Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

У них два плуга:
- сначала трактор А тенят плуг А, а трактор Б тянет плуг Б;
- на следующем прогоне наоборот - трактор А тянет плуг Б, а трактор Б тянет плуг А.
Т.е. и трактора зря не простаивают, и плуги не совершают пустых прогонов.

Стоп. А как ваш плуг будет смещаться в направление перпендикулярном верёвке? Просто сдвинуть трактора по краям поля для этого недостаточно (смещение дальнего он вообще не заметит, а ближнего в лучшем случае развернёт его по направлению). Т.е. прицеплять к трактору, перетаскивать и отцеплять обратно получается. И так каждый раз. 

[AlexAV]

Что-то у вас так хорошо получилось, что даже страшно становится......

Это только прямые затраты. Помимо них есть ещё и косвенные (удобрения, производство техники и т.д.).

Вот собственно перейдём ко второй части. Азотные удобрения. Расход энергии на их производство пожалуй соизмерим с расходом топлива в двигателях тракторов и прочих с/х машин.

Кстати вот график потребления азотных удобрений (в пересчёте на чистый азот) для США.



На графике данные в фунтах на акр. 1ф/а = 1,25 кг/га. Т.е. на каждый гектар вносится 150 кг чистого азота.

[AlexAV]

Помню, как раньше рассказывали, что человек "будет питаться таблетками" и т.д. Это из той же оперы...

Ну не совсем. У многих этнических групп насекомые вполне естественная часть рациона (включая упомянутую саранчу). То что мы их не воспринимаем насекомых как еду - это скорее особенность только европейских культур (хотя членистоногих в более широком смысле мы всё же потребляем, т.е. креветок, раков  и т.д.). Сравнение с "питательными таблетками" здесь не вполне корректно.

В некоторых частях мира и сейчас с удовольствием едят это:


 

[AlexAV]

Кстати сейчас работают над приданием не бобовым способности к азотфиксации.

Ну сами бобовые ничего связывать не могут. Связывают клубеньковые бактерии, находящиеся с ними в симбиозе. А специальные механизмы обеспечивающие такой симбиоз - это сложный признак, а не отдельный ген. С переносом таких вроде пока больших успехов не было.

[AlexAV]

Их "удовольствие" пока альтернативы нет... В средневековой Европе тоже это кушали :
http://srednevekovje.ru/gorshok.htm

Нет-нет. Здесь в точности наоборот. Для хронистов средневековья - это дно ниже которого разве что людоедство. Как нормальное питание ни насекомые, ни грызуны в Европе средневековья не воспринимались.

А вот с народами экваториального пояса (практически повсеместно) ситуация  иная. Они насекомых едят как обычный компонент питания и при достатке других видов пищи. Кстати это относится не только к земледельцам, но и охотникам и собирателям (вроде пигмеев или народов бассейна Амазонки). Их уж в чрезмерной плотности населения обвинить сложно. 

[AlexAV]

Хотя, говорят, "аборигены съели Кука" - т.е. и это кое-где "обычный компонент питания"...

На сколько я знаю именно пищевого каннибализма нет ни у одного народа мира (речь конечно не о случаях крайнего голода, но и это обычно кране не одобряется). Вот ритуальный и религиозный встречается... Но это уже из несколько иной области. 

[AlexAV]

Несколько слов о методах связывания азота. Вообще за всю свою историю человечество придумало четыре способа связывания атмосферного азота, пригодных для промышленного применения.

Исторически первым был газоразрядным. Т.е. прямое окисление окисления азота воздуха в условиях электрического разряда в воздухе, т.е. простейшая реакция N₂ + O₂ = 2NO. Первоначальный вариант этого метода – обычный дуговой разряд, который был реализован ещё в 1902 году однако давал совершенно запредельный уровень затрат энергии на уровне 70 МВтч/т связанного азота. В связи с чем быстро был вытеснен другими подходами. Тем не менее сейчас (правда только в масштабе лабораторного эксперимента) этот показатель удалось значительно улучшить. Самый лучший результат был получен в СВЧ разряде в магнитном поле в режиме ЭЦР. При этом затраты энергии составили только 3 эВ/молекулу NO. Это соответствует 6МВтч/т связанного азота. Эта цифра относится к количеству энергии вложенной в плазму. Если учесть реалистичный КПД гиротронов 60%, то получяется 10 МВтч/т.

Вторым методом стал цианамидный. Он заключается в способности при высокой температуре азота присоединяться к карбиду кальция. Последний получается карботермически в электропечах (реакция сильно эндотермична и именно с ней связаны основные затраты энергии). В сумме процесс выглядит так:

CaO + 3C = CaC₂ + CO
CaC₂ + N₂ = CaCN₂ + C

Получаемый цианамид может использоваться как непосредственно как удобрение, либо преобразовываться в аммиак при гидролизе:

CaCN₂ + 3H₂O = CaCO₃ + 2NH₃

Поскольку синтез карбида кальция крайне энергозатратен, то для такой метод связывания азота также требует крайне больших затрат электроэнергии. Около 10МВтч/т связанного азота и 1,3 т кокса.

Близкий к цианамидному – метод Серпека. Он заключается в реакции оксида алюминия , коксом и азотом при высокой температуре:

Al₂O₃ + 3C +N₂ =AlN +3CO

Получаемый при этом нитрид алюминия легко гидролизуется в воде с выделением аммиака:
2AlN + 3H₂O = Al₂O₃ + 2NH₃

Также как и в предыдущем случае реакция синтеза карбида кальция, эта реакция также очень сильно эндотермична. В результате расход электроэнергии на работы электропечей весьма велик и составляет около 11-12МВтч/т связанного азота. Естественно также на каждую тонну связанного азота требуется 1,3т кокса.

Самым распространённый на сегодняшний день – процесс Габера. Это классический синтез аммиака из элементов: N₂ + 3H2 = 2NH₃. Если иметь только азот, водород и электричество то процесс потребует около 3,2МВтч/т аммиака или 3,9МВтч на тонну связанного азота.

Далее возникает проблема - откуда брать водород. Сейчас основной способ – конверсия метана:

CH₄ + O₂ + H₂O = CO₂ + H₂

При этом реакции CH₄ + O₂ = CO₂ + 2H₂ – экзотермическая, а CH₄ + 2H2O = CO₂ + 4H₂ – эндотермическая. Соотношение воды и кислорода подбирают так, чтобы обеспечить требуемые значение теплового эффекта. При этом вторичное использование энергии выделяющийся при конверсии позволяет сильно сократить общие энергозатраты. Вот, скажем, пример показателей современной установки (http://www.giap-m.com/designs/nh3): 708 м3 метана и 482кВтч электричества на тонну аммиака.

Если получать водород электролизом воды картина будет куда более печальной… На тонну аммиака требуется 2000 м3 водорода. Современный электролизер тратит около 4кВтч/м3. Таким образом только на водород уйдёт 8МВтч/т. Плюс 3,2МВтч/т на собственно синтез. Итого 11,2 МВтч/т аммиака или 13,6 МВтч на тонну связанного азота. В результате он начинает проигрывать относительно простому газоразрядному способу (уж не говоря о том, что волновод с гиротроном куда проще и надёжнее реактора высокого давления для процесса Габера). Т.е. синтез аммиака хорош только до тех пор пока у нас есть газ.

Ну и последний… и крайне интересный. Цианидный. Он заключается в способности расплава соды в присутствии кокса и небольшой примеси железа присоединять азот c образованием цианистого натрия. Т.е.

Na₂CO₃ + 4C +N₂ = 2NaCN + 3CO

Примечательен тем, что в отличие всех предыдущих идёт в весьма мягких условиях. При 1000 градусов и атмосферном давление. Как и большинство подобных реакций эндотермическая, однако важно, что количество теплоты которое получается при сжигании угарного газа, получаемого как побочный продукт реакции, в 1,5 раз больше, чем нужно для самой реакции. Что позволяет (в сочетании со сравнительно скромными температурами её протекания) отказаться от использования других внешних энергоносителей.

Таким образом, в энергетическом плане это один из самых экономичных методов. Т.е. для связывания 1 тонны азота требуется 1,7 т кокса. И всё.

Большого применения он не нашёл из-за не вполне удовлетворительных физических свойств активной массы и сложностям в подводе теплоты к ней, что затрудняет создание установок непрерывного действия высокой производительности. Но вот для периодических реакторов небольшой производительности это всё не так уж критично…

Стоит также отметить, что решить проблему с азотом только используя энергию ГЭС… Можно конечно, но на это уйдёт (учитывая, что в мире производится 150 млн.т. аммиака или 124 млн.т. связанного азота) 1240 ТВтч электроэнергии. А всё производство гидроэнергии 3782 ТВтч. Т.е. 1/3 всего её производства. А учитывая, что энергию можно потратить только один раз - это будет крайне существенно. А энергии нужна не только для этого… Поэтому скорее всего для этих целей придётся привлекать либо метан, либо какие-то коксохимические методы вроде того, который в этом списке последний. Иначе быстро разоримся.

[AlexAV]

А гидроэнергия ещё не исчерпана. Пример с р.Лена я приводил - гидроэнергии прорва, а ни одной ГЭС нет, т.к. некуда её тут эту энергию девать. Заводы по производству азотных удобрений - выход. Есть-то хочется - раскошелятся!

Вот раскладка по гидроэнергетическим ресурсам бСССР.



Теоретический потенциал и представляет только теоретический интерес, его в полном объёме использовать невозможно. А технический (т.е. хотя бы теоретически доступный для освоения) - 1347,7 ТВтч/год (Восточная Сибирь + Дальний Восток). Это большая величина, но совсем не безлимитная. Причём из них экономически осмысленно освоение только 644 ТВтч/год.

[AlexAV]

А вот в приложенном файле раскладка по всем странам мира. Мировой технический потенциал - 14604ТВтч/год, экономический - 8771ТВтч/год. Сейчас уже задействовано 43% от всех ресурсов, освоение которых может быть экономически  обосновано. Так что резерв здесь совсем не так велик, как может показаться.

[AlexAV]

Сода продукт предыдущей стадии передела

Я записал не весь цикл. Цианид сам по себе это не совсем то, что хотелось бы получить. Там далее возможно два варианта.

1) Гидролиз (c получением аммиака).

NaCN + 2H₂O = HCOONa + NH₃
2HCOONa = Na₂CO₃ + CO +H2 (пиролиз)

2) Вытеснение синильной кислоты углекислым газом и её гидролиз

2NaCN + CO₂ + H2O = Na₂CO₃ + 2HCN
HCN + 2H₂O = HCOONH₄

В первом случае получаем аммиак, во втором - формиат аммония. В обоих случаях сода полностью регенерируется. Т.е. по этой статье есть затраты только на компенсацию довольно небольших (проценты за цикл) технологических потерь.

..Далее отдельная песня азот - его тоже надо отделить от кислорода а это ВРУ...В данный момент как раз этим и занят, посему говору 1 кг кислорода или 4 кг азота это 0,3 квтч электроэнергии - это мне их Линде сообщили...

Безусловно. Но в цикле генерируется довольно много избыточного тепла. Если его вторично использовать с помощью тепловой машины (скажем паровой), то на эту опцию должно хватить (надо будет аккуратно проверить).

А другой уголь увы достаточно грязный, и примеси особливо сера весьма быстро дезактивируют катализаторы...

В этом процессе проблемы с отравление катализатора в литературе негде не упоминаются, видимо он достаточно малочувствителен к этому (к тому же катализатор очень простой - технический Fe2O3).

кокса мало

Поскольку речь о счастливом коммунистическом будущем, я скорее смотрю здесь в сторону древесного угля.

[AlexAV]

Вот я и говорю: ГЭС на Лене и относятся к категории "технический потенциал, но не экономический потенциал".

Оценки по экономическому потенциалу реки Лена  существуют и составляют около 235 ТВтч/год. Кстати в суммарную оценку по региону они входят. Что касается использования не экономической части... То это в основном что-то вроде какой-нибудь Индигирки за полярным кругом. Которую вообще не понятно как осваивать. 

Закончится кокс

Кокс - альфа и омега химической промышленности и металлургии. Без него очень многие вещи сделать практически невозможно (или невменяемо затратно). Кстати... Традиционный метод получения алюминия (метод Холла – Эру) требует один очень интересный реактив - криолит, а в его состав входит фтор. Так фтор в отличие от алюминия очень даже исчерпаемое сырьё. Есть несколько методов позволяющих получать алюминий другими путями... но все они требуют весьма большого расхода кокса.

Так что если он совсем закончится, то скорее всего закончится вообще всё. Полагаю объёмы доступного кокса (древесного угля) будут одним из главных лимитов безнефтяной экономики.

[AlexAV]

в тезнологическом процессе есть потребность в сжатом кислорода....но как при таких низких параметрах пустить в турбопривод компрессора (основного или дожимного)ума не преложу

Так вроде паровые турбины с рабочим входным давлением в области 0,8 и 2,8 МПа (насыщенный пар 170 и 230 градусов) - продукт достаточно стандартный (нечто вроде таких).

Из более эффективных решений (по крайней мере термодинамически) - машины с фреоновым циклом (она даже тепло от 100 градусного пара может относительно эффективно использовать), правда не уверен что они присутствуют на рынке как серийное оборудование.

[AlexAV]

но вполне заменяем например электричеством или синтез-газом...

Очень не всегда. Скажем переработку оксида титана без него очень сложно представить (обычный метод ТiO2 + 2C + 2Cl2 = TiCl4 +2CO, альтернатива... даже фантазии не хватает, фтороводородом разве что). Кокс (при высоких температурах) намного более сильный восстановитель чем водород, и во многих случаях это критично.

[AlexAV]

сверхпрочная целлюлоза

Там есть нюанс. Речь о микрофибрах длинной 100 - 200 нм. Сделать из них макроскопическую нить с такой же прочностью невозможно. Единственное возможное применение - как компонент композитных органопластиков для их упрочнения. Проблема в том, что упрочняющий эффект от столь коротких микрофибр не очень велик.Вот скажем пример такого экспериментального композита. Получено только весьма умеренное упрочнение с 40 до 60МПа и чуть более сильное увеличение модуля Юнга. Всё таки в таком виде длинную арамидную нить в сверхпрочных композитах заменить это нем может.

[AlexAV]

станет выгодно применять более энергозатратные, но не расходующие дефицитных ресурсов, методы азотфиксации.

А вам электричество только для фиксации азота нужно?

Ведь у  современной промышленности есть такая гигантская по объёму часть энергопотребления как высокопотенциальное промышленное тепло. Причём при обсуждении вопроса замены природных углеводородов чем либо в экономике, значение и объём затрат энергии в этой области часто недооценивают, и по какой-то причине сводят энергетику к только к электроэнергетике. Что категорически неверно. Причём сейчас для их обеспечения как правило применяют газ напрямую. Но ведь если не будет дешёвого газа, то всё это придётся осуществлять за счёт электрической энергии. Причём нужна сверхдешёвая электрическая энергии, которая в расчёте на кВтч не сильно превосходит газ сегодня (иначе просто разоримся), а это 3-4 ц/кВтч максимум (раза в три дешевле текущего сетевого тарифа). А источник такой очень дешёвой электроэнергии на планете только один - ГЭС (и возможно ПЭС) и всё.

Причём речь о многотоннажных и совершенно незаменимых для экономики продуктах. Цемент, стекло, керамика, известь, серная кислота (её значение при отсутствии хороших месторождений будет чрезвычайно велико, это ключевой реактив в различных гидрометалургических методах извлечения элементов), сода и ещё десятки наименований. И всё это на самом деле чрезвычайно энергоёмко. Производство тонны цемента требует в среднем 5,1ГДж/т = 1,4 МВтч/т, а этих тонн у нас в мире производится 3,7 млрд. Только на эту одну статью уйдёт 5180ТВтч электроэнергии. На производство стекла 20ГДж/т=5,7МВтч/т при мировом производстве 110 млн.т., т.е. на эту статью 611 ТВтч, извести 1,4 МВтч/т при производстве 330 млн.т. = 460ТВтч, водород для органического синтеза - 550 млрд. м3 (при затрате 4кВтч/м3, если получать электролизом)  - ещё 2200ТВтч, далее...  хотя за чем далее... у нас уже весь экономический потенциал энергии ГЭС всей планеты исчерпан, а мы только начали перечислять что нам надо...

Если не будет дополнительного источника столь же дешёвой энергии (не обязательно элетрической, здесь скорее нужна тепловая и химическая) кроме ГЭС, то последних просто не хватит на необходимый минимум и вопрос с топливом и азотом станет неактуальным. Точнее будет иметь тривиальный ответ - пашем на лошадке, азот из гороха, клевера и люцерны. Всё как в средневековье.

А если этот дополнительный источник будет... то тратить дешёвую электроэнергию ГЭС будут на то где нужна именно электроэнергия, а не на неэффективное связывания азота. Потребителе обязательно найдутся...

P.S. Россия здесь кстати стоит несколько особняком. Имея гигантские ресурсы гидроэнергии и очень небольшое население она действительно может обеспечить некий минимум потребностей для существования индустриального общества только за счёт неё. Но в абсолютном большинстве стран всё в этом плане куда печальнее.

[AlexAV]

А из люмений делать водород на месте... такой вариант в израиле предложили...можно и другие технологии придумать.

У нас в институте этим очень активно занимаются (но в Москве, а не Израиле).

[AlexAV]

1. Древесина станет стратегическим ресурсом,  её расходование на всякое баловство на вроде производства бумаги, мебели, а уж тем более для сжигания в буржуйках, станет если и не невозможным, то затруднительным или, как минимум, экономически нецелесообразным.

Ну потенциал возможности наращивания рубки естественных лесов практически достигнут. Её практически невозможно увеличить не вызвав деградацию лесных массивов. Вот только это значит... что в это области пора переходить от собирательства к сельскому хозяйству. Т.е. к выращиванию древесных культур также как мы выращиваем пшеницу или картофель. Скажем с точки зрения энергетических нужд здесь весьма интересен тополь. Высокопродуктивные породы тополя могут давать  до 32,9 м3/га (средний прирост за 35 лет), что при плотности 0,45г/см3 соответствует 14,8 тоннам древесины на гектар площади.

Может ли это привести к кислородному голоданию в планетарных масштабах?

Строго говоря кислород в геохимическом плане выделяется там где идёт захоронение неокисленного углерода (это прежде всего болота, водоёмы где есть анаэробные зоны с накоплением органического ила и т.д.). От леса где накапливается почти столько же сколько разлагается в этом смысле проку не много. Правда для северных бореальных лесов часто сложно сказать где кончается лес, а где начинается болото...

[AlexAV]

подобные производства в значительной массе переберутся в солнечные районы, в которых пригодной окажется концентрация солнечной энергии посредством зеркал. Т.е. солнечная энергия будет преобразовываться в тепло непосредственно на заготовке. Стадия преобразования тепла в электричество и электричества в тепло этим будет исключена.

Вы просто не понимаете масштаба теплофизических проблем которые при этом возникнут. Высокопотенциальное тепло (1000-1200) можно получить только с помощью  параболических концентраторов и в меньшей степень - солнечных башен. Простые цилиндрические концентраторы для этого полностью непригодны. При этом солнечная энергия фокусируется в маленькое фокальное пятно и поглощается поверхностью. Так можно нагреть небольшой лабораторный тигель, но не печь непрерывного действия на десятки тонн в час. Просто невозможно обеспечить эффективный подвод тепла от поверхности к массе (теплопроводность она медленная). Нужен промежуточный теплоноситель, а это или жидкость или газ под давлением.

С жидкостью всё совсем плохо. Очень удобна эвтектическая смесь нитратов, которую используют сейчас в термальных СЭС, при таких температурах становится нестабильной и разлагается. Остаются только жидкометаллические теплоносители. Натрий, эвтектика висмут-свинец, свинец, олово и т.д. Натрий при таких температурах становится чрезвычайно агрессивен, даже при использовании сверхчистого натрия (малейшие примеси кислорода повышают коррозию на порядки) начинает жрать даже спецстали вроде Стали-316 разработанной специально для реакторов типа БН  со скоростью несколько миллиметров в год, что малоприемлемо. Да и кипит натрий при температуре 883 градуса. А гонять натрий под давлением - занятие крайне сомнительное (хотя бы по критериям безопасности). Так что отпадает. Свинец имеет слишком высокую температуру затвердевания, что делает его также малоприменимым (пару пасмурных дней и установку придётся ставить на капремонт, т.к. в свинец в теплообменниках замёрзнет). Эвтектики на базе олова и висмута в этом плане лучше (скажем сплав Вуда, там правда ещё кадмий есть). Но... где взять столько висмута, это металл страшно дефицитный. Да и олово со свинцом тоже исчерпаемые и весь ограниченные ресурсы. 

При охлаждение газом опять же воздух не годится из-за требований по коррозии. Или гелий (что лучше), или азот. И то и другое под большим давлением (особенно азот из-за низкой теплопроводности). А здесь во весь рост встаёт проблема жаростойких материалов с высокой механической прочностью. А при интересных нам температурах ни аустенитные стали, ни даже большинство никелевых сплавов не годятся. Едва-едва проходят турбинные сплавы 4-6 поколений. Те самые которые без рения не получаются. Да и то не очень.... По хорошему нужны сплавы на базе вольфрама, тантала, тяжёлых платиновых металлов (осмия и иридия).  Но все эти материалы исключительно дефицитные, где их взять в таком количестве, чтобы обеспечить теплообменниками сотни тысяч таких солнечных цементных заводиков?

В общем не вариант. Совсем не вариант из-за теплофизических и материаловедческих проблем.

[AlexAV]

А между прочим абсолютено зря. Есть лаборатория солнца в Таджикистане, в которой стоит большущая солнечная печь, в которой приготавливали чистейшие металлы и проводили много разных интересных опытофф. Опять же-ж удивительно, насколько прогрессивной была советская мысль...

Сделать солнечную печь под маленький лабораторный тигель - относительно просто (что там и имеет место быть). А по многотоннажное производство практически невозможно.Проблемы с теплообменом там и там отличаются качественно.

[AlexAV]

У меня есть смутное предчувствие, как можно использовать солнечную энергию для получения высокотемпературного тепла в промышленных масштабах. В четыре этапа :

У меня тоже.