Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Это коксующиеся угли.

Для других районов, где добыча ведётся шахтным способом картина не сильно отличается. Скажем для Восточного Донбасса (Ростовская область): http://www.donugol.ru/customers/

Цена обогащённой продукции от 7000 руб./т. Это уже не коксующийся, а энергетический уголь (хотя конечно довольно качественный антрацит).

Да и сам уголь, занимает не основную составляющую в себестоимости.

От цены угля зависит. При цене 1000 руб./т - да, не основную. При 7000 руб./т - картина уже другая.

[AlexAV]

Юмор в том, что "Титаник" выделялся среди других пассажирских пароходов роскошью и комфортом. Урезав комфорт и пассажировместимость, угольные ямы можно увеличить в разы...

Проблема тут всё же есть. Если посмотреть характеристики современного сухогруза (http://www.shipspotting.com/gallery/photo.php?lid=1217765 ) то оказывается, что топлива там не так уж и мало. При дедвейте в 99.678 тонн он несёт 10,548 тонн топлива, т.е. 11% всей полезной загрузки. При этом потребление современных дизельных двигателей около 160 г/кВтч. Если же перейти на уголь (скажем через его газификацию и использование полученного газа в газопоршневой машине), то при КПД газификации 80%, КПД машины 40% и теплоте сгорания угля 7000 ккал/кг, расход топлива уже будет около 380 г/кВтч. А значит для того чтобы обеспечить тот же запас энергии корабль будет должен уже нести 25 200 тонн топлива или 25,3% полезной нагрузки. А это уже чувствительно.

Однако уголь с теплотворной способностью 7000 ккал/кг может сто лет назад и был средним , но на сегодняшний день средняя теплотворная способность битуминозных углей добываемых в России составляет всего 0,634 т.у.т/т (1 т.у.т = 7000 ккал). Т.е. при использование такого среднего угля масса топлива должна была бы составлять уже почти 40% полезной нагрузки судна, что явно едва ли приемлемо. А на каком-нибудь низкокачественном буром угле, скажем Подмосковного бассейна, с теплотворной способностью 2700 ккал/кг он вообще мало что, кроме топлива для самого себя, сможет увезти.

Т.е. всё же для того чтобы использовать уголь как судовое топливо для морских судов нужен не просто уголь, а уголь достаточно качественный, с теплотворной способностью выше средней для добываемого сегодня. А это возможную ресурсную базу здесь сильно сокращает.

[AlexAV]

крайне сомневаюсь что антраците...

Одна из самых востребованных марок угля в 19-м и начале 20-го века - кардиффский уголь, всё же антрацит. Он кстати был основным топливом и для Российского имперского флота. Его альтернативой в России, не всегда тогда конкурентоспособной из-за транспортных расходов, был донбасский антрацит.

http://historycoal.narod.ru/main-2.html

На росте объемов угледобычи ощутимо сказывалась конкуренция импортного угля, в основном из Англии, который называли ещё «кардиффским» углем. «Кардиффский» уголь был дороже: в городах по 30 коп. серебром, а в портовых городах — по 15 коп. за один пуд. Как только на рынке появился донской антрацит — писал современник, «.. .для подорвания сей промышленности, слабой средствами и капиталами, англичане уменьшили цену своего угля до половины». В 1857 г. донской антрацит при шахтах продавался по 7,5 коп. за пуд, однако транспортировка его оказывалась слишком дорогой, чтобы он мог конкурировать с тем же английским углем.

[AlexAV]

Энергетическая плотность водорода выше в три раза. Именно она имеет значение.

В данном случае важна не только массовая плотность, но и объёмная (объём внутри корпуса корабля тоже конечен ). А плотность жидкого водорода всего 70,8 кг/м3. Т.е. объёмная плотность энергии 10,1 МДж/л, в 4 раза ниже, чем у дизельного топлива. Ну и температура, теплоёмкость и теплота испарения у жидкого водорода очень низкие из-за чего его хранение куда большая проблема, чем LNG. Кроме того сжижение водорода - операция энергозатратная и дорогая, существенно более дорогая, чем производство сжиженного природного газа.

Не очень удобное топливо этот водород.

[AlexAV]

Во первых поищите какую имеет скорость такие парусники, к примеру при кругосветке. Во вторых оцените сопротивляемость их сильным ветрам, штормам, ледовой обстановке, оцените на сколько упадет эффект маштаба при переходе к малым судам, и насколько упадет их долговечность. Сэкономите копейки на соляре, и профукаете милиарды на капзатратах и обслуживании. Может уже закончим эти детские фантазии с парусниками?

Справедливости ради - ведь у человечества уже был достаточно успешный опыт использования парусников в том числе и для перевозки промышленных грузов. Собственно до второй половины 19-го века имено так большая все грузы по морю и перевозились. А последний торговый парусник прекратил эксплуатацию лишь в 1957 году. Уже на основание этого говорить о полной невозможности обеспечения транспортировки грузов парусниками - будет не верно (ведь делали же как-то, причём уже в индустриальную эпоху ).

Вполне очевидно, что парусник - дороже теплохода и парохода... в том случае если для них есть достаточно дешёвое топливо. А вот если топливо очень дорогое, то не факт, что парусник, даже при всех своих недостатках (малое водоизмещение, большой экипаж, сравнительно небольшая путевая скорость  и погодозависимость), не окажется лучше...

[AlexAV]

Зато КПД конверсии в тягу около 80%(топливный элемент + цикл карно)

Топливные элементы дальше бумаги и проектов как-то особо не уходят (за исключением некоторых узконишевых областей, иногда в космической технике используются, однако это область с особым подходом к цене изделий, как впрочем и военная техника). Одна из проблем - потребность в достаточно большом количестве драгоценных металлов в качестве катализаторов, без чего невозможно добиться сколько-нибудь приемлемой удельной мощности. А это делает их весьма дорогими даже на уровне используемых в конструкции материалов. Кроме того ресурс топливных элементов оказывается не очень большим, что ещё более усугубляет проблему.

Кроме того, платиновые металлы и серебро (то что обычно используется в качестве катализаторов там) - ничуть не меньшая проблема, чем нефть. Кончатся пожалуй даже быстрее. Так что на них я бы точно не расчитывал.

[AlexAV]

А можно просто посмотреть что у других получается.

Брутто-КПД процесса конверсии угля в жидкость оценивается как что-то около 50%. А далее исходя из этой цифры и теплотворной способности угля и нужно оценивать сколько угля потребуется. Понятно что плохого бурого угля с калорийностью 2500 ккал/кг и высококачественного малозольного жирного с 7000 ккал/кг потребуется несколько разное количество. В первом случае 7,6 тонн потребуется, а во втором 2,7 хватит.

[AlexAV]

Сжижение кстати так понимаю не используют, зачем сжижать если можно хранить под давлением в сотни бар?

У водорода отрицательный знак эффекта Джоуля-Томсона. Это делает баллон с водородом под большим давлением вещью крайне опасной, а использование его на транспорте - можно рассматривать лишь как изощрённый способ самоубийства.

[AlexAV]

Пока что цифра разведанных запасов антрацита растет на 100 млн. тонн каждый год, что опережает современную скорость добычи в 10 раз.

Все основные месторождения уже найдены и существенно больше их не станет. Реально никакого прироста запасов нет, в основном идёт лишь миграция из одной категории в другую, вот и возникает такая иллюзия. Оценки технически извлекаемых ресурсов совсем не растут, а как бы скорее уменьшаются. В 80-х оценивались как почти 11 трл.т., сейчас осетра урезали до 5,6 трл.т (Б.М. Воробьёв Уголь мира. Т.1., с. 90).

[AlexAV]

Производить метан химически проще - практически весь углерод из угля можно перегнать в газ

Не особо. Условия протекания реакции СO + 3H2 = CH4 + H2O не сильно отличаются от условий для синтеза жидких углеводородов, метанола или ДМЭ, отличие в основном в катализаторе. А вот дальше с метаном - проблем больше. Можно начать с самого начала - в реакторе реакция никогда не идёт до конца и на выходе будет смесь СO, H2 и СH4. Как их друг от друга отделять? Метанол, ДМЭ или тяжёлые углеводороды - просто, они при нормальных условиях или (в случае ДМЭ слегка повышенном давление) конденсируются. А вот отделять метан от СO - будет целым бедствием (сжижение этих газов для их последующего разделения - чрезвычайно энергоёмкий процесс). Ну и далее жидкость всё же сильно удобнее газа в транспортировке и обращение. 

Смыcла тут нет никакого с метаном связываться.

[AlexAV]

Внутри корабля объем все-таки представляет меньшую проблему, чем внутри автомобиля.

Даже для корабля проблема. У современных газовозов потери LNG на испарение на уровне 0,1% - 0,15% в сутки (https://neftegaz.ru/analisis/view/7513-Kakim-budet-gazovoz-buduschego). Но это метан. Если вместо него залить в туже цистерну жидкий водород с теплотой испарения 0,46 кДж/моль = 230 кДж/кг против 8,22 кДж/моль = 513,75 кДж/кг у метана и плотностью 70,8 кг/м3 против 415 кг/м3, то относительная скорость потерь станет в 13 раз больше, т.е. до уровня 1,3% - 2% в сутки. И это для газовоза с объёмом резервуара на уровне 260 тыс. м3.

Для резервуара скажем в 40 тыс. м3 (что соответствовало бы типичному запасу топлива большого контейнервоза) из-за ухудшения соотношения площадь к поверхности картина станет ещё раза в 3 хуже (приблизительно пропорционально V^(2/3)). Т.е. 4%-6% в сутки, что не годится совершенно.

Жидкий водород (как впрочем водород вообще) - субстанция для хранения очень неудобная.

[AlexAV]

Повторю вопрос - Тойота же развивает водородный автомобиль, может их резервуар приспособлен к тому чтобы перевозить водород без потерь?

Есть три способа хранения водорода - все плохие.

1) В баллоне под давлением. С учётом массы баллона очень низкая энергоёмкость и крайне не безопасно. Потерь при хранение нет, но от этого не легче.
2) Сжиженный водород. Высокая цена сжижения и большие потери при хранение из-за низкой теплоты испарения и низкой плотности водорода.
3) Хранение с помощью абсорбции на металлах с образованием металлгидридов. Большое количество очень интересных элементов и невменяемая стоимость (скажем достаточно популярное соединение для этого LaNi5).

Конкретно у Тойота использует просто баллон высокого давления (700 атм). Масса водорода в баллоне у них составляет только 5,7% от массы баллона (https://newsroom.toyota.co.jp/en/detail/4198334). Т.е. при их способе хранения массовая энергетическая плотность с учётом массы баллона в 5 раз ниже, чем у углеводородного топлива.

Вы это предлагаете на грузовое судно ставить? В этом случае эти баллоны больше половины полезноц нагрузки займут. У судна с дедвейтом 99.678 тонн масса топлива 10,548 тонн (http://www.shipspotting.com/gallery/photo.php?lid=1217765). Предлагаете за место 10,548 тонн дизельного топлива засунуть туда 53 тыс. тонн баллонов. Уменьшив чистую полезную нагрузку почти в 2 раза? Не находите, что этот вариант явно не очень.

Что касается безопасности... Вообще удивительно что эту конструкцию на дороги допустили. Нарушение целостности баллонов с водородом при таком давление гарантировано ведёт к фатальным последствиям. КПВ водорода в диапазоне 4-75% и самовоспламенение при вытекание из сосуда высокого давления это гарантирует. Вообще работа с водородом, особенно при больших давлениях, требует осторожности.

[AlexAV]

Вес и объем все-таки для танкера не так критичны - чуть снизится эффективность, но все равно это будет эффективнее парусников в десятки раз

На самом деле топливо и сейчас занимает не такую уж малую часть от полезной нагрузки судна, на уровне 10%. Поэтому масса всё же важна.

[AlexAV]

Кроме того вопрос цены этого водорода. Сейчас водород стоит около 113 р/м3 (http://www.niikm.ru/products/hydrogen/). Чтобы заменить 1 кг дизтоплива нужно приблизительно 3,2 м3 водорода (теплотворная способность водорода 12,75 МДж/м3). Итого 362 руб. за энергетический эквивалент 1 кг стандартного топлива. Сейчас  цена бункерного топлива около 0.339 $/кг =  19,6 руб./кг (http://lenoblast.bezformata.ru/listnews/tceni-na-bunkernoe-toplivo-v-portah/63551288/). Т.е. водород просто по цене получается в 18 раз дороже нефтяного топлива сегодня. При этом учитываем, что сегодня его получают самым дешёвфм возможным способом, из природного газа.

Тут за за 4 заправки судна придётся заплатить столько же, сколько стоит судовой ядерный реактор. Заправка будет стоить половину сегодняшней стоимости судна.

[AlexAV]

Не верите мне - обо всем это подробно написано в вики

Давайте Вы лучше поставите ссылку на конкретного поставщика, у которого его можно по этой цене купить.

[AlexAV]

Здесь указали цену в 10 фунтов (13 баксов) за 1 кг водорода - так понимаю это цена на заправочной станции, то есть можно считать это розничной ценой.

13 $/кг это соответствует (с учётом различия теплоты сгорания) приблизительно 4 $/кг нефтяного топлива. А стоимость судового мазута около 0.34 $/кг. При этой цене различие в 12 раз, несколько меньше. Отличие вероятно из-за разных требований к глубине очисти.

Но всё равно отличие огромное и не в пользу водорода.

[AlexAV]

Здесь указали цену в 10 фунтов (13 баксов) за 1 кг водорода

При такой цене на подсолнечном масле ездить или плавать  будет дешевле, чем на таком водороде. На него цена всего 45 руб./кг (https://tiu.ru/p320565420-maslo-podsolnechnoe-rafinirovanoe;wholesale.html), что соответствует 0,9 $/кг нефтяного топлива, если учесть различие в теплоте сгорания.

[AlexAV]

Нужно учитывать, что цена формируется не только затратами на производство, но и сочетанием спроса-предложения. Если внезапно на рынок подсолнечного масла выйдут топливные потребители, то и цена станет совершенно другой, потому что вряд ли объем выращиваемого подсолнечника можно резко увеличить в сотни раз, чтобы удовлетворить спрос

С этим полностью согласен. Производство с/х сырья только ограниченно масштабируем, поэтому замена им нефтепродуктов в современном объёме (без радикального сокращения потребления) едва ли возможна. Несколько сотен миллионов тонн растительных масел получить может быть и можно, но вот дальше всё упрётся в барьер ограниченности пахотных земель (особенно учитывая, что ещё что-то кушать надо...).

[AlexAV]

Не буду утверждать, но емнип но мазут все-таки ограниченно применяется в дизелях,

Ну тут шла речь не о всех дизелях, а конкретно о двигателях кораблей, причём кораблей достаточно крупных. А там как раз обычно используются машины, которые могут работать на тяжёлом топливе.

[AlexAV]

по независимым оценкам и собственной информации компании Sasol, текущее состояние их технологии позволяет им выпускать около 54,75 млн. баррелей синтетических жидких топлив в год, затрачивая на это около 41 млн. тонн. угля в год.

На сайте самого Sasol приведены сведения, дающие чуть более высокую оценку.

http://www.sasol.com/media-centre/media-releases/sasol-produces-15-billion-barrels-synthetic-fuel-coal-fifty-years

Sasol has produced almost 1,5 billion barrels of synthetic fuel from about 800 million tonnes of coal since the first sample of synthetic oil from coal was produced fifty years ago at its Sasolburg plant near Johannesburg in South Africa on 23 August 1955.

Т.е. в среднем получается 1.9 баррелей/тонну = 300 л/тонну угля. При этом они используют уголь с теплотворной способностью  20-22.64 МДж/кг (https://www.saimm.co.za/Journal/v110n10p593.pdf). Учитывая, что теплотворная способность бензина около 32.7 МДж/л, то получается коэффициент конверсии энергии около 46%. Вполне согласуется с 50% заявленными в этой статье - http://termokoks.ru/phocadownload/29_Coal_2015_7.pdf.