Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Если мы таки договорились, что пару миллионов тонн титана в год для нас доступны пусть и в виде побочного продукта, то значит будет доступно и некоторое количество циркония.

С циркониевыми сплавами главная проблема не в цирконии (элемент не самый редкий и, главное, химически очень похож на торий, довольно сложно представить метод выделения тория из породы, который одновременно не извлекал бы цирконий, причём в значительно больших количествах, чем сам торий, всё же кларк циркония существенно выше), а лигатуры к нему, без которых сфера его применения будет весьма ограниченной (чисты цирконий имеет неудовлетворительную прочность и ползучесть при типовых температурах в реакторе). Прежде всего ниобий, а это уже проблема куда более серьёзная.

Титан тут привлекателен тем, что сплавы с вполне приемлемыми свойствами можно получать легируя его лишь алюминием.

[AlexAV]

Алюминий и магний в реакторе очень нежелательны, изза небольшой но неприятной возможности образования алюминия-26, с большим периодом полураспада и горячими гамма-квантами
https://ru.wikipedia.org/wiki/Алюминий-26

Единственный канал образования алюминия-26 в реакторе - пороговая реакция ²⁷Al(n,2n)²⁶Al. Порог этой реакции очень большой, около 13.058 МэВ. Нейтронов такой энергии даже в делительном спектре мало (около 0.5%), а в спектре реактора на тепловых нейтронах, который на много мягче, вообще практически нет. Соответственно наработка этого изотопа в  реакторе с тепловым спектром ничтожно мала. На фоне наработки осколков деления активности ничтожного количества ²⁶Al вообще и не видно особо. Понятно, что из облученного в реакторе алюминия ложки и кастрюли делать лучше не надо, но в целом роль наработки Al-26 в общем производстве долгоживущих радиоактивных изотопов ничтожно мала даже в реакторах с дисперсным топливом в алюминиевой матрице, где условия для наработки этого изотопа самые благоприятные из возможных. Попросту спектр нейтронов деления слишком мягкий для эффективной наработки алюминия-26.

Алюминия-26 - это скорее проблема не ядерных реакторов деления, а термоядерных и гибридных реакторов, где имеет место большой поток нейтронов с энергией 14.1 МэВ, превышающей порог реакции ²⁷Al(n,2n)²⁶Al. Вот там это действительно серьёзная проблема. Особенно для всяких проектов систем, использующих Z-пинчи, типа MagLIF, вот там, если реактор их использующий когда-либо будет создан, действительно будут возникать килотонны облученного алюминия с высоким содержанием алюминия-26. А для классического тяжеловодника с мягких тепловым спектром нейтронов наработка алюминия-26 особой проблемой не является даже при широком использовании алюминия в ТВЭЛах и оснастке реактора.

Магний при облучении вообще долгоживущих радиоактивных изотопов не даёт.

[AlexAV]

В водо-водянных реакторах температуру в первом контуре сильно выше 320 С не подымешь.

Соль в принципе можно подобрать с температурой плавления несколько больше 100 градусов. Например, рабочий интервал для соли- теплоносителя на основе смеси Ca(NO3)2 - NaNO3 - KNO3 составляет диапазон 140 - 460 градусов (ниже замерзает, выше - разлагается), что в общем неплохо согласовано с рабочей температурой реакторов с водяным охлаждением.



(отсюда https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/016516339090042Y )

[AlexAV]

Себестоимость добычи не константа, и так же может менятся например при развитии технологий.

Действительно не константа. Она по мере исчерпания наиболее легкодоступных месторождений для любого невозобновляемого ресурса всегда растёт.

Никто досих пор не парился с нормальной добычей лития, слишком мало его было всем нужно.

Вообще-то литий применяется не только в батарейках и добывают в промышленных масштабах его уже давно. Технология его добычи уже достаточно зрелая и никаких принципиальных инноваций тут не ожидается (существует пять основных основных подходов к его извлечению и, может за исключением мембранных методов, что там можно придумать нового вообще не понятно). А вот качество месторождений будет непрерывно ухудшаться.

P.S. Из пяти основных подходов к извлечению лития какой-то потенциал для заметного прогресса от сегодняшнего состояния, вероятно есть только у методов основанных на электродиализе через жидкие мембраны. Там химия веществ, которые могут применяться для создания селективно-проницаемых барьеров достаточно богатая и не не до конца исследованная. По остальным направлениям появление чего-то существенно нового и пригодного для многотоннажного извлечения лития выглядит не очень вероятным.

[AlexAV]

которая сейчас составляет $11,5 тыс. за тонну, опустится ниже $10 тыс. за тонну к концу 2019 года и $7,2 тыс. за тонну к 2025 году.

Какая-то тухлая аналитика. Уже сейчас цена раза в два выше их прогноза.

А этот способ конкурирует с химическими батарейками которые быстро дешевеют и совершенствуются.

То что делают тут сейчас - тупиковый путь. Довольно нелепая попытка пристроить электрохимические системы исходно найденные (и во многом оптимальные) для питания портативной электроники в большой энергетике. Литиевые аккумуляторы для промышленного накопления энергии заведомо не годятся. Попросту для этого литий на планету не завезли.

Перспективы создания разумных электрохимических накопителей энергии для промышленности существуют, но эти перспективы не имеют никакого отношения к батарейкам Маска. Тут наибольшие перспективы у всяких проточных Red/Ox элементов на основе органических сопряженных соединений (хиноны, антрахиноны, производные никотинамида и т.д., потенциально пригодных соединений тут сотни), хелатных комплексов железа и марганца и ферроценов. Эвтектика калий-натрий в качестве анодного материала тут тоже весьма интересна, но ни в коем случае не литий. Вообще в этой области использование дефицитных материалов (из-за потребности в накоплении гигантских объёмов энергии) - очень чувствительный вопрос. По хорошему перспективная система для этой области вообще ничего более редкого, чем марганец, содержать не должна. А вот требований по удельной ёмкости тут по сути нет, для стационарного накопителя это вообще не важно.

[AlexAV]

Кстати кларк ниобия в осадочных породах лишь в 10 раз меньше кларка циркония. Конечно в качестве побочного продукта его можно будет получить в весьма мизерных количествах, но для такой задачи как сплавы циркония (где его надо лишь пару процентов) для ядерной техники должно хватить.

Тут проблема в том, что не очень понятно как его вообще получать. Пятивалентный ниобий в водный раствор перевести крайне сложно. В кислотах в отсутствии ионов фтора он вообще толком не растворяется. А использовать для выщелачивания плавиковую кислоту (и смеси её содержащие) по многим причинам неприемлемо (и из-за дефицитности, и из-за токсичности).

[AlexAV]

Главной проблемой электроэнергетики все прошлые многие десятилетия - значительное превышение дневного потребления над ночным. До некоторого предела СЭС в этом плане значительно балансируют энергосистему.

До тех пор, пока установленная мощность СЭС в сети меньше разницы потребления мощности между дневным максимумом и ночным минимумом. Например для оэс Цент в России это около 7 ГВт при среднесуточном потреблении около 28 ГВт. С учётом типового КИУМ (связанного с нерегулярным поступлением солнечной энергии) СЭС около 12% это значит, что полезную стабилизирующую роль СЭС будет выполнять при её доле в общей генерации около  3%. В этом случае она действительно будет снижать нагрузку на маневровые мощности во время дневного пика. При превышении этого предела СЭС работу сети наоборот будет дестабилизировать, снижая уровень базовой нагрузки и вызывая потребность в увеличении количества маневровых мощностей.

В общем при доле солнца в общей генерации на уровне 3% (если ориентироваться на на цифры оэс Цент в России) СЭС будет сокращать нагрузку на маневровые мощности и будет скорее полезна для сети. При доле генерации более 3% - вредной, снижая нагрузку на дешёвую базовую генерацию и увеличивая потребности в дорогой маневровой.

[AlexAV]

То то по всему миру бизнес химических накопителей растёт как на дрожах, просто не понимают все. Что в США, Японии,Австралии,Китае и прочих.

Ну иллюзий относительно способности хоть что-то прогнозировать за пределами следующего годового отсчёта у современных эффективных менеджеров я уже давно не питаю.

Всего год назад товарищи были свято убеждены в бесконечном почти бесплатном газе. А сегодня местами до остановки производств и веерных отключений доходит (причём даже в Китае, где с планированием чуть лучше, чем в других местах). С литием тоже самое.

А потом опять рухнет когда чуть добычу поднимут.

Чтобы поднять добычу - нужно ввести в эксплуатацию новые месторождения. А они на планете имеются в весьма конечном количестве (пока ещё резерв тут есть, но при таких темпах - не на долго). А когда месторождений нет - добыча не поднимается при абсолютно произвольной цене.

[AlexAV]

Допустим, так. Но остальные 70% надо брать откуда-то ещё.

30% - для солнца без аккумуляции не реалистично много. В этом случае на летнем полуденном пике в ясную погоду часть энергии вообще потреблять будет некому, ну и на работу базовой генерации такой объём СЭС с их пилой будет влиять самым негативным образом. Полезный эффект СЭС на работу сети исчерпывается где-то 3% от общей годовой генерации.

Хотя в пределах этих 3% СЭС действительно могут быть полезны для снижения потребления топлива маневровыми мощностями.

[AlexAV]

Это вы посчитали где СЭС в пик дают свои 100% заявленной мощности по всей энергосистеме, а КИУМ при учете облачности и сезона за весь год.

Правильно. Верхний предел мощности СЭС при котором она будет приносить пользу, а не мешать работе базовой генерации - разница между дневным максимум потребления и ночным минимумом потребления при наиболее благоприятных погодных условиях (т.е. в полдень ясным летним днём СЭС не должна выдавать в сеть больше этой величины). Эта мощность близка к формальной номинальной мощности. Т.е. в случае примера оэс Цент верхний предел мощности СЭС, сглаживающих дневной пик, но не мешающих работе базовой генерации - 7 ГВт номинала. А когда мы считаем долю в общегодовой генерации - нужно учитывать среднегодовую мощность этих 7 ГВт номинала. С учётом типичного КИУМ обусловленного  нерегулярностью поступления солнечного излучения в 12% получается 0.84 ГВт среднегодвоой, при общей среднегодовой 28 ГВт, откуда и доля в общей генерации.

Если генерация СЭС в летний ясный полдень больше разницы между дневным пиком потребления и ночным минимумом это будет заставлять в эти моменты глушить базовые мощности генерации, что крайне не хорошо, так как снижает эффективность их использования и сильно повышает износ (или отключать сами СЭС снижая их КИУМ, причём сильно, так как вблизи таких пиков большая часть их генерации и будет осуществляться, что тоже не хорошо). Тут уже вреда от такой солнечной генерации будет больше, чем пользы.

[AlexAV]

Абсолютная формальная номинальная мощность не будет ни в какой ясный летний день,

По определению формальная солнечная мощность солнечной батареи - это мощность при потоке солнечного излучения 1000 Вт/м2, падающей перпендикулярно поверхности батареи. В летний полдень в ясную погоду при правильной установки солнечной батареи генерируемая солнечной батареей мощность довольно близка к этой величине.

[AlexAV]

По мне литий просто не искали ещё нормально.

Существует два типа месторождений дешевого лития. Рапы солёных озер и минералы редкометальных пегматитов. Озера сейчас разведаны практически полностью. С момента появления спутниковой съёмки на планяете по очевидной причине не открыто не одного нового озера. Так что эту часть запасов можно считать разведали полностью (может в каких-то озерах до сих пор не измерили минеральный состав воды, но это уже мелочи).

Редкометалльные пегматиты искали и ищут очень тщательно в связи с тем, что к нему приурочены месторождения целого ряда дефицитных видов сырья. Скажем, ниобия, бериллия, тантала. Заодно и литий картографируют. Тут тоже каких-то крупных открытий ожидать сложно. Искали давно и тщательно и всё более-менее очевидное уже нашли.

До некоторой степени недоразведаны подземные запасы литий-содержащих минеральных вод (которые сейчас практически без исключения относятся к некондиционным). Но там качество запасов в основном ужасное. Это уже не очень дешевый литий, для массового использования такого источника нужна уже радикально иная цена лития (а тут запас для подорожания не такой уж большой, сейчас карбонат лития стоит около 19 $/кг, а при цене более 100 $/кг литиевые аккумуляторы нигде кроме портативной электроники применяться не будут, для большой энергетики это уже будет слишком дорого, да и для электромобилей тоже).

Так что нет, скорее всего дешевый литий уже разведан в значительной мере. Самый дешевый (из рапы солёных озер) уже вообще почти полностью.

[AlexAV]

Так же будут искать и новые варианты месторождений и их извлечения.

Да нет никаких других вариантов кроме перечисленной тройки рассолы соленых озер - редкометалльные пегматиты - минерализованные подземные воды (последние с большим разбросом параметров, но в большинстве случаев представляющие довольно низкокачественное сырьё). Попросту в природе не существует.

[AlexAV]

Похоже, с подшипниками беда будет посерьёзнее, чем с энергией. А они не только для ветрогенераторов нужны! А нельзя ли изобрести подшипник БЕЗ использования высоколегированных сталей и вообще редких элементов?

Какого-то очевидного варианта, кроме инструментальной углеродистой не лигированной стали, пригодных для массового применения без редких элементов по сути нет. Но подшипник из нелегированной углеродистой стали по сравнению с хромсодержащей, конечно будут тем ещё эрзацем. Надежность и долговечность любой механики упадет очень сильно.

Выпиливать шарики для подшипника из алмаза или корунда формально конечно можно, но для массовой техники это будет безумно дорого.

Проблемы будут, кстати не только с подшипниками, но вообще много где. В той же криогенной техники, все криогенные стали имеют очень высокое содержание никеля. Да вообще везде, где нужны детали, способные работать под высокими механическими нагрузками, или сталь со специальными свойствами.

[AlexAV]

А если СЭС+ВЭС?

Ну ветер без аккумуляции вообще сомнительное решения для генерации сетевой энергии. Он вообще не диспетчеризуется и генерация от него вообще никак не коррелирует с какой-либо человеческой деятельностью. Такую генерация надо на 100% резервировать маневровыми мощностями, что бы однажды в безветренную погоду вообще не оказаться без электроэнергии. Хотя, конечно, есть случаи, когда и он может быть очень к месту. Прежде всего тогда, когда у нас основная генерация сама по себе хорошо работает в маневровых режимах. Скажем ВЭС в паре с ГЭС, или ВЭС в паре с дизель-генератором в изолированных энергосистемах.  Тут её использование может быть весьма осмысленным.

Максимальная доля тут на самом деле сильно зависит от структуры всей прочей энергетики. Если много ГЭС, которые одновременно и в базовом режиме хорошо работают и роль маневровых мощностей могут выполнять, то этот процент может быть довольно большим. С газом нестабильные ВИЭ тоже хорошо комбинируются. А если ГЭС мало и газа нет, а базовая генерация не очень хорошо относится к маневровым режимам (АЭС и, например, многие типы угольных ТЭЦ, последние в маневровых режимах использовать можно, но не желательно, износ оборудования будет заметно от такого использования расти), то тут ограничения куда жестче. По хорошему  в последнем случае сумма установленной мощности СЭС и ВЭС не должна быть больше больше разности максимальной и минимальной мощности суточного потребления, так чтобы нестабильные ВИЭ сокращали нагрузку на маневровые мощности, но не оказывали негативного влияния на работу базовой генерации (оптимальное соотношение СЭС и ВЭС тут может сильно отличаться в зависимости от местного климата, одно дело если мы сидит на берегу океана в умеренном поясе, а другое - в сухой степи внутри материка, очевидно, что тут оптимальные соотношения будут отличаться очень сильно). Ну а генерация - какая получится при таком ограничении по установленной мощности и при реальных потребностях сети (если у нас ВЭС в сети, а базовая генерация атомная, то если будет ветреная ночь, хотя ВЭС в описанной ситуации и будет способна дать большую генерацию, но её просто будет некому принять, попросту по той причине, что потребление на минимуме, а глушить реакторы чтобы ВЭС работала - это весьма неразумное решение, соответственно такие факторы будут сильно снижать реальный КИУМ ВЭС по сравнению с теоретическим).

[AlexAV]

А как насчет получать оба компонента из этого замечательного соединения?

Если есть пирохлор, то извлечь из него ниобий вообще не проблема. Из относительно богатого сырья ниобий (совместно с танталом, торием и некоторыми другими элементами) извлекается из руды хлорирующих обжигом. Хлорид ниобия (V) - достаточно летучие соединение и при хлорирующем обжиге переходит в газовую фазу (вместе с другими летучими хлоридами, прежде всего хлоридом алюминия, титана, циркония, тория, тантала). От прочих летучих хлорид он потом может быть отделен перегонкой (NbCl5 имеет температуру кипения 254 С, а два самых массовых элемента с летучими хлоридами - титан и алюминий: 180 C для AlCl3 и 136 C для TiCl4).

Вопрос тут в том, где сам пирохлор брать.

Имхо самый перспективный источник ниобия - карбонатиты...

На сколько я понимаю месторождения карбонатитов сами по себе не особо большие. Типовая площадь на которой залегают такие структуры около 2.7 км2 (https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/25726838.2018.1516935). Известно их около 500. Т.е. тут скорее можно говорить об ещё одном типе месторождений ниобия, а не о квазинеисчерпаемом источнике.

[AlexAV]

С никелем, вроде как, проблем не будет, это мы выяснили. Имеет смысл даже астероид приволочь.

Ну как не будет... Технологически выковыривать никель из перидотитов технически возможно, но это будет очень существенно дороже, чем никель добываемый из современных руд. В отличии от сульфидных руд  перидотит - сырьё не обогащаемое. Придётся полностью перебарывать породу химическими методами, а это сложно, дорого и трудоёмко. Доступность никеля по сравнению с тем, что мы имеем сегодня очень сильно сократится.

Хром, кстати, можно выковыривать из тех же перидотитов, там его достаточно много (0.1% - 0.6%). Но опять же это сырьё очень бедное по сравнению с современными рудами (25% - 40%), не обогащаемое, с крайне затратной и по энергии, и по оборудованию, и по трудозатратам технологий извлечения целевой компоненты.

Никель и хром из перидотитов в каком-то количестве будут, но уже и близко не по современным ценам и не в современных количествах, приближаясь по этим показателям к положению благородным металлов сейчас. Для столь массово используемого сырья на котором держится вообще вся наша технология - это уже большая проблема.

Ну и альтернативы перидотитам как источнику никеля и хрома, способными их давать не вечно (из запасы тоже ограничены), но хотя бы субгеологический срок (десятки тысяч лет) вообще нет.

Что касается астероидов, то несмотря на то что и никель и хром там точно есть, никакого сколько-нибудь убедительного способа его добычи там со сколько-нибудь разумной себестоимостью никто не предложил. С перидотитами хоть понятно что в принципе нужно делать, а что с астероидами - не очень. 

[AlexAV]

Какой еще хром с астероидов?

Я про содержание, а не техническую возможность извлечения. Типичное содержание хрома в астероидах около 0.3%, что соизмеримо с его содержанием в перидотитах на земле и значительно выше кларка в земной коре.

[AlexAV]

Мне кажется вы ошиблись на два порядка.
К сожалению хром действительно довольно редкий элемент.

Нет, не ошибся. Типовое содержание в хондитах, в зависимости от типа,  2430 - 3780 ppm, т.е. приближенно 0.3% (цифры взяты отсюда https://pubs.usgs.gov/pp/0440b-1/report.pdf ). Хрома в веществе астероидов сравнительно много.

[AlexAV]

То не 2430, а 2.430 ppm.

Нет, 2430. В принятой там записи запись 2,430 означает 2430. Там, где имеется ввиду 2.430 и используется запись 2.430 (через точку, а не запятую). Посмотрите внимательнее другие таблицы в издании (скажем таблицу о содержании кобальта, где есть запись 440-1,260, что очевидно означает 440 - 1260, с таблицей по хрому - аналогично).

ростите, а 10/106 Si вас не смутило?

Нет, там другое написано. А именно 12,700 /10⁶ Si (для С1 хондрита), что в принятой там записи (запятая там - разделитель между тысячами и сотнями, а не между целыми и десятыми долями, для второго там в качестве разделителя используется точка) означает 12700/10⁶ Si. И эта цифра нисколько не смущает. Столько для ~3000 ppm и должно быть.