Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

но и невозможность ректенн (которые ближе чем термояд, и уменьшат цену на солнечную энергию как минимум в 10 раз, а то и больше)?

Наноректенны конечно возможны, вот только для их создания всегда будет нужен литографический процесс высокого разрешения. Сколько стоит 1 см2 чипа с литографическим процессом 28 нм и менее - известно и особого оптимизма не внушает (в части возможности использования таких схем в энергетике, где необходимы площади измеряются десятками квадратных метров). Одного этого достаточно, чтобы все эти наноректнны на всегда остались только лабораторной игрушкой.

[AlexAV]

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0#.D0.A0.D1.83.D0.BB.D0.BE.D0.BD.D0.BD.D0.B0.D1.8F_.D1.82.D0.B5.D1.85.D0.BD.D0.BE.D0.BB.D0.BE.D0.B3.D0.B8.D1.8F

Это всё фантазии о цене совершенно не имеющие отношения к текущей реальности. Покажите хоть одно микроэлектронное производство, где обработка одной 300 мм пластины по тонким литографическим нормам стоила бы  на уровне хотя бы 1000 долларов (это кстати будет дороже традиционных солнечных батарей). Пока же  она стоит миллионы долларов:



Более чем на три порядка дороже.

[AlexAV]

Нет, фантазирует здесь только диванный Нострадамус.
Рулонный метод подтвержден американскими, европейскими и японскими учеными.

Да методу нанесения литографического рисунка с помощью механических матриц - уже много десятилетий. Вот только на практике он обходится намного дороже фотолитографии. Ну и плюс к тому им сложно качественно наносить несколько литографических слоёв, требуется очень точное позиционирование матриц, что на практике довольно сложно. Поэтому им никто и не пользуется.

Кстати японцы сейчас работают над более дешевым методом чем рулонный.
https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_rectenna#Atomic_layer_deposition

ALD - способ наращивания плёнок, а не нанесения литографического рисунка. Это вообще не о том.

и углеродные нанотрубки (более дешевые чем ректенны)

Нанотрубки - такая же лабораторная игрушка. Попросту нет хорошего масштабируемого метода создавать требуемые структуры из них на поверхности. Тут даже как в традиционный литографический процесс их включить - большая проблема. А для дешёвого создания структур на большой поверхности - это вообще не годится.

перовскитоиды (для которых теоретически КПД преобразования солнечного света составляет около 80%, на практике подтверждено около 50, и все это будет НАМНОГО дешевле чем кремний)

80% - как обычно ваши фантазии. Ничего подобного и близко не получено. Но вообще здесь с перспективами куда интереснее, чем с ректеннами и нанотрубками. Технология изготовления и материалы действительно достаточно просты и доступны. У этого направления однако возникла (и до сих пор не решена) серьёзная проблема, мешающая их широкому применению - довольно быстрая деградация. Причём из-за необходимости использовать достаточно нестабильные по своей природе органические красители данная проблема вообще может не иметь решения.

P.S. Кстати в качестве красителей там применяется довольно интересная металлоорганика... Так что без редких элементов построить солнечную батарею на перовскитах всё же не получается.

[AlexAV]

Солнечные элементы для массового производства обязаны удовлетворять нескольким критериям: не требовать большого количества дефицитных материалов, не требовать тонких литографических процессов или чрезмерной чистоты материалов, иметь простую и легко масштабируемую технологию производства.

Этим требованиям в полной мере удовлетворяет только традиционный аморфный и кристаллический кремний. Ну может ещё элементы на базе перовскитов (там требуется свинец или олово для красителя, но это пока не слишком дефицитные материалы). У последних пока правда есть серьёзные проблемы с долговечность. Может быть сюда когда-нибудь добавится что-то на основе полупроводящих полимеров. И пожалуй всё. А если элементу нужен теллур, селен, золото, индий или галлий, или его надо делать по тонкому литографическому процессу - то перспектив у него заведомо никаких.

[AlexAV]

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D1%83%D0%BB%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F

Ректенны оптического диапазона требуют техпроцесса тоньше 6нм. Какие рулоны с поликремнием, вы о чём? Такой тонкий техпроцесс получается только на очень высококачественных монокристаллических пластинах в чистых комнатах и прецессионными методами нанесения рисунка. И то это очень сложно.

Кстати, перовскит - это минерал титана с необычной структурой, вещества с подобной структурой в международной практике называются перовскитоидами

Нет. В русскоязычной научной литературе перовскитами называют более широкий класс соединений. Для примера посмотрите здесь: http://csc.ac.ru/news/2002_2/2002_2_4_3.pdf

[AlexAV]

[

В Германии планируется создание самой большой и мощной в мире аккумуляторной батареи
http://www.dailytechinfo.org/energy/9417-v-germanii-planiruetsya-sozdanie-samoy-bolshoy-i-moschnoy-v-mire-akkumulyatornoy-batarei.html

Там проточный Red/Ox. Идея кстати куда более здравая для подобных систем, чем литий-ионные аккумуляторы, там действительно есть потенциал снижения стоимости хранения энергии. Конкретно с этим проектом нигде не нашёл какие конкретно компоненты они собираются использовать в электрохимической системе (там возможно огромное количество вариантов и от конкретного выбора зависит насколько это перспективно и масштабируемо).

Через 6-7 лет результат, чую Маск такими темпами, переплюнуть их успеет.

Макс занимается литий-ионными аккумуляторами, которые для систем возобновляемой энергетики заведомо бесперспективны. Здесь проект интереснее (правда без деталей сложно понять на сколько)...

[AlexAV]

Таки, что не мешает ему строить  аккомуляторные станции для возобновляймой энергетики.

Стоимость этих систем в принципе не позволяет ВИЭ превратиться из живущей на субсидии игрушки в что-то серьёзное. Для этого нужна аккумуляции на уровне 10$/кВтч ёмкости и ниже, что литиевые аккумуляторы не способны обеспечить принципиально.

[AlexAV]

Таки 10 лет, 250/3560=7 центов к квт*ч за хранение.

Нет, речь о цене установленной мощности (как раз в предположение 10 летнего срока службы). Т.е. нужно 10$/3650 = 0.27 центов к квт*ч за хранение и менее. Нестабильные источника энергиии требуют о-о-очень много этой ёмкости...

Уже терпимо.

Абсолютно никуда не годится. Без дешёвого китайского товара экономика при такой цене электроэнергии мгновенно рухнет. Да и доля вполне традиционных угля и газа там подавляющая, нестабильных ВИЭ — очень небольшая часть (конкретно по 2016 году — 17,8%, т. е. полная генерация — 648,4ТВтч, солнце — 38,2ТВтч, ветер - 77,4 ТВтч).

[AlexAV]

В будущем для ВИЭ-энергетики уже не будут нужны аккумуляторы.

Если нужна энергия 24 часа в сутки и 7 дней в неделю, а не когда из небесной канцелярии пошлют - абсолютно необходима. Ещё большая проблема - то что большинство процессов в промышленности требуют именно такого энергоснабжения. При внезапном отключение металлургической печи Вы рискуете её уже никогда не запустить.

Что касается необходимой ёмкости аккумуляции... Оценка для Дании с использованием оффшорной ветрогенерации - 2,5ТВтч (http://euanmearns.com/can-offshore-wind-be-integrated-with-the-grid/). Это совершенно астрономическая величина, при использование литий-ионных аккумуляторов для экономики совершенно не подъёмная.

[AlexAV]

Назовите хоть одну промышленную СЭС и ВЭС с аккумуляцией энергии в литиевых АКБ??

А это получается только пока их в сети очень мало. А как доля превышает процентов 20 от общей генерации - так сразу начинаются проблемы. Эти СЭС и ВЭС в один день дают столько энергии, что она никому не нужна, а в другой в небесной канцелярии нашлют облака и не пошлют ветра - и электричество брать просто негде. Решается это или аккумуляцией (а это сейчас безумно дорого) или 100% резервированием СЭС и ВЭС маневровыми тепловыми мощностями (которые что характерно без газа не работают, для маневровых даже уголь не очень), которые требуют немалых средств на своё содержание и потребляют те самые природные углеводороды (их доля генерации в сети будет отнюдь не мала), что опять же очень дорого.

Вот примеры солнечно тепловых станций еще Andasol Solar Power Station Испания (энергия аккумулируется в соляном растворе 7+ часов), или KaXu Solar One  в ЮАР.

Только вот с экономикой у них не очень. Andasol Solar Power Station имеет стоимость имеет стоимость 900 млн. евро, а годовую генерацию 495 ГВтч. При ставке дисконтирования 6%, сроке службы 30 лет и без субсидий стоимость электроэнергии от такого объекта не может быть меньше 12,5 ц/кВтч. Сюда нужно ещё добавлять цену передачи энергии до конечного потребителя. В итоге цена для конечного потребителя ниже 16-18 ц/кВтч не будет.

Сюда нужно добавить то, что данная станция запасает энергию только на 7,5 часов работы. Для устойчивой круглогодичной работы в режиме постоянной мощности без провалов это катастрофически мало. Один день облачностой погоды - и откуда брать электроэнергию станет непонятно. Для полного покрытия таких проблем нужно запасать энергию на сотни часов непрерывной работы без солнца. Т.е. и её надо резервировать на 100% тепловой мощностью (и размышлять откуда для неё взять газ ). А на её содержание ещё плюсуем к стоимости...

И это кстати сухая и солнечная южная Испания... В областях где осадков побольше (а что характерно именно там и живёт большая часть человечества) ситуация для термальной СЭС совсем унылая и печальная.

[AlexAV]

и сланцы.

Приблизительно 10 млн. т.н.э. (1000 м3 приближённо 1 т.н.э. энергии) на миллиард населения в год  - это не капля в море, а вообще ничто.   Вообще запасы этого "сланцевого" газа весьма не велики и ничтожны по сравнению с тем же углём. Он даже на среднесрочную перспективу тому же Китаю не позволяет решить какие-то проблемы в принципе (его попросту мало).

[AlexAV]

Ну газа у КНР немало

90 трл.м3 ресурсов (обратите внимание, что ресурсов, а не запасов - это важно ) на полтора миллиарда человек это много? Если всерьёз начнут замещать газ - на пару десятилетий и всё.

[AlexAV]

Если рассматривать химический накопитель энергии, то мне кроме синтеза метана в голову ничего хорошего не приходит.

КПД цепочки вода - водород - метан - перекачка метана и закачка в газохранилища - возврат энергии в какой-то форме получится очень низким. Далее даже с первой стадией всё не так просто. Низкотемпературный электролиз  воды имеет низкий КПД (процентов 30 или около того), а высокотемпературный - имеет высокий КПД, но требует стабильного источника питания. Во втором случае аппарат не любит частых включений и выключений, т.к. материал твёрдого электролита в циклах нагрева и охлаждения разрушается, т.е. это типичное производство непрерывного цикла (плохо сочетаемого с нестабильными ВИЭ).

[AlexAV]

Хотелось бы рассмотреть цивилизацию, которая живет на ГЭС, СЭС и ВЭС. Т.е., строго на возобновляемом ресурсе. При этом уран из морской воды не считаем - допустим что он настолько дорог, что его ниша - десяток АПЛ и не более того.

Представляется ошибочным и бесперспективным пытаться вписать современный постиндустриальный мир в мир ВИЭ. Не получится. Цивилизация на этой основе существовать может, но это будет другая цивилизация, с другой экономикой и социальной организацией.

Как это может выглядеть?

Первое. Очевидно нужно по максимуму использовать преимущества ВИЭ и максимально нивелировать их недостатки. Преимущество у них одно, но при правильном использование очень ценное - ветер дует и солнце светит в любой точки планеты. А это даёт возможность отказаться от транспортировки энергии на большие расстояния и использовать её там, где она получена. Возможность радикального сокращения совсем не дешёвых электрических сетей - это плюс, причём возможно один из немногих плюсов ВИЭ. И он должен использоваться. А вот все эти глобальные сети на половину материка - это от лукавого.

Второе. Нестабильность - это серьёзный минус, но кто сказал, что к нему нельзя приспособиться? Бытовое потребление здесь вообще не проблема. Для человека электричество жизненно важным благом не является, и если его время от времени будут отключать - ничего страшного не произойдёт, а к мелким неудобствам человек привыкает быстро (для небольшой области где в бытовых условиях отсутствие электроэнергии может привести к заметным материальным потерям, т.е. холодильник, можно обойтись и химическим аккумуляторами потребитель на 20-30 кВтч в месяц не так уж много этих аккумуляторов потребует).

Что касается промышленности - тут проблем больше. Но в данном сценарие они должны решаться скорее не борьбой за стабильность электропитания, а изменением технологических циклов таким образом, чтобы производство можно было бы вести в условиях нестабильности, т.е. отказ от производств непрерывного цикла. В этом случае требование к аккумуляции можно сократить до обеспечения работы оборудования в течение 1-го рабочего дня, т.е. 8 часов, что уже более-менее приемлемо. Трудовой режим в этом случае конечно должен радикально отличаться от современного. Всевышний ветер не послал - отдыхаем и молимся о ветре. В ноябре и декабре нет солнца - ну значит в эти месяцы и работать не нужно. Как-то так.

А 8-ми часовую аккумуляцию (стабильного энергоснабжения это не даст, но позволит обеспечить один рабочий день, что в определённых условиях может быть достаточно) вполне можно обеспечить мелкими ГАЭС. Тут можно сделать простую оценку. Пусть перепад высок между водоёмами 10 метров (это легко обеспечить даже в равнинных районах), допустимое колебание уровней - 1 метр. Тогда для потребителя в 1 МВт площадь каждого водоёма должна быть 0.3 км2. Это масштаб сельского пруда. Балок где такое можно построить достаточно много, да и система может быть достаточно дешёвой, в этом случае достаточно простой земляной плотины.

Это сразу кстати даст ещё два следствие. Первое - разукрупнение производства. Найти структуру рельефа позволяющую создать пруд 0.3 - 3 км2 не сложно, но вод для крупных водохранилищ - уже не так просто. Т.е. единичное производство должно будет укладываться в потребление 1 - 10 МВт (даже с учётом этого своеобразного графика "работаем день через два, как в небесной канцелярии решат"). Второе - рассредоточение его по территории, т.е. отмирания в основном крупных производственных центров.

Естественно, как следствие и необходимости приспосабливаться к нестабильному графику энергообеспечения, и низкой загрузки оборудования, и снижения эффекта масштаба резко пойдёт вниз производительность труда и снизится доступность.

Жить так скорее всего можно, но это будет другой мир и другая цивилизация. Собственно то самое "средневековье с электричеством".

[AlexAV]

У экваториального накопителя силы

Сделать маховик вокруг экватора... Глобально мыслите.

Здесь вообще не понятно получится ли такой построить... Тут очевидно потребуется достаточно точная геометрия, а для такой протяжённой конструкцией непонятно как этого добиться хотя бы из-за движения литосферных плит. Для этого высокоскоростного троса даже сантиметровые отклонения от идеальной окружности не факт, что не вызовут серьёзных проблем (раскачки каких-нибудь колебаний, или ещё чего-то подобного).

Ну и стоимость такой конструкции едва ли вообще подъёмна для мировой экономики, опять же - политические проблемы, такая глобальная конструкция пройдёт по территории множества государств, что не есть хорошо, очень не факт, что завтра в одном из них не случится что-то, что нарушит работу системы, и главное - требуется какая-то совершенно невменяемая длина линий для передачи энергии от этого экваториального накопителя к потребителю, буквально на пол планеты.

Нет, всё же гигантомания - зло.  

[AlexAV]

Просто в силу того что электроэнергия в себестоимости большинства производств имеет не такую уж большую долю.

Ну пока есть дешёвый газ - ещё ничего, а вот если газовые печи заменять электрическими - доля стоимости электричества станет очень заметна.

Для примера посмотрим на российскую обрабатывающую промышленность.

В 2015 она произвела 10510 млрд. руб. добавочной стоимости. При этом на неё пришлось 28,6% всего электропотребления страны, т.е. 312 млрд. кВтч электроэнергии. Но это не вся, кроме того она ещё скушала 109 млн. т.у.т. печного топлива, если соответствующее количество тепла производить в электропечах, это дало бы ещё 887 млрд. кВтч потребления. Итого 0,11 кВтч/руб. продукции, не сказал бы, что это мало....

А поскольку стоимость электроэнергии ВИЭ чуть менее, чем полностью состоит из стоимости этой самой продукции обрабатывающей промышленности, то можно предположить, что при стоимости первичной энергии более 10 руб./кВтч в сегодняшних ценах вообще всё просто развалится. А такую стоимость при условие стабильного обеспечения существующие системы аккумуляция для ветра и солнца обеспечить не могут в принципе.

Стоимость энергии - это важно, она не может быть сколь-угодно высока.

Бытовое потребление, конечно можно перевести на ВИЭ, но только не в условиях севера. Придется народу на юг переезжать.

Зачем? На северах народ вообще-то жил задолго до 20-го века вообще без всякого электричества. Когда Москва, Великий Новгорода, Архангельск были основаны? Проблема отопления решается дровами вообще без всякого электричества. Тоже кстати возобновляемый источник энергии.

А вот себестоимость продукции из-за недозагрузки вырастет катострофично.

В существующей финансово-экономической системе... Т.е. когда проценты по кредиту капают вне зависимомости от того работает предприятие или нет. Для других моделей картина может быть и совсем другой, т.е. рост себестоимости может быть куда более плавным и практически только за счёт зарплат рабочим. Ведь в конце-концов с физической точки зрения, если оборудование не работает, то оно практически и не изнашивается. Т.е. общее количество продукта, которое оно произведёт за срок службы, от простоев будет меняться не так сильно.

Совсем не факт, что инвестиции в этом обществе будут осуществляться через банковскую систему и механизм ссудного процента...

[AlexAV]

Ну тогда впишите туда СССР времен позднего Хруща.Что-то было б если бы дешевую Западно-сибирскую нефть не нашли в начале 60-х?Ведь Союз,ЕМНИП,до 65-ого года жил с дефицитом нефти.И надо сказать соломку уже тогда интенсивно стелили:все эти солнечные печи и пр.Что же до постиндустриала,вот недавняя оценка Блумберга:
https://www.bloomberg.com/news/articles/2017-06-15/solar-power-will-kill-coal-sooner-than-you-think

Можно пример и ещё ближе найти - Северная Корея, тоже испытывающая огромный недостаток ископаемого топлива.

Но, во-первых, не находите, что и сталинский СССР и Ким Чен Ировская Северная Корея по сравнению с современным западным миром - именно, что другая цивилизация, с другой социальной структурой, другой экономикой, экономическими отношениями и т.д. Об этом и речь.

А во-вторых как в СССР не будет. Попросту экономика СССР даже в обозначенный период опиралась не столько на ВИЭ, сколько на уголь. Уголь конечно не нефть и газ, менее удобен, но тоже ископаемое углеводородное топливо. Экономика ВИЭ и экономика угля будут экономиками очень разными.

[AlexAV]

Да не наверное будет проще идешевле  невилировать недостатки расселения населения, и приспособить технологии по имеющиеся в наличии источники энергии....да без военных действий в африке два и ла не обойтись - но за все надо платить

В обозначенных условиях этой самой хорошей энергии получается как-то уж совсем уныло мало...

Правда в упор понять не могу как поступать с печным, теплообменным, криогенным оборудованием - ввод в эксплуатацияъю которого из-за низкой инерционности тепловых часов может составлять от часов до недель (домны)

Ну пром производство это не только домны. У какого-нидудь мукомольного комбината, хлебопекарни или даже  металлообрабатывающего завода проблем в этом плане может быть меньше.

Для теплотехнического оборудования решение в этом случае - уменьшение размера, с его уменьшением теплообмен начинает идти куда быстрее. Одно дело домна с загрузкой на 10 тыс. тонн, а другое какая-нибудь электропечь на 10 кг. Лабораторные печи последнего размера никто по много часов не разогревает.

Кстати по физической эффективности второй вариант может быть не так уж значительно хуже первого. Но вот производительность труда конечно улетит вниз на огромную величину...

[AlexAV]

вопрос встает а в каком количестве тогда жили...Если во время Перяславской рады на всем левобережье (то есть примерно 1/6 части плодородной укоаины жило 2 миллиона человек - предположу что в новгородской земле было тыщ 300 не более) ...это то шо виэ может вынести... тут давеча читаю о небывалом урожае в 15 ц/га в одинцовском районе - а интересно скока же было в средневековье - 8? 6?

По переписи 1897 года в современных границах РФ - 67,5 млн. Половина от нынешнего населения. И это при том, что всё что за Уралом тогда было явно недонаселено, т.е. в Южной Сибири, Алтае, Забайкалье и Приморье при том уровне хозяйство могло бы жить куда больше население, чем там жило фактически. Не такой уж огромный разрыв с современным населением получается.

[AlexAV]

А вместе со скоростью теплообмена начинают расти и возникающие напряжения, а потом коррозия, утечки, сокрашаться срок службы...Поэтому тепловые электростанции никто не использует в саневровом редиме (окромя бкзумных братьев с юго-запада)

Само собой оборудование для маломасштабного производства с периодическим циклом должно отличаться от существующего промышленного не только размером. Скажем вместо классической домны (которую вообще непонятно как к такому режиму работы приспособить) - индукционная тигельная печь, которая как раз для таких периодических режимов достаточно хороша, собственно обычно для неё это вообще штатный режим.

высокоемкие энергетические производства стоят в начале производственной цепочки...

Да это понятно. Металлургия и химия - это основа. Поэтому и назвал это всё средневековьем с электричеством.   Т.е. понятно, что всеми этими мало масштабными методам, адаптированными к таким источникам энергии, можно будет выплавить количество металла несравнимо меньшее, чем доступно сегодня, но тем не менее минимум на порядок большее, чем было доступно в историческом средневековье.

Производство кричного железа  - процесс ужасно неэффективный и по сырью и по энергии. Даже не самая удачная электропечь здесь по сравнению с историческим средневековьем даст выигрыш на порядок.

Речь не о сохранение современного индустриального общества, но в тоже время и не о полном возврате к формам исторического средневековья - а о чём то новом, чему полного аналога в истории не было.