Эволюция техники и изменение в объемной и пространственной плотности используемой энергии

Введение

Технологические и сопутствующие институциональные и социальные изменения широко признаны в качестве основного двигателя долгосрочного экономического роста и развития в целом [1, 2]. С точки зрения причинно-следственной связи технологии и институциональные / социальные условия взаимосвязаны, взаимно зависят друг от друга, взаимно дополняя друг друга. Эффектинвость используемой энергии играет ключевую роль в развитии всего человечества. Ожидается, что в будущем с равитием передовых миниатюрных устройств ключевым фактором эффективность вновь разработнного устройства будет эффектинвость используемой энергии, доля энергии рассеяной во внешнее пространтсво, влияние полей генерируемых устройством на окружающую среду и здоровье человека. Таким образом тема данной работы является актуальной и важной для понимания будущих трендов развитя техники и общества.
Целью данной работы является описание основных этапов развития теники, улучшения энергоффектинвости, описание основны видов полей, возникающих при эксплуатации техники, исследование эффектинвости используемой энергии.

Основные этапы развития техники и энергетическая эффектинвость
Два крупных перехода сформировали глобальные энергетические системы с начала промышленной революции [4]. Первая характеризуется появлением паровой энергии, основанной на угле, которая помогла преодолеть ограничения доиндустриальных энергетических систем (ограниченная доступность механической энергии, низкая плотность энергии, отсутствие вездесущих и дешевых транспортных систем). Этот первый энергетический переход занял более столетия, чтобы полностью развернуться: с конца 18-го века до 1920-х годов, когда паровая энергия на основе угля составляла более двух третей мировой энергетической системы. Второй энергетический переход характеризуется смещением ранее доминирующего кластера паровых технологий на основе угля электричеством (приводы, свет) и технологиями на основе нефти (автомобили, самолеты, нефтехимия). Этот второй энергетический переход еще далек от завершения: около двух миллиардов все еще не имеют доступа к современным энергетическим услугам, предоставляемым электрическими приборами и устройствами конечного использования, как указано в Глобальной энергетической оценке.
Эти два исторических энергетических перехода характеризуются четырьмя "грандиозными" моделями технологических изменений в энергетических системах, изложенными выше: кластеризация и вторичные эффекты, преобладание производительности над затратами на ранних этапах развития технологии и приложений конечного использования над энергоснабжением, а также постоянные времени изменения.
Стационарные паровые двигатели были впервые введены в 18 веке для обезвоживания угольных шахт. Стационарная паровая энергия впоследствии распространялась на механизацию производства (например, текстиля) и сельского хозяйства (обмолота), а также на мобильные устройства в виде железных дорог и теплоходов. Исследователи технологий представили концепцию технологий «общего назначения», чтобы описать эти перекрестные эффекты, которые возникают, если технология используется в различных приложениях, что способствует распространению знаний и росту рынка (и соответственно экономия от масштаба). Пар и электричество, провозглашенные «величайшим инженерным достижением 20-го века» яркими примерами таких технологий общего назначения, которые приобретают свое значение из-за кластеризации и побочных эффектов.
Первые паровые двигатели были по любым меркам неэффективными и чрезвычайно дорогими. Первые атмосферные паровые двигатели обладали КПД термического преобразования всего лишь одним процентом (потребляя около 45 фунтов угля на каждую поставленную мощность. Потребовалось столетие, чтобы повысить их тепловую эффективность в последовательном потоке инноваций, примерно до 20 процентов (от атмосферного двигателя Ньюкомена, низкого давления Ватта, до двигателей высокого давления, которые наконец сделали возможным использование железных дорог), и еще одно столетие, чтобы достичь текущей эффективности паровые турбины 40 процентов. В работе [5] автор дает оценку стоимости паровых двигателей в 18 и 19 веках. Первоначальные затраты (к 1760 г.) составили феноменальные 12 000 долл. США (2003 г.) за кВт, сродни нынешним топливным элементам (часто классифицируемым как чрезмерно дорогие). Тем не менее, несмотря на их скромную производительность и высокие затраты, они обеспечивали достаточный стимул для их развертывания, поскольку альтернативы либо не были доступны там, где это необходимо (например, мощность воды), либо не обеспечивали производительность, требуемую с точки зрения выходной мощности и плотности (например, лошадиная сила)

. После продолжительного периода экспериментов затраты на разработку начали снижаться после середины 19-го века (то есть через 100 лет после введения паровых двигателей), а к началу 20-го века затраты упали ниже 3000 $ (2003) / кВт. Аналогичная история внедрения новых энергетических технологий, несмотря на изначально чрезвычайно высокие затраты, может быть рассказана о внедрении электричества и электрических приборов для освещения и движениях [6].
Основным назначением любого устройства является обеспечение перехода энергии из одного вида в другой. Неизбежно возникающие при этом переходе акустические, тепловые, химические и электромагнтиные поля рассеивают часть энергии. Исследуем исчторические аспекты такого развития.
Возможно, текущие проблемы с высокими затратами на внедрение безопасных для климата технологий возникают из-за того факта, что за несколькими исключениями (например, использование солнечной энергии в удаленных автономных приложениях) многие современные новые энергетические технологии предлагают небольшое сравнительное преимущество в производительности с точки зрения услуг, предоставляемых потребителям. (кроме более низких выбросов, чьи выгоды остаются внешними). Общепринятым ответом на эти проблемы являются субсидии, по крайней мере, временно, пока затраты не могут быть снижены. Но эти субсидии, возможно, придется поддерживать в течение многих десятилетий, а не лет (о чем свидетельствует история инноваций бразильского этанола). И наоборот, историческому прецеденту - разработке и внедрению технологий, решающее преимущество в которых не обязательно требует субсидий для тех, кто рано освоил нишу на рынке, - кажется, уделяется мало внимания. Очевидно, что такие ориентированные на результаты нишевые рынки могут поддерживаться и стимулироваться государственной политикой. Рассмотрим случай, когда критически важные общественные и технологические инфраструктуры, такие как сети связи, должны иметь резервные системы со 100-процентной надежностью (например, санкционировано в Швейцарии), что может создать довольно нечувствительный к ценам нишевый рынок для автономных, децентрализованных решений для энергетических систем.
Еще одним убедительным выводом из исторических энергетических переходов является важность и даже доминирование конечных приложений и рынков для внедрения и развития энергетических технологий. Как обсуждалось в примере с паровым двигателем, стационарные паровые двигатели в промышленности и сельском хозяйстве и мобильные паровые двигатели на судах и локомотивах были безусловно доминирующими рынками этих новых технологий по сравнению с сектором энергоснабжения (угольные шахты, коксующийся и городской газ). заводы, которые иллюстрируют возникающую группу сложной химии на основе угля и связанных с ней технологий конверсии). Что касается электричества, то неслучайно, что первым нововведением, вышедшим из научно-исследовательской лаборатории Томаса Эдисона в Менло-Парке, стала лампа накаливания. На современном технологическом языке: инновация спроса (электрическая лампочка) запускает инновации на стороне предложения (производство, транспортировка и распределение электроэнергии).
Учитывая множество энергетических технологий и приложений, трудно получить исчерпывающую картину всего ландшафта энергетических технологий, поэтому необходимо полагаться на простую общую метрику (установленную мощность) и пример страны, США, где такие данные доступны [7]. Таблица 1 суммирует эволюцию энергетических технологий для США с 1850 года с точки зрения установленной мощности (в лошадиных силах и ваттах, в пересчете на ГВт), с разграничением между стационарными и мобильными конечными приложениями, а также приложениями для сектора энергетики (снабжения) и тремя широкими категориями преобразования энергии: тепловые (котлы, печи), механические (первичные двигатели, такие как пар) двигатели или электрические турбогенераторы) и электрические (бытовые приборы, освещение и другие специальные, не заменяемые виды использования электроэнергии, такие как связь через радио, телевизоры и компьютеры).
В таблице 1 четко показано постоянное доминирование приложений конечного использования в общей базе установленных энергетических технологий. Установленная мощность первичных двигателей в 2000 году основана на значениях 1992 года, самых последних доступных