Что было бы наиболее практичным сырьем для водородной экономики?

Ядерный

Если я правильно понимаю ваш вопрос, он, по сути, спрашивает: «Какие наиболее эффективные способы производства газообразного водорода», поскольку газообразный водород является врожденной основой водородной экономики. Это означает, что вы, по сути, спрашиваете, «какой самый практичный источник топлива для энергии», поскольку водородная экономика просто меняет носитель энергии с углеводородов на водород.

Так что ядерный. Ядерная энергия — отличный источник энергии, и если бы не неотъемлемые риски, связанные с использованием небольших кусков плутония для питания всего, я был бы за атомную энергию для всего. Но ядерная энергия — это просто самый эффективный источник энергии, поэтому все, что вам нужно, — это несколько атомных электростанций для производства баллонов с конденсированным газообразным водородом (предположительно, с использованием чего-то вроде высокотемпературного электролиза). Соответствующий xkcd ниже о том, почему ядерная энергетика велика.

Есть два хороших способа получения водорода и несколько хороших способов их питания.

Чтобы произвести водород, вы либо хотите использовать преобразование газа (существует несколько типов), либо электролиз. они имеют достаточно высокую эффективность, чтобы быть практичными . То, что вы используете, на самом деле не имеет большого значения, поскольку все они полагаются на внешний источник энергии, обычно электричество (те, которые полагаются на сжигание ископаемого топлива, можно пропустить из-за требований к возобновляемости, поскольку они не более эффективны). Хотя все формы риформинга полагаются на углеводороды в качестве реагента, углеводороды, полученные биологическим путем, работают почти так же хорошо. скорее всего, вы увидите все используемые в зависимости от доступности ресурсов области. После того, как водород произведен, транспортировка и распределение одинаковы независимо от источника, поэтому это спорный вопрос.

Выработка электроэнергии будет основываться на местных условиях , где доступная гидроэнергетика почти всегда является лучшей, но также работают ветер, солнечная энергия и атомная энергия, а также ряд других источников. Электричество остается электричеством, независимо от того, откуда оно берется. у каждого источника есть свои преимущества и недостатки, гидроэлектроэнергия на сегодняшний день является наиболее эффективной и стабильной, но также очень специфична для местоположения. Солнечная энергия ограничена климатом, временем и широтой, но в правильном месте очень эффективна, если у вас есть система хранения. Ветер ограничен местными моделями ветра и имеет технологические ограничения на долговечность, которые в настоящее время повышают цену, но есть многополезных локаций. Атомная энергия работает где угодно, может поставляться по запросу, безопаснее и имеет примерно такую ​​же эффективность, как ветер, но имеет высокие затраты на установку и проблемы с общественностью. Честно говоря, вы вряд ли увидите только один в использовании, скорее ВСЕ из них будут использоваться, у каждого из них есть места, в которых они работают лучше всего, и, как я уже сказал, водороду все равно, откуда берется электричество, и он, скорее всего, будет производиться во многих местах. Таким образом, то, что лучше всего подходит для этого места, будет использоваться.

Ядерная энергия, безусловно, может питать нашу цивилизацию, по крайней мере, несколько столетий. Переход от урана к торию означал бы, что доступного топлива будет достаточно, чтобы дать каждому разумное количество энергии, по крайней мере, на пару тысяч лет. Это без каких-либо серьезных изменений в конструкции реактора, а просто доработка известных к работе конструкций.

Затем, в зависимости от того, насколько далеко в «ближайшем» будущем, есть красивое решение. Вы могли бы позволить «очень скоро сейчас» быть сейчас и использовать слияние в качестве источника энергии.

«Легкой» реакцией для синтеза является DT. Вы получаете D, перерабатывая воду для извлечения D, и вы получаете тритий, помещая литиевые бланкеты вокруг вашего термоядерного реактора. Тогда основными видами топлива будут: литий и дейтерий.

Если вы действительно хотите иметь «водородную экономику», не должно быть расточительной электросети. Если бы это было так - экономика была бы чисто "электрической", без необходимости передачи какой-либо другой энергии. Это означает, что первичные источники питания должны быть в местах, где линия электропередач — плохой вариант, а автомобильный/танкерный/трубный транспорт — хороший вариант.

Итак, мои предлоги:

• Геотермальные полностью автоматические установки по производству водорода : они размещаются на глубине километров, производят электроэнергию только для себя (для электролиза) и выводят водород (и кислород) на поверхность. Их нужно размещать в особых местах, может быть, даже под водой (+ добыча редких металлов и золота из морской воды).

• Единственная опасная, но чрезвычайно мощная термоядерная электростанция . Тоже в основном автомат. С выработкой электроэнергии, полностью покрывающей все потребности человечества, и даже больше, но не меньше. Он не может производить небольшое количество энергии — это сделает невозможным «разделение» на меньшие электростанции. Так как он опасен - его можно ставить только вдали от любой цивилизации. А так как это огромная мощность - трудно построить электрическую сеть, которая передала бы такую ​​мощность по всему миру.

• Орбитальное/космическое производство энергии . Например, превратить Луну в одну большую солнечную ферму или разместить все ядерные реакторы на орбите Луны. В обоих случаях провода не подходят, а водород — хороший способ передачи энергии (и для этого требуется ракетное топливо).

Термоядерная реакция

Хотя мы до сих пор не до конца поняли, как сделать это эффективно, ядерный синтез, без сомнения, является самым мощным источником энергии, который у нас есть на Земле, который мы можем использовать дольше, чем мы можем ожидать. Так что, если вы можете обойти конкретный производственный процесс (единственное оставшееся препятствие), то это определенно правильный путь.

Ядерное деление

Второй кандидат. Сегодня по какой-то причине атомная энергетика демонизируется, несмотря на то, что она:

1. Более (деньги) эффективнее, чем что-либо еще, за исключением, возможно, нефти (если ОПЕК не взвинтила цены)
2. Может быть сделано без воздействия на окружающую среду (в отличие от любого другого источника, отходы являются твердыми, могут содержаться, например, в старых шахтных стволах в геологически стабильных районах). из-за искусственных средств сильно упадет, если мы начнем использовать его сегодня.
3. Довольно обильный. Вы можете буквально собрать его из океанской воды . Этот источник утверждает, что в океанах содержится в 500 раз больше урана, чем в наземных рудах, но я не удосужился перепроверить это. Это правительство США, делайте из этого что хотите.

Я собираюсь предложить солнечную.

Существует целая куча способов питания схемы электролитического разделения воды, но все они требуют некоторого начального источника электроэнергии и нагрузки электрического оборудования, а также дополнительных (хотя и не слишком серьезных) неэффективностей самого электролиза воды.

Вы можете избавиться от посредников с помощью фотокаталитического расщепления воды . Тогда у вас есть множество относительно тупых фотоэлементов, погруженных в воду под воздействием солнечного света, которые затем выделяют газ, который можно отделить и обрабатывать так же, как с любым другим источником водорода. Нынешние КПД не особенно высоки, но нет никаких причин, по которым они не должны увеличиваться с течением времени. Даже с их более низкой эффективностью, если стоимость достаточно низка, большая простота установок вполне может склонить чашу весов в их пользу.

Проблема, конечно, в том, что вам нужен как хороший запас воды, так и хороший запас солнечного света. Есть большие куски мира, в которых есть обе эти вещи, но есть много населенных пунктов, далеких от мест с действительно высоким и надежным уровнем инсоляции.

Были также проведены работы по фотохимическому восстановлению диоксида углерода . Источником CO ₂ для этого может быть атмосфера или растворенные в морской воде карбонаты. Конечным продуктом реакции является монооксид углерода. Имея водород и монооксид углерода, вы получаете синтетический газ , из которого можно синтезировать целый ряд полезных углеводородов (таких как метанол), которые затем намного легче хранить, перекачивать или транспортировать иным образом, чем водород, что решает весь вопрос «как получить водород для проблема центральной Канады , о которой говорилось выше... она попадает туда точно так же, как сейчас они получают нефть, бензин и дизельное топливо. Эти углеводороды также можно использовать для непосредственного запуска топливных элементов., а это означает, что операции по заправке транспортных средств могут продолжаться, как сейчас, или использоваться для синтеза более сложных химических веществ, таких как смолы для клея или пластмассы.

Это также имеет приятный побочный эффект потребления атмосферного CO ₂ , если конечные продукты не сжигаются.

Электролиз, конечно, все еще будет иметь свое место ... есть места, которые имеют удобные источники чистой и возобновляемой электроэнергии (например, Исландия), которые могут склонить экономический баланс против искусственного фотосинтеза, и будут места, которые могли бы быть счастливы использовать ядерную энергию. власть, экономика которой будет очень сильно зависеть от местной политики. Возможно, удастся отказаться от него, поскольку эффективность и стоимость искусственного фотосинтеза со временем падают.

Что касается вашего дополнительного вопроса , вы можете подумать, что любое место, способное работать с фотоэлектрическими элементами прямо сейчас, может также иметь возможность запускать фотосинтетические элементы, хотя и с более низким выходом. Существует возможность иметь небольшие распределенные водородные и углеводородные заводы, подходящие для использования населением. Крайний север и юг не смогут воспользоваться этим, но они уже сильно зависят от современной инфраструктуры для своего постоянного выживания, поэтому не похоже, что они станут более уязвимыми из-за перехода на водородное топливо. экономика.

Лазерные передающие спутники

Это спутники, которые собирают солнечный свет и буквально передают его на Землю в концентрированной форме. Мы даже не так уж далеки от того, чтобы развить его, если мы действительно хотим инвестировать в него.

https://www.energy.gov/articles/space-based-solar-power

Лазерные передающие спутники, как описано нашими друзьями из LLNL, вращаются на низкой околоземной орбите (НОО) на высоте около 400 км над поверхностью Земли. При весе менее 10 метрических тонн этот спутник в несколько раз легче своего микроволнового аналога. Этот дизайн также дешевле; некоторые предсказывают, что запуск и эксплуатация спутника SBSP, оснащенного лазером, обойдется почти в 500 миллионов долларов. Можно было бы запустить весь самособирающийся спутник на одной ракете, резко сократив стоимость и время производства. Кроме того, при использовании лазерного передатчика диаметр луча составит всего около 2 метров вместо нескольких километров, что является резким и важным уменьшением.

Чтобы сделать это возможным, в системе излучения солнечной энергии спутника используется щелочной лазер с диодной накачкой. Впервые продемонстрированный в LLNL в 2002 году — и в настоящее время все еще разрабатываемый там — этот лазер будет размером с кухонный стол и достаточно мощным, чтобы передавать энергию на Землю с чрезвычайно высокой эффективностью, более 50 процентов.

Хотя этот спутник намного легче, дешевле и проще в развертывании, чем его микроволновый аналог, остаются серьезные проблемы. Идея мощных лазеров в космосе может быть основана на опасениях милитаризации космоса. Эту проблему можно решить, ограничив направление, в котором лазерная система может передавать свою мощность.

При меньшем размере соответственно меньшая мощность составляет от 1 до 10 мегаватт на спутник. Поэтому этот спутник лучше всего использовать в составе флота подобных спутников, используемых вместе.

Вы могли бы сказать, что SBSP далеко или журавль в небе (предназначенный каламбур) - и вы бы в значительной степени исправили. Но многие технологии уже существуют, чтобы сделать это возможным, и многие не сильно отстают. Хотя Министерство энергетики в настоящее время не разрабатывает какие-либо конкретные технологии SBSP, многие из оставшихся технологий, необходимых для SBSP, могут быть разработаны независимо в ближайшие годы. И хотя мы не знаем будущего энергии, получаемой из космоса, мы взволнованы, увидев, как подобные идеи летают (хорошо, последний каламбур, обещаю).

На том же сайте перечислены микроволновые передатчики как возможность, но по сравнению с ними они будут огромными.

У этого есть огромные преимущества перед атомной, потому что она на самом деле возобновляемая, тогда как ядерная энергетика — это то, что мы выкапываем опасные элементы, используем их, а затем бросаем в бассейн на 100 лет и надеемся, что будущие поколения поймут, что с ними делать.

Один большой недостаток, который мог бы стать хорошей книгой или фильмом, заключается в том, что это рои спутникового оружия, нацеленные на Землю. Каждая страна должна быть в порядке с этим оружием массового уничтожения, плавающим под, вероятно, контролем иностранного правительства.

Ну, черт возьми, если мы будем махать рукой как на сложность создания, так и на сложность хранения, ответ очевиден: антиматерия.

Причина, по которой атомная энергетика имеет такое огромное соотношение Энергия/Вес топлива, заключается в том, что она не использует химическую реакцию — она фактически теряет 0,1% массы своего топлива в процессе. Может показаться, что это не так много — десятая доля процента, — но этого достаточно, чтобы генерировать огромное количество энергии из небольшого количества топлива. Если вы подставите килограмм массы в известное уравнение e=mc^2, вы увидите, что даже 1 кг «потерянной» массы генерирует безумно глупое количество джоулей (~90 квадриллионов ) .

Слияние? Это число затмевает деление в степени 7. Процесс синтеза водорода и гелия включает потерю 0,7% его массы.

... но вы могли заметить, что эти цифры все еще... ну... низкие . Менее 1%. Что, если бы вы могли довести это число до 100%? Преобразовать всю энергию в куске массы в энергию? У вас будет что-то буквально в 1000 раз более мощное, чем ядерное. Буквально в 142 раза мощнее реакции синтеза.

Именно это и есть реакция материи-антиматерии.

Причина, по которой у нас нет реакторов на антиматерии, питающих нашу сеть, заключается в том, что мы не можем легко получить антиматерию (пока что человечество произвело всего несколько нанограммов ее). его трудно хранить - его нельзя содержать в любом контейнере, сделанном из материи, для его удержания требуется что-то вроде ловушки Пеннинга.

Но если мы отмахнемся от этих двух проблем? Мы можем легко преобразовать материю в ее антиматерию и можем эффективно ее хранить? Тогда растения на антиматерии для всех!

Это вопрос об источниках энергии, а не о водороде

Поскольку вас не интересуют все моменты, отличающие водород от других энергоносителей, остается вопрос о лучшем генераторе энергии.

Это будет микс.

Солнечная.
Ветер.
Биогаз.
Ядерный (хотя это оспаривается).

Пока он вырабатывает электричество или достаточно тепла для работы генератора, вы можете использовать его для производства водорода.

Крупномасштабное производство водорода удовлетворит потребности в хранении энергии ветра и солнца, поэтому все, что имеет значение, — это стоимость производства.

Ядерное дело здесь немного особенное, так как у него много уникальных препятствий.
Позвольте мне немного расширить их:

• Это медленное исследование только потому, что вы должны устранить риск утечки радиоактивности из экспериментального завода в больших количествах. Это означает, что другие технологии имеют преимущество в скорости исследования. Ветер и солнечная энергия извлекают огромную выгоду из достижений материаловедения, и прямо сейчас кажется, что это еще не все (лучшее использование солнечной энергии, более легкий материал ротора и лучшая технология генератора для ветра); как долго это продлится, можно только гадать, но я бы сказал, что по крайней мере десятилетие. (Есть также исследования по газу, но не по изменениям порядков величины в солнечной и ветровой энергии.)
• Принятие риска населением и регулирующими органами сильно различается в зависимости от того, как давно произошло последнее бедствие. Учитывая маловероятный характер ядерной энергетики с большим ущербом, здесь действует своего рода цикл: авария в любой точке мира — усиленное регулирование — ничего не происходит — регулирование становится небрежным — безопасность падает — еще одна авария в любой точке мира, назад к истерии. (Истерия — это проблема пиара, но основной причиной является небрежность в регулировании, и я считаю, что она глубоко укоренилась в человеческой природе.)
  Время цикла, по-видимому, составляет около десяти лет, с общим все более и более строгим регулированием, навязывающим увеличение затрат; в настоящее время затраты на ЭПР выше, чем затраты на солнечную и ветровую энергию при расчете на ожидаемый джоуль, вырабатываемый в течение срока службы.
• Требования к капиталу огромны, и для амортизации требуется не менее десяти лет. Десятилетия достаточно, чтобы процентные ставки снова выросли, вложение в атомную станцию ​​означает, что этот капитал не будет доступен для других инвестиций с более высокой рентабельностью.
• Ядерная промышленность требует специальных навыков и специализированных заводов (последний раз, когда я проверял, во всем мире была только одна кузница, которая действительно может создать сосуд под давлением, который известен и сертифицирован для этого использования). Наращивание производственных мощностей займет около десяти лет, прежде чем вы сможете иметь все необходимое в больших количествах, а затем еще одно десятилетие потребуется для планирования, строительства и регулирования первого поколения атомных электростанций массового производства.

Все эти факторы делают атомную энергетику менее привлекательной для инвесторов.