Наше будущее. Роботы уже среди нас

Наше будущее. Роботы уже среди нас

Евгений Сергеев

Дизайнер обложки Вера Филатова

© Евгений Сергеев, 2020

© Вера Филатова, дизайн обложки, 2020

ISBN 978-5-4485-8013-0

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Еще вчера роботы и искусственный интеллект интересовали только фантастов. Сегодня эти мечты становятся реальностью. Роботы оставят миллионы людей без работы, блокчейн сможет выполнять некоторые функции государства, криптовалюты способны вытеснить банки, искусственный интеллект вообще угрожает поставить жирную точку на истории человечества. В ответ на это кто-то предлагает ввести безусловный доход, иные требуют запретить исследования в области искусственного интеллекта. Однако прогресс неумолим, его нельзя остановить. Прочитав книгу, вы узнаете, как новые технологии меняют нашу жизнь. И это позволит вам не затеряться в быстроменяющемся мире.

Введение

Наша жизнь меняется с огромной скоростью. Новые технологии позволяют делать то, что вчера считалось фантастикой.

В экономически развитых странах роботы становятся надежными помощниками человека. Они освобождают людей от тяжелого, а порой и вредного труда. Через некоторое время каждая семья будет иметь несколько таких помощников. Это значительно улучшит быт и качество жизни населения.

Разработки в области искусственного интеллекта уже сейчас активно используются во многих сферах экономики. Например, большие данные, экспертные системы, поисковики стали помощниками многих успешных фирм. В обозримом будущем будет создан сам искусственный интеллект. И это открытие по важности будет самым главным в истории человечества. Однако сверхразум может привести к угасанию гегемонии человека на Земле.

Семья и государство не являются статичными системами. Вслед за изменением экономических условий трансформируется понятие семьи, роль государств значительно сократится. Децентрализация собственности и власти становится неизбежным событием.

Инновационные методы борьбы с болезнями, секвенирование генома человека и создание искусственного интеллекта позволит увеличить среднюю продолжительность жизни. Возможно, человек когда-то станет бессмертным.

Подробно о новых технологиях, которые могут изменить нашу жизнь, вы можете прочитать в этой книге.

Глава 1. Альтернативные источники энергии

Прогресс всегда неминуемо приводил к увеличению потребления различных видов энергии. Первобытный человек использовал возможности собственного тела. Далее он научился использовать огонь, что привело к значительному расширению его ареала. Приучение животных увеличило возможности человека по перемещению по территории и в обработке земель.

В настоящий момент человек использует огромное количество источников энергии. При этом по всей планете их структура неравномерна: в неразвитых странах высокая доля биотоплива, в развитых – постепенно развиваются возобновляемые источники энергии.

Согласно классификации Кардашова Н. С., по уровню энергопотребления наша цивилизация находится где-то в движении от нулевого к первому типу:

Тип 0. Цивилизация: первобытное общество. Объем энергопотребления: минимален.

Тип 1 (планетарный). Цивилизация потребляет энергию, эквивалентную всей солнечной энергии, падающей на Землю. Объем энергопотребления: в 700 раз больше энергопотребления 2007 г.

Тип 2 (звездный). Цивилизация потребляет всю энергию центральной звезды. Энергопотребление: в 10 млрд раз больше, чем цивилизация типа 1.

Подтип 2.5 (межзвездный). Цивилизация, освоившая пространство в несколько сот световых лет вокруг материнской планеты, которое включает в себя около миллиона звезд, среди которых есть тысячи землеподобных планет. Энергопотребление: в миллион раз больше, чем цивилизация типа 2.

Тип 3 (галактический). Цивилизация, потребляющая энергию, равную энергии всей Галактики. Энергопотребление: в 10 млрд раз больше, чем тип 2.

Тип 4 (вселенский). Цивилизация, потребляющая энергию всей видимой Вселенной. Энергопотребление: в 10 млрд раз больше, чем тип 2. Энергопотребление: в 10 млрд раз больше, чем цивилизация типа 3.1

С учетом уровня развития технологий трудно выйти на уровень потребления, равного цивилизации типа 1. Однако человек постоянно изобретает и стремится диверсифицировать энергопотребление. Так, активно осваиваются альтернативные источники энергии, к которым относят солнечную, ветровую, энергию океанов и морей, биоэнергетику, геотермальную энергию, водородную энергетику.

Активное развитие возобновляемых источников энергии в Европе создает видимые угрозы для российского нефтегазового сектора. Например, в 2016 г. на долю альтернативной энергетики в Европе приходилось 16% общей генерации электроэнергии. Поэтому стоит внимательно проанализировать новые источники энергии.

Солнечная энергетика

Все процессы, протекающие на Земле, находятся в прямой зависимости от активности Солнца. Звезда является основным источником света и тепла для нашей планеты. Не будь ее, господствовали бы мрак и холод.

Человек делает свои первые попытки по использованию солнечной энергии, которая поступает к нам в достатке: «Ежедневно на Землю поступает около 4,2·1014 кВт·ч, а всем населением Земли в 2007 г. было израсходовано (за год) – 94·1012 кВт·ч»2. Иными словами, в этом году землянами было использовано 0,04% энергии от поступающей от Солнца за один день.

Согласно концепции Третьей промышленной революции от Джереми Рифкина, именно солнечная генерация должна заместить традиционные источники энергии.

Развитие солнечной энергетики идет в двух направлениях. Первое – это фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в электрическую, второе – использование зеркал для концентрации света.

Классические фотоэлектрические панели находят глубокое применение в Европе, Китае, США и иных экономически развитых странах. Второй способ связан с монтажом больших зеркал, которые концентрируют энергию на сосуд в башне. Вода или иной наполнитель нагревается и начинает вращать турбины. Такой способ производства электроэнергии используется в жарких странах, например, в Испании и Индии.

На первом этапе солнечная энергетика по себестоимости значительно уступала традиционным источникам. Многим государствам пришлось поддерживать это направление, и некоторые скептики с подозрением относились к данному источнику энергии. Однако в настоящий момент во многих странах себестоимость солнечной генерации приблизилась к тепловым электростанциям. Пролонгация этой тенденции приведет к тому, что генерировать на солнечных батареях станет выгодней, чем иными способами. Это приведет к взрывному увеличению инвестиций в солнечную генерацию и, как следствие, резкому увеличению ее доли в общем производстве электроэнергии.

В США мощность солнечной энергетики превысила атомную, а примерно через пять лет аналогичная ситуация будет уже по всему миру. За 2013—16 гг. в США приостановлена работа шести атомных реакторов общей мощностью 4862 МВт. Также в этой стране набирает популярность концепция домов-электростанций. Солнечные панели генерируют электричество. При его избытке энергия накапливается в литий-ионных аккумуляторах. Ночью дополнительно потребляется природный газ.

Компания Tesla в ближайшее время планирует выйти на рынок с солнечной кровлей. Предварительные заказы значительно превысили производственные мощности компании. Ожидается, что кровля будет производить электроэнергию на протяжении 30 лет. Стоимость 1 кв. м. составит 235 долл. США.

Компания Audi планирует встроить солнечные батареи в крышу электромобилей. Получаемая электроэнергия будет направлена на компенсацию работы кондиционера. Это позволит увеличить запас хода.

Одним из лидеров использования солнечной энергетики является Китай. Так, в 2016 г. в провинции Аньхой завершилось строительство самой крупной плавучей солнечной электростанции мощностью 40 МВт. Электростанция была возведена на месте затопленного угольного карьера. В ближайшее время по всему миру ожидается распространение опыта по возведению плавучих солнечных электростанций.

В Российской Федерации высокий уровень инсоляции на юге европейской части и в районах Дальнего Востока. Самая крупная электростанция, Орская, построена в Оренбургской области. Ее установленная мощность 40 МВт. Также активно солнечная энергетика развивается в Башкортостане, где построены Бурибаевская и Багульчанская СЭС мощностью соответственно 40 и 15 МВт. В общем производстве электроэнергии солнечная генерация у нас занимает долю в пределах статистической погрешности.

Среди неоспоримых преимуществ солнечной энергетики стоит отметить отсутствие двуокиси углерода в процессе эксплуатации. Выброс некоторых загрязняющих веществ происходит лишь в процессе производства и утилизации солнечных панелей. Сам производственный процесс, а он может длиться до 30 и более лет, не сопровождается загрязнением окружающей среды.

Для строительства солнечных электростанций требуются значительные площади, что отрицательно влияет на природу. Однако это можно нивелировать путем размещения солнечных батарей на крышах и стенах многоквартирных домов, когда генерации электроэнергии будет децентрализовано.

У термоэлектростанций есть еще одна неприятная история. У башни, на которую концентрируется солнечный свет, резко увеличивается температура, что может привести к смерти насекомых и птиц.

К сожалению, Солнце светит не круглосуточно, поэтому солнечная генерация крайне неравномерна по времени суток. Встает вопрос ее аккумулирования в солнечные дни с последующим использованием ночью. Джереми Рифкин предлагает использовать для этого водород, когда избыток солнечной генерации днем используется для разложения воды.

На солнечных термостанциях горячая жидкость может накапливаться днем и использоваться для производства пара ночью. Это позволяет не применять дополнительные источники энергии.

В Австралии избыток электроэнергии от солнечных батарей предлагается направлять на образование льда, который в свою очередь будет сокращать уровень потребления электроэнергии кондиционерами.

Появление надежных и мощных аккумуляторов позволит значительно расширить использование преимуществ солнечной энергетики. В данном направлении успешно работает компания Tesla.

Ветроэнергетика

Энергию ветра человек научился использовать давно. Это и парусники, и ветряные мельницы. В некоторых районах ветровая энергия использовалась для подъема воды.

В настоящий момент бурно развивается ветровая энергетика. Лидером в этом направлении является США, далее за ними следуют страны ЕС. В целом в Европейском союзе ветровая электрогенерация опередила угольную и нефтяную и уступает лишь производству энергии из природного газа.

Высокие темпы прироста ветрогенерации в первую очередь компенсируют общий прирост потребности Европы в электроэнергии. Также происходит значительное замещение доли энергии, вырабатываемой из угля и атома. Если тенденция продолжится, а она с высокой вероятностью сохранится, то через некоторое время ветровая и солнечная энергетика Европы начнет замещать энергию, вырабатываемую из нефтепродуктов. Но говорить о замещении генерации электроэнергии из природного газа еще очень рано, поэтому у наших газовиков есть время адаптироваться к меняющемуся миру. В отличие от нефтяников, по которым уже прозвенели колокола, и жители Ханты-Мансийского автономного округа ищут себе прибежище в других регионах страны.

Особенно бурно ветровая энергетика развивается в прибрежных районах, где дуют постоянные ветры, поэтому ветрогенерация успешно развивается практически во всех странах Европы.

С 1 января 2018 г. все аэропорты Нидерландов перейдут на энергию ветра. Государственная железнодорожная компания NS c 2017 г. полностью перешла на возобновляемые источники энергии. В собственности Нидерландов находится вторая по мощности морская ветровая электростанция Gemini, которая находится в Северном море. Общая мощность 150 турбин составляет 600 МВт.

В РФ высоким ветроэнергетическим потенциалом обладают территории, прилегающие к Баренцеву и Карскому морям, а также северные районы Камчатки. В отличие от солнечной энергетики, ветровая у нас развивается крайне слабо. Хотя, конечно, и солнечная находится в зачаточном состоянии. Чему причиной является наличие огромных дешевых запасов газа и нефти. К тому же наша элита боится развивать новые технологии, ибо трансформация экономики приведет к их гибели. Проще и безопасней паразитировать на углеводородном богатстве, а для самоуспокоения придумываются сказки, что альтернативные источники энергии бесперспективны.

До 2020 г. в России планируется ввести порядка 10 ветряных электростанций, самой крупной из которых станет Пилотная ВЭС в Краснодарском крае. Ее плановая мощность – 460 МВт, или в 14 раз меньше, чем мощность Саяно-Шушенской ГЭС. Компания «Фортум» планирует построить ветропарки в Ростовской (300 МВт), Ульяновской (236 МВт), Мурманской областях (150 МВт), Краснодарском (150 МВт), Ставропольском краях (64 МВт), Татарстане (100 МВт). В целом мощность всех электростанций в России составляет 257 000 МВт, поэтому вновь вводимые ветряные станции существенным образом не изменят энергетический баланс страны.

Несомненным преимуществом ветряной энергетики является ее независимость от времени суток. Однако уровень генерации зависит от движения воздушных масс, которые часто нестабильны.

По мнению европейских энергетиков, ночью, когда потребление электроэнергии резко снижается, а ветряки продолжают работать, излишки энергии можно направлять на охлаждение на один градус работающих холодильников. Днем в свою очередь стоит немного повышать температуру в холодильниках. Иными словами, где-то находящиеся вдалеке холодильники могут выступать компенсаторами потребления электроэнергии.

Также среди недостатков стоит отметить наличие шума и использование больших площадей территории. Некоторые экологи отмечают, что массовое использование ветровой энергии способно влиять на климат, ибо оно препятствует свободному перемещению воздушных масс.

Биоэнергетика

На первых этапах своего развития человек преимущественно использовал в виде топлива дрова и разную ветошь, иными словами, биотопливо. Во многих странах и сейчас данный вид топлива в приоритете. Даже у нас, если отъехать 200 км от Москвы, то можно спокойно наблюдать, как в деревнях топят простыми дровами.

В местностях, где не произрастали деревья, часто топили кизяками. Это тоже некий вид биотоплива.

В 1930-е года в СССР в качестве топлива для самоходных машин также часто использовали дрова. С развитием электроэнергетики стали появляться торфяные электростанции.

В настоящий момент происходит некоторый ренессанс биотоплива, что обусловлено как дороговизной традиционных энергоресурсов, так и борьбой в защиту окружающей среды. Естественно, в развитых странах в качестве биотоплива не используются или практически не используются дрова. Основной упор делается на переработку отходов жизнедеятельности человека, домашних животных, также выращиваются некоторые виды культур.

Структура производства биотоплива по основным странам представлена на рисунке ниже.

Рисунок 1.1 – Структура производства биотоплива по странам

Лидерство по использованию биотоплива принадлежит США, где активно развиваются технологии по переработке отходов. Также в этой стране для производства биотоплива активно выращивается кукуруза. Второе место принадлежит Бразилии, где практически все машины ездят на этаноле, который вырабатывается из сахарного тростника.

Перспективным направлением развития биоэнергетики считается выращивание специальных водорослей. Это не требует отвлечения значительных земельных ресурсов. Часто водоросли выращиваются в водоемах, которых выступают охладителями для тепловых электростанций. С 1 га таких угодий в год можно собрать до 100 т водорослей.

Среди широко распространенного вида биотоплива стоит отметить биогаз, который получается в результате разложения биомассы под воздействием бактерий класса метаногенов. Мировым лидером по производству биогазов является Китай. В Европе данная технология активно развивается в Германии.

Крупные агрохолдинги уже сейчас строят электростанции, работающие на отходах от животноводства и растениеводства. Это позволяет им существенно экономить на счетах по электричеству.

Российская Федерация является крупнейшим экспортером топливных пеллет, производимых из соломы и остатков древесины. Данная продукция широко востребована в Европейском союзе. Генерация электроэнергии из бытовых отходов у нас практически отсутствует. В лучшем случае их сжигают, но, как правило, просто складируют на свалки. Через некоторое время эти залежи могут быть использованы в качестве топлива.

Развитие биоэнергетики решает важную задачу – переработку сельскохозяйственных и отходов жизнедеятельности человека. Поэтому государства субсидирует данное направление энергетики. В ближайшем будущем новые технологии биоэнергетики дойдут и до развивающихся стран, что положительно отразится на окружающей среде.

Геотермальная энергия

К геотермальной энергии относят глубинное тепло Земли, которое является потенциальным источником для электро- и теплоснабжения. Данные источники можно классифицировать на три вида:

1.Термальные воды и пары в подземных коллекторах.

2. Тепло, аккумулированное в горных породах.

3. Тепло вулканов.

В районах, где активны вулканы, подземная вода нагревается и часто выходит на поверхность в виде гейзеров. Для использования этой тепловой энергии бурятся специальные скважины.

В основном данная энергия используется для отопления зданий и сооружений. Как источник для выработки электроэнергии используется довольно редко.

Геотермальная энергия активно используется в США, Японии, Исландии, Италии, Франции, Новой Зеландии, Китае и прочих странах.

Интересен опыт Исландии, где 90% домов отапливается от геотермальных источников. Само государство находится на вулканическом плато, что позволяет использовать тепло Земли.

Правительство Исландии активно поддерживает инновационные разработки использования геотермальной энергии. Самая крупная геотермальная станция имеет мощность по электроэнергии в размере 300 МВт, по теплу – 400 МВт. Кроме геотермальной энергетики в этой островной стране активно развивается гидроэнергетика, что позволяет генерировать 90% энергии из возобновляемых источников.

В США в 116 км к северу от Сан-Франциско находится крупная группа геотермальных станций общей мощностью 1517 МВт. Американское правительство активно поддерживает геотермальную энергетику как один из видов альтернативной энергии.

В Российской Федерации большие объемы термальных вод есть в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке. Примерно 30% электроэнергии на Камчатке вырабатывается на геотермальных источниках (Мутновская, Паужетская и Верхне-Мутновская ГеоЭС).

Установленная мощность геотермальных электростанций по странам мира за 1990—2010 г. отражена в таблице ниже.

Таблица 1.1 – Установленная мощность геотермальных электростанций

За анализируемый период установленная мощность геотермальных электростанций увеличилась на 4885 МВт, или на 83,8%. Наибольший прирост пришелся на Индонезию (+1052 МВт), Филиппины (+1013 МВт), Исландию (+530 МВт), Японию (+321 МВт), США (+318 МВт).

В структуре производства электроэнергии из геотермальных источников наибольшая доля приходится на США (28,9%), Филиппины (17,8%) и Индонезию (11,2%).

В Российской Федерации установленная мощность геотермальных электростанций увеличилась на 71 МВт, но по величине она значительно уступает другим странам.

Существенным недостатком использования термальных вод является необходимость их возврата обратно в пласт, что обусловлено наличием различных загрязнителей. Выбросы в водоемы могут привести к гибели местной флоры и фауны.

Среди положительных сторон геотермальной энергетики стоит отметить отсутствие колебаний в течение суток и года. Постоянство источников энергии позволяет не использовать вспомогательные генерирующие мощности.

Энергия океанов и морей

Некоторые страны ведут активные исследования по использованию энергии морей и океанов. Предпочтительными направлениями являются использование энергии приливов, океанских течений и волн.

Приливная электростанция – это, по существу, та же самая гидроэлектростанция, но в которой используется энергия не рек, а морских приливов. Для ее строительства необходима сама приливная волна и бассейн, в качестве которого можно применять различные виды ущелий, заливы или устья рек. Плотина отгораживает приливную воду, и она, возвращаясь обратно, приводит в действие турбины. Естественно, чем выше приливная волна, тем мощнее электростанция.

Приливные электростанции могут работать в реверсивном режиме, то есть вырабатывать электроэнергию как при отливе, так и при приливе. Это значительно повышает их мощность. Целесообразно строить подобные электростанции в местах, где волна выше 4 метров. Характеристики существующих приливных электростанций представлены ниже.

Таблица 1.2 – Приливные электростанции

Самая крупная приливная электростанция Сихва находится в бухте Асан, и она использует энергию Желтого моря. Длина дамбы 12,7 км, объем водохранилища 324 млн м3, высота прилива 7,5 м.

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 м3 газа. При разложении гидрата метана из 1 куб. м. выделяется порядка 160 м3 газа.