Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

научитесть копать поглубже.

Ну здесь есть предел определяемый давлением пород и прочностью пород и материалов. Самое же главное  - что в долгосрочной перспективе это ничего не решает. Не существенно как велики начальные запасы, а важны лишь геохимические потоки, обеспечивающие их возобновление. Что в конечном счёте определяется скоростью работы глобального магматического конвейера плитной тектоники планеты Земля.

[AlexAV]

50-100 тыс.лет при ЗЯТЦ

Если брать объёмы не более естественных геохимических потоков - хватит практически на вечно (несколько миллиардов лет, а далее уже не интересно ). Причём то количество, которое в этом случае будет доступно (несколько тысяч тонн в год) теоретически хватает на покрытие почти всех современных энергетических нужд человечества (естественно при использование полноценного ЗЯТЦ). Вообще актиноиды - удивительный по своей ценности подарок природы человечеству. 

Проблему редких элементов это правда не решит (хотя... ОЯТ ведь тоже могут быть источником редких элементов... но тут надо оценивать объёмы).

[AlexAV]

Бросьте.Никакие законы природы не запрещают вам расширятся горизонтально.

Но ведь в нашей галактике за миллиарды лет никто не расширился. В противном случае можно повторить классический вопрос Ферми: И где же они?

А этот факт сам по себе ставит под вопрос принципиальную возможность такого расширения.

[AlexAV]

А куда оно все исчезнет?

Рассеется в среде. В цикле производство- потребление- рециклинг всегда есть потери. Стружка, пыль, пары, отработанные растворы с содержанием извлечение из которых экономически не целесообразно, просто утраченные без переработки изделия. Практически ни по одному элементу рециклинг сейчас не превышает 70%.

[AlexAV]

Дык оно оттуда потом и возьмется.

В концентрациях близких к кларковым. Большинство элементов при таких концентрациях технически практически неизвлекаемы.

Скажем, предложите хотя бы один разумный способ извлечения скажем индия из подмосковного суглинка.

Все элементы с кларками ниже марганца нужно считать технически неизвлекаемыми из рядовой породы .

А имея в стратегической перспективе безграничные и дешевые ВИЭ можно все это добывать из океана.

Нельзя. Во-первых там далеко не всё есть. Но главное - затраты на абсолютное большинство совершенно абсурдные. Ещё хуже, что для производства энергии вам будут нужны редкие элементы, а для производства редких элементов из такого сырья будет тратиться энергия большая, чем можно получить энергии используя их - т.е. классическую ситуацию энергетического банкротства.

Проблем с сырьем нет, кремния в космосе навалом.

Проблемы есть. Для солнечных элементов нужен не только кремний.

[AlexAV]

Но в глобальном плане у нас есть и энергия и ресурсы.

Только в точности наоборот. Нет ни того и ни другого.

Возобновляемая энергия или ограничена в объёме (как ГЭС) или дорогая. А непородообразующие элементы из рядовой породы вроде подмосковного суглинка технически не извлекаемы.

[AlexAV]

Сколько это, кстати? Я прикидывал "топорно" - если сейчас 4 млрд тонн в воде, стало быть за год прибавка 1 тонну

Нет, не совсем так. Геохимическое время прибывание урана в морской воде 300 тыс. лет (после чего он осаждается в донных осадках). Соответственно ежегодное пополнение континентальным стоком около 13 тыс.т. Это и есть верхний лимит того колличества, которое из морской воды можно извлекать условно-вечно (в реальности в 2-3 раза меньше конечно, но где-то на 5000 тонн вероятно рассчитывать можно).

[AlexAV]

где-то триллион тонн урана можно добыть из пород морского дна?

Породы морского дна постоянно уходят в мантию через зоны субдукции, замыкая цикл (большинство элементов на Земле описывает цикл: вымываются из магматических горных пород на материках - смываются в океан - захороняются на дне - погружается в зонах субдукции в мантию - снова выплавляется в виде магматических горных пород, темпы возобновления здесь определяются именно работай этого глобального конвейера).

Ну и добыть из этих пород тоже ничего не получится. По той причине, что содержание урана в этих породах очень мало и не слишком превышает его содержание в подмосковном суглинке.

P.S. Общее количество урана в литосфере планеты около 10¹⁴ тонн. Т.е. при его извлечение в объёме отмеченных 5000 тонн его убыль в литосфере из-за антропогенной деятельности будет меньше, чем в результате естественного радиоактивного распада. Т.е. данная деятельность не сильно скажется на этот глобальный конвейер.

[AlexAV]

Интересно, а когда накроется этот глобальный конвейер?!

Когда из-за ослабления конвекции в мантии и увеличения толщины коры прекратится плитная тектоника. Но это произойдёт очень не скоро, через несколько миллиардов лет. Пока об этом можно не беспокоиться.

[AlexAV]

А если использовать комплексное извлечение, а в качестве базовых добываемых элементов будут уран, торий?

Не уверен что эта деятельность будет иметь экономический и энергетический смысл,  и ещё менее - в том, что этим вообще будет кто-то заниматься.

Но главное не это. Куда существеннее, что это вообще не решит никаких проблем. Просто по той причине, что потребность в актиноидах и прочих редких элементах будет не сопоставимы.

Вот давайте посмотрим. В осадочных породах в среднем содержится 11 грамм тория и 3,2 грамма урана на тонну породы. Т.е. в сумме актиноидов получается 14,2 г на тонну. Теперь посмотрим количество некоторых критически важных для промышленности металлов там же:

хром - 100 г/т
никель - 95 г/т
медь - 57 г/т
цинк - 80 г/т
олово - 10г/т
вольфрам - 2г/т

Т.е. получая 1т актиноидов попутно будет получаться 7 т хрома, 6,7 т никеля, 4 тонны меди, 5,6 т цинка, 0,7 тонн олова и 0,14 тонн вольфрама. Сколько будет нужно актиноидов, чтобы покрыть все современные энергетические потребности? Мир сейчас потребляет 13,2 млрд .т. н.э. энергии. Актиноиды при деление дают приблизительно 82 Тдж/кг = 1950 т.н.э. Т.е. для получения соответствующего количества энергии нужно 7000 т актиноидов (это кстати к вопросу, что 5000 т урана, о которых говорилось выше — это совсем не мало ).

Т.е. даже если вы даже будите извлекать актиноиды из рядовой породы, то получающееся количество попутных элементов в масштабах современных потребностей будет совершенно смешным.

Хрома получится 49 тыс.т. (а современной экономике нужно 19 млн.т.)
Никеля — 47 тыс.т. (а нужно 1,5 млн.т.)
Меди — 28 тыс.т. (а нужно 15 млн.т.)
Цинка — 39 тыс.т. (а нужно 11 млн.т.)
Олова — 4,9 тыс.т. (а нужно 350 тыс.т.)
Вольфрама — 1 тыс.т. (а нужно 63 тыс.т.)

Т.е. по большинству базовых видов сырья не будет покрыто даже 1% потребностей.

Однако на практике никто из такого источника как подмосковный суглинок уран с торием никогда извлекать не будет. Просто за отсутствием смысла в этой деятельности.

Никому не нужен никакой торий с ураном, если у вас нет хрома для нержавейки, чтобы построить реактор. Экономика всегда лимитируется самым дефицитным ресурсом, и в случае атомной энергетики это будет не торий с ураном, а скорее хром, никель, молибден и прочие легирующие элементы, без которых реактор построить невозможно.

Какое-то количество этих элементов наскрести всё же получится из разных возобновляемых источников (хромит тяжёлых фракций песков, геотермальные воды вулканических районов и т. д., если повнимательнее посмотреть, то кое-что есть), но эти количества будут измеряться буквально десятками тысяч тонн, цифрами абсолютно не сопоставимыми с сегодняшними нашими аппетитами, и соответственно о бесконечном масштабирование ядерной энергетики не будет даже и речи (попросту реакторы будет не из чего строить).

Ну а для тех реакторов, на которые удастся наскрести материалов — хватит актиноидов из более дешёвых источников. Уран из морской воды, а торий — из тяжёлой фракции песков.

[AlexAV]

Про суглинок я не в курсе,  а с энергией-- думаю даже не стоит и приводить графики удешевления энергии СЭС на протяжении десяти лет. Там более 100% за ватт падение стоимости. Найдите еще один такой источник генерации э/энергии с такими темпами удешевления.

Предсказание с помощью линейки - занятие довольно глупое. У любой технологии есть нижний лимит стоимости, определяемый физическим затратом ресурсов. И для солнечных элементов он практически достигнут. Нечего там больше улучшать.

Как видим стоимость электроэнергии без субсидий опустится до 4,5 центов за кВтч для самых солнечных территорий  и до 6,5 центов за кВтч для умеренно солнечных территорий .

Циферки для картинки в презентации, однако не имеющие никакого отношения к реальности.

Текущая экономика СЭС (без учёта аккумуляции и "пилы") определяется следующими цифрами. Капитальная стоимость не слишком дорогой СЭС - 1500 $/кВтч, эксплуатационные затраты около 20 $/кВтч установленной мощности в год. КИУМ около 12% (кстати для достаточно солнечной территории, вроде Сочи или южного Китая). Срок службы рекламный - 25 лет, реальный видимо ближе к 10.

Возьмите калькулятор и попробуйте из этих вводный посчитать минимальную стоимость энергии. Если добавите проблему сезонной и суточной неравномерности - станет совсем печально.

Никакой дешёвой энергии солнце не даёт.

Нет если конечно застрять в данных 2014-10 годов и решить что в мире все статично и не меняется...

В области кремневых солнечных батарей на сегодняшний день никакого потенциала для значимого прогресса больше нет. Здесь скорее верх глупости экстраполировать графики за предыдущее десятилетие в бесконечность. Любая технология развивается по логистической.

[AlexAV]

А по серебру?

По серебру картина (2012 год, но не думаю, что что-то радикально поменялось) такая:

Предложение:
Первичная добыча - 787.0 млн. унций
Производство из вторичных источников (собственно рециклинг) - 253.9 млн. унций
Гос. продажи - 7.4 млн. унций (по сути из складских запасов)
Потребление - 1048.3 млн. унций

Т.е. как это не удивительно, серебро рециклится очень плохо, доля вторичного серебра всего около 24% от общего потребления. Т.е. даже серебро оказывается слишком дешёвым, чтобы его глубоко рециклить. Правда здесь это во многом связано со спецификой его применения в технике, где оно используется в основном в виде тонкого напыления и плёнок, что делает вторичное извлечение очень сложным, а иногда вообще практически невозможным.

[AlexAV]

На Земле более чем достаточно субтропических пустынь рядом с океаном.

Ну экономика такого способа производства соли хорошо известна и она позволяет сразу оценить стоимость такого лития. Поскольку на 1 кг карбоната лития в этом случае будет получаться 38 тонн соли при использование в сущности на самой дорогой стадии (упаривание морской воды) той же технологии, то очевидно, что стоимость этого 1 кг будет не меньше себестоимости 38 тонн соли, полученной естественным упариванием морской воды. Стоимость одной тонны такой соли - 90$ (и замете, бассейн-испарители далеко от моря при этом никто не ставит). Значит литий из морской воды будет не дешевле 3420 $/кг карбоната. Боюсь по такой цене этот литий будет мало кому нужен.

Т.е. для батарей мобильной техники ещё можно использовать, но скажем про электромобили можно точно забыть.

Возможно чуть лучшая экономика будет в том случае, если вода в водоём-испаритель будет поступать самотеком,  т.е. он будет располагаться ниже уровня моря, а сам водоём будет естественной структурой рельефа, но вот тут подходящих структур рельефа уже не так уж много. Да безумное количество соли всё равно придётся извлекать и утилизировать, что на экономике тоже будет существенно сказываться.

Та же впадина Каттара испаряя от 40 куб.км ежегодно, должна выдавать до 6 000 тонн лития.

Однако для расчёта экономии этого дела нужно также учитывать извлечение, перевозку и утилизацию избыточной соли. Если этого не делать впадина просто заполнится до краёв ею и ей станет невозможно пользоваться, что сразу сделает экономику этого дела не столь радужной.

6000 тонн кстати - это не так чтобы много, сейчас производится около 36000 тонн, и это по сути по большей части только на микроэлектронику.

[AlexAV]

Не совсем понял, откуда такое число.

Вот скажем цены на соль в США полученной из разных источников: https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/salt/mcs-2017-salt.pdf

Соотношение между осаждаемой солью и литием легко получить из данных о составе морской воды.

Смотрите пункт solar salt (это то самое ).

литий как побочный продукт,

В этом случае согласен, но это имеет смысл лишь в том случае, если основной кому-то нужен, что естественным образом ограничивает объёмы. Если скажем основным считать обычную соль - это ограничение при текущем спросе на соль пройдёт при объёме добычи карбоната лития в 5500 тонн. Если нужны большие объёмы, то соль из полезного продукта превратится во вредный отход, за утилизацию которого ещё и доплачивать придётся.

Если попутно с калийными солями (потребление около 34 млн.т. K2O), то т.к. на 1 т K2O будет получаться 2 кг Li2CO3, то тут осмысленный лимит 68 тыс.т.

Т.е. извлечение недорогого лития (где основная оплата основной части издержек ложится на производство основного продукта) - будет вещью строго лимитированной и не особо большой по масштабу. На смартфоны возможно хватит, на электромобили уже не очень.

[AlexAV]

Выделение калия (например, в форме хлорида калия) из морской воды процесс тоже не очень простой и дешевый

Ну с калием возможно в любом случае придётся мучаться и как-то добывать. Это же важный компонент удобрений, т.е. вещь очень важная, куда более важное чем многие иные вещи. Без автомобиля или смартфона жить можно, а без хлеба — нет.

[AlexAV]

То что панели с аморфным кремнием -  пленки на основе аморфного кремния (a-Si) это по сути кусок стекла с напыленным на него слоем кремния и стоит копейки как то забыли.

Ну вот сколько сейчас стоят - столько и стоят, и сильно дешевле не будут, некуда.

например  пленочные  модули MiaSole на основе  CdTe имеют КПД 15% -16% что по сути равно обычным кремниевым панелям.

А ничего, что теллур - один из самых редких элементов. Где Вы его брать собираетесь - поясните.

Такие панели на основе  соединения галлия (Ga) - фосфид индия галлия, арсенид галлия работают на МКС или например на «Mars Exploration Rover».

Ну да, а где индий брать? Вообще все виды элементов использующих редкие элементы можно вычеркнуть сразу, как заведомо бесперспективные для большой энергетики. И если это сделать - то кроме кремния ничего и не остаётся (да и с ним вопрос, то что сейчас выпускают - нуждается в серебре, что есть серьёзная проблема).

Конечно, если смотреть с точки зрения что все это глупость то спору нет, глупость конечно мирового масштаба).

Конечно глупость. Все эти системы используют такие материалы, которые сразу же станут дефицитными при переходе к крупномасштабной энергетике. Ни арсенид галлия, ни системы на основе фосфида индия-галлия, ни халькогениды никаких перспектив в массовой энергетике не имеют и не будут иметь никогда, попросту т.к. содержат материалы с очень ограниченными запасами и возможными объёмами производства.

Кроме кремния, возможно имеет какие-то не нулевые перспективы перовскиты, но с ними пока есть нерешённые проблемы, связанные с быстрой деградацией (ну и по использованию редких элементов там всё не так просто... начиная от метало-органических красителей и заканчивая тем, что почти всё, что опубликовано использует как один из компонентов золото, и тут это может оказаться принципиальным из-за необходимости достаточной химической устойчивости электрода к органическим красителям и полупроводникам, которые там используются).

А по цене -- Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL) Министерства энергетики США опубликовало отчет, согласно которому средняя цена на солнечную энергию в 2017 году  в стране опустилась ниже $1 за ватт и ниже 6 центов за киловатт-час. .

Это и называется - циферка для экрана презентации... Попросту если взять данные по практически любой реальной станции, то оказывается, что это значение даже процентов по кредиту на её постройку не отобьёт никогда.

Т.е. вообще не понятно, что и как там посчитано и что эта цифра значит.

[AlexAV]

колько стоит 1кВт/час с АЭС и ТЭС?

Себестоимость газовой генерации в России - около 1,2 руб/кВтч. По сегодняшниму курсу -  2 ц/кВтч. Естественно это на шине электростанции. Разница между этой ценой и тем, что у Вас в платёжке - это в основном стоимость доставки энергии от станции до Вашей розетки (электрические сети на самом деле достаточно дорогое удовольствие).

[AlexAV]

Фтор увеличил срок службы перовскитных батарей
https://nplus1.ru/news/2017/10/26/fluorine-for-batteries

18% за 30 дней - всё равно слишком много. То что авторы эту цифру рассматривают как достижение - лишь подчёркивает масштаб бедствия.

[AlexAV]

Тут бы покрыть хотя бы потребности самой атомной энергетики, да к тому же расширить топливную базу.

В общем согласен. Сравнение с полным потреблением - сильно сгущает краски, причём возможно несовсем оправданно. Мы сейчас редкие элементы потребляем чрезвычайно расточительно. А если их использовать лишь там, где без них никак не обойтись, то картина получится чуть более оптимистичной.

И в случае атомной энергетики видимо главная проблема по этой линии - банальня нержавейка. Без неё обойтись здесь совершенно невозможно, требуется её много и для её изготовления редких элементов нужно достаточно много. Сколько её надо. Есть вот такие вот данные по металлоёмкости реакторов серии БН:



Т.е. для БН-1200 прогнозируется 2,4 т/МВт(т) или 6720 т на весь реактор. Одним из базовых матералов там планируется испозовать сталь 07Х12НМБФ. Её состав: http://www.evek.org/materials/stal-07h12nmbf-ep609.html

Т.е. на один реактор уйдёт приблизительно 740 т хрома, 110 т никеля, 13 т ванадия, 27 т молибдена, 7 тонн ниобия. Если с помощью такого вида реакторов производить 70% всей электроэнергии мира, то потребуется где-то 2000 реакторов. Если считать срок эксплуатации 50 лет на поддержание такого парка нужно будет где-то 30 тыс.т. хрома, 4400 тонн никеля, 1080 тонн молибдена и  280 тонн ниобия. С молибденом и ниобием - непонятно (их вообще непотно с учётом их химии где брать), но по хрому и никелю цифры не совсем абсурдные. Т.е. какие-то шансы их наковырять в таком объёме из возобновляемых источников (пески, геотермальные воды и т.д.) - есть. Хотя тут надо детально анализировать эти потенциальные источники... Рециклинг здесь может сократить потребности, правда в этом случае не ясна его осуществимость, материалы старых элементов реактора будут загрязнены радиоактивными изотопами. Всё выделить и очистить технически возможно, но вот экономика в этом случае не ясна.

Интересно, что сами ОЯТ могут быть источником дефицитных элементов, причём некоторых из них таких, что их вообще непонятно где будет брать, кроме как здесь (скажем серебро, рутений, родий, палладий).

Интересно, что ОЯТ частично будут закрывать и вопрос с молибденом (его среди осколков около 9%), т.е. за обозначенные 50 лет реактор будет генерировать около 4,5 тонн молибдена. Вопрос это полностью не закрывает, но тем не менее (с учётом рециклинга может и закрыть, всё же 80% выделение легирующих элементов из материала - не выглядит совсем уж фантастическим).

Т.е. картина далека от прекрасной, но всё же и не кажется совершенно абсурдной.

[AlexAV]

UNEP (2013) Metal Recycling: Opportunities, Limits, Infrastructure, A Report of the Working Group on the Global Metal Flows to the International Resource Panel. Reuter, M. A.; Hudson, C.; van Schaik, A.; Heiskanen, K.; Meskers, C.; Hagelüken, C.
UNEP (2011), Recycling Rates of Metals – A Status Report. A Report of the Working Group on Global Metal Flows to the International Resource Panel. Graedel, T.E; Allwood, J; Birat, J-P; Reck, B.K; Sibley, S.F; Sonnemann, G; Buchert, M; Hagelüken, C.

Интересные обзоры, спасибо.