mikhai1_t (mikhai1_t) wrote in engineering_ru,
mikhai1_t
mikhai1_t
engineering_ru

Индустрия и энергия




Оригинал взят у mirvn в Индустрия и Энергия

В данной статье хочу коснуться базового вопроса: почему индустрия требует больших затрат энергии? На что она затрачивается и какие базовые принципы за этим стоят.

Для начало нужно определиться чем вообще занимается индустрия. Индустриальный процесс - это трансформация исходного сырья в продукт, как правило, индустрия это не одно производство, а цепочка производств, где продукт одного производства это сырье другого и так до тех пор пока не получается конечный продукт, использующийся человеком. По ряду причин принято разделять индустрию на 3 сектора: добыча, строительство и производство, но нужно понимать, что и строительство и добыча полезных ископаемых это тоже индустриальные процессы, попадающие под определение данное выше и они тоже участвуют в индустриальной цепочке.

Схематично цепочки можно представить так:

Планета => Руда => Металл => Деталь => Конечный Продукт

ну или

Планета => Минерал => Базовые Химические Продукты => Комбинированные Химические продукты => Конечный Продукт

Цепочка идёт от простых продуктов к более сложным. Вот пример ввода для последнего этапа одной, достаточно длинной цепочки:

А вот пример продукции первого этапа для большой части этого многообразия:

.






Разобравшись с определением индустрии перейдём к тому в чём заключаются трансформации.

Есть 3 вида базовых трансформаций:


  • Путём механического воздействия.

  • С помощью направленной химической реакции.

  • Или через термическое воздействие с переходом материала из одного базового состояния в другое.

Думаю, каждый сможет сам расставить эти трансформации для этапов упомянутых выше цепочек.

Нужно понимать, что химические реакции и термическое воздействие берут на порядки больше энергии, чем самое интенсивное механическое воздействие. Сначала покажу это на примерах, а потом попытаюсь объяснить, почему это так.

У вас есть кубический метр стали и весит эта дура 8 тон.


  • Поднять этот куб на высоту 100 метров потребует 8 мегаджоулей (E=mgh)

  • Сделать в нём канавку 10х10х100 см на фрезеровальном станке 16 мегаджоулей

  • А вот расплавить этот кубик уже 11 гигаджоулей.

Разница между механическим и термическим воздействием в этом примере это 3 порядка или 1000 раз.

Ну что там сталь, давайте посмотрим на такую банальную вещь как кубический метр воды комнатной температуры:


  • Поднять этот куб на высоту 100 метров потребует 1 мегаджоуль

  • Для преврашения в 100 градусный пар нам понадобиться потратить 2.6 гигаджоулей

  • Если мы хотим разделить его на водород и кислород то это возмёт 15.5 гигаджоулей

Опять разница на 3-4 порядка.

Откуда эта огромная разница? В очень базовой физике. В природе есть 4 фундаментальных взаимодействия.

На нашем макро уровне мы ощушаем только 2 из этих 4, гравитацию и электромагнетизм. И рекомендую всем заметить разницу между ними: электромагнитная сила на атомном уровне в 10^36 раз сильнее, чем гравитация. Гравитация это то, что не позволяет нам улеть в космос, а электромагнетизм это то, что не позволяет нам превратиться в облако свободных элементарных частиц. И так же как с гравитацией, у электромагнитной силы есть своя ямка, вот такая:

На этой схеме ямка это стабильное состояние для пары атомов водорода находяшихся в ковалентной связи, состояние минимума потенциальной энергии. Когда мы пытаемся растащить эти 2 атома, то нам нужно наполнить яму энергией извне, когда же мы даём им небольшой толчок чтобы помочь скатиться в ямку, то мы получаем обратно избыток энергии уже ненужный атомам.

Вы никогда не задумавались почему атомы собираются в молекулы, а молекулы в ещё более сложные структуры, почему в наших условиях сталь твердая, а вода жидкая? Это всё он, электромагнетизм. Все классические силы из учебника физики - трение, упругость, натяжение в своей самой базе имеют электромагнитную природу, также как все свойства материалов и все химические реакции. Это основа всего нашего макро мира.

Все наше макро разнообразие сил и материалов на атомном и молекулярном уровне - это движение электронов из одной ямки в другую. Всем, кому этот аспект интересен, советую почитать старые добрые учебники пофизике и химии.

Чем более интенсивное и фундаментальное изменение материала нам нужно, в тем большее противодействие мы вступаем с электромагнитной силой. Механические воздействия типа фрезеровального станка, где изменяются связи между маленьким числом атомов требуют в разы меньше энергии, чем попытка разрушения связей между большим числом молекул как во время плавки металла или электролиза воды.

Поэтому картинка ниже не должна быть неожиданностью:

Несмотря на то, что строительный сектор в Китае закончил в 2010 году строительство 3 миллиардов  квадратных метров и работал ещё над 7, а горнодобывающий сектор добыл 45% от всей мировой добычи угля, 40% от мировой добычи железной руды и 17% всего мирового золота, эти 2 сектора не отвечают и за 10% от общего индустриального энергопотребления. Это совсем не удивительно, ведь как нам уже известно, если вы на поверхности планеты Земля и оснoвная сила которой вы противодействуете это гравитация, то считайте что вам повезло. А это безусловно верно для строительства и добычи ископаемых. И там и там главный потребитель образно говоря  это грузовик.

Ниже 2 картинки из отчёта фирмы крупнейшего в мире золотодобычика.

Как видно, на тону породы тратится 290 мегаджоулей и больше половины это дизель, то есть топливо для грузовиков и другой тежелой техники. Напомню, что преврашение тонны воды в пар требует 2600 мегаджоулей это в 10 раз больше, и это при том, что золотодобыча это одна из самых энергоинтенсивных отраслей горной промышлености. Да и надо знать, что из тонны породы сейчас получают 1.2 грама золота. Каждый стандартный 12 килограммовый слиток требует обработки 10,000 тон породы, если бы железо или медь добывали из такой руды, то картинка была бы совершенно другой, но пока нам до этого ещё очень далеко. И общемировая пропорцая очень похожа на Китайскую.

Давайте теперь сделаем зум на синюю часть графика и посмотрим, какие части производственного сектора потребляют большую часть индустриальной энергии. Чтобы не говорили, что Китай это нехарактерный пример, я дам разборку ещё и для США, а вместе эти страны потребляют 50% всей мировой индустриальной энергии. На графиках ниже я взял для обоих стран производства, которые в сумме отвечают за 80% энергопотребления всего производственного сектора.

Китай:

Мы видим что 80% производственной энергии в Китае потребляют только 5 видов производств: Металлы , Химия, Цемент, Бензин и с очень большим отрывом Текстиль

США:

Для США картина очень схожая с Китаем: 80% это Бензин, Химия, Бумага, Металы и с большим отрывом Продовольствие.

Как видно картинка у двух стран достаточно схожая. И она будет повторяться в любой индустриальной стране. Индустрии производящие базовые продукты, такие как металл, цемент, химические продукты стоят на втором этапе нашей индустриальной цепочки, и потребляют большинство энергии. А всё остальное бесконечное многообразие продукции от ширпотреба и до самолётов, пароходов и ракет это оставшиеся 20% индустриальной энергии. Так получается поскольку эти 3-4 индустрии, используют в основном термические и химические трансформации, а остальная индустрия это уже в основном механическая обработка или даже просто сборка из существующих деталей.

ВЫВОД: В 19, 20 и в начале 21 века любой разговор про индустриальное потребление энергии это, прежде всего разговор про Металлы, Цемент и Химию.

Источник по Китайскому потреблению , Источник по потреблению в США



Tags: производство, статистика, энергетика
Subscribe
promo engineering_ru december 1, 2014 02:21 115
Buy for 200 tokens
Самолёты семейства Airbus-320 - это одни из самых популярных магистральных неширокофюзеляжных самолётов. В семейство Airbus-320 входят самолёты моделей 318, 319, 320, 321. Отличаются они главным образом длиной и пассажировместимостью. Выпускаются с конца 1980-х годов. Кабина, разработанная для…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 27 comments