Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

А если добываем уран как основной продукт и всё остальное как побочный?

Уран - отдельная история. Уран, в отличие от щелочных металлов, имеет богатейшую химию комплексных соединений. Все попытки построить разумный метод его извлечения строятся на поиске полимера, который связывал бы уран в прочный комплекс с высокой селективностью. Т.е. при извлечение урана будет извлекаться только уран (или, возможно, какой-то ещё d- или f- элемент, образующий с тем же лигандом стабильный комплекс).

Но такой путь по большей части годится только для переходных металлов с богатой химией координационных соединений. А у щелочных металлов хороших лигандов просто нет, а те что есть (вроде краун-эфиров) образуют по сути комплексы с электростатической связью, в которых селективность идёт практически только по ионному радиусу. Здесь даже по паре Na/Li хорошей селективности получить тяжело, а по паре Li/Mg магний в большинстве случаев образует более прочные комплексы с абсолютным большинством лигандов.

Та лазейка, которая позволяет подступиться к урану, для лития отсутствует. Другой это элемент, со совсем иными химическими свойствами.

[AlexAV]

Такие вроде как уже есть. Правда работают они не в морской воде, а в тех же рассолах.

Из того что есть - титановая кислота и оксид марганца.  Но в морской воде их эффективность явно недостаточная. При попытке непосредственно из неё им что-то извлекать по затратам получается что-то абсурдное.

[AlexAV]

Стоимость рапы упадет в 100 раз.

С чего это она упадёт? Прогнать воду через осмотическую мембрану заведомо дороже, чем просто налить её в бассейн. Вы тут просто даже на одном электричестве разоритель.

исследования были свернуты.

Раз свернули - значит ни о каких двух разах там не было и речи. Распространённый случай - заявленная стоимость одна, а если начинают рассматривать аккуратнее получается на порядки больше, а заявленная годится лишь для картинки в презентации.

[AlexAV]

Графеновые ионисторы УЖЕ обогнали свинцовые аккумуляторы  и если прогресс будет продолжаться также как и сейчас - лет через 10-15 обгонят литиевые
А в это время ванги и нострадамусы продолжают гадать по книге Инь-Янь....   

На сколько я понимаю ввиду работы вроде этой: https://arxiv.org/pdf/1311.1548.pdf

Ну да, формально пишут 64.18 Втч/кг и формально не врут. Вот только к реальному устройству это имеет не столь простое отношение, как может показаться. Сравнивать эту цифру с ёмкостью промышленных свинцовых аккумуляторов просто неправильно. Здесь два момента:

1) В этих работах приводится ёмкость рассчитанная на единицу массы активной массы, а не не на грамм массы устройства. В реальном устройстве появляется по мимо неё масса дополнительных элементов, которые интегральную характеристику сильно снижают.
2) Во всех работах, где получаются эти рекордные ёмкости, пользуются тем, что электрохимическое окно в ионных жидкостях "мягкое" и имеет не термодинамическую (как в воде), а кинетическую природу, и сильно завышают напряжение. Т.е., да, в лабораторном тесте с ионной жидкостью можно взять напряжение 3,5 или даже 4 вольта и получить рекордные характеристики для статьи или презентации. Вот только использовать длительное время элемент в этих режимах будет невозможно, т.к. при таких напряжениях деградация ионной жидкости идёт уже с заметной скоростью. Элемент умрёт через несколько дней или недель (кстати количество циклов заряда-разряда здесь несущественно, скорее важнее сколько времени элемент находился в заряженном состояние). А если надо чтобы он служил многие годы - снижайте напряжение до 3В и забывайте о всех этих рекордных цифрах. Что собственно в реальных промышленных изделиях и имеет место быть.

В итого после учёта этого оказывается, что в реальных изделиях, работающих в режимах обеспечивающих их адекватную долговечность, все эти десятки Втч/кг сразу исчезают. И в реальности получается в лучшем случае 10 - 15 Втч/кг. Ссылку на изделия реально выпускаемые промышленностью вам уже дали.

лет через 10-15 обгонят литиевые

Не обгонят, т.к. это физически невозможно, хотя бы просто из предельной плотности ионов ионной жидкости в адсорбционном слое, определяемых их геометрией.

P.S. Даже если не учитывать вышесказанное и предположить, что можно создать ионистр на базе ионной жидкости с ёмкостью достаточной для решения рассматриваемых задач, то даже в этом случае предложение использовать их для решения проблемы с литием - достаточно глупое. Если Вы посмотрите на формулы всех используемых в этой области ионных жидкостей, то обнаружите, что все они содержат фтор. А фтор элемент не менее проблемный, чем литий.

[AlexAV]

Toshiba вдвое увеличит ёмкость литий-ионных аккумуляторов
https://3dnews.ru/959376?from=most-commented-index

Как обычно в статье перепутали ёмкость анода с ёмкостью аккумулятора. Тогда как основная часть массы элемента в целом - не анод, а катод. Рост ёмкости элемента в целом будет никак не в 2 раза, а процентов на 20-30%.

Ну и самое интересное это:

Аккумуляторы нового поколения получат аноды из титан-ниобиевого оксида.

Т.е. цена этого улучшения - переход на более дефицитные материалы в составе аккумуляторов. Ниобий - вообще-то редкое и дефицитное сырью, запасы которого оцениваются всего в 4,3 млн.т. Одно это для широкого применения будет большой проблемой.

[AlexAV]

Когда речь идет про редкоземельные элементы,

Ниобий - не является РЗЭ. Это элемент побочной подгруппы 5-й группы (там же, где тантал) и он именно что редкий, его кларк приблизительно такой же как и у кобальта и галлия (что, мягко говоря, не очень много). Ну плюс не очень удобоваримые химические свойства, затрудняющие перевод его соединений в раствор (в этом плане извлечение его рассеянных форм ещё большая проблема, чем извлечение галлия). Как раз тот случай, когда кончатся месторождения - кончится ниобий, причём кончится совсем.

[AlexAV]

Кларк 18 г/т. В кислых породах выше. Больше чем у свинца.
Он конечно не лантаноид, но как раз редкоземельный.

Ну так свинец из рядовой породы мы и не добываем. А кончатся свинцовые руды - кончится и свинец, также как и ниобий - совсем. Вообще со сходным кларком мы добываем из сырья с низкой концентрацией только галлий. Причём с галлием нам в определённой степени повезло, что он накапливается в отходах производства алюминия. И даже несмотря на это данный материал страшный дефицит, а его использование в какой-то технологии в весомых количествах сразу ставит на этой технологии крест (ну в микроэлектронике ещё используют, но там количества микроскопические совсем, но вот даже для солнечных элементов его применение ограниченно именно в связи с дефицитом).

С ниобием будет ещё хуже - в отходах производства массовых элементов (алюминия, железа и магния) его нет. А возится с рядовой породой ради ниобия - экономический абсурд, по той цене по который он получится он попросту никому не будет нужен.

Вообще все элементы (кроме нескольких, содержащихся в заметных концентрациях в морской воде и атмосферных газов) с кларком ниже марганца нужно считать редкими. В том смысле, что кончатся руды - кончатся и они. Это сырьё ничуть не в меньшей степени ограниченное и неисчерпаемое, чем нефть.

По большей части в долгосрочной перспективе даже с титаном и марганцем всё не так чтобы было хорошо (извлекать их из сырья вроде подмосковного суглинка технически возможно... но цены сильно не порадуют, они порядка на 2 будут выше современных).

В нелимитированных количествах  можно считать доступными только кремний, алюминий, кальций, железо, натрий, калий, кислород, водород, углерод, атмосферные газы, хлор, сера. Пожалуй и всё. В ограниченных (но всё же не совсем ничтожных и не по совсем абсурдной цене) - титан, марганец, фосфор, бром. Если для технологии критически важно что-то помимо этого списка в существенных количествах - такую технологию возобновляемой считать нельзя.

PS Вот кобальт редким элементом назвать ну никак нельзя.

Редкий и с очень небольшими запасами. Нередкие - это породообразующие (кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий, натрий).

[AlexAV]

AlexAV, вроде бы как рядом с ванадием ниобия должно быть много. Понимаю, ванадий не слишком востребованный.

Ванадий сам по себе дефицит. Запасы в 14 млн. тонн мягко говоря особого оптимизма не внушают. Причём цены на него уже сейчас совсем не низкие.

[AlexAV]

Нет, ну про титан и марганец вы однозначно загнули. Особенно про титан.

Не совсем. Здесь просто нужно понимать, что в долгосрочной перспективе неважно лежит ли в месторождениях миллион тонн или миллиард. В любом случае они будут исчерпаны на историческом масштабе времени.

А в долгосрочной перспективе все элементы придётся извлекать из сырья с содержанием близким к кларковому, попросту из породы вроде подмосковного суглинка. Способы извлечения из такого сырья железа и алюминия понятны. Но уже даже с марганцем и титаном всё не столь очевидно. Т.е.  для того же титана способ его извлечения из бедного сырья кроме хлорирующего обжига как-то и предложить сложно. Но даже при содержание 0,5% (типичных для титана) заниматься этим будет только ради титана страшно дорого (по современным меркам). Разве что получать как побочный продукт к алюминию при условие извлечения последнего в тот-процессе (но тогда количество доступного титана будет лимитироваться потребностью в алюминии). Ну или тяжёлую фракцию песков сепарировать (в этом случае правда неограниченность ресурсов уже не столь очевидна). С марганцем так же, возможно как побочный продукт при производстве железа, но опять же в ограниченных количествах.

Т.е. в этом смысле граница редкие/нередкие проходит по тому можно ли ути элементы со сколько-нибудь приемлемыми затратами извлечь из условного подмосковного суглинка и морской воды. Железо, алюминий, магний - точной можно (т.е. не редкие). Никель, медь, цинк, олово, свинец - скорее всего нет (т.е. редкие). Титан и марганец - некий промежуточный случай, вроде и можно, но явно или как побочный продукт (как следствие в ограниченных количествах) или весьма дорого (но ещё не совсем абсурдно).

[AlexAV]

Разделение лития и магния очень простое - сульфат и карбонат магния практически нерастворимы.

Вообще-то сульфат магния прекрасно растворим, а карбонат лития (как и карбонат магния) растворимы слабо. Таким методом они друг от друга не отделяются.

[AlexAV]

Алекс, мой вам совет - маленько погуглите как добывают соль упариванием морского брина, очень уж нелепо выглядите в глазах профессионалов.
Для начала - при упаривании первыми выпадают карбонаты и сульфаты, потом средние соли, и лишь потом поваренная.

Нет, вы что-то перепутали. Порядок выпадения следующий:
1) Карбонат кальция
2) Сульфат кальция
3) Хлорид натрия
4) Сульфат магния
5) Карналит, бишофит

Соли магния и калия выпадают позже поваренной соли (раньше только карбонат кальция и гипс), при получение соли они остаются в растворе.

[AlexAV]

Нет, вы ошибаетесь

Не знаю откуда вы эту таблицу взяли, но в справочнике Р.А. Рабинович, З.Я. Хавин "Краткий химический справочник" растворимость сульфата магния дана 25,5 г/100г воды при 0 градусов и 37,4 г/100 г воды при 25 градусах, это вообще-то почти столько же, сколько у хлорида натрия. Очень сомнительно, что это можно назвать слабой растворимостью.

Ну или в химической энциклопедии посмотрите: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2395.html

Очень рекомендую Вам пользоваться нормальной литературой, а не разными ОБС.

[AlexAV]

Не знаю откуда вы эту таблицу взяли,

Прошу прощения, за то что незаслуженно начал критиковать таблицу (но не Вас), просто, мелко, не заметил. В таблице всё нормально, в клеточке сульфата магния булавочка Р - как и должно быть. Вы просто перепутали сульфат магния с сульфитом. Это разные соединения. Сульфит магния (0,3 г/100г) действительно относительно малорастворим, но никак не сульфат.

[AlexAV]

эту процедуру нужно повторить 2-3 раза

Никто её 2-3 раза не повторяет. Весь магний остаётся в растворе и садочную соль просто промывает небольшим колличеством морской воды для удаления остатков раствора (и то не всегда, в большинстве случаев 98%-99% продукта достаточно, а это не требует дополнительных операций).

Собственно краткое описание технологии из Позина М.Е. "Технология минеральных солей"

[AlexAV]

PS Титана в земной коре просто дохрена

Совершенно верно. Но вот толку с большей части этого "дохрена". Вот перед Вам лежит тонна суглинка, содержащая в том числе 5 кг титана. И это действительно совсем не мало. А теперь самое интересное - дайте хоть какие-то разумные предложения, как отделить эти 5 кг от оставшейся тонны. При таких концентрациях только методы гидрометаллургии хорошо работают, а тут проблема - титан в раствор перевести практически нереально. Тут кроме хлорирующего обжига - процедуры дорогой и очень энергоёмкой с гигантским в этом случае расходом кокса (алюминий и железо тоже хлорироваться будут) что-то и предложить сложно. Если алюминий и железо будут целевыми продуктами - ещё нечего, а заниматься этим только ради титана...

а у марганца отличная гидрохимия. Прекрасно выщелачивается при восстановительной среде, в двухвалентном состоянии.

Действительно. Равно как и железо, которого намного больше, чем марганца (а восстанавливаются и переходят в растворимую форму они приблизительно в одних и тех же условиях). И на восстановление и растворение железа пойдёт большая часть реактивов (железа намного больше, чем марганца). Если железо будет само по себе ценным конечным продуктом (а марганец побочным) - тогда ещё ничего, а если извлекать только марганец, а железо будет - отходом, то картина сразу станет очень унылой.

P.S. Собственно поэтому и надо полагать, что титан и марганец занимают здесь промежуточное положение между безусловно исчерпаемым сырьём и неограниченным. Из рядовой породы их извлечь ещё технологически можно, но затраты в этом случае уже начинают переходить в не комфортную область и без совместного извлечения чего-то более распространённого в земной породе (т.е. железа и алюминия) уже не очевидна экономическая осмысленность такой деятельности. Но в случае совместной добычи их доступность будет лимитирова спросом на основной материал (причём с учётом доли его добычи, ведущейся методами, позволяющими извлекать марганец и титан как побочный продукт, это будут позволять не все методы).

[AlexAV]

0.0566 евро за квтч (с гарантированной скупкой всей выработки на 20 лет) - такие сделки заключаются сейчас. и это Германия где освещенность намного ниже чем в штатах. так что недоверие цифре 6 американских центов за квтч LCOE в США непонятно, в Америке-то инсоляция всяко выше, и это не какое-то высосанное из пальца расчётное значение, а конкретные бабки на которые живые люди подписываются, рискуя своим баблом (и надеясь получить прибыль).

Скорее всего цифра просто включает какие-то субсидии. Вот скажем новая (2017) станция в Нидерландах - Sunport Delfzijl plant (не Германия, но рядом, маловероятно что в Германии стоимость будет существенно отличаться). Стоимость 40 млн. евро, номинальная мощность 30 МВт (http://www.pveurope.eu/News/Markets-Money/Netherlands-pushes-solar-with-ambitious-national-energy-plan). Итого  1333 евро/кВт мощности. При цене энергии 0.0566 евро за квтч такая станция за 20 лет не окупится и при нулевой ставке. Если конечно не будет получать деньге не только за выработанную энергию, но и ещё по какому-то каналу (какую-нибудь плату за зелёность, что видимо и имеет место быть).

[AlexAV]

Нет, ничего она больше не включает.

Скорее просто не пишут, но включают, иначе баланс не сходится. Стоимость СЭС пущенных в 2017 в ЕС отличаться сильно не может. Для тех для которых можно найти полную стоимость проекта эта стоимость такова, что при заявленной цене (если нет иных каналов получения средств) они неспособны окупится в принципе. Элементарная логика говорит, что значит этот дополнительный канал не связанный собственно с реализацией энергии есть.

Ну не получается для СЭС номинальной мощностью 30 МВт и стоимостью 40 млн. евро такие цены, просто по законам арифметики.

Максимальная цена за самые дорогие ячейки - 34 цента за ватт, модули - 42 цента http://pv.energytrend.com/pricequotes.html

СЭС не из одних модулей состоит. Берите стоимость реальных проектов.

P.S. При этом конечно нужно помнить, что стоимость полученная при условие гарантированного выкупа и без стоимости мер по компенсации "пилы" генерации не имеет никакого отношения к истинной стоимости энергии для системы. Просто эти издержки неявно перекладываются на всех прочих.

[AlexAV]

Колонки в данных - солнце, ветер, совокупное потребление.

Таблица в файле соответствует каким значениям номинальной мощности ветра и солнца в системе?

[AlexAV]

Но до 70 ГВт солнца и 160 ветра можно ставить не сомневаясь - это позволит увеличить долю ВИЭ, включая гидро и биомассу, до 70% - а потом наращивать установки того и или другого в зависимости от ситуации с накоплением. Если накопление поперло - ставить ветер, нет и ясно что и не попрет - солнце. Соответственно результат будет 95-100% или 80% ВИЭ.

Ну вот Вы и пришли к тому, о чём Вам уже давно говорили. Максимальный осмысленный предел установленной мощности СЭС в энергосистеме не может превышать высоту дневного пика потребления, т.е. тех самых приблизительно 70 ГВт в этом случае. Доля генерации Солнца в этом случае будет не очень большой. В Вашей смеси 70 ГВт Солнца и 160 ГВт ветра будет тотально доминировать ветер.

Ну и к чему в этом миксе все эти рассуждения о солнечных батареях? Здесь цена будет почти полностью определяться экономикой ВЭС. А если речь о ВЭС, то Вы здесь забыли об одном гигантском овраге, сразу портящем все эти бумажные построения. Эффективность ВЭС пропорциональна кубу скорости ветра. Изменение среднегодовой скорости ветра в 2 раза меняет выработку энергии у ВЭС в 8 раз. Т.е. в хорошем регионе ВЭС может быть весьма выгодна, а в плохом абсолютно бесполезна. При этом учитывайте, что плотность размещения ВЭС на территории не может превосходить 200 площадей ротора на одну установку (иначе будет снижаться среднегодовая скорость ветра). Для установки номинальной мощностью в 6 МВт диаметр ротора около 127 метров, т.е. средняя площадь на один генератор не менее 2.5 км2. Площадь двух провинций Германии с хорошей ветровой обстановкой:
Шлезвиг-Гольштейн - 15 799,25 км²
Мекленбург - 23190 км2.

И туда более 94 ГВт просто не влезет. Придётся размещать на территориях, где и ветра то толком нет. Т.е. эффективность ветроэнергетики при росте масштаба будет быстро падать просто за счёт того, что хорошие места будут заканчиваться, а в плохих эффективность установки будет становиться катастрофически ниже (куб скорости ветра, однако). Для 160 ГВт она будет намного ниже чем сейчас (т.к. попросту придётся ставить ВЭС, где их никто сегодня в здравом уме не поставит , хорошие уже закончатся).

P.S. Вообще ветер и солнце - очень разные источники энергии. Ветер в частности на самом деле сильно не безлимитный. Нарисовать сколько угодно ГВт его установленной мощности нельзя.

[AlexAV]

ончатся на земле участки - будут офшорные ставить (и там всё намного лучше будет из-за большей равномерности), ресурс практически неисчерпаем.

Это не так. Вопрос неплохо разобран в этой работе: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421511004836

Верхний технический лимит ветрогенерации на планете получается 1 ТВт (среднегодовой мощности). Не сказать, что совсем мало, но величина вовсе не безразмерная.

Umweltbundesamt - немецкий аналог EPA - с Вами не согласен, они насчитали 1200 ГВт, способных давать 2900 ТВтч/г при полном потреблении 500-520 ТВтч/г. http://www.umweltbundesamt.de/publikationen/potenzial-windenergie-an-land

А Вы не со мной спорите. Есть в целом неплохая работа: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23019353 . Приведённые там величины лимитов имеют слабое отношение к понятию технических ресурсов (ну никто и никогда не будет покрывать Гренландию и побережье северного ледовитого океана плотным ковром ветряков:), а при расчёте ветер этих территорий учтён как ресурс и т. д., исключается только Антарктида). Физические - возможно, но не технические. Но сама модель сомнения не вызывает. Самое полезный результат из неё - предел плотности ветряков в регионе при которой они начинают влиять на региональную скорость ветра. И этот предел составляет около 200D^2 (D - диаметр ротора, в моём прежнем сообщение была ошибка (не было возможности посмотреть в статью, а память вещь такая...), не 200 площадей ротора, а 200 квадратов диаметра). А этот вывод уже позволяет делать оценки реальных технически доступных ресурсов ветроэнергии.

Есть сомнения в верности этого вывода? Если нет, то предельное количество ветряков на территории, при котором они ещё не будут мешать друг другу оценить достаточно просто.