Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Ну таки если для вас гарантия 10 лет это быстродохнущий хлам, то вам не угодить.

Верить рекламе - опасно для финансового здоровья.

В батареях тесла катод - это NCA. В циклах с полным разрядом в лабораторных тестах такой тип анода даёт 500-1000 циклов, не более (но у него очень высокие показатели удельной ёмкости).

[AlexAV]

И EROEI еще сильнее упадет, а он и так у панелей меньше 10 (при расчете на 25-летний срок!), падать как бы и некуда особо.

Реальность куда печальнее. С учётом всех затрат скажем в условие Германии EROEI солнечных батареq вообще 0,82:
https://docviewer.yandex.ru/?url=ya-disk%3A%2F%2F%2Fdisk%2Fferroni2016.pdf&name=ferroni2016.pdf&c=586576f8429a

В южных районах скорее всего получше, но всё равно результат так себе, много меньше 10.

[AlexAV]

Цена ванадия 4 грина за кило.В год добывается 70-80 тыс тонн.

Цена ванадия около 20$/кг, а на 1 кВтч ёмкости его надо около 3 кг. По цене получается конечно лучше любого лития, но всё равно не то, что хотелось бы. Ну и самое плохое - дефицит ванадия делает технологию плохо масштабируемой. Поднять его добычу сильно выше обозначенных 80 тыс. тонн весьма проблематично. Вот с чем согласен - так это с тем, что в отличие от лития (где на сегодняшний день перекопано всё), здесь есть гигантская слабо изученная область с огромным числом потенциально пригодных соединений. Есть что исследовать и за счёт чего улучшать. Т.е. какой-то значимый прогресс здесь действительно вполне возможен.

[AlexAV]

На солнечной батарее. И обратите внимание, на каком расстоянии проходят осветительные провода. Казалось, два проводка бросил - и мигай на здоровь, этак на киловатт-час в неделю...
Однако подключить к сети такую штуку - сотни тысяч. Монополия. Вот и ставят по Липецкой области солнечные светофоры. Дешевле.

А вот это кстати пример правильного использования возобновляемой энергии. При всех её проблемах и недостатках у неё есть одно неоспоримое достоинство - она доступна повсеместно, в той или или иной степени в каждой точке земли. Это теоретически (при решение проблемы аккумуляции) позволяет избавится от крупномасштабных электрораспределительных сетей (которые с одной стороны сами по себе достаточно дорогая и затратная инфраструктура, с другой... резко снижают устойчивость общества, собственно как любая централизованная единая структура, критичная для жизнедеятельности). Что было бы несомненным достижением (при условие сохранения адекватной стоимости энергии).

А вот гигантские умные сети на половину материка - это явно не тот путь использования ВИЭ, извращение, ведущие в никуда, а точнее к тотальной катастрофе. Гигантская, неповоротливая, страшно дорога и главное критически уязвимая система, удачно сочетающая в себе все недостатки современной энергетики и ВИЭ, но не имеющая достоинств ни того ни другого.

[AlexAV]

Лития на киловатт/час, 0.8 кг карбоната.

Речь об аккумуляторе в целом. В проточной батареи компоненты электролита (т.е. тот самый сульфат ванадия) - основная часть цены (устройство там крайне простое и низкотехнологичное, а ёмкость системы неограниченно масштабируется просто увеличением объёма бочек с раствором сульфата ванадия), а литиевый аккумулятор стоит намного дороже материалов из которых изготовлен.

[AlexAV]

Скажем киловаттная солнечная батарея, в условиях близких к идеальным  даст 6 киловатт/часов(КИУМ 25%) Где то половину этой энергии, нужно аккумулировать. То есть киловаттная батарея требует аккумулятор в 1000$.

О... Тут всё куда хуже. Солнечная батарея в пасмурный и в солнечный день даст в разы разное количество энергии (а уж про ветер  с кубической зависимостью мощности генератора от мощности ветра и говорить нечего). Если нужна стабильная генерация, то нужно осреднять поток по такому периоду, что бы в среднем в его течение этот фактор нивелировался, т.е. флуктуация суммарной генерации была небольшой, десятки процентов максимум, но никак не в разы. Для точных оценок надо брать климат конкретной местности, но в целом это никак не меньше недельного запаса энергии. Т.е. на 1 кВт генерации минимум надо ~200 кВтч аккумуляторов, лучше больше. Чтобы всё это имело смысл аккумуляторы должны быть о-очень дешёвые, не более 10-20 $/кВтч ёмкости. Литиевые аккумуляторы такими не будут никогда, с проточными системами это уже не так очевидно...

[AlexAV]

Гарантия 10 лет это юридическая обязанось, а не реклама.

Текст гарантии не приведёте? Вообще сама формулировка "10 лет" - означает, что речь о рекламе, а технической спецификации. Число циклов зависит от глубины разряда в цикле и в спецификации (и уж по той по которой дают юридические гарантии) всегда указывается в каких режимах какая долговечность гарантируется.

Дальше при Куим 0.25 нужно по три киловата батарей на 4 киловата солнечных панелей, есои верить графикам.

Абсолютно неверно. Требуемый объём аккумуляции из КИУМ вычислить нельзя (можно нарисовать графики генерации при одном и том же КИУМ, для которых аккумуляции потребуется от нуля до обеспечения всего года только за счёт аккумуляции), это чушь. Для вычисления нужно рассмотреть следующую задачу. Система состоит из генерации и аккумуляции, причём при постоянной снимаемой мощности заряд аккумулятора никогда не должен падать до нуля. Математически это формулируется так. В дифференциальном уравнение:

dC/dt = {(P (j(t)/1000) - 1, C< C_{max}); (0, C = C_{max} и (P (j(t)/1000) - 1 > 0)); (P (j(t)/1000) - 1, C = C_{max} и (P (j(t)/1000) - 1 < 0)}

где P - установленная мощность солнечных батарей на 1 кВт генерации, j (t) в кВт/м2 - поток солнечного излучения на поверхность панели (браться должен из реальных данных погодных наблюдений в точке, это не средние климатические значения, а конкретные в данной точке, в данный момент времени), надо подобрать a и С_max такие, чтобы С > 0  в любой момент времени. Если не брать кратный солнечных батарей, то с учётом реальных флуктуаций потока требуемый объём аккумуляции оказывается равен сотням КВтч мощности на 1 Квт генерации.

[AlexAV]

А по своей формуле сосчитайте, а то прикидки у вас какието адовые, такое ощущение, что за полярным кругом живём.

Хорошо. Давайте возьмём Краснодарский край, район Сочи (не крайний север? ). Задача - оценить по LCOE себестоимость энергии системы из солнечных батарей и литиевых аккумуляторов. Аккумуляторы возьмём Powerwall Tesla по фактической сегодняшней цене, стоимость установленной мощности собственно солнечной электростанции - 4400$/кВт установленной мощности (использую данные Topaz Solar Farms, общая стоимость проекта - 2,4 млрд.$, установленная мощность - 550 МВт). Ставка - 7%. Операционными расходами пренебрежём, будем учитывать только капитальные. Климатические данные -  фактическая погода за 2016 год. Подойдёт?

[AlexAV]

Ну как известно, в России пока солнечные панели не очень-то пользуются спросом. Попробуйте честно (без самовнушения и выборочного надергивания фактов) ответить на вопрос: в чем главная причина этого?

При 10 бальной облачности панели даёт лишь 10% энергии по сравнению с солнечным днём. А сплошная облачность может держаться непрерывно более недели и всё это время придётся жить исключительно за счёт аккумулятора (ёмкость у него должна быть соответствующей), ну или ставить батареи с 10 кратным запасом по установленной мощности (ну с соответствующим 10-кратным увеличением стоимости СЭС, причём большая часть теоретически генерируемой энергии в этом случае использовать невозможно).

Если даже для Сочи посчитать (с учётом реальных погодных графиков) получается - ужас-ужас. По пол месяца батареи могут выдавать лишь самый минимум. Следующие полмясяца может быть очень солнечно и в среднем получится неплохо, но вот что-бы избыток генерации за солнечную неделю как-то использовать с пользой нужен соответствующий аккумулятор. Расчёт приведу.

А уж даже в подмосковье - уже не не ужас-ужас, а полный кошмар. По декабрю даже среднемесячные уровни инсоляции ничтожны, а ставить аккумуляторы на полгода обеспечения энергией совсем нереально. Какой ещё крайний север, о чём Вы.

[AlexAV]

Хорошо. Давайте возьмём Краснодарский край, район Сочи (не крайний север? ).

При моделирование координаты солнца рассчитывались с шагом десять минут, для учёта ослабления солнечного излучения атмосферой и облаками использовалась модель  опубликованная в работе:
Андреева Н. Ю., Кубов В. И., Кубова Р. М., Павленко А. А. ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАЦИЙ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БАТАРЕЙ//Наукові праці. Техногенна безпека. 2014. Т.233. Вып. 221. Р.126 - 132

Погодные данные (для модели нужна облачность в баллах) с сайта: http://www.pogodaiklimat.ru/weather.php?id=37099&bday=1&fday=31&amonth=1&ayear=2016

Данные по облачности брались с шагом 6 часов, внутри каждого 6-часового интервала состояние облачности принималось постоянным и соответствующим началу интервала.

В результате  получается следящий график инсоляции (на горизонтальную площадку):



По оси абсцисс - номер 10 минутного интервала в году, по оси ординат - инсоляция в Вт/м2.

Тоже самое для угла наклона панели 35 градусов (близкого к оптимальному):



Сумма солнечной радиации за 2016 год на горизонтальную площадку получилась - 1501 кВтч/м2. Климатические данные - 1365 кВтч/м2. Т.е. год был чуть более солнечным, чем средний. Наилучшие условия по сумме солнечной радиации достигались для угла наклона площадки близком к 35 градусам, при этом сумма солнечной радиации составляла 1715 кВтч/м2. Для дальнейших расчётов полагалось,  что ориентация солнечных панелей соответствует этому углу.

Для моделирования необходимой ёмкости аккумулятора решалось дифференциальное уравнение:


Здесь K - коэффициент избыточности, установленная мощность СЭС в расчёте на один киловатт реальной мощности станции, С_{max} - ёмкость аккумуляторов в расчёте на 1 кВт реальной мощности, j(t) - поток солнечной энергии в Вт/м2. Начальные условия подбирались так, что С(1.1.2016 00:00) = С(31.12.2016 23:59). Для каждого К определялась минимальное С_{max} при котором возможно соблюдение условия: С>0 для любого момента времени (т.е. станция может обеспечить гарантированную генерацию мощности).

Понятно, что при сумме радиации 1715 кВтч/м2 минимальный K, когда это вообще возможно при любом объёме аккумуляторов - 5.1. С другой стороны С_{max} при любом коэффициенте избытка мощности не может быть меньше, величины необходимой для обеспечения самой длинной ночи в году (в Сочи это приблизительно 15 часов). Т.е. если С_{max} приближается к 15 кВтч/кВт, то дальнейшее повышение коэффициента избыточности заведомо бессмысленно. Исходя из этих критериев был ограничен рассматриваемый диапазон коэффициентов избыточности интервалом от 6 до 40. Получился следующий набор значений:



Как уже говорилось при не слишком больших коэффициента избыточности аккумуляции требуется очень много.

О стоимости по LCOE в следующей части.

[AlexAV]

Неплохое интервью перспективах и проблемах жидкосолевых реакторов: http://www.atominfo.ru/newso/v0966.htm

[AlexAV]

Кстати, по поводу гидроаккумулирующих станций, собирающих энергию от нестабильных ВЭС и СЭС, я может где-то пропустил, если это уже предлагалось,  но пришло в голову вот что. Ведь не обязательно даже создавать новые водохранилища, искать где-то какие-то впадины и заливать их, ведь можно использовать и существующие каскады ГЭС, каскады водохранилищ, перекачивая воду вспять. Но для эффективной работы нужны именно каскады, непрерывные чтобы вода могла перекачивается из одного водохранилища в другое, как по ступенькам.

Размышлял о таком варианте. Вообще мысль интересная, но подходить к ней лучше без избыточной гигантомании. Идея качать морскую воду вверх по речному каскаду заведомо не очень хорошая, масштаб нехороших экологических последствий (от коллапса речных биоценозов до засоления почв, вообще рост солёности речной воды - это плохо) может быть совершенно ужасным.  Кроме того крупные каскады, особенно в труднодоступных регионах, увеличивают затраты на обслуживание сетей, доставку и распределение электроэнергии. С точки зрения экономики это тоже не слишком хорошо. Ну и  концентрация всей мощности на нескольких гигантских объектах плоха и с точки зрения устойчивости системы.

Гигантомания - это вообще зло. Как правило явные и скрытые издержки (экономические, экологические, политические) таких монструозных концепций вроде "покрыть всю Сахару солнечными панелями", "перегородить пролив Дрейка" или "качать морскую воду вверх по Лене" оказываются совершенно неприемлемы.

А вот если рассмотреть такие накопительные каскады на малых реках - то картина кажется куда интереснее. Дамба может быть простой земляной и достаточно дешёвой. Генерация идёт там же, где находится потребитель энергии, т.е. осуществление транспортировки энергии на сверхдальние расстояния не нужно. Экологические следствия невелики и во многих случаях скорее положительны (скажем строительство прудов и малых водохранилищ в степном регионе благоприятно для сельского хозяйства, да и вообще с точки зрения биологической продуктивности ландшафта).

В этом плане довольно интересно было бы посмотреть чтобы мог дать такой каскад на какой-нибудь типичной малой степной речке. Скажем на чём-то типа реки Смычек в Воронежской области (https://yandex.ru/maps/print/?ll=39.920101%2C51.399547&z=12&l=sat%2Cskl).

[AlexAV]

А где Вы видите в представленной Вами же цитате идею качать морскую воду по речному каскаду? Тут идёт речь о частичной рециркуляции речной воды.

 В том же сообщение ниже:

Если допустить использование морской воды в водоемах, не столь важных с точки зрения рыболовства, например северные реки, то можно использовать и морскую воду, увеличив мощность ГЭС уже не в 2 раза, а в несколько раз,и компенсируюя уже не суточные колебания, а погодные или даже сезонные, ведь на достаточно крупных реках, особенно запруженных водохранилищами, вода протекает месяцы.

[AlexAV]

О стоимости по LCOE в следующей части.

Теперь о себестоимости по  LCOE. Для её оценки придтся задать дополнительные параметры. Стоимость киловатта номинальной установленной мощности СЭС возьмём ориентируясь на этот проект (russian.news.cn/china/2017-01/12/c_135977189_7.htm) — один из самых дешёвых в мире, в этом случае она получается — 1300$/кВт . Батареи — Tesla Powerpack (https://www.tesla.com/powerpack/design#/), из цифр приведённых на официальном сайте следует стоимость  - 418 $/кВтч. Срок службы батарей — 10 лет (опять же паспортный). Срок строительства станции — 1 год, срок службы — 30 лет, ставка — 7%. Годовая генерация (просто по условию, т. к. мы считаем, что станция работает в базовом режиме с постоянной нагрузкой) — E = 8760 кВтч/кВт. Текущими операционными затратами пренебрегаем.

С учётом этого подсчёт себестоимости не представляет проблем, она получается по стандартной формуле:



I_k — все затраты в k-й год, E_k — генерация энергии за этот год. Далее будем обозначать A -  стоимость аккумуляции ёмкостью 1кВтч, a — количество аккумуляции на 1 кв генерации, S — стоимость 1 кВт установленной мощности СЭС, s — количество номинальной установленной мощности для генерации 1 кВт.  Таблица соответствующих параметров была получена в предыдущей части ( Нет термояда, нет ископаемых. К чему придет тогда цивилизация?).

Это нам даёт с учётом принятых предположений окончательную формулу для расчёта себестоимости:



Теперь можно построить график себестоимости от коэффициента избытка мощности a. Посчитаем себестоимость для фактической стоимости батрей (418$/кВтч), а также гипотетической 300$/кВтч,  200$/кВтч,  100$/кВтч, 50 $/кВтч и 10 $/кВтч.



На графике по оси ординат себестоимость в центах за кВтч. И соответственно минимальная себестоимость в зависимости от стоимости аккумуляции 1 кВтч:

418 $/кВтч               58 ц/кВтч
300 $/кВтч               54 ц/кВтч
200 $/кВтч               49 ц/кВтч
100 $/кВтч               40 ц/кВтч
50 $/кВтч                 30 ц/кВтч
10 $/кВтч                 19 ц/кВтч

Как видите связка литиевый аккумулятор — солнечная панель даже близко не лежит к этим самым 3 ц/кВтч. При существующей стоимости аккумуляторов она даёт вообще себестоимость едва ли годящуюся для чего-либо. Вообще стоимость энергии выше 18 ц/кВтч малосовместима с сохранением цивилизации в современном виде. Для получения же меньших себестоимость стоимость аккумуляции должна быть существенно меньше 10$/кВтч, что в 40 раз меньше того, что имеется сейчас, едва ли с литиевыми аккумуляторами такого можно вообще добиться в принципе.

[AlexAV]

Таки для меня, всё что меньше бакса устраивает.

Вас - возможно, правда не на долго, т.к. промышленность в этом случае встанет, а экономика рухнет. И очень быстро Вы обнаружите, что вокруг Вас происходит нечто похожее на  современную Сирию или Сомали.

Таки ужаться в 10 раз по энергии человечество может не скатываясь по технологическому древу.

Если в расчёте на человека - нельзя, большинство технических процессов и так очень близки к физическим пределам эффективности, их невозможно улучшить.

Например заместо железной коробки ПК с блоком питания на 300 ватт можно использовать ПК размером с флешку и питанием меньше ватта, с получением компа 10-15 летней давности

Как будто Ваш компьютер в общем балансе потребления даёт заметный вклад. Лучше объясните как уменьшить потребление энергии в 10 раз на получение тонный алюминия или аммиака. Это куда значимее.

по СХ есть ГМО

Никакие ГМО не дадут урожая без азота и фосфора.

по производству 3D принтеры

Вы кажется путаете 3D-принтер с волшебной палочкой Гари Поттера. На самом деле 3D-печать по металлу - очень энергозатратный способ производства хотябы из-за гигантских энергозатрат необходимых для производства качественных металлических порошков. Вообще  3D-печать - вещь нишевая и полезная в весьма ограниченной области, т.е. быстрое прототипирование и производство малосерийных изделий. Для производства крупносерийных же она каких-либо преимуществ не имеет.

Например автоматическое формирование автопоездов вроде 10-20% топлива экономит, а пропускную способность дорог вроде в 4 раза поднять можно.

Если у вас грузопоток такой, что нужны автопоезда - то использование фур здесь вообще имеет сомнительную целесообразность. Вакханалия расточительства, не более. Нормальное решение в этом случае - электрифицированная ЖД. Вот и давайте сравнивать с нормальным решением. Расход энергии на грузоперевозки при этом по фактическим данным РЖД - 1,2 кВтч/100 ткм. Прошу пояснить каким чудом роботы могут существенно сократить эту величину.

[AlexAV]

Вместо сети дорог по всей стране - сеть ЖД дорог (рельсы стоят дешевле и служат дольше, чем трасса).

Именно так. ЖД транспорт - намного более ресурсосберегающее средство транспорта по сравнению с автомобильным. Причём и по непосредственным затратам энергии на перемещение груза (трение качения металла о металл в разы меньше, чем резины об асфальт, это закон природы ), так и по стоимости и долговечности инфраструктуры. Рельсовая дорога дешевле автомобильной и служит дольше.

По энергоэффективности электрифицированный ЖД транспорт превосходит автофуры приблизительно в 10 раз (тут правда есть нюанс, что электрификация капиталоёмкая и окупается только при больших грузопотоках), а тепловая тяга в 2-3 раза. По большей части даже паровоз образца середины 50-х у автофуры в условиях дефицита топлива выигрывает.

[AlexAV]

Там давно идёт рост, и не останавливается.
https://www.google.ru/publicdata/explore?ds=d5bncppjof8f9_&met_y=ny_gdp_mktp_cd&idim=country:USA:CHN&hl=ru&dl=ru

Это скорее отражает систематические погрешности такого индикатора как ВВП, т.е. в нем слишком много чисто виртуальных вещей малосвязанных с физической экономикой. В этом смысле показатели индустриального производства - куда лучший индикатор. А оно сейчас в США ниже 2007 года (https://fred.stlouisfed.org/series/INDPRO).

[AlexAV]

Насколько менялась стоимость электроэнергии в исторической перспективе? Какие были тарифы лет сто назад к примеру для промышленности? Тогда ведь уже существовали достаточно крупные электростанции, а не только собственная генерация.

Данные для Британии с 1920 года:

https://www.gov.uk/government/statistical-data-sets/historical-electricity-data-1920-to-2011

(данные собственно по ценам в источнике даны с 1920 по 1990 год)

https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/511319/QEP_Mar_2016_Tables_2.pdf

(здесь содержатся данные с 1983 по 2015)

[AlexAV]

;)Это индекс производства, он показывает растёт в данный момент производство или нет. Всё ,что выше 100 это рост, ниже 100 это падение.

Нет, на этом графике отношение абсолютного текущего объёма производства к эталонному году. Читайте поясни ниже графика:

The Industrial Production Index (INDPRO) is an economic indicator that measures real output for all facilities located in the United States manufacturing, mining, and electric, and gas utilities (excluding those in U.S. territories).

Да собственно что это абсолютный объём к эталонному году понятно и из самого графика (он по ссылке с 1920 года ). Скажем индекс сентября 1920 года на нём указан как 5,3%; марта 1980 - 53,9%; мая 2000 - 96,5%.


В общем читайте и смотрите внимательнее.

Зато смогут его достать со дна морей и океанов

Каким образом?

Копать там где копается(Интернет Британии кушает 2% общего потребления энергии например), а не биться об стену.

Проблема в том, что где копается - абсолютные копейки, которые на общий баланс почти не влияют.

3Д печать уже позволяет создавать более лёгкие изделие при той же прочности

Проблема в том, что это обходится чрезвычайно дорого. Собственно из-за этого несмотря на явный переизбыток пиара и уже весьма большую историю (первый 3d-принтер работающей по принципу спекания металлических порошков появился ещё в 1990 году) они нашли очень нишевое и ограниченное применение. Собственно уже более 25 лет - вполне достаточный срок, чтобы очертить область целесообразности той или иной технологии. Так что данное утверждение:

И любое снижение массы энергетически оправдается.

требует доказательств. Т.е. то что дополнительные (и очень большие) затраты на производство окупятся этой экономией.

[AlexAV]

Пока промышленность как то не реагирует так бурно на скачки нефти.

Большая часть инфраструктура построена при дешёвой энергии и эта инфраструктура имеет очень большой срок службы, лет 30-50, для ряда капитальных сооружений и ещё больше. И этот инфраструктурный задел прошлого создаёт некоторую инерцию системы, позволяя ей какое-то время существовать при стоимости энергии уже совместимой с её полным воспроизводством.

окажите более крупный график, и реакция будет другой.

Полный график c 1920 года - есть по ссылке, которая была указана, каждый желающий может посмотреть. А что касается другой реакции... Так период 2007 - 2017 - это первый период начиная с великой депрессии в США, когда в течение 10 лет в среднем отсутствовал рост промышленного производства, как бы событие весьма неординарное.