Биоэнергия: технология, термодинамика

СПИРТ КАК ТОПЛИВО

Экономия на импорте нефти? Пропаганда спирта, полученного путем брожения для использования £го в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания в США, характеризующихся наибольшим потреб­лением бензина в мире, привела к тому, что каждому аспекту произ­водства спирта, его экономике и термодинамике стало уделяться самое пристальное внимание. Как говорилось ранее, возможности использо­вания спирта в качестве топлива существуют в США только благодаря дешевым зерновым, налоговым льготам за такое использование спирта по линии как федерального правительства, так и правительства штатов, а также стимулированию капиталовложении. Фермеры, выращивающие кукурузу для производства спирта, получакЗт большую выгоду, так как они постоянно имеют излишки этой культуры. Кроме того, также отме­чалось, что добавление спирта в бензин снизит зависимость США от импортируемой нефти, зависимость, которая до нефтяного кризиса непрерывно росла. Замена нефти спиртом или его добавки к автомобиль­ному бензину являются некоторым основанием для подобного рода заявлений. Возможность такой экономии была подтверждена целым ря­дом энергетических анализов. Однако выводы, сделанные из этих иссле­дований, довольно спорные; существует мнение, что при технологии получения спирта в США методом брожения потребляется больше энер­гии из высококачественного топлива (т. е. нефти), чем ее вырабаты­вается [14, 15].

Дискутирующие стороны обвиняли друг друга в отсутствии объек­тивности. Показатели различных вводимых ресурсов при производстве спирта были часто у обеих сторон аналогичными, но затруднения вызы­вал как раз вопрос: какие ресурсы должны быть включены в расчеты? Расчетные показатели экономии энергии нефти при использовании спир­та в качестве топлива варьируют очень широко — от чистой экономии более галлона нефти на галлон спирта до потерь до трех галлонов на гал­лон. Ниже дается содержание проводящихся дискуссий, а также характе­ристика современного подхода к вопросу о ресурсах. Результатом яв­ляется согласие с точкой зрения, что без революции в технологии исполь­зования угля и нефти в США использование спирта будет иметь ничтож­ное или даже отрицательное влияние на потребление нефти в стране. 102

Раскладка Затрат энергии на производстве спирта. В литературе имеются данные по энергетическим затратам, а также различные ва­рианты расчетов [16]; в таблице 59 представлена основная структура такого анализа. Для производства 1 т спирта необходимо примерно 3,35 т кукурузы. Раскладка энергии возделывания кукурузы здесь не дается, но она примерно соответствует показателям по биомассам, о которых говорилось ранее. Показатель энергии, затраченной на возде­лывание кукурузы, приближается к показателю теплотворной способ­ности полученного спирта. Энергия переработки примерно в 2 раза выше затрат энергии на возделывание. Энергия, затраченная на производство побочного продукта (сухая барда), рассчитывается на основе энергии возделывания кукурузы минус стоимость транспортировки. Количество нефти, замененное спиртом, используемым в качестве добавки к бензи­ну, выражается здесь через его теплотворную способность (29 ГДж/т против 43,5 ГДж/т для автомобильного бензина). Кроме того, исполь­зование спирта способствует также сохранению энергии, идущей на очи­стку сырой нефти для производства автомобильного бензина. В резуль­тате, как показывает анализ, в США экономится 35 ГДж первичной энергии (всех типов). Однако эта ’’экономия” идет эа счет 70,3 ГДж первичной энергии.

Количество нефти может быть выражено в затратах энергии на производство спирта из кукурузы. При получении биомассы около 59 % потребленной энергии поступает иэ нефти. При переработке биомассы

в спирт затраты нефти могут варьировать *в зависимости от метода перегонки; значительная доля вводимых ресурсов может покрываться углем, хотя по ряду причин в практике это отсутствует. Если вводимые ресурсы представлены по возможности углем, затраты энергии (нефть) составляют около 12 ГДж/т спирта по сравнению с полученным энерге­тическим уровнем 35 ГДж/т. Таким образом, производство спирта пред­ставляет собой метод превращения твердого топлива; угля, в более ка­лорийное жидкое топливо. Была подсчитана стоимость этого топлива на галлон нефти [14]. Каждая тонна спирта в лучшем случае (перегонка на угле) экономит около половины тонны (35 — 12 ГДж) нефти. Для произ­водства спирта в США рекомендуются установки на угле, а не на нефти.

Косвенные энергетические затраты и кредиты. В литературе имеются многочисленные варианты расчетов энергетических затрат. Энергия воз­делывания. кукурузы может быть выше или ниже названного уровня. В кукурузном поясе США затраты на возделывание культур являются низкими. Более полный анализ с включением затрат на строения и т. д. и других косвенных затрат энергии, связанных с денежными расходами, дает более высокий показатель общих затрат. Кроме того, если увеличе­ние использования топлива вызывает необходимость расширения пло­щадей под кукурузой, стоимость возделывания кукурузы будет выше, так как для этих целей придется использовать менее плодородные поч­вы, чем почвы кукурузного пояса. Имитационные исследования, про­веденные в Университете штата Айова, показали, что стоимость возде­лывания кукурузы может возрасти в 3 раза [17].

Был разработан ряд предложений по сокращению затрат на перера­ботку биомассы при производстве спирта; общие затраты энергии на этой стадии должны составлять 20 ГДж/т [18]. Цифры таблицы 59 взяты из источников, опубликованных сторонниками использования спирта в качестве топлива, и вряд ли здесь можно ожидать больших отклонений. Минимально эффективное снижение затрат на брожение и перегонку само по себе не приведет к таким низким показателям; одна­ко затраты энергии на переработку различным образом компенсируются кредитами на производство побочного продукта. Вместо учета только расходов на получение эквивалентной массы кукурузы (в пересчете на сухую барду) в качестве скидки, последняя рассчитывается на основе общей теплотворной способности сухой барды. Это требует обоснован­ности использования этого материала в качестве топлива. Белковая цен­ность зерна может переводиться в затраты энергии на возделывание другой белковой культуры, такой, как соя. Однако белковая ценность сухой барды намного ниже белковой ценности соевой муки. В крайнем случае, в скидку может включаться теплотворная способность отходов клетчатки в результате переработки кукурузы. Однако использование этого материала в качестве топлива маловероятно.

Топливная ценность этанола. Ценность спирта как компонента газохода лежит между его эквивалентной теплотворной способностью (учитывая 4 %-ное увеличение потребления смеси при 10 % спирта в авто­мобильном бензине) и уровнем, превышающим его теплотворную спо­собность примерно на 70 % (эквивалентным увеличению пробега на 6,7 %). Получение результатов испытаний, дающих увеличение длины пробега, происходит, очевидно, в результате использования искусственно обогащенных смесей для повышения рабочих характеристик двигателей [19], так как спирт ’’обедняет” бензин. Поэтому было бы правильнее не завышать теплотворной способности спирта при смешивании его с ав­томобильным бензином (без учета его свойств как антидетонационной присадки).

В литературе имеются данные по энергетическому анализу произ­водства спирта из других культур, таких, как сахарный тростник, мани­ок, отходы целлюлозы. В принципе, затраты вводимых ресурсов мень­ше, но они отличаются по значимости. Затраты энергии на возделыва­ние — низкие в случае отсутствия механизации сельскохозяйственного производства или когда сырьем являются отходы. Затраты на перера­ботку ниже, когда в качестве топлива используется жом сахарного тростника (багасса). Вариант с сахарным тростником является интерес­ным вследствие его усовершенствования в Бразилии; однако в разви­той стране (США) использование сахарного тростника для получения спирта на установке, только частично работающей на багассе, дало лишь небольшую прибавку чистой энергии [20]. По имеющимся данным, при работе на чистом ископаемом топливе процесс идет с потерей энергии.