Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Годовое возобновление торфа - 260...280 млн.тонн http://postnauka.ru/video/35065

А это много? 100 млн. т.н.э. Современное потребление России - 622 млн. т.н.э. углеводородного топлива. Менее 1/6 текущих потребностей. Ну и кроме Россия - страна с огромной территорией и очень небольшим населением. В большинстве других стран (кроме пожалуй Канады и Бразилии) картина будет ещё печальнее.

[AlexAV]

так уже шла речь о том, что Россия по сути единственная страна с заметным населением, где возобновляемой органики в природе достаточно. правда сколько именно из названной цифры можно взять, учитывая ещё и то, что прежде чем в топку кидать надо где-то сушить...

Такая проблема тоже есть. Т.е. большая часть этих ресурсов - болотистая западная Сибирь, причём больше её север. Где почти никто не живёт и непонятно как этот торф добывать и вывозить в районы в которых он будет востребован. Хотя в целом Россия ещё в относительно хорошем положение. Что-то может дать торф, что-то лес, что-то гидроэнергия, ну если ещё немного затянуть пояса и отказаться от откровенных излишеств вроде личного автомобиля - вероятно что-то и срастётся.

А вообще самый распространённый энергетический ресурс на планете - различные биомасса. Другой вопрос не очень понятно как её брать. Ресурс рассеянный, не транспортабельный и кроме того как правило очень влажный в исходном виде (а сушка больших объёмов вообще говоря проблема). Вероятно можно попробовать через метанофикацию  с последующей конверсией в метанол (сам метан от малых установок ресурс тоже не очень транпортабельный и удобоваримый, вот метанол или ДМЭ уже совсем другое дело) на установках малой мощности (то есть на месте, рядом с газгольдером без дальней транспортировки газа). Но здесь тоже надо экономику этого процесса внимательно изучать...

Собственно мне кажется что облик будущего будет сильно зависеть от возможности или невозможности (с экономической точки зрения) использования бросовой биомассы в энергетике и химии.

типа того, что ГЭС выбрасывает из-за накопления осадков в водохранилище (на сколько они сокращаются ниже по течению никто конечно не смотрит) заветного углекислого газа больше чем ТЭЦ той же мощности...

Э... Это вообще как получается? Вроде на дне водоёмов всегда накапливается богатый органикой ил. В этом процессе углекислый газ может только расходоваться, но никак не появляться.

стало быть только лошадки остаются?

Вообще удивительно, но собственно с/х техника потребляет не очень много топлива. Скажем по России вся с/х отрасль использует только 4,2 млн.т. нефтепродуктов (это при том, что вся экономика в сумме - 622 млн. т.н.э. ископаемого топлива). Такой объём можно уж откуда-то взять...

Простейший в техническом плане вариант -  газогенератор (т.е. ДВС питающийся газом от газогенератора). Может потреблять любую сухую биомассу непосредственно. На самом деле даже той соломы которая остаётся после уборки урожая хватит с избытком чтобы это поле обработать. Исторический опыт использования таких систем в 30-х-50-х был, причём достаточно успешный. Хуже чем нефтепродукты, но всё равно вполне приемлемо.

Поэтому на счёт лошади не уверен...

Вот что делать с промышленностью (и особенно металлургией) - вопрос куда более сложный.

[AlexAV]

На малой мощности - да. Когда нужна большая мощность - увы.

Скорее это следствие того, что обычно использовались стандартные бензиновые моторы того периода с минимальной переделкой.

А по своим характеристикам генераторный газ как топливо отличается от бензина. Прежде всего очень высоким октановым числом, низкая калорийность и различием во взаимодействие топлива со смазочными материалами. И нельзя сделать двигатель который работал бы на газе и бензине одинаково эффективно. Главное здесь пожалуй относительно небольшая степень компрессии в двигателях 40-х-50-х как из-за материаловедческих проблем, так и из-за необходимости сохранять совместимость с бензином (тогда сплошь низкокачественным), что для низкокалорийного но высокооктанового газа совсем плохо. Поэтому низкую удельную мощность здесь в большей степени является следствием необходимости сохранения совместимости с обычным топливом, чем принципиальной проблемой. Кроме того даже тогда разрыв был не таким уж большим, т.е. где-то 30%.

Из принципиальных проблем газогенераторного двигателя наиболее неприятны две:
- Пыль в топливном газе (что очень неблагоприятно сказывается на износе двигателя)
- Необходимость охлаждать газ перед использованием. Для маломощных двигателей это не так сложно, но вот для мощных, с большим потреблением топлива,  это начинает становиться серьёзной проблемой.

P.S. Но вообще я скорее за вариант переработки бросовой биомассы во что-то удобоваримое. Скорее метанол или ДМЭ (они синтезируются почти одинаково, отличается только подбор катализаторов). Идеальный вариантом конечно была бы цепочка: сырая биомасса - метан (через метановое брожение) - метанол (через прямое окисление), но здесь до сих пор есть сложности с достаточно селективным катализатором прямого окисления (т.е. осуществляющем реакцию 2СH4+O2 = 2 CH3OH).

[AlexAV]

только забыли указать что кпд процессов ну неприлично низкий.   учитывая что метаногнеза археолога с примитивным метаболизм предположу что таки в районе 20% от энергии

Да не такой уж и низкий.



Около 200 м3 чистого метана с тонны соломы злаковых (для более богатых легко перерабатываемыми веществами растений до 400 м3). КПД трансформации около 40-50% для соломы злаковых (и до 80% для более удобоваримых растений) на практике получается.  Да и растения растут сами, без наших особых усилий. Это не солнечные батареи, которые надо изготавливать и монтировать.

Куда важнее выход с гектара площади. А он не так уж и низок. Если использовать кукурузную зелёную массу, то получится около 6000 м3 чистого метана с гектара. Если конвертировать в метанол с выходом 70%, то получится 8,4 тонны с га.  Это намного превышает количество топлива, необходимое для обработки этой площади (около 80 литров нефтепродуктов на га = 140 л. метанола).
 

[AlexAV]

Дык это че здесь пропитано газификация твердого топлива или прцессы метаногенеза археями....

Выше я речь вёл исключительно о метаногенезе архей.

то есть нужна предварительная ферментация другими микрооорганизмами...уже этот процесс малоффектиыен.

Он малоэффективен для бактерий. Что нам не слишком интересно. А вот доля углерода переходящего в метан может быть достаточно высока.

Идеальный метаногенез описывается приблизительно приблизительно так:

C6H12O6 = 3CH3COOH (усилиями С. thermoaceticum)
CH3COOH = CH4 + CO2 (археями)

Теоретический коэффициент конверсии энергии биомассы в метан в этом процессе 94%. Практический конечно меньше.

P.S. Плюс метанового брожения биомассы перед термической газификацией - в отсутствии необходимости предварительной сушки. Т.е. возможность использовать биомассу в естественном виде. А сушка либо делает процесс слишком погодозависимым (если естественная), либо требует очень много энергии.

[AlexAV]

Пашни занимают 70% площади области http://www.tourist36.ru/region/geography , т.е. 36,7 тыс.км2.

Это ничего принципиально не меняет.

Например, у рассмотренного мною в предыдущем примере 5-корпусного плуга ширина захвата - 2,1 метра

Т.е. мы всё же говором о стандартном плуге шириной 2,1 метр, а не о гиганте на 120. Хорошо.

А с чего Вы взяли, что электродвигатель должен быть стационарным?

   

Э… Двигатель на 400 кВт с усилием 134 т.с. – точно никуда не поедет. На 6 кВт и 2 тс – тоже будет многотонной конструкцией (соизмеримой с соответствующим трактором), но ещё подвижной. При этом конечно проблема розетки от этого никуда не исчезает. Всего лишь перешла в категорию "по собственной трансформаторной станции у каждого поля."

- на одной стороне поля ставится маленький трактор с 8-сильным движком и лебёдкой,
- на другой стороне поля ставится другой трактор, совсем слабенький - просто "якорь",
- между тракторами протянут замкнутый трос (примерно как на канатной дороге), к тросу присоединяется плуг,
- плуг, влекомый тросом, движется от первого трактора ко второму ("якорю"), там он разворачивается (вернее, переворачивается, как обычный оборотный плуг) и по соседней полоске идёт обратно, обрабатывая её.

Итого там где сейчас используется один трактор с одним водителем вам нужно два с двумя. Причём система получается с исключительно низкой скоростью обработки земли и как следствие с низкой производительностью труда (оператор от трактора всё равно деться никуда не может, даже если плуг по лебёдке сам ползёт). Такой подход называется “создай себе максимум проблем”. Т.е.
- Производительность на каждую единицу техники снижается
- Количество необходимых резко растёт, что влечёт рост расходов на их обслуживание
-Производительность труда резко падает (т.е. для той же работы надо занять куда больше людей)

А вот хоть каких-то плюсов не видно напрочь. И это называется хорошим решением?

А если двигатель внешнего сгорания не движется, а стоит на краю поля и тянет трос, то этого недостатка более не существует, зато остаются достоинства - простота, дешевизна, распространённость топлива.

Это иллюзия простоты. Вместо одного трактора у вас две специализированные машины с двумя операторами и дополнительным сложным лебёдочным приводом. Система с очевидностью более капризная, менее надёжная и более дорогая. Кроме того, куда более капризная к условиям работы (представьте, что через ваше поле проходит ЛЭП и в какое бедствие для лебёдочной системы превратятся столбы). Это дороже, трудозатратнее и менее производительно чем традиционные решения.

Если уж очень нужен двигатель внешнего сгорания, то тут надо смотреть на стирлинги высокого давления или водно-аммиачную машину. Они дают сравнительно хорошие показатели удельной мощности (на стирлингах высокого давления даже автомобильные двигатели пытались делать). Хуже ДВС, но в пределах разумного. И делать нормальный трактор, а не всякие эрзац-решения.

Если взять 22-сильные лебёдки, со скоростью движения 5,6-метрового плуга, равной 0,3 м/с, получается производительность лебёдки = 0,6 га/час.

Ага. А у нормального трактора производительность 4 га/час (http://www.belarus-tractor.com/catalog/aggregation/plough-po-9-30-45/). Т.е. в 7 раз больше. Т.е.

Если учесть, что каждая лебёдка работает 2 часа без участия человека, то один человек может обслуживать 4...6 лебёдок

И будут давать на выходе как раза в полтора меньше нормального (даже если не учитывать что цифра по количеству необходимых операторов сильно занижена). Зато на обслуживание 8-12 машин потребуется количество людей соответственно 8-12 раз больше, чем для обслуживания одной (а учитывая что в этом обслуживании и сейчас занято в разы больше людей, чем управляют этим трактором…). Т.е. чистый минус получается, плюсов как-то вообще не видно.

P.S. Трактор машина довольно универсальная и далеко не все из этих 14 тыс. используются для вспашки.

[AlexAV]

Потребная мощность при скорости 0,3 м/с получается = 20000*0,3= 6000 Вт = 8,16 л.с.

Скорость трактора при вспашке до 8-12 км/ч (2,2-3,3 м/с), т.е. практически в 10 раз больше (соответственно и производительность должна быть во столько же раз больше по сравнению с этой эрзац-системой). Отсюда и такая разность в мощности.

[AlexAV]

Да, если трактор пашет со скоростью 3 м/с (хотя с такой скоростью никто не пашет, кроме как на супесчаных почвах), то тем же плугом он в час вспашет в 10 раз больше, чем лебёдка, которая тащит плуг со скоростью 0.3 км/ч. Н

Так никто в здравом уме на тракторе со скоростью 0,3 м/с на тракторе пахать и не будет. Это просто неэффективное использование техники.

Можно было бы с такой скоростью пахать и лебёдкой, если лебёдка будет иметь ту же мощность.

Можно. Но получится такая же как у трактора мощность, при диком усложнение системы. Оно вообще надо?

Но для этого трактору нужно обладать мощностью, превышающей мощность лебёдки в несколько десятков раз.

Вы сравниваете реальный трактор с КПД (превращения энергии вращения вала двигателя в работу) 60% - 80%. С идеальной лебёдкой, которой вы приписали 100% КПД. А такого не будет. Ваш привод должен будет преобразовывать момент вращения двигателя в момент вращения катушки с лебедкой где-то в соотношение 1:800 (момент силы создаваемый асинхронным двигателем 7,5кВт около 25 Нм (http://www.wocar.ru/index.php?mod=drv&uitxt=401)). Для сравнение у трактора только около 1:40. Здесь скорее всего потребуется гидродинамический привод. Это КПД на уровне тех же 70%. Ну и КПД электродвигателя на уровне 80%. Итоговый около 0,6. Т.е. получится ровно такая же мощность как и для тракторного двигателя.   

что для такого плуга нужен трактор пятого тягового класса с двигателем в 350 л.с.

Там рекомендуют такой агрегат (http://www.belarus-tractor.com/catalog/belarus-3022dv/belarus-3022-2/) - это 303 л.с. = 223 кВт номинальной мощности. Кстати если тяга 5тс, а скорость 12 км/ч, то полезная мощность будет 167 кВт, и КПД преобразования энергии вала двигателя 75%. Т.е. ничего вы лебёдкой не сэкономите. Что бы тянуть этот плуг с этой же скоростью вам потребуется электродвигатель на те же 223 кВт. Чудес не бывает.

P.S. Довольно интересно что для такого привода паровой двигатель действительно может весьма неплохо подойти.  Он по своей природе оптимален для работы в системах с малой скоростью (вплоть до герц и менее, причём чем меньше тем легче добиться высокого КПД) и большим усилием. Это позволяет в принципе создать двигатель работающий прямо на вал без промежуточной системы передачи мощности. Правда сложность, не универсальность и трудозатратратность такой системы это никак не отменяет.

[AlexAV]

Надо разделить вопросы привода плуга (трактор едет вместе с плугом или трактор стоит на краю поля и тащит плуг лебёдкой) и вопросы автоматизации работы тракториста.

Они связаны. У вас появляется лишняя машина и дополнительная трудозатратная и плохо автоматизируемая операция - монтаж лёбёдочной системы в поле. Но основная проблема конечно не в этом. Число трактористов давно уже ничтожно по сравнению с числом людей нужных для его обслуживание. А здесь у Вас полный провал. Обслуживать 20 машин и 10 плугов будет на порядок более трудозатратно чем одну мощную машину и один плуг. Ну и капитальные затраты на приобретение техники тоже резко увеличиваются. Одна мощная машина стоит меньше чем две с половинной мощностью. А уж когда вы заменяете одну 20-ю...

Давайте, сделайте на паровой или даже газогенераторной тяге такой трактор - получится тяжеленный монстр, который будет не только портить почву, повреждая её своими колёсами, но и тратить много энергии на собственные перемещения.

Ну так не надо этого делать. Берите нормальный трактор и переводите двигатель на что-то ДМЭ/метанол/аммиак/метилформиат (перечислил самые легко синтезируемые виды синтетического топлива) и т.д. Если синтез будет дешевле 2$/кг н.э. То никакие альтернативы и близко не будут лежать по эффективности. 

[AlexAV]

Электролебёдка 4,5 кВт, тяговое усилие - 5,5 тонн, цена 47 т.р., масса 45 кг.
http://tooler.ru/stroiteljnaya-technika/gruzopod-mnaya-technika/elektrolebedka-na-avtomobilj-s-kevlarovym-trosom-sorokin-5-5t.html?

Ага, система с низкоскоростным электродвигателем с большим моментом. Лёгкая, но КПД весьма низкий. На уровне 50%. Кроме того третий закон ньютона никто не отменял и в любом случае нужна тяжёлая станина, соизмеримая по массе с трактором (максимальное усилие последнего кстати ограничивается не столько двигателем, сколько сцеплением с грунтом).

P.S. У той системы на которую Вы указали параметры подробно не расписаны. Но вот похожая (http://www.soliton-saratov.ru/ermak.htm).

[AlexAV]

Теперь вообразите себе паровой трактор мощностью 303 л.с. 

Вы мне приписываете чужие мысли. Делать паровой трактор я нигде не предлагал. Максимум стирлинг высокого давления и аммично-паровую машину. И то это далеко не идеал.

Есть ещё вариант - газогенератор. Но тоже не ахти - 45 л.с. при собственном весе под 6 тонн:

На год посмотрите. Здесь проблема не в газогенераторе, а в том, что тогда приличные ДВС ещё не умели делать.

Вот обычный того же периода СХТЗ - НАТИ http://www.avtomash.ru/katalog/histori/muzei_t/cxtznati.htm . Мощность 52 л.с. масса  - 5100 кг. Различие с тем, что вы привели - не радикальные (45 л.с. и 5850 кг), т.е. удельная мощность у первого 10 л.с./т, а у второго 7,7 л.с./т.

Для сравнения у современного трактора 22 л.с./т (http://www.belarus-tractor.com/catalog/belarus-3022dv/belarus-3022-2/).  В два раза больше чем тогда.  Газогенератор тут причём? Просто следствие прогресса в двигателестроение.

[AlexAV]

Всё-таки смущаюсь я тут... Дело в том, что сейчас всё это синтезируется из природного газа. Если у нас есть газ, может стоит пропустить стадию синтеза ?
http://sdelanounas.ru/blogs/32763/

Вообще совершенно согласен. Синтетику из биомассы я скорее рассматриваю как универсальное топливо для экономики в целом. Метан здесь плох тем что его уж очень от мелких производителей его транспортировать сложно.

А если мы рассматриваем локальное потребление. Т.е. посёлок + окружающие поля. По возится с синтетикой для внутреннего потребления смысла вообще никакого похоже нет. Метан сам по себе вполне нормальное топливо для двигателя. И обращение с ним вполне отработано (для маломощной техники газобаллонное оборудование, для мощной скорее больше пойдёт дьюара с LNG).

Тогда совсем просто. Метантенк, где перерабатываем весь ненужный органический мусор. Система отделения метана от углекислого газа (при избытке воды и отсутствии экологической опасности можно работать просто на разности растворимости в воде, получится дёшево и с очень низкими энергозатратами). Далее компрессор для сжатия и/или установка по сжижению. Всё в принципе разумно по цене.

[AlexAV]

Метан здесь плох тем что его уж очень от мелких производителей его транспортировать сложно.

Хотя... Если LNG, то не так уж и сложно. Транспортировка сжиженных газов- процесс вполне отработанный. Дороже чем нормальные жидкости (требуется не просто бочка, а специальная дьюара), но в пределах разумного. Это всё же будут не сотни тысяч километров трубопроводов малого диаметра и низкого давления, что было бы точно не очень хорошо.

[AlexAV]

Некоторые экономические параметры сжижения метана на установках малой производительности: http://www.ekip-projects.ru/1/1-5t-spg.shtml

[AlexAV]

А хватит ли?

Давайте оценим. Расход топлива в сельском хозяйстве России в 2010 году: 67.8 кг/га дизельного топлива и 16 кг/га автомобильного бензина (сюда входят все расходы, т.е. вспашка, посадка, уборка, транспортировка и т.д., т.е. всё за год). В сумме 83,8 кг/га.

Рассмотрим пшеничное поле. Соотношение массы зерна и массы соломы для пшеницы около 1:1.5. Урожайность пшеницы около 40 ц/га. Итого у нас остаётся 60 ц/га соломы. При метанофикации пшеничной соломы выход биогаза около 250 м3/т при содержание метана 60%.

Т.е. с гектара площади пшеницы мы получим около 900 м3 метана = 643 кг (просто в качестве добавочного продукта, не занимая дополнительных площадей под специальные культуры). На его сжижение уйдёт 431 кВтч (0,67 кВтч/кг) электроэнергии. Если её получать из того же метана с помощью газопоршневой машины с расходом 0,25м3/кВтч электричества, то это потребует 100 м3 газа. Т.е. в итоге мы получим около 800 м3 = 571 кг LNG чистого. 1 кг LNG но содержанию энергии равен 1,25 л диз. топлива. Т.е. в эквиваленте получилось 714 кг диз. топлива.  Выход топлива с гектара пшеничного поля (как дополнительного продукта к зерну) в 8,5 раз превосходит прямые затраты топлива на обработку участка.

Вывод - хватит. И ещё товарный продукт после этого останется.

[AlexAV]

По идее, должно хватить на выработку электроэнергии для самого себя (см.выше).

Хватает. Современные газопоршневые генераторы потребляют около 0,25 м3/кВтч (скажем что-то вроде  этого). Это потребует использовать лишь около 12% сживаемого газа. Это разумные потери.

[AlexAV]

P.S. Что-то странное - каждый человек, получается, даёт 2,83 литра диз.топлива в сутки.
Не верю! (С)

Просто видимо бытовые стоки по нормативу значительно более жидкие, чем те из которых получается 12 м3 газа /м3. Здесь не объём важен, а масса органического вещества в этом объёме. Наличие ванны в квартире здесь почти ничего не добавит, а вот валовый объём увеличит сильно.

[AlexAV]

а куда девают такую массу соломы сейчас?

Большую часть запахивают в почву.

[AlexAV]

Получается, "они все идиоты" ?

Нет. Совершенно не идиоты.

Просто все это требует больших капитальных затрат (установки по производству, переоборудование техники и т.д.). А реальная отдача от этого - это разность рыночной стоимости дизельного топлива и себестоимости топлива произведённого таким образом. А эти величины даже в самом благоприятном случае сейчас отличаются мало, т.е. произвести сильно дешевле чем цена нефтяного топлива не выходит. В результате срок окупаемости вложений уходит куда-то в бесконечность. А если ещё учесть ставку дисконтирования, то проект вообще получится убыточным.

Просто при текущей цене на нефть и топливо - невыгодно.

[AlexAV]

И на сколько он покрывает текущее потребление?

Мировое производство зерновых 2,5 млрд. т.. Если пренебречь различием между различными типами злаковых и оценивать по тому что получилось для пшеницы, то на 1 т зерна попутно из соломы получается 0,14 т NGL. Соответственно 350 млн.т. NGL или 440 млн.т. нефтяного эквивалента (метан имеет теплоту сгорания около 50,1 МДж/кг, нефть около 40 МДж/кг). Мировое потребление ископаемого топлива 10852 млн.т. н.э. Таким образом без отведения дополнительных площадей под специальные энергетические культуры около 4% текущего мирового потребления.

Собственно в чём и проблема (как и в случае ГЭС и ПЭС). Хорошо... Но мало (но на самообеспечение с/х техники хватит).