Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

падение на 22.5% на каждое удвоение объёмов

Снижение стоимости за счёт эффекта масштаба всегда имеет ассимптотический вид. И степенная зависимость (а то что Вы описали - степенная) кривую в целом описывать не может. Затраты просто приходят к некоторому физическому минимуму, обусловленному затратой ресурсов на каждую единицу продукции, и дальнейший рост масштаба на себестоимость влиять перестаёт.

По кремневым солнечным батареям масштаб и сейчас большой, скорее всего они уже близки к этому пределу.

Энергетическая окупаемость солнечных панелей в современных условиях 1-2 месяца, там совсем не о чем говорить - потребление энергии на их производство это исчезающе малые копейки.

По этому вопросу есть следующее исследование:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421516301379#s0095

где авторы проанализировали прямые и косвенные издержки на производство солнечной энергии в Швейцарии и Германии. Вывод - EROEI солнечной энергетики равен 0,82, т.е. она вообще не окупается:

The calculated value for ERoEI is dimensionless, constituting the energy return (2203 kW he/m2) divided by the energy invested (2664 kW he/m2) – a ratio of 0.82. It is estimated that these numbers could have an error of ±15%, so that, despite a string of optimistic choices resulting in low values of energy investments, the ERoEI is significantly below 1. In other words, an electrical supply system based on today’s PV technologies cannot be termed an energy source, but rather a non-sustainable energy sink or a non-sustainable NET ENERGY LOSS. The methodology recommended by the expert working group of the IEA appears to yield EROI levels which lie between 5 and 6, (see Section 4.1), but which are really not meaningful for determining the efficiency, sustainability and affordability of an energy source.

Понятно, что есть и более солнечные места, где СЭС даст EROEI на уровне 1-2, но всё равно получается не много.

И, кстати, обратите внимание, что исследование 2016 года, а не 70-х.  

[AlexAV]

нергетический PBP всей системы - 1 год в Южной Европе (видимо имеется в виду что-то типа Италии, врядли Кипр), стало быть в Германии - примерно 1.5

По какой методике при подсчёте этой цифры учитывались цепочки косвенных затрат? При расчёте EROEI это самое интересное.

[AlexAV]

До физического минимума ещё далеко - затраты кремния на панели могут уменьшиться ещё во много раз.

У аморфного и кристаллического кремния? Они и так близки к пределу физического совершенства. КПД там уже практически не растёт. Толщина слоя полупроводника близка к физическому пределу и уже не уменьшается. Видите какой-то прогресс с 2013 года?



Я что-то не очень. Зато чётко видна асимптота. Производство там и так предельно автоматизировано. За счёт чего им сильно дешеветь?

[AlexAV]

Тренды переменятся гораздо раньше.

Ну собственно кое-какой фактический матриал, позволяющий прогнозировать развитие солнечной энергетики уже есть. В этом плане довольно интересно посмотреть динамику её развития в странах южной Европы. Природные условия для солнечной энергетики там довольно хорошие, а развитие началось достаточно рано, так что уже есть какая-то статистика. Посмотрим на четыре страны: Испания, Италия, Болгария и Греция.

Изменение доли солнечной генереции в их электробалансе показано на графике:



Что видно. Во всех четырёх случаях совершенно одинаковая картина - быстрый старт, когда солнечная генерация увеличивалась на десятки процентов в год. Достижение солнечной генерацией доли в 5%-8% и резкое торможение после этого по сути с выходом на ассимптоту. Типичная в сущности S-кривая. Доля в электробалансе на уровне 5%-8% для солнечной генерации оказался "стеклянным потолком", выше которого её рост оказался невозможен. Физические причины этого совершенно очевидны. Приблизительно с этого уровня нестабильность солнечной генерации превращается в существенную проблему для сетей, и дальнейшее наращивание этой доли ведёт к резкому росту издержек системы в целом.

Нет никаких оснований считать, что в Китае будет что-то иначе. Соответственно своего потолка в солнечной генерации он достигнет при уровне производства 300 - 500 ТВтч. А далее скорее произойдёт так же, как в вышеперечисленных странах.

[AlexAV]

Обсуждать серьёзно посты на афтершоке тут - это всё равно обсуждать российскую политику по статьям на "кавказ-центре".

Почему нельзя? Определённая идеологическая направленность там есть, но она есть и у ресурсов вроде https://www.greentechmedia.com, на которые даёте ссылки Вы. Хорошие материалы там время от времени встречаются и делать на них ссылки здесь, как и обсуждать, можно и нужно.

[AlexAV]

Если нет эл-ва то я выступаю за проточный редокс
http://en.bigpawer.com/productdetail.php?id=1233

Проточный редокс - системы интересные, но вот та на которую дана ссылка построена на солях ванадия. А ванадий очень редкое и дефицитное сырью. Собственно поэтому данная система и имеет ограниченную область применения. Теоретически система такого типа может быть построена и на других компонентах, в том числе и дешёвых и бездефицитных (вроде брома и серы), но с практической реализацией в этом случае пока есть существенные сложности (прежде всего связанные с обеспечением достаточной селективности разделяющей мембраны).

[AlexAV]

Вы совершенно правы:цинк-бромидный редокс.И это уже коммерческий продукт.

У цинк-бромного, как и у всех цинковых проблемы с образованием дентритов на металлическом цинке и, как следствие, с долговечностью системы (детриты имеют неприятную тенденцию прарастать через мембрану, прокалывая её). Вообще характер осаждений цинка на цинковом аноде имеет весьма неудобный характер из-за чего все цинковые элементы, начиная от серебряно-цинковых аккумуляторов и кончая цинк-бромным редоксом получили лишь весьма ограниченное применение. Хороший был бы анод, но вот это свойство всё портит. Данная система известна (и имеет ограниченное коммерческое применение) уже как минимум лет 30. Но указанная проблема мешает её более широкому применению. Не то это.

У редокса много плюсов,есть,конечно и минусы.Но только с его помощью можно подойти к решению проблемы аккумуляции для целых стран.Несколько месяцев назад вы двавли пример Дании.,думаю и ее можно победить залив электролитом несколько гипсовых шахт.

При условие подбора не диффицитных компонент (причём для того объёма аккумуляции который здесь нужен даже цинк, марганец и хром надо считать дефицитными ), т.е. железа, серы, брома, возможно некоторой органики вроде хинолов и некоторой другой... да собственно не дефицитные, из которых хоть что-то потенциальном можно сделать, на этом не богатом списке и закончились...Ну и решения ряда технических проблем (прежде всего связанных с разделительной мембраной), чего пока нет.

[AlexAV]

а для кобальта есть замена.

Для высокоёмких аккумуляторов нет.

Учитывая сколько этого лития есть в запасах

Нет, не временная. При получение из рассолов себестоимость приблизительно пропорциональна концентрации. При текущей цене рентабельно добывать из рассолов с концентрацией приблизительно 0,1%. Концентрация же в морской воде в 5000 раз меньше. В действительности всё ещё хуже. Помимо концентрации лития важено соотношение концентраций магния и лития. Если оно выше 10-20 то добыча сильно осложняется. Для морской воды оно 7000, что вообще за гранью всего разумного.

Если цена на литий минимум в 10000 раз выше текущей устроит - тогда действительно данную проблему можно считать временной. Вот только кажется аккумуляторы с использованием такого лития не будут нужны никому от слова совсем.

[AlexAV]

Торф невозобновляемый - подмосковные торфяные пласты накапливались несколько тысяч лет, со времён последнего оледенения.

Торфяник всё же образуется за время исторического масштаба, т.е. несколько столетий, а не геологического. Поэтому его скорее правильнее считать условно-возобновляемым ресурсом. Т.е. при условие проведения болото-восстановительной деятельности и умеренных объёмов добычи его можно использовать как возобновляемый ресурс неограниченно долго.

Вообще скорость накопления торфа на торфяниках оказывается на удивление большой и в целом соизмерима с продуктивностью других видов биоэнергетики. Скажем в этой работе (http://ecology.basnet.by/jornal/priroda19/%D0%E0%EA%EE%E2%E8%F7.pdf) для сфагнумовых болот Беларусси даётся скорость накопления как 58 грамм органического углерода/м2 в год. С учётом, что в торфе содержится 57% углерода, то это соответствует накоплению 10,2 ц торфа с гектара торфяника. Или по энергии 0,57 т.н.э./га (5400 ккал/кг торфа). Не так уж и мало. С учётом, что сфагнумовое болото не требует удобрений, данный ресурс вполне может представлять интерес как возобновляемый источник углеводородного сырья.

Единственно полный цикл добычи и восстановления в этом случае получается каким-то безумно длинным, несколько столетий. Для того чтобы так вести хозяйство потребуется какое-то другое общество, другая экономика и другая цивилизация.

[AlexAV]

Комментарий модератора раздела

Удалил личную перепалку.

[AlexAV]

А еще и впадины, хоть впадина Каттара. Где возможно (и даже полезно для других проектов) испарение морской воды с образованием рапы.

На самом деле не так уж и много. Несколько десятков тысяч тонн так добывать наверно получится, на смартфоны с ноутбуками хватит (но даже для этого придётся построит испарителей площадью с каспийское море). А для большой энергетики с массовыми электромобилями уже не очень.

А так запасы лития (при условии его цены на порядок больше современных) можно считать квазибесконечными.

Тут одно из двух. Или у нас потребности не превышают несколько десятков тысяч тонн (но тогда никаких массовых электромобилей). Или там будет уже далеко не один порядок к стоимости, а на намного больше.

[AlexAV]

Я про обычные месторождения, там хватит на всю энергетику и ещё останется.

Очень не на долго. При массовой электромобилизации уже через несколько десятилетий проблема истощения запасов встанет в полный рост.

А если из Морской воды будут литий добывать, то думаю одновременно со всеми остальными полезными ништяками.

Из морской воды для лития есть только один разумный путь - упаривание морской воды до выпадения солей натрия, калия и магния, а дальше извлечение из остаточной рапы (есть попытки извлекать напрямую сорбцией на титановой кислоте (кажется вообще единственный абсорбент в природе, который способен селективно связывать литий), но там затраты получаются совершенно абсурдные). Только даже в этом случае делать это ради одного только лития занятие сомнительное. Скорее всего будет хоть какой-то смысл вести добычу лишь совместно с добычей соли, или, возможно, магния и калия.

В этом случае ситуация получится как сейчас с галлием (добываемым совместно с алюминием). Цена вроде и умеренная, но добыча совершенно не масштабируется и привязана к спросу на основной продукт. В случае лития из морской воды скорее всего к соли. Есть потребность в 200 млн. т. соли (при условие, что всю её будут добывать из морской воды)? Ну вот и получается из отходов производства 1100 тонн лития в пересчёте на металл. По разумной цене, но с жестким лимитом на количество. А нужно чуть больше - сразу такой скачок цен, что уже и желания использовать литий не будет. .

Из морской воды упариванием как основной компонент можно потенциально добывать соль, магний, калий, серу. А всё остальное в этом случае будет как побочный из отходов производства основного в весьма не впечатляющих по современным меркам количествах.

[AlexAV]

Ну а автомобильные, а тем более промышленные аккумуляторы, никто выбрасывать не будет.

У нас есть реальный пример - свинец. Процент возврата для вторичного использования (даже с учётом всех жёстких природоохранных мер, стимулирующих его вторичное использование) около 70%. Т.е. 30% при каждом цикле использования теряется. И из промышленных металлов это почти рекорд, возврат большинства прочих для вторичного использования намного меньше. Не думаю, что с литием ситуация будет сильно лучше.

[AlexAV]

Цитировать

    Среди редких щелочных металлов Li является наиболее рудогенным и образует различные типы собственных и комплексных месторождений. Мировой металлогенический потенциал Li оценен примерно в 250 млн т.

http://fccland.ru/ekologicheskaya-geohimiya-elementov/1453-mestorozhdeniya-litiya.html

Ну это же ресурсы, а не извлекаемые запасы. Из них лишь часть удастся извлечь с приемлемыми затратами. Хотя конечно если цена на литий раз в 100 будет выше, возможно и достаточно заметную. Но главное не это. Куда важнее, что эта цифра не такая большая, как может показаться. Разделите её на количество жителей планеты и получится 35 кг оксида лития на человека. Хватит всего на 3-4 электромобиля. Проблемы с литием при массовой электромобилизации возникнут буквально при жизни одного поколения.

Правда проблемы с кобальтом и никелем в любом случае возникнут раньше, чем с литием.

[AlexAV]

итого примерно 9,4 миллиарда электроавто на 100 квтч батарейках.

На 7 млрд. населения, о чём собственно и речь (я правда брал при оценке аккумуляторы более скромной ёмкости, но это не существенно). Соотношение ресурсов (даже не запасов) к населению сразу говорит, что здесь есть серьёзная проблема.

[AlexAV]

Хотите по топовой Тесле на каждого старика, ребёнка и голого негра?

Каждый ребёнок станет взрослым, а за место кажого старика появится ребёнок, который вырастет. Ну и кроме того срок службы автомобиля существенно меньше срока жизни одного человека. За жизнь один человек их штук пять, ато и больше, может сменить. Даже если при рециклинге будет возвращаться 70% лития (на самом деле нет практически ни одного примера промышленного металла, когда удавалось возвращать больше), то весь этот литий будет полностью исчерпан за время жизни одного или двух поколений. Это очень не много, электромобильная эра просуществует меньше нефтяной.

[AlexAV]

У джапов даже с редкоземельными рециклинг за 90%.

А рядом с джапами будет ещё какая-нибудь Нигерия, где рециклинг будет 0. А в среднем по планете получится что-то промежуточное, но с заметной долей потерь. Жёсткий ордунг на всей планете вещь абсолютно утопическая, социальная энтропия была и будет всегда. И это надо учитывать.

[AlexAV]

А это решается очень просто, цена ресурса растёт, и те кто не рециклят ресурс просто сидят без него так как на использование денег нет, всё на экспорт

Так бы работало если бы каждое отдельное государство окружило себя железным занавесом и жило бы в режиме чучхе. А в условиях открытого рынка с учётом социального расстояния будет иначе.

В той же условной "Нигерии" обязательно будет богатый слой (пусть и не очень большой), платёжеспособность которого будет значительно превышать платёжеспособность среднего класса условной "Японии". И они будут покупать технику сколько бы она ни стоила (а в условиях открытого рынка им естественно её будет продавать, т.к. это будет локально выгодно).  А по этому каналу элементы будут вымываться из обращения. И этот механизм будет работать до тех пор пока даже "нигерийский" олигарх купить этот электромобиль не сможет, т.к. он стоит как полёт на Луну. К тому моменту естественно данная техника как что-то массовое давно уже прекратит существование.

[AlexAV]

Например перфорен на основне графена не только многократно удешевит опреснение морской воды, но и разделение рапы

Толку с этих графеновых мембран для отделения лития из морской воды.  У них же почти нулевая селективность по паре ионов Li/Na. Да и проницаемость ничтожная. Не годится здесь это.

[AlexAV]

Площади Сахары, Аравии и т.д. просто огромны. Да, впадин, ниже уровня океана, куда морская вода текла бы сама, конечно не очень много.

Можно высказать определённые сомнения в экономической целесообразности подобной деятельности.

Извлечение лития в этом случае должно включать следующие этапы. Доставка морской воды до бассейнов-испарителей, естественное упаривание её там до выпадения основной части солей, извлечение выпавших солей и их утилизация (при большом объёме соль будет отходом, который не то что невозможно будет продать с выгодой, а наоборот,на утилизацию которого придётся нести затраты), переработка остаточной рапы. Первые три стадии в точности повторяют технологию извлечения соли из морской воды. При этом, учитывая, что при добыче таким способом 1 кг карбоната лития нужно будет переработать 1100 м3 морской воды и образуется 38 тонн соли в виде отходов, очевидно, что затраты на получения этого 1 кг будут не ниже стоимости 38 тонн соли, извлечённой из морской воды таким же способом. Стоимость соли, полученной естественным упариванием морской воды известна, это 90 $/т (https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/salt/mcs-2017-salt.pdf). Уже отсюда следует, что стоимость такого карбоната лития, в том случае если он будет основным целевым продуктом (а соль только отходом), будет не ниже 3420 $/кг. Опять же эта оценка относится к тому случаю, когда бассейны-испарители будут рядом с морем, а не в сотнях километров от него (т.к. никто сейчас для извлечения соли из рассола его на сотни километров не транспортирует). Если бассейны будут удалены в глубинные районы Сахары цифра естественно будет значительно больше.

Однако уже при цене карбоната лития 500$/кг ни о каких массовых электромобилях и аккумуляторах в большой энергетике уже не может быть и речи, будет слишком дорого. Т.е. очевидно упаривать морскую воду только ради лития будет бессмысленно даже если бассейны-испарители будут на побережье. Если же в удаление от него - то это становится совсем абсурдом. Т.е. данный путь имеет смысл если мы извлекаем из морской воды соль (хлорид натрия) как конечный целевой продукт (и именно её стоимость окупает всю эту деятельность), а литий лишь только как побочный. Но в этом случае производство лития будет жёстко ограниченно спросом на соль, а он не безграничный. При производстве соли 210 млн. тонн это даст не более 5500 тонн сравнительно дешёвого карбоната лития как побочного продукта. В этом случае литий будет дефицитным даже для производства аккумуляторов для смартфонов, а об электромобилях не может быть и речи.

Т.е. получается два варианта.
1) Литий - как побочный продукт, дёшево, но очень мало. Ни на какие электромобили не хватит.
2) Литий как основной продукт - абсурдно дорого и электромобили с таким литием будут никому не нужны.

Оба случая дают один и тот же итог. На мобильную электронику наскрести его из морской воды может быть и можно, но для чего-то более масштабного уже не очень. Не потребуется застраивать бассейнами сахару, т.к. для удовлетворения спроса на соль хватит побережья (а лития при этом уж сколько получится, тому и радоваться будут), а извлечение лития как основного продукта будет экономически бессмысленно.