Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

То есть прирост порядка 1/2 тонны в год на гектар? Это где-то пара центнеров древесного угля.

Нет. За 35 лет полный прирос 1150 м3 (это тот запас древесины на гектар, который будет в момент рубки). 32,9 - это усреднение. Т.е. то что выросло за 35 лет (1150 м3) делённое на 35. По приросту биомассы тополь превосходит вообще большинство других растений средней полосы России. К тому же эта биомасса (древесина) довольно удобна для использования...

Поэтому не 1/2, а 14,8 т на гектар (вы лишний раз делите, это в цифре 14,8 уже учтено).

[AlexAV]

И помимо сушки и транспорта, вы столкнетесь с теми же проблемами, что и сельское хозяйство - вынос NPR и микроэлементов, и быстрая деградация почв

Откуда быстрая деградация под многолетней растительностью? Основные проблемы с деградацией - из-за усиления эррозии в следствие ежегодной вспашки. А здесь 35 лет растёт себе лес (то что он искусственно посажен ничего не меняет) с каким-то подлеском. Откуда здесь взяться высокой эрозии? Ну и раз в 30-35 лет его рубят и сажают новый. Опять же после посадки саженцев травянистый покров восстановится уже на следующий год и сведёт эрозию на минимум.

Это проблема однолетних культур с ежегодной вспашкой. А не леса (даже искусственно посаженного).

При более частой рубке после нескольких рубок начинается необратимая деградация ландшафта

В тропиках - да (из-за исключительной бедности почв, все биогены в растениях, и вероятно из-за некоторого влияния лесов на локальный климат). А вот в умеренном поясе ничего подобного не наблюдается. Здесь после вырубки восстановление естественной растительности идёт почти мгновенно.

вынос NPR и микроэлементов

Древесина довольно бедна зольными элементами и азотом (по сравнению с другими частями растения). Но опять таки. А куда они денутся при локальном использовании этой древесины? Часть в золу, которая естественно будет использоваться под удобрения там же. Часть в попадёт в металлургический шлак и стройматериалы. При этом опять же шлак пойдёт в тоже поле (или площадку под лес), а стройматериалы распадаясь и деградируя постепенно всё вернут обратно. Если есть травянистый покров необратимых потерь зольных элементов почти не будет (сверх естественного фонового уровня).

При сжигании необратимо теряется только азот. Но вынос его с древесиной мал. Его там только 0,2% или 2кг/т. При среднем приросте древесины 15 т год с гектара это средний вынос 30 кг в год/га. На его восполнение пойдёт совершенно ничтожная часть энергии этой древесины, порядка 1%.

[AlexAV]

Если "энергетические леса" пока под  вопросом - может тогда торф ?

Нет, если не пытаться выжать максимум с участка выращивая 3-4 летние заросли ивы, а выращивать нормальный лес с циклом 20-30 лет то откуда эти вопросы не совсем понятно. Деградации почвы нет, т.к. нет усиленной эрозии (к тому же значительная часть первичной биопродуктивности остаётся там же, опавшую листву никто собирать не планирует). Вынос по зольным в основном обратим, а вынос азота незначителен (т.е. легко компенсируется). Какие конкретно должны быть механизмы деградации?

[AlexAV]

Все остальные способы нагрева, греют поверхность.

Здесь критически важна площадь этой поверхности, а для фокального пятна солнечной печи она очень маленькая. В обычных печах кстати значительная часть теплопереноса осуществляется горячими газами (являющимися продуктами горения), а здесь этот механизм будет неэффективен (чтобы газ нагрелся ему тоже площадь соприкосновения с горячим телом нужна).

[AlexAV]

Однако-ж давайте посмотрим на СЭС типа "башня" кои стали популярны последнее время.

Там тоже маленькое. Несколько метров квадратных для проталкивания мегаваттов мощности - это очень мало. В этих условиях только жидкий теплоноситель может надёжно его отвести от стенки. Если повезёт - газ по давлением (правда тут уже есть уже определённые сомнения, тепловое сопротивление погранслоёв в газе все же весьма велико...). Сразу сырьё (твёрдое) - не выйдет. Нереально материал с теплопроводностью 0,3 Вт/(м К) нагреть только через внешнюю стенку в цилиндре диаметром и высотой несколько метров за разумное время (а для солнечной башни и с разумным КПД).

[AlexAV]

Сегодня есть ещё т.н. холодный способ.

Неравновесное газофазное осаждение осаждение из метана. Это не из угля. Совсем другой принцип.

[AlexAV]

Дык и не через стенку это делается. Т.к. йа далёк от Магнитогорска то пришлось кой чего поглядеть. ВОт:

Я зная что не через поверхность. Вот поэтому это к солнечной башне и не имеет никакого отношения. Воздухонагреватели тоже... Не обеспечите вы там такую площадь контакта (плюс жёсткие требования на тепловой поток, иначе КПД будет никаким).

Но уголь там, не столько топливо, сколько катализатор.

Там это и топливо и восстановитель.

В принципе, она и на графите работать должна, и на алмазах.

Может. Но топить доменную печь алмазами... идея очень экстравагантная.

Ещё как способ объёмного нагрева солнечным лучом- нагревать пыль.

А много вы знаете прозрачных материалов способных работать при 1000 - 1200 градусов? Там даже кварцевое стекло не годится (долговременная рабочая до 950 градусов). Фианиты и лекосапфиры не думаю что имеет смысл рассматривать из-за цены. Кроме того ваша пыль будет оседать на прозрачной поверхности и быстро выводить её из строя (при наличие примеси легкоплавких частиц - очень быстро и достаточно необратимо). Так что не годится.

В большинстве случаев кстати ничего плавить не надо, все процессы идут в твёрдой фазе.

[AlexAV]

Извлекаемых ресурсов - чуть больше 200 млрд. т.
http://www.scienceforum.ru/2013/20/347

Большинство этих ресурсов доступны как метан на Титане. Низкокачественные месторождения в области вечной мерзлоты.

[AlexAV]

Таки сильно все сложнее с лесом - для того что бы он пришел в естественное состоянии - сбаласированнолсти процессов накопления и деградации

Это баланс по накоплению углерода, что нам неинтересно. А для предотвращения потери минеральных веществ достаточно устойчивого травянистого покрова или подлеска. А для их формирования никаких столетий не надо.

Да но видовой состав естественной восстанавливаемой растительности совсем не тот , что был при вырубке - а значит процесс весьма далек от равновесного состояния .- циклы по минеральным веществам не замкнуты.

Видовой состав другой. Но для баланса минеральных веществ это не так существенно, здесь важнее что почва защищена от физической эрозии. Если это обеспечивается, то потери биогенов будут несущественны при любом видовом составе.

В лесах бобовые не растут посему вынечсенный азот долго будет восстанавливаться...

Ещё как растут. Скажем чина, горошек лесной и т.д. Да и сам лес может быть бобовый (робиния ложноакациевая)...

Удобрение плантаций энергетической ивы следует проводить, исходя из объема
выноса питательных веществ культурой и запаса питательных веществ в почве.

Ну здесь половина проблемы может быть в этом самом 3-х летнем цикле. Кроме того там в получаемом сырье много коры и других частей растения более богатых биогенами, чем чистая древесина.

Состав древесины тополя:



Собственно в древесине азота 0,02% в среднем, фосфора 0,01%.

[AlexAV]

Современная практика ведения лесного хозяйства предполагает введение всего леса в хозяйственный оборот (а не допустимых нескольких процентов). К моменту возврата к «первому сектору» лес «вырастает» — т.е., достигает достаточной биомассы, чтобы его можно было опять рубить. Это происходит через 50-70 лет. Но восстановиться за такое время лес не успевает. Средний возраст леса во всем секторе после прохождения одного круга не превышает нескольких десятков лет.

Понятно что структура ценоза с регулярной рубкой будет отличаться от естественного. Но непонятно чем это нам может грозить и какие проблемы составить. Зачем нам собственно структура устанавливающаяся через 300 лет? Да и конечная стадия сукцессии в той же московской области это не хвойные леса, а дубравы. И до этой стадии не доходит уже как минимум половина тысячелетия. И ничего, оно в пустыню не превратилось. 

[AlexAV]

Тут вот предлагают переходить на древнеримские бетоны:
Roman Seawater Concrete Holds the Secret to Cutting Carbon Emission

Весьма интересно. Однако римский цемент использовал сравнительно редкое сырьё в виде вулканического туфа. Что видимо ограничивает возможности производства подобного материала...

[AlexAV]

AlecAV, а почему Вы приводите теплопроводность кирпича, заявляя, что этим ограничивается применимость солнечного света для целей плавления металлов?

Я привёл не теплопроводность кирпича, а песка. Вполне обычное значение для тех материалов которые надо обжигать (сыпучие неметаллические).

Металлолом может быть размещён в башне, нижняя часть которой имеет отверстие, в которое сфокусирован солнечный свет.

а) Посмотрите на оптическую схему башни. Она не может ничего сфокусировать в узкое отверстие. Она собирает свет на довольно большой площади поверхности (несколько м2) вершины башни (это вопрос совершенно принципиальный, узкое пятно может дать только относительно короткофокусная парабола).
б) Само сырьё состоит из частиц конечного размера, а интересующий нас процесс как правило является некой эндотермической реакцией, на протекание которой требуется время. Т.е. частица в горячей зоне должна находиться по крайней мере минуты (это от конкретного процесса зависит). Просто при пролёте через фокус это обеспечить трудно.
в) Падающее вещество будет экранировать отверстие (а при пролёте через фокус внешняя часть струи будет экранировать внутреннюю). А это накладывает жесточайшие ограничения на плотность потока через отверстия (она должна быть такой, чтобы почти не мешать прохождению света). Это с какой либо промышленной производительностью (десятки тонн в час) совершенно несовместимо.

Не годится.

P.S. В большинстве случаев плавить ничего не надо, да и невозможно. Как правило идёт обжиг твердого вещества, который сопровождается химическими реакциями в нём (как правило эндотермическими).

[AlexAV]

Можно сформировать луч и подавать его.

Нет, нельзя. Гелиостаты солнечный башни в районе собственно башни дают очень широкий луч сечение в эти самые метры квадратные (это принципиальный момент, следующий из законов оптики). Ну и лучей таких сотни, идущих по всем 360 градусам по кругу. Не сформируете и не подадите.

[AlexAV]

Разве же "несколько м2" - это много?

Для нижнего отверстия - много. При эти 10 т/ч должны подаваться со скоростью менее миллиметра в секунду и это чуть ли не в режиме свободного падения. Как это вы себе представляете?

Удельная теплоёмкость стали - 462 Дж/(кг*К).

Причём здесь вообще сталь. Более распространённая задача это что-то вроде обжига меловой крошки для получения извести (или ещё чего нибудь, что твёрдое, не плавится и требует много тепла (значительно больше чем просто на нагрев) для протекания химических процессов).

Кстати и со сталью в вашей конфигурации ничего хорошего не выйдет. При подачи излучения снизу потребуются сквозные окна для входа излучения в колонну. А через них воздух в колонне будет сильно охлаждаться из-за конвективных потерь. При таком темпе подачи ваши капли металла будут затвердевать ещё до того как попадут на дно башни. Но это ещё не так страшно... При падение дисперсного металла он ещё будет сильно окисляться. А чтобы это избежать колонну надо заполнять дорогим аргоном (в крайнем случае азотом, но он тоже годится не всегда)... который в вашем варианте в громадных количествах будет вытекать из окон для ввода излучения.

Если разместить зеркала в азимуте +-15 градусов, то это получится равнобедренный треугольник с высотой 122 и основанием 66 метров. Ничего сверхъестественного.

Ну опять... Это к решению главной проблемы отношения не имеет. А именно как вы передадите энергию луча реакционной массе учитывая оптические и теплофизические ограничения. И какие материалы потребуются для такого реактора.

Подвод через нижнее отверстие - вариант с очевидностью не рабочий (сильно снижается степень концентрации излучения из-за большого угла между плоскостью отверстия и плоскостью зеркал гелиостатов, невозможно обеспечить приемлемое время нахождение массы в горячей зоне, экранирование отверстие падающей массой, что не позволяет обеспечить приемлемую производительность).

[AlexAV]

свойства параболы таковы, что откуда бы что ни прилитело, оно попадает в фокус, а вот куда бы оно не вылетело из фокуса, оно летит параллельно оси параболы

Вы что-то путаете. Ход луча в любой оптической системе (пока речь о геометрической оптике) - обратим. Парабола - действительно идеальное собирающее зеркало. Вот только вам это поможет не очень сильно. Дело в том, что солнце - это не точечный источник. И в фокальной плоскости будет формироваться изображение с размером aF (a - угловой диаметр солнца, около 0,5 градусов). Если плоскость на которую мы фокусируем находится под углом к фокальной, то площадь пятна будет pi(aF)²/(4cos(b)) (b - угол между плоскостями). В действительности ситуация несколько печальнее из-за того, что лучей у нас много и создаваемые ими эллиптические пятна будут перекрываться только частично. С учётом этого возникающее пятно на горизонтальной поверхности будет уже  круг с площадью pi(aF)²/(4cos²(b)).

А теперь прикинем. Высота башни пусть 20 метров, расстояние до самого дальнего гелиостата L = 100м. Угол между фокальной плоскостью горизонталью b = pi/2 - arctg(H/L). Фокусное расстояние крайних гелиостатов 102 м. Диаметр пятна таки образом aF/cos(b) = 4.5 м, площадь 15,9 м2. Для отверстия через которое должно проходить тонн десять в час это малость многовато.

И это при использовании дорогих параболических зеркал. Если использовать дешёвые плоские - будет ещё больше.

И никуда вы от этого не денетесь.

[AlexAV]

сли вынос по азоту мы решили, то - вуаля. "Вечный двигало" у нас в кармане...

Ну помимо азота есть ещё калий и фосфор.

С калием все не так страшно. Есть в морской воде и даже понятно как извлекать. Т.е. точно также как это происходило в природе при образовании калийных солей. А именно испарительные бассейны с постепенным осаждением хлорида натрия (при этом в остаточной рапе будут накапливаться большинство малых компонент, т.е. калий, магний, сульфаты). Правда тут тоже есть некоторые естественные ограничения. Т.е. подобную систему можно строить только в регионе с достаточно сухим климатом (где испаряемость превышает осадки) и лишь в приморской полосе с ограничениями по дальности и высоте подъёма морской воды (иначе на электричестве разоримся). А таких районов не так много... Хотя на калий хватить должно.

А вот с фосфором проблемы... Его геохимический цикл в принципе практически разомкнут. И где его брать не ясно. Однако это общая проблема всего сельского хозяйства, а не лесоводства конкретно. Правда при сжигании и пиролизе древесины большая часть фосфора никуда не теряется и переходит в практически нерастворимый фосфат кальция и легко вымываться не должна. Но какими путями он будет дальше мигрировать и вернётся ли обратно откуда был взят - сказать сложно. Т.е. при простом сжигании и газификации - проще, т.к. мы просто вывозим золу в качестве удобрения туда же откуда взяли древесину. Потерь практически фосфора нет вообще. Если же он попадает в древесный уголь для технологических целей - там может быть какая-то очень длинная цепочка миграции с не таким очевидным конечным пунктом.

[AlexAV]

Вообразите себе километровой длины жёлоб, расположенный параллельно экватору.

Цилиндрический концентратор принципиально не позволяет получить высоких температур. Слишком малый коэффициент концентрации солнечного излучения плюс большие конвективные потери. Несколько сотен получается, что для парогенератора достаточно. А вот тысячу и более вы в такой системе не получите никогда.

Как источник высокопотенциального промышленного тепла - не годится.

[AlexAV]

Ну, я имел в виду простую вещь - фосфора много в обычных горных породах.

Ничтожное вкрапление (0.07%) в гранитных породах в форме хлор- и фтор- апатита. Как это можно извлечь? Хотя бы принципиально?

Молоть в порошок и запахивать в почву как есть (пусть там апатит медленно разлагается и переходит в биодоступную форму)? А то ничего более конструктивного как-то предложить не получается.

Хотя в этой шутке есть только доля шутки. Известно что выпадение вулканического пепла (даже небольшого количества переносимого воздушными массами на большое расстояние) играет ключевую роль в снабжении растений биогенами по крайней мере на островах Тихого океана. А это та же самая мелко измельчённая магматическая порода...

[AlexAV]

так ведь они сами из таких пород по сути и состоят. к тому же серьёзная термическая обработка может иметь значение.

Скорее дисперсность. Монолитные вулканические породы весьма инертны и разрушаются очень медленно. А вот вещество вулканического пепла с фракцией 1 мкм и менее куда быстрее переходит в более доступную форму.

[AlexAV]

Но как - тот же вопрос относительно калия натрия магния кальция и хлора...

Ну с натрием, кальцием и хлором дефицита у нас всё же не предвидится. С калием и магнием тоже вопросы решаемые. По большей части глобальная проблема - только фосфор.

Отдельная песня увеличения эррозии почв после порубок леса -примеры Москвы-реки уже приводил. Та же песня в Карпатах.

Если вырубать сразу тысячами гектаров и оставлять в таком виде. Если мозайчато малыми участками в окружение нетронутого леса и сразу засаживать саженцами для начала лесовосстановления - условий для развития эрозии не будет. Да и подсеять какую-нибудь многолетнюю траву, так чтобы наверняка подавить эрозию, тоже никто не запрещает. Если бобовую ещё и проблема с азотом частично закроется...

 

ПРавильные режиы дожно быть это те которые кору  очищают... ТОлько вопрос что делать в случае ивы - оно ведь рассматривается в качестве основной энергетической культуры

Если брать культуры тополя, сосны, берёзы и т.д. с нормальным 30-60 летним циклом, то никаких проблем по этому пункту очевидно не возникнет. Хотя выход с гектара конечно в этом случае меньше чем для 3-х летней культуры ивы. Зато долгосрочных проблем скорее всего будет намного меньше...