмассовой промышленности? Отнюдь нет. Автомобили сегодня потребляют 7% полимеров, производимых странами ОЭСР, 5% мирового производства и 3% полимеров, производимых в США. Более того, доля полимеров и композиционных материалов достигает 8% (в США) или 9% (в среднем по всему миру) от веса обычной автомашины и, может быть, 20--30% от объема остальных материалов, из которых она изготовлена. Однако эти 8% сегодняшнего автомобиля составляют в среднем 111 кг пластмассы и композитов, что уже превышает вероятный общий вес (равный примерно 100 кг) самой конструкции гиперавтомобиля, кузова и закрывающихся элементов (дверей, крышек капота и багажника), за исключением крепящихся деталей и узлов, относящихся к отделке интерьера и карданной передаче. Это также больше половины общего веса (примерно равного 227 кг) полимеров и композиционных материалов, использованных в первых моделях гиперавтомобиля. Учитывая сказанное, перевод всей автомобильной промышленности США на гиперавтомобили повысил бы суммарное использование полимеров только на 3%, что меньше обычных темпов ежегодного увеличения выпуска продукции. Однако масштабы промышленности, производящей передовые композиционные материалы (годовой оборот которой в 1995 г. составлял около 10 миллиардов долларов), возросли бы на порядок, а пока незначительное производство углеродного волокна -- в несколько сотен раз.

Примерно две трети массы гиперавтомобиля составят комплектующие, добавляемые к сделанному из композиционных материалов кузову без покраски и грунтовки. Большинство из них будет аналогично сегодняшним, но значительно меньших размеров и намного легче. Однако многие компоненты с устранением таких элементов, как управление мощностью, тормоза, оси, трансмиссия, сцепление, муфта, дифференциалы, генератор переменного тока, стартер и т. д., исчезнут совсем. Силовая установка на первом этапе могла бы быть двигателем внутреннего сгорания, приблизительно в 10--25 раз меньших размеров, чем сегодняшние, но вскоре, вероятно, ему на смену пришел бы другой двигатель -- с умеренными (двигатель Стирлинга или газотурбинный) или принципиальными отличиями (на топливных элементах или термофотогальванический, без движущихся частей). Электрическое буферное аккумуляторное устройство первоначально будет выполнять функции нетоксичной, подлежащей переработке никелевой металл-гидридной батареи, которая примерно в 3 раза тяжелее, чем обычная свинцовая стартерная аккумуляторная батарея в сегодняшних автомобилях, весящая около 14 кг. Но вскоре ее, вероятно, заменит углеродно-волоконный супермаховик (предшественник которого -- отпрыск британских центрифуг для обогащения урана -- появился на рынке в конце 1995 г.) или ультраконденсатор весом 10--20 кг, или, быть может, даже тонкопленочная литиевая батарея весом всего лишь 5 кг. В любом случае устройство не будет содержать свинца, а лишь очень малое количество какого-либо металла.

Гиперавтомобилям потребуется на порядок меньше жидкостей, чем сегодняшним автомобилям (в основном останутся лишь топливо, расход которого уменьшится примерно в 10 раз, и жидкость для омывания лобового стекла). В хорошо продуманных гиперавтомобилях будут устранены 6--8 из 14 видов жидкостей, необходимых сейчас и нередко частично или полностью попадающих в окружающую среду. Так, использование моторного масла с его бензолом, примесями тяжелых металлов и другими загрязняющими веществами будет сокращено в значительной степени или сведено к нулю, что даст большую выгоду, поскольку средний американский автомобиль потребляет 22 литра такого масла в год. Кроме того, сильно сократятся или совсем не будут использоваться топливно-масляные присадки (для очистки двигателя, продления срока службы или пуска в холодную погоду), дистиллированная вода для аккумуляторных батарей, антифриз (плюс вода с антикоррозионными добавками или, в некоторых случаях, промывающими веществами в обогревателе), тормозная жидкость, жидкость для гидроусилителя рулевого управления, смазки, различные жидкие и твердые смазочные материалы и хладоагент для воздушного кондиционера.

Примерно 12--13 из 21 основной категории регулярно заменяемых механических узлов тоже исчезли бы или служили столько, сколько автомобиль. Остальная часть деталей и узлов значительно уменьшилась бы в размерах и реже требовала замены. Материалы, которые были бы сокращены или сведены к нулю, в зависимости от деталей используемой силовой установки, включают в себя приводные ремни (для вентилятора радиатора и водяного насоса, генератора переменного тока, компрессора кондиционера, насоса гидроусилителя руля, воздушного насоса для рециркуляции выхлопных газов и т. д.);

шланги (для воздуха, хладоагента, топлива, масла, охлаждающей жидкости и вакуума); стартерные аккумуляторные батареи; детали сцепления; зубчатые ремни привода; лампочки (десятки на машину); тормозные колодки; воздушные и масляные фильтры; свечи зажигания. Кроме того, значительно уменьшились бы поток запасных частей, частота и объем ремонта кузова, а в связи с этим -- загрязнение окружающей среды.

Что касается самих автомобилей, то каждый год в Северной Америке более 10 миллионов машин, или 94% всех используемых автомобилей, разбираются на части, затем три четверти из них идут на переработку (что составляет 37% стального металлолома США) и одна четверть закапывается в землю в виде гетерогенной и иногда токсичной измельченной смеси (которая обычно состоит из 42% волокна и 19% полимеров). Перерабатываемые металлы эквивалентны по тоннажу примерно всей стали и одной трети цветных металлов, из которых ежегодно изготавливаются новые автомобили (хотя на практике переработанная сталь разбавляется другим металлоломом, который меньше загрязнен медью, и затем повторно используется главным образом как конструкционный материал). Автомобильная пластмасса пока обычно не подвергается переработке, хотя новые немецкие и шведские технологии, сокращающие количество и улучшающие маркировку полимеров, могут изменить эту ситуацию в Северной Америке, как они это сделали в Европе. Однако гиперавтомобили устранили бы стальной кузов и большую часть металлических узлов, стоимость лома которых сейчас вкладывается в переработку.

За исключением стадии демонтажа, да и то после переквалификации работников, гиперавтомобили невозможно перерабатывать в рамках существующей инфраструктуры. Сейчас это не очень беспокоит специалистов, поскольку по меньшей мере еще пару десятков лет им придется избавляться от стальных автомобилей. Если, однако, измельченные отходы будут признаны опасными, большие затраты на их захоронение могут превысить стоимость утилизируемых металлов и приведут к распаду отрасли по переработке автомобилей.

С другой стороны, гиперавтомобили открывают новые привлекательные возможности переработки, состоящей из последовательных стадий:

q продление ресурса на десятилетия и даже «перевоплощение» для различных рынков, быть может, даже для различных обществ; этому помогут программное обеспечение, сменная цветная обшивка и другие возможности повышения качества и «изменения внешности»;

q широкое повторное применение и модернизация;

q первичная переработка, позволяющая извлекать ценные композиционные волокна (в настоящее время посредством сольволиза, в основном метанолиза -- разложения смолы под воздействием сжатого и нагретого метанола и извлечения ценного волокна для повторного использования; есть и целый ряд других возможностей);

q вторичная переработка путем измельчения и использования в качестве ценного наполнителя;

q третичная переработка посредством пиролиза для извлечения запаса энергии и молекулярных строительных элементов.

Наиболее ценные процессы оказываются весьма экономичными и уже используются в промышленности, хотя и могут быть значительно улучшены при наличии технологий извлечения длинного волокна для нового применения.

Третичная и, вероятно, вторичная переработка, разрушающие ценные длинные волокна, потребуются редко, если вообще потребуются.

Более того, даже если бы каждый автомобиль был гиперавтомобилем и служил не дольше, чем стальные автомобили, а вся масса композиционных материалов и полимеров каждого гиперавтомобиля закапывалась в землю вместо переработки, то получающаяся в результате масса выброшенных полимеров и композиционных материалов была бы все же меньше, чем 331 кг измельченной смеси, которая сегодня подлежит захоронению в Северной Америке, и в отличие от нее была бы по существу нетоксичной.

Для получения дополнительной информации по этому вопросу мы отсылаем читателя к работе Ловинса и др. (1996).

2.3 Электронные книги и каталоги

Врачам нравится «Мерк Маньюэл» -- самый авторитетный медицинский справочник в мире, толщиной в три тысячи страниц. Беда в том, что вы не можете постоянно таскать с собой столько бумаги, когда посещаете больных на дому, особенно если они живут на четвертом этаже старомодного дома без лифта.

Теперь, в электронный век, есть альтернатива: справочник «Мерк Маньюэл» плюс «Настольный справочник врача» -- все на CD-ROM'e размером с ладонь. С подходящим портативным компьютером с CD-ROM-ным дисководом доктора сейчас могут заглянуть в оба справочника, сидя у постели своего пациента. Какое это для них облегчение, и какое повышение эффективности использования материала!

Аналогично на одном CD-ROM'e за 70 долларов можно купить «Дневники Джона Галдемана: в Белом доме при Никсоне» (книгу в 700 страниц) плюс еще 2 тысячи страниц дневника с 700 фотографиями и 45-минутным видеоматериалом, отснятым покойным главой аппарата. Эта цена приблизительно эквивалентна затратам на материал, печать и доставку того же чтива в виде бумаги и пленки весом более 5 кг.

Электронные издания обеспечивают большие преимущества не только для книг. По электронной почте можно получать газеты и читать их на экране дома или во время поездки на работу (если только вы не за рулем). Статьи и новости, которые заслуживают того, чтобы их сохранили, можно отметить для распечатки и/или электронного копирования. Запись в электронные файлы не только сберегает материальные ресурсы, она гораздо более удобна и надежна при поиске информации, чем сегодняшнее вырезание и подшивание бумаг (см. илл.7 на вкладке).

Замена бумажных каталогов битами и байтами

Типичное архитектурное или строительное учреждение содержит целые помещения с обширными стеллажами, набитыми тяжелыми и неудобными каталогами деталей. Каждый производитель обычно раз в году должен нести затраты на подготовку, печатание и отправку этих чудовищ, потребляя тем самым несметные площади леса и нефтяные ресурсы. А профессионалы конструкторского дела, в свою очередь, должны тратить большую часть своего времени, занимаясь перелистыванием тысяч страниц только для того, чтобы найти нужную им деталь, а затем усердно скопировать ее для занесения в электронные чертежи своих проектов. В заметке, помещенной в «Уолл-стрит джорнэл», сообщается, что «многие конструкторы и проектировщики проводят от 16 до 20 часов в месяц за копированием (и сканированием) чертежей деталей в этих книгах, для того чтобы отредактировать их на своих персональных компьютерах».

Самое странное в этой изжившей себя системе -- то, что около 2,5 миллионов тех же самых потребителей уже используют единое программное обеспечение, именуемое AutoCad, для конструирования всего, от станков до зданий, и свыше 80% этих конструкторов должны получить спецификации деталей от изготовителей, многие из которых используют ту же программу прежде всего для проектирования деталей. Вот где очевидная возможность для сбережения ресурсов и времени.

По требованию заказчиков компания «АутоДеск» в Сан-Рафаэле (Калифорния), пятый по величине продавец программного обеспечения для персональных компьютеров и поставщик программы AutoCad, начала публиковать эти громадные каталоги фирм-производителей в цифровом виде с тем, чтобы чертежи и спецификации на детали переносились бы электронным путем непосредственно на рабочие чертежи. Например, диск CD-ROM за 99 долларов под названием PartSpec (спецификация деталей) содержит более 200 тысяч деталей 16 ведущих производителей. Другой лазерный диск стоимостью 199 долларов под названием MaterialSpec (спецификация материалов) включает более 25 тысяч материалов, производимых 300 фирмами.

Не все производители приветствуют эту систему, поскольку благодаря ей заказчикам гораздо проще сравнить конкурирующие изделия, чем с помощью бумажных каталогов. Но «АутоДеск» использовала мудрую стратегию, убедив по одному ведущему продавцу в каждой категории деталей прорекламировать свои материалы в первом выпуске cd-rom'ов. Потребителям, полагает фирма, настолько понравится удобство, что другим продавцам придется либо последовать этому примеру, либо рисковать тем, что их продукция станет гораздо менее доступной для конструкторов, от которых зависит сбыт. Со временем «АутоДеск» планирует издать чертежи всех фирм, которые пожелают это сделать.

Диапазон применения этой концепции легко расширить, скажем, от зубчатых шестерен, двигателей, шкивов, вентиляторов и других деталей, применяемых инженерами-машиностроителями, до обоев и мебели, используемых дизайнерами интерьера, окон и дверей, с которыми имеют дело строители, или всего того, что подсказывает ваша фантазия. Вероятно, тогда останется лишь небольшой шаг до электронной подачи заказов, наподобие уже существующих каталогов для заказа бытовых товаров по телекоммуникационным сетям.

«Уолл-стрит джорнэл» приводит слова одного эксперта, считающего, что в перспективе это отвлечет многих профессионалов от бумажных каталогов. Так возникает еще один побудительный мотив для экономии ресурсов (в данном случае --деревьев, энергии и воды): использовать электронную продукцию несравненно легче и быстрее, поскольку ее можно моментально отыскать и вставить в рабочие чертежи. Выигрыш во времени и более качественные чертежи с меньшим количеством ошибок принесут выгоды, далеко выходящие за рамки сбережения материальных ресурсов. Может вполне оказаться, что легкость сопоставления продукции повысит конкурентоспособность -- отчасти благодаря тому, что потребители смогут с одного взгляда определить, какая продукция наиболее элегантна и экономична (см. Кларк, 1995).

2.4 Сталь против бетона

Для возведения зданий, мостов, опор высоковольтных линий и многих других сооружений используются сталь, дерево или бетон. Хотя древесина способна выдерживать высокую нагрузку (см. раздел 2.19), для оценки эффективности материалов целесообразнее сравнить сталь с бетоном. Руководствуясь концепцией MIPS, «стальная группа» в Вуппертальском институте, которую возглавляет Криста Лидтке, сравнила стальные и бетонные опоры, несущие магистральные провода сети напряжением 110 кВ. Их функцию можно определить как передачу электроэнергии напряжением 110 кВ в течение фиксированного периода времени, например 40 лет. С помощью такого определения была оценена оборачиваемость материалов или входящий поток на единицу выполненной работы -- MIPS (Лидтке и др., 1993).

В соответствии с положениями упомянутой концепции сталь предпочтительнее по двум основным причинам.

q На бетонные опоры требуется в 3 раза больше материала, чем на стальные (соответственно 90 тонн и 36 тонн для типичной опоры в Центральной Европе). Сама бетонная опора весит около 45 тонн, а стальная -- 6 тонн.

q Стальные опоры служат в 2 с лишним раза дольше, чем бетонные, правда, через каждые 10--20 лет, в зависимости от климатических условий, требуется профилактический ремонт.

Кроме того, стальные опоры можно делать из чугунного и стального лома, что тоже смещает баланс в пользу стали. Здесь достижим фактор 2,5.

В общем и целом переход от бетонных опор к стальным обеспечивает шестикратное увеличение эффективности использования материала (см. рис. 8). Для линий электропередач, опор, мостов и т. д. традиционно использовалась только сталь. Но после Второй мировой войны бетон завоевал ведущие позиции даже в странах с развитой сталелитейной промышленностью. Историко-экономический анализ Лидтке и соавторов показывает, что причины вытеснения стали бетоном мало связаны с затратами. Скорее, это было данью моде или объяснялось субъективным выбором инженерных школ. Бетон считался более современным и более «изящным», но сооружения из него нуждаются в частом ремонте, и потому он может потерять свою привлекательность.

Преимущества стали еще более очевидны, если оптимизировать эффективность ее производства. Она по-прежнему производится в кислородных конвертерах, при этом вхолостую тратятся энергия, вода и материалы. Внедряемый метод электрической выплавки все еще далек от того, чтобы заменить старые способы, хотя он требует значительно меньшей массы материалов, чем оксигенизация. На тонну электростали -- одна десятая часть топлива, одна восьмая воды, одна пятая воздуха и менее одной сороковой части других материалов по сравнению с традиционной конвертерной сталью. С другой стороны, на электрическую выплавку идет на 30% больше электроэнергии. Если при этом учитывать «экологический рюкзак», который обычно формируется в условиях Германии, то баланс уже не выглядит столь выигрышным для этого метода. И все же, «фактор четыре» в повышении эффективности материалов при переходе от кислородной стали к электростали можно обосновать.

Коммерческий интерес к конструкциям и сооружениям, имеющим большой срок службы, и, следовательно, интерес к стали можно подстегнуть, если опоры, мосты и другие подобные сооружения сдавать в аренду, а не продавать. При лизинге строительная фирма уделяла бы чрезвычайно большое внимание долговечности и малым эксплуатационным затратам. Действительно, быть может, уже настало идеальное время для введения концепции лизинга. У многих муниципальных корпораций в Германии и других странах высокая задолженность, и им пришлось бы занять деньги для строительства новых мостов. Договора о долгосрочной аренде станут привлекательными, когда их стоимость не будет превышать обременительных капитальных и эксплуатационных затрат на бетонные мосты -- если, конечно, технологии углеродных волокон, которые подешевеют с развитием новых отраслей типа производства гиперавтомобилей, не выиграют эту гонку благодаря своей высокой коррозионной стойкости, усталостной прочности и другим возможностям уменьшения веса, растущим как снежный ком.

2.5 Подпочвенное капельное орошение

«Сандэнс фармз» в аризонской долине Каса Гранде представляет собой образец эффективности в орошаемом земледелии. Как показывает Говард Вюрц, на 830 гектарах, где выращиваются хлопок, пшеница, ячмень, сорго, кукуруза, арбузы без косточек, мускусная дыня, эффективность сельскохозяйственных ресурсов является результатом целого комплекса мероприятий.

Для некоторых ресурсов и видов человеческой деятельности характерная на сегодня производительность делает «фактор четыре» труднодостижимым. В орошаемом земледелии, где отдельные хозяйства используют воду очень неэффективно, многие более крупные промышленные фермы достигают эффективности водопользования на уровне 40--60%. Это означает, что из всей воды, подаваемой на поля, 40--60% сначала забирается культурами для удовлетворения своих потребностей, а затем испаряется каждым растением. Остальная часть теряется из-за поверхностного стока, просачивания воды в глубь почвы или уносится ветром при разбрызгивании дождевальной установкой. Повышение эффективности водопользования до 100%, так, чтобы каждая подаваемая на поле капля воды в конечном итоге испарялась самим растением, увеличило бы экономию ресурсов лишь в 1,7--2,5 раза.

Когда Говард Вюрц в 1980 г. начал переходить с полива по бороздам и по поверхности на подпочвенное капельное орошение, он повысил эффективность использования воды на поле примерно с 60% до 95% и более, т. е. в 1,6 раза. Линии капельного орошения, закопанные на глубину 20--25 см, испускают небольшие количества воды прямо в зоне корней растения. Поверхность почвы обычно остается сухой, что уменьшает поверхностное испарение, а корневая зона никогда не смачивается до насыщения, что сокращает объем стока и просачивание в глубину. Несколько процентов теряемой воды приходятся в основном на то, чтобы время от времени промывать линии капельного орошения.

Экономия воды важна для засушливой Аризоны, но, быть может, еще важнее были другие выгоды. Сначала Вюрц установил, что может сократить операции по обработке почвы, заменив вспашку, обработку бороной, разравнивание земли (отдельные этапы подготовки ложа для посадки семян и эффективного поверхностного полива) просто неглубокой обработкой поверхности. Исследования, проведенные Ари-зонским университетом на его ферме, показали, что он сократил потребление энергии на обработку почвы на 50%. Упрощенная обработка обеспечивала также ускоренный севооборот полей после сбора урожая, позволяя в отдельные годы снимать по два урожая. Далее, поскольку линии капельного орошения сократили потери воды, с полей меньше вымывалось гербицидов и удобрений. Использование гербицидов сократилось на 50%, а расход азотных удобрений уменьшился на 25--50%. Кроме того, меньше воды нужно было качать турбинами из глубоких скважин, что сократило расход энергии на 50%.

Наконец, урожайность возросла на 15--50%. Этому, вероятно, способствовал ряд факторов: более равномерная подача воды, большая эффективность системных инсектицидов, подаваемых теперь через линии капельного орошения непосредственно к корням растений, лучшее решение проблемы борьбы с понижающими урожайность солями, которые часто накапливаются на полях при поверхностном орошении. Более высокие урожаи при меньшем потреблении воды означали сокращение расхода воды в 1,8--2,4 раза в жаркой пустыне, где затраты на орошение сводили на нет даже самые очевидные возможности экономии.

«Сандэнс фармз» -- не какой-нибудь пижонский участок, на котором выращиваются овощи. Это серьезное промышленное производство. Установка линий капельного орошения, закопанных на глубину, недоступную для сельскохозяйственной техники, обошлась дорого, но совокупное сокращение затрат и повышение производительности сделали капиталовложения весьма эффективными. В будущем, следуя примеру таких фермеров, как Говард Вюрц, бережливые хозяева крупных сельскохозяйственных предприятий будут все больше стремиться к достижению тех многочисленных выгод, которые обеспечиваются передовыми сельскохозяйственными технологиями и методами управления.