Биоэнергия: технология, термодинамика

ПРОДУКТЫ ФОТОСИНТЕЗА -. СЫРЬЕ ДЛЯ ТОПЛИВА?

2.1. СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ И НАЛИЧИЕ ЗЕМЕЛЬНЫХ УГОДИЙ

Интенсивность солнечной радиации. Солнечная радиация непосред­ственно За пределами земной атмосферы имеет энергетическую плот­ность около 0,12 ГДж/м2 в день [1]. В целом земля получает около 5,4 х 1015 ГДж радиации ежегодно. Однако минимум 30% падающей радиации теряется в результате отражения или поглощения ее земной атмосферой (даже при отсутствии облаков и загрязнения атмосферы). Облака могут отражать до 80 % общей радиации, а степень покрытия облаками, земной поверхности составляет почти 50% в любое время. Кроме того, энергия излучения у земной поверхности регулируется гео­графическим положением, временем года, суток, а также степенью за­тенения поверхности почвы. Количество энергии, получаемой растения­ми,. уменьшается в результате взаимного затенения.

Средняя интенсивность солнечной радиации в Великобритании составляет около 0,009 ГДж/м2 в день [2]. Этот показатель в таких. странах, как Австралия и США, примерно в 2 раза выше. Общая энергия солнечной радиации, получаемая в Великобритании на площади 229 827 км2, составляет примерно 7,6 х 10й ГДж в год. Потребление первичной энергии в Великобритании в тех же единицах составляет около 8,8 х 109 ГДж. Энергетические потребности Великобритании были бы полностью удовлетворены, если, бы солнечную радиацию мож­но было использовать в той же степени, что и существующие виды топ­лива.

Максимальная интенсивность потока солнечной радиации у земной поверхности, равная 0,09 ГДж/м2 в день, только немного выше интен­сивности потока, испускаемого радиатором водяного отопления. Сред­няя годовая инсоляция значительно менее интенсивна, как об этом го­ворилось выше. И здесь возникает проблема. В соответствии с требова­ниями, предъявляемыми к современным видам топлива, плотность этой энергии очень низка. Например, нефтяной поток мощностью 30 млн. т в год в типичном 32-дюймовом морском нефтепроводе пред­ставляет собой энергетический поток интенсивностью 7,4 млн. ГДж/м2

в день. Использование солнечной энергии противоречит сформировав­шейся веками тенденции использования видов топлива с более высокой теплотворной способностью, увеличения тепловых потоков, плотности энерговыделения. Это не говорит о невозможности использования сол­нечной энергии, но свидетельствует о необходимости нововведений в связи с широким использованием солнечной энергии, которое может иметь место в развитых странах.

Солнечный спектр. Состав спектра общего излучения за пределами атмосферы аналогичен составу спектра излучения, испускаемого чер­ным телом при температуре около 5800 К (5526 °С). Некоторые длины волн поглощаются земной атмосферой (рис. 7). Кроме того, в Велико­британии более половины общей солнечной радиации поступает в виде рассеянного излучения. Однако спектр рассеянного излучения аналоги­чен спектру прямого излучения с точки зрения энергии.

Растения способны использовать только четверть общего спектра излучения. Пик используемого спектра (см. рис. 7) находится в об­ласти видимого голубого и красного света (450—650 мкм). Неисполь­зуемая солнечная радиация идет на нагревание поверхности почвы и испарение влаги. Косвенным образом эта энергия способствует обеспе­чению растений необходимым теплом и влагой. Небольшая часть энергии излучения, усвоенная растениями, уходит в атмосферу в виде теплового излучения.

Использование земельных ресурсов на земном шаре. Как мы увидим позднее, энергетический эквивалент 5 млн. т в год продукции нефтепе­рерабатывающего завода можно получить на площади выращивания
типичных ’’биоэнергетических” культур 1 млн. га. В проектах по произ­водству биотоплива обычно предусматривается технология интенсивного возделывания и уборки культур на больших площадях с последующей централизованной переработкой их. Таким образом, для фиксации от­носительно слабых потоков солнечного излучения с целью получения большого выхода энергии необходимы значительные земельные площади. Поверхность суши на земном шаре составляет примерно 14,6 млрд, га, а площадь водной поверхности — 35,9 млрд. га. Доста­точны ли эти площади для удовлетворения будущих потребностей че­ловечества в энергии?

Площадь земельных угодий, пригодных для выращивания культур, составляет на земном шаре около 13 млрд, га [3]. Использование этих земель в настоящее время показано на рисунке 8. Как видно из диаграм­мы, характер землепользования в Европе является аналогичным харак­теру землепользования в мире, за исключением того, что Европа имеет большую долю пахотных земель и меньшую долю земель, входящих в категорию "другие” площади. Последняя категория включает площади, не производящие биомассу и являющиеся в этом отношении непродук­тивными (например, застроенные площади, парки, дороги и т. д.). Ве­ками увеличение выхода сельскохозяйственной продукции обеспечива­лось увеличением обрабатываемой площади и совершенствованием тех­нологии обработки почвы. Однако за последние два десятилетия уве­личение выхода сельскохозяйственной продукции в развивающихся странах только на Vs произошло за счет увеличения обрабатываемых площадей; в развитых странах эта доля является еще более низкой [4]. В основном увеличение выхода сельскохозяйственной продукции про­изошло за счет улучшения культур, использования удобрений и пести-

Вн^

цидов, а также интенсификации сельского хозяйства. Однако размеры неиспользованных площадей являются все еще значительными (0,5 — 1,4 млрд, га) по сравнению с используемыми в настоящее время (0,8 млрд. га). По расчетам ФАО, к 2000 г. площади, находящиеся в землепользовании, могут увеличиться только на 10—15 % (по сравнению с 1980 г.), в основном вследствие неудобного расположения земель.

Наличие земельных угодий. По ряду причин использование как об­рабатываемых, так и не обрабатываемых земель на земном шаре для целей производства биотоплива не всегда возможно. Первая и, возмож­но, наиболее важная причина — это получение более высокой нормы прибыли, чем при производстве биотоплива. Как уже говорилось, твер­дые виды топлива стоят максимум несколько десятков фунтов стер - лингов-за 1 т (в расчете на сухую массу). Зерновые, бобовые, сахар и растительные масла стоят намного больше. Если не учитывать продукты Литания, производство биотоплива должно конкурировать с отраслями промышленности, использующими биомассу для производства кормов, строительных материалов и одежды. Отходы сельскохозяйственного производства и лесной промышленности моґут в первую очередь рас­сматриваться как сырье для получения биоэнергии. Производство био­топлива может быть осуществлено одновременно с другими видами ис­пользования земли. Однако даже эти отходы имеют ценность при ис­пользовании их в качестве топлива. Наличие этих отходов будет также зависеть от продуктивности угодий и от трудностей, связанных со сбо­ром достаточного количества материала для производства биотоплива.

Значительная часть площадей, которые на первый взгляд могут служить в качестве биоэнергетических ’’плантаций”, на самом деле не в состоянии обеспечить достаточно высокие урожаи биомассы. Они или слишком сухие, или слишком влажные, слишком холодные, или под­вержены слишком сильным ветрам, чтобы выращивать на них заплани­рованные культуры. Кроме того, почва может быть неплодородной, засоленной или солонцеватой, а склоны могут быть слишком крутыми для эффективного возделывания культур. Влияние этих факторов на урожай рассматривается ниже.

’ Характер землепользования в Великобритании показан в табли­це 8 [2]. Так как 75 % территории уже отведено под пахотные и паст­бищные угодья, очень небольшое число крупных участков может быть использовано для получения биоэнергии. В проектах по производству биотоплива в Великобритании предлагалось использовать отходы или разрозненные участки земли, убедив при этом владельцев участков про­изводить на них биомассу для продажи на центральные перерабатываю­щие заводы. Если бы в Великобритании или какой-либо другой стране использование биоэнергии было высокоэкономичным, другие категории землепользования могли бы быть принесены в жертву, однако в настоя­щее время такое маловероятно.

Стоимость земельных угодий. Хотя теоретически мы располагаем земельными угодьями для проведения в жизнь идей получения био­энергии, на практике использование этих площадей ограничивается ря­дом экономических и юридических факторов. Земля для производства биомассы должна быть куплена или арендована. Это является суще­ственным лимитирующим фактором в землепользовании. Кроме того, могут существовать положения, регулирующие землепользование и предусматривающие принятие мер по охране окружающей среды и прав местных жителей.

В Великобритании можно свободно получить информацию о ценах на землю и об арендной плате [5]; средние цены и арендная плата за 1978 г. показаны в таблице 9. Размеры ренты периодически устанавли­ваются трибуналом и обычно составляют величину порядка 1—2% стоимости земли. Хотя эти показатели не характеризуют норму при­были на вложенный капитал, земля, в противоположность промышлен­ному предприятию, не падает, а растет в цене. В Англии примерно 60 % общей площади сельскохозяйственных угодий находится в частном вла­дении. Процесс получения биоэнергии, по крайней мере, в Великобрита­нии предполагает громадные капитальные затраты на приобретение земли. В некоторых развивающихся странах проблема может быть не такой острой. Цены на землю и размеры ренты определяются рядом фак-

торов, среди которых следует назвать использование земли для различ­ных целей, а также желание владельца земли принять участие в сотруд­ничестве.

Ренту выплачивают, предполагая в будущем некоторый доход. Его размер может колебаться от прожиточного минимума до уровня, даю­щего возможность осуществления капиталовложений. В Великобрита­нии ежегодный доход от земельных угодий составляет более 1000 ф. ст/га для зерновых и около 50 ф. ст/га в лесном хозяйстве. Расходы в первом случае, конечно, более высокие, но и сама отрасль прибыльная; лесо­водство является нерентабельным. В таблице 10 дается анализ среднего дохода и издержек в лесоводстве [6]. Приводимые факты имеют отно­шение ко многим предложениям по использованию и получению био­топлива, так как в Великобритании лесное хозяйство субсидируется,

а лесная промышленность является низкорентабельной. Частное лесное хозяйство в Великобритании также субсидируется путем отсрочки наследственных пошлин на растущий лес до его созревания, валки и последующей реализации.

Морское хозяйство. Площади, теоретически пригодные для произ­водства биотоплива, включают мировую акваторию и прибрежные водные пространства. На первый взгляд море имеет ряд преимуществ. Только небольшая часть морской среды используется в настоящее вре­мя для выращивания моллюсков, морских растений и т. д. Вопрос о том, какую роль здесь может сыграть частная собственность, остается спорным. За территориальными водами лежат обширные водные про­странства, которые можно использовать для производства биотоплива. Средняя стоимость продуктов, собранных за пределами территориаль­ных вод, в настоящее время низкая, так что здесь в меньшей степени стоит проблема конкуренции. Слабо развитой остается технология выращивания. Эта технология должна обеспечить достаточное закрепле­ние растений в грунте и обеспечение их питательными веществами.

Несмотря на явный интерес к морскому хозяйству со стороны специалистов, мы не можем с уверенностью утверждать, что море может быть включено в категорию площадей, пригодных для производства фотосинтетического топлива. Потенциальные возможности являются большими, однако мы сталкиваемся с неменьшими проблемами. За исключением прибрежных и устьевых областей, где продуктивность биомассы очень высокая (60 т сухой массы с 1 га в год), общая про­дуктивность морской среды очень низка (1—2 т/га в год), что эквива­лентно продуктивности пустыни. Причины низкой продуктивности не всегда понятны; их чаще всеГо относят за счет недостатка макро - и мик­роэлементов. Было предложено промышленное производство бурых во­дорослей в открытом океане вблизи берегов. США [7]. По расчетам, уро­жаи бурых водорослей должны быть высокими (38 т/га в год), однако стоимость производства бурых водорослей ~по сравнению с производ­ством других форм биомассы на биотопливо будет также высокой (100 долл, на 1 т сухой обеззоленной массы) [8]. Высокая стоимость продукта в сочетании с высокой стоимостью процесса переработки (озо - ление в анаэробных условиях) едва ли позволяет метану, полученному из бурых водорослей, стать новым источником топлива;