Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Как видим чтобы не выполнить нужно ещё 25.8+ миллионов пролюбить сначала.

Т.е выходить на планируемый уровень в 100 миллионов нужно 129 лет. Нормально, нормально

По результатам 2020 естественная убыль уже 532 тыс. человек. С существующей динамикой скоро и до убыли 1 млн. в год дойдут (темпы убыли населения там очень быстро нарастают https://en.wikipedia.org/wiki/Demographics_of_Japan ). Так что не продержатся они с такими тенденциями выше планки 100 млн. 129 лет, лет за 30 - 40 слетят максимум.

Ну я бы не сказал, что в Японии какаято критическая ситуация с демографией, убыль всего около 200 тыс/год.

Было в 2011 году. А теперь уже по 538 тыс./год, причём скорость депопуляции там быстро растёт.

[AlexAV]

Я опирался на данные countrymeters.

Вот тут есть подробные данные по рождаемости, смертности, СКР и т.д. за каждый год с 1899 - https://en.wikipedia.org/wiki/Demographics_of_Japan

[AlexAV]

Посмотрел статью - они для борида магния используют то же что в последнем поколении mrms от фирмы Bruker - Gifford-McMahon  криокулер. Там требуется разовая заправка газообразным гелием, а далее система работает без заметных утечек в течении нескольких лет эксплуатации...

Вот тут вот (https://indico.esss.lu.se/event/1176/contributions/9635/attachments/9505/15041/20191002_EcoSwing_Sumitomo_Cryocooling_FINAL.pdf) пишут что для сверхпроводящего генератора ВЭС (судя по всему речь о том же самом, что и в статье https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/502/1/012004/pdf ) потребуется перезаправка гелием приблизительно раз в год.

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/502/1/012004/pdf

Но тут всё же предлагается использовать купратные ВТСП, а не борид магния.

Ещё информация о том же проекте: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6668/ab48d6/pdf

Вообще если посмотреть опубликованные детали проекта, то некоторые моменты моменты настораживают в плане масштабируемости всего этого. Вот скажем конструкция предлагаемых к использованию ВТСП лент:



И для её изготовления кроме большого количества меди, никеля и молибдена (хастеллой - сплав преимущественно никеля и молибдена), что проблема, очень большая проблема, но скорее проблема завтрашнего дня, ещё и требуется довольно значительное количество серебра, что проблема уже сегодня.

Ну и, кроме того, порадовало в https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/502/1/012004/pdf

All electric connections inside the rotor are made with indium. These connections have to
be tightened over a series of days to account for the indium creep and to insure a good thermal
contact.

Т.е. ещё индий нужен, доступность которого уже сейчас становится проблемой.

Вообще возникает впечатление, что чем более высокотехнологическое изделие - тем больше возможность его изготовления зависит от доступности редких элементов, являющихся по сути ресурсы не возобновляемые. Вот и с ВЭС. Берем обычный синхронный генератор с самоиндукцией - нужен только алюминий и железо. Желаем поднять его характеристики - алюминий нужно менять на медь (которая уже ресурс невозобновляемый). Желаем ещё дальше улучшить генератор - меняем его на генератор постоянного тока с РЗЭ магнитами (кроме меди ещё нужны РЗЭ). Достигаем предельных характеристик с помощью сверхпроводников и кроме меди и РЗЭ оказываются ещё необходимы никель, молибден, серебро, олово, индий, гелий. И с каждым шагом всё дальше уходим от концепции источника энергии независимого от невозобновляемых природных ресурсов.

[AlexAV]

Разве нельзя плавучие морские ВЭС сооружать полностью из железобетона?

Очень не технологично. Стальную конструкцию можно привезти по частям и собрать, а железобетон нужно отливать на месте. Плюс железобетон всё же на много менее прочен, чем сталь, и, кроме того, на много хуже противостоит знакопеременных нагрузкам. Соответственно, масса железобетонной башни при той же массе и высоте размещения самого ветрогенератора должна быть на много больше, что во многом съедает разницу в стоимости единицы массы металла и железобетона.

Ну и проблема коррозии арматуры хоть и несколько ослабевает, но не исчезает полностью, в такой коррозионной среде как морская вода всё равно требуется предпринимать какие-то специальные меры по её защите (бетон - среда пористая и имеет определенную водопроницаемость).

Главная причина не использования чисто железобетонных башен в морских ВЭС - в основном, конечно, первая. Одно дело привезти сегменты стальной башни и скрутит их на месте и совсем другое пробовать отлить 100-метровую бетонную башню в открытом море. Второй вариант банально получается неприемлемо дорогим. 

[AlexAV]

или пластика?

А какие пластики обладают механическими свойствами достаточными для того, чтобы служить опорой промышленной ВЭС? Все известные пластики на сжатие работают куда хуже стали. На изгиб относительно высокую прочность имеют только углепластики и органопластики на база арамидного волокна, и то в разы меньше, чем сталь. При этом эти углепластики с органопластиками - безумно дорогие. Их стоимость абсолютно никак не подходит для строительства опор крупных ВЭС с учётом огромного расхода материала на это, тут вы на них быстро разоритесь. Механические свойства углепластиков и арамидных органопластиков  существенно превосходят сталь только при работе конструкции на растяжение, но башня на растяжение не работает (там нужна прочность и высокий модуль упругости на сжатие и изгиб).

тебе известны характеристики ВСЕХ видов полимерных материалов?

Тоже мне бином Ньютона. Механические свойства массовых относительно дешёвых пластиков находятся в довольно узком диапазоне, где-то 20 - 60 МПа. Сильно больше только у некоторых полиамидов  и композитов. Однако, всё это безумно дорого, и, кроме того, имеет ряд нюансов в применение. Прочность тех же полиамидов, скажем, сильно снижается в присутствии воды, а все композиты имеют сильную анизотропию свойств (скажем, высокую прочность на растяжение очень низкую прочность на сжатие). Так что при всём богатстве выбора реальный выбор тут не так уж и велик. 

[AlexAV]

а как насчет т.наз. "карбона" (углепластик)?

Хорошо работает только на растяжение. На изгиб уже на много хуже, а на на сжатие вообще никак. А башня должна держать вертикальную нагрузку, так что тоже не годится. Вообще все композитные пластики имеет смысл применять только в конструкции с сильной нагрузкой на растяжение, если есть сильная нагрузка на сжатие - они довольно малоприменимы.

[AlexAV]

и как я понял уже дошли до практического внедрения...

Максимум экспериментальные. Башни реальных промышленных ВЭС сейчас это исключительно или стать или железобетон (в разных комбинациях).

из особой фанеры...

Если говорить применимости такого подхода в принципе, то тут существенно, что это биоразлогаемый материал. А значит к проблеме прочностного износа добавляется ещё проблема биодеструкции. Для моря вообще не вариант, банально сожрут (скажем вот такие чудесные моллюски https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D1%87%D0%B5%D1%80%D0%B2%D0%B8). На суше простоит может быть и дольше, но разного рода древоразрушающие грибы тоже будут сокращать срок жизни такой конструкции, благо некоторые из них могут разрушать не только древесное волокно, но и полимерное связующие (примеры роста некоторых грибов на пластике известны, например https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0269749117300295).

[AlexAV]

Так как гелий никуда не пропадает, а возвращается в ту же атмосферу, его запасы можно считать квазибесконечным.
Конечным есть возможность его оттуда получать. Никто же не будет сжижать воздух только ради получения гелия, его получают как побочный продукт при сжижении кислорода.

Да, однако только приблизительно в тех количествах, в которых сейчас получают неон (они при разделении воздуха всегда получаются совместно в соотношении  He:Ne = 1:3.5). Мировое производство неона - 700 тыс. н.у. м3 в год. Соответственно из этого источника можно рассчитывать только на 200 тыс. н.у. м3 в год на всю планету.

Сейчас же мировое производство гелия около 160 млн. м3 (https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2021/mcs2021-helium.pdf , цифра за 2019 год). Почти весь он получается из природного газа, являющегося невозобновляемым сырьём. Соответственно при переходе с гелия из природного газа на гелий из воздуха (в том объёме в котором он реально может извлекаться попутно) использование гелия в технике должно будет сократиться со 160 млн.м3 до 200 тыс. м3, т.е. практически в 1000 раз. Если доступность ресурса сокращается в 1000 раз - это практически эквивалентно его почти полному исчезновению из обращения. После такого урезания гелиевого бюджета его кроме как в лабораториях и в особо ответственной военной технике видеть никто не будет. Ни о каких массовых сверхпроводящих генераторах, газоохлаждаеиых реакторах (с гелиевым теплоносителем), и т.д. тут и речи идти не будет. Если на аппараты МРТ для более-менее массовой медицины (а не только для избранных) хватит - уже будет хорошо.

Поэтому гелий нужно рассматривать как невозобновляемый ресурс. Т.е. хотя у него есть квазинеисчерпаемый источник, но он может покрыть только где-то 1/1000 современных потребностей, что почти эквивалентно его практически полному исчезновению из обращения. 

[AlexAV]

Вообще интересно что будет со стоимостью гелия, когда закончится газ...

Будет типичная ситуация абсолютно не эластичного предложения. Цена при этом может быть абсолютно любой, но такой что для почти 999 из 1000 современных потребителей гелия эта цена сделает гелий экономически недоступным, а полное мировое потребление гелия сократится от современного приблизительно в 1000 раз до уровня, обеспечиваемого попутным извлечением гелия из воздуха (около 200 тыс. н.у. м3 в год). Самые щедрые у нас традиционно военные. Вот у них гелий останется. Ну ещё может быть к ним в какой-то мере добавится медицина (за здоровье и жизнь люди тоже готовы платить очень много). А все остальные будут сидеть без гелия.

[AlexAV]

Насколько понимаю, подавляющий объем гелия сейчас используется совсем не в технике.

Именно в технике и медицине. Структура потребления гелия выглядит сейчас вот так:


(http://www.helium-one.com/helium-market/)

На шарики и аэростаты уходит только 8% гелия, дыхательные смеси - 3%, остальное в основном именно технические применения, часто незаменимые или труднозаменимые. Если в сварке гелий можно заменить аргоном (сварка - 17% потребления гелия), причём на самом деле не везде полноценно, теплопроводность гелия и аргона разная и для некоторых ответственных видов сварки такая замена будет не вполне адекватной, то скажем 20% гелия в мире потребляют аппараты МРТ, где гелий практически незаменим. А при исчерпании запасов природного газа потребление гелия нужно будет сократить почти в 1000 раз,  вот и выбирайте, кому эти 0.1% от современного потребления гелия оставить.

[AlexAV]

У него ЕРОИ такой ужасный что капец

Тут методику расчёта нужно аккуратно изучать. Есть сильные подозрение, что или ЕРОИ биотоплива сильно занижен или ЕРОИ ВЭС (да и вообще любой возобновляемой электроэнергии) сильно завышен. Проблем тут вот в чём. Есть основание полагать, что ЕРОИ должен коррелировать с конечной стоимостью (этот критерий не всегда хорошо работает, но в качестве грубого ориентира его использовать в всё же можно).

А теперь посмотрим на конкретные цифры. В качестве биотоплива рассмотрим подсолнечное масло. Продукт массовый, никто его производство особо не субсидирует, вообще производство подсолнечника считается достаточно рентабельной областью с/х. Реальная оптовая стоимость подсолнечного масла  что-то в районе 65 руб/кг (в качестве примера: https://agrovektor.ru/physical_product/34833-maslo-podsolnechnika-tehnicheskoe.html ) или по текущему курсу около 1 $/кг. 1 кг масла - это около 10 квтч энергии. Т.е. стоимость энергии биотоплива около 10 ц/кВтч.

Теперь возьмём стоимость электроэнергии для конечного потребителя в стране с заметной долей ВИЭ (кроме ГЭС). В качестве примера возьмём Германию (https://www.kommersant.ru/doc/4499876):



Т.е. 44 ц/кВтч. Получается электроэнергии в стране с заметной долей ВЭС для потребителя в 4 раза дороже цены энергии биотоплива. При всей грубости оценки ЕРОИ по ценовому эквиваленту просто не представимо, что источник энергии с более высоким ЕРОИ давал энергию в 4 раза дороже, чем с более низким. Уж куда более реалистичным выглядит вариант, что реальный ЕРОИ электроэнергии (и особенно от нестабильных ВИЭ) с учётом затрат на поддержание сети в разы ниже, чем даже у биотоплива (при том, что скорее всего, у биотоплива он тоже низкий).

Вообще есть подозрение, что любая электроэнергия имеет очень низкий ЕРОИ просто из-за высоких затрат на поддержание сети, из-за чего чисто электрическая цивилизация вообще будет не очень жизнеспособна.

P.S. Тут, конечно, литературу надо ещё покопать, но пока я не нашёл конкретного элемента в технологической цепочке биотоплива, из-за которого его EROEI может получаться совсем низким. Причём тут даже на цепочки косвенных издержек толком сослаться не получается. По сравнению с чуть ли не любой иной энергетикой они тут получаются относительно короткими и быстро сходящимися (уж точно их вклад тут на много меньше, чем у АЭС, ВЭС и тем более солнечных батарей, где с этой сходимостью совсем плохо).

[AlexAV]

О апладирую, наконец связываете цену с ЕРОИ.

Да, они часто коррелируют. Хотя тут конечно при анализе требуется некоторая осторожность.

А то тоже массовое производство которое радикально роняет цену у вас на ЕРОИ не влияет.

Массовое производство на ЕРОИ не влияет (по крайней мере влияет незначительно). Это тот случай, когда корреляцией цены и ЕРОИ пользоваться некорректно. Вот для технологий которые вышли по насыщению по эффекту масштаба эта корреляция соблюдается лучше.

А так С/Х в мире крайне дотационное.

В России практически никак не дотируется. Цена от Краснодарского производителя, поэтому может рассматриваться как ориентир бездотационной цены.

Так же не путайте электричество с теплом. И сравнивание цены внутри одного рынка

Джоуль энергии - и есть джоуль энергии, тут всегда сравнивать можно. К тому же значительная часть промышленного потребления энергии - это и есть тепло. И производстве промышленного тепла 1 Дж энергии масла практически полностью эквивалентен 1 Дж энергии электричества.

[AlexAV]

Это при 100% преобразовании энергии. Реально не более 4 - 5 кВт*часов, стоимость 1 кВт*часа получается 25 центов без учёта накладных расходов.

Значительная часть потребления энергии - промышленное тепло. А в тепло биотопливо превращается с около 100% КПД. Причем генерация тепла из химического топлива по накладным расходам дешевле, чем из электричества. Горелка - проще, дешевле и надежнее, чем система высокотемпературных электрических тэнов.

[AlexAV]

роли 1100 руублей выступают как раз запас природного а аозота

Даже если с возмещением азота считать, там не такой уж малый EROEI получается. Типовая норма внесения при интенсивном землепользовании что-то около 1ц азота на гектар. Для связывания тонны азота нужно около 700 м3 метана и 500 кВтч электричества. Т.е. прямые затраты энергии на возмещение азота будут 70 м3 метана и 50 кВтч электричества на га. 1 м3 метана около 10 кВтч тепловой энергии, итого, возмещение азота на 1 га будет иметь энергетическую стоимость по прямым затратам  около 750 кВтч. А получить с этого гектара можно около 1 т масла с заключенной в нем приблизительно 10000 кВтч энергии. Т.е. на возмещение азота уйдёт только около 7.5% получаемой энергии, что выглядит вполне приемлемыми затратами.

[AlexAV]

Выгоднее всего аккумулировать солнечное тепло напосредственно.

Оно может быть и не плохо, но как?

Т.е. если относительно накопления сравнительно низкопотенциального тепла ещё что-то можно придумать, то каких-то реалистичных способов хранить высокопотенциальное нет совсем.

[AlexAV]

Большая часть которых - это налоги.

Несколько старые цифры, но не думаю, что тут что-то радикально изменилось:



Как видим чисто налогов (налог на электроэнергию + НДС) там в стоимости энергии для конечного потребителя не так уж и много, около 20%. Налог на ВИЭ из себестоимости энергии исключать некорректно, это по сути часть себестоимости электроэнергии вздымаемая не рыночным способом, таким образом подавляющая часть себестоимости электроэнергии для конечного потребителя в Германии - это именно что её себестоимость (генерация, доставка, обслуживание сетей).

 

Ну а если говорить про биотопливо то надо брать в качестве ориентира не продовольственное масло, а солому, опилки, биогаз в конце концов.

Согласен. Подсолнечное масло - прямо скажем не самый дешевый вид биотоплива. Хотя брать совсем уж отходы, такие как солома или опилки - это уже подтасовывать данные в противоположном направлении (как все побочные продукты они дешевые только пока объём их потребления мал). Правильнее всего было бы взять какую-то исходно энергетическую культуру, например мискантус, но тут проблема в том, что культура пока не такая массовая, соответственно тут тяжелее искать объективные данные для сравнения.

[AlexAV]

Давайте один человек выращивает один подсолнух. Второй человек выращивает сто подсолнухов. Постоянные затраты на человека одинаковые. Тем самым в одном случае энергозатраты на человека делятся на 1, в другом случае на 100. Итог разный ЕРОИ.

Заметная часть эффекта масштаба - это компенсация стоимости НИОКР. НИОКР - однократные затраты и в производственную матрицу не входят, соответственно их при оценке EROEI нужно исключать.

Цитата

    Господдержка агросектора в следующем году будет на 17 млрд руб. меньше, чем в 2020-м и составит 287,7 млрд руб

И это без налоговых льгот, сниженных процентных ставок от гос.банков и прочего.

Валовые затраты предприятий АПК России 2.9 трл. рублей (https://rosstat.gov.ru/storage/mediabank/zatr.htm), соответственно всё это находится в пределах 10% валовых затрат на производство продукции и существенно на сделанные выводы никак не влияет. Т.е. если даже взять мало на 10% дороже (чтобы заместить эти субсидии более высокой продажной ценой), то ничего принципиально в выводах не меняется. Энергия биотоплива всё равно остаётся в 4 раза дешевле энергии даваемой сетью с большим количеством нестабильных ВИЭ.

ас послушаешь так ДВС и ТЭЦ вообще вредительские изобретения. Берут кучу тепла и превращают в два-пять раз меньше ровно такой же по ценности энергии.

У каждой формы энергии есть своя область применения и преобразование форм энергии обычно сопровождается заметными её потерями. Однако это никак не меняет обстоятельство, что энергия биотоплива в разы дешевле энергии даваемой сетью с большим количеством нестабильных ВИЭ. Что в свою очередь вызывает определенные вопросы к оценки EROEI того и другого.

[AlexAV]

Азотные удобрения.

Что-то не сходится. Т.е. на 1 га нужно порядка 100 кг связанного азота в год, для их получения в свою очередь около 70 м3 метана (метан - самая термодинамически стабильная форма не окисленного углерода в системе органическое вещество-вода-углекислый газ,  соответственно в него можно перевести любую органику, кроме совсем уж несъедобной, вроде лигнина, а это делает производство аммиака через водород из метана довольно хорошо согласованным с сельским хозяйством) и 50 кВтч электричества. Минимальный сбор сухой массы, покрывающей эти энергетически затраты составляет что-то около 1.6 ц/га. Урожайность большинства растений на много выше. Т.е. даже при сборе 20 центнеров сухой массы с гектара (что опять же далеко не рекордные значения) на производство азотных удобрений будет уходить менее 10% производимой энергии биотоплива.   

Азотные удобрения получаются очень значительной частью затрат при производстве биотоплива, но говорить, что они превращают эту деятельность в мартышкин труд тоже не получается.

[AlexAV]

Интересно, если, как говорят, метеорит упал где-то возле Юкатанского около 66 млн. лет назад, вызвав  столб пыли и, как следствие, массовое похолодание, от которого погибли все динозавры

Такие события дают только очень краткосрочные климатические колебания, масштаба нескольких десятилетий. На долгосрочное состояние климата они вообще никак не сказываются. Собственно их вообще в геологической летописи из-за краткосрочности заметить сложно, так как длительность периода этого похолодания обычно имеет масштаб нескольких десятилетий, а временное разрешение реконструкции палеоусловий, включая климатические, даже при удачном стечении обстоятельств практически никогда не бывают лучше 1000 лет (а обычно даже временное разрешение в 10000 лет - считается хорошим результатом).

то почему тогда на графике температура продолжала расти ещё 16 млн.лет, вплоть до 50 млн.лет тому назад

В плане климата радикальных отличий палеоцена и эоцена от мезозоя нет вообще. Т.е. смена биоты К-Т границе произошла без существенной смены климатических условий (что, кстати, рассматривается как один из аргументов в пользу катастрофической, астероидной, гипотезы его причины). Климатический мезозой по сути закончился только на границе эоцена и олигоцена ~34 млн. лет назад. Почему это произошло - однозначного мнения нет, наиболее вероятно, что из-за снижения тектонической активности планеты и, как следствие, вызванным этим снижением концентрации CO2 в атмосфере.

[AlexAV]

Ага и во всех странах с таким количестом ВИЭ цены одинаковые или резко меняются от стране у стране?

Вообще побережье Балтийского и Северного моря имеют довольно благоприятные условия для ветроэнергетики. Если даже там она вылетает в такие ценники для конечного потребителя, то во внутри континентальных районах (где ветры на много слабее и менее стабильны, а эффективность ветрогенерации пропорциональна кубу скорости ветра) - это вообще будет мартышкин труд.

По-хорошему, для корректной оценки EROEI у ВИЭ нужно обсчитывать комплекс на ВИЭ+аккумуляторах, гарантирующий непрерывную подачу более-менее стабильной электрической мощности.

Полностью согласен. Рассматривать стоимость электроэнергии без стоимости поддержания электросетей и мер по обеспечению стабильности их работы (особенно дорогостоящих при при наличии нестабильных источников генерации) - просто профанация. На самом деле высокая стоимость всей этой системы доставки электроэнергии для потребителя (без которой электроэнергетика невозможна) часто в разы повышает стоимость энергии у конечного потребителя по сравнению со стоимостью электроэнергии на шине электростанции. А интересовать нас должна именно стоимость энергии для потребителя и ни что иное.