Биоэнергия: технология, термодинамика

ЧТО ПРОИЗОЙДЕТ, КОГДА ИСТОЧНИКИ ИСКОПАЕМОГО ТОПЛИВА ИССЯКНУТ?

Биоэнергия — основной ресурс? Столкнувшись со всеми трудностя­ми, связанными с внедрением биоэнергии, обычной реакцией является утверждение, что рано или поздно биоэнергия должна быть внедрена, так как запасы всех видов топлива должны в итоге иссякнуть. Биоэнер­гия и другие формы возобновляемой энергии должны обеспечивать посте янные поступления энергии. Строго говоря, это тоже не является абсолютно верным, так как солнечный свет тоже должен когда-нибудь исчезнуть. Овладение технологией синтеза более легких элементов обес­печит выработку топлива, которое практически будет неистощимым, как солнечный свет, и обеспечит намного более высокие поступления энергии. Таким образом, вопрос следует поставить по-другому. Мы при­ближаемся к концу фазы мирового развития, где в качестве топлива используются нефть и газ; как и когда мы осуществим переход к более дешевым и обильным видам топлива? Этими видами топлива будут, очевидно, ядерное топливо, уголь или возобновляемые виды, или же их смесь.

Существуют две точки зрения относительно того, что случится, если нефтяные ресурсы будут исчерпаны. Один вариант — это очереди на за­правочных станциях, нормирование, черные рынки, постепенная останов­ка транспорта. Другой вариант — скачок цен вследствие превышения спроса над предложением. Возможному снижению спроса обычно не придается большого значения, даже несмотря на то что повышение цен на нефть, возможно, сыграло свою роль в процессе мирового спада. Невоз­можность платить за энергию является лучшим стимулом ее экономного использования. Однако в итоге мы не сможем платить даже за то, что считаем существенным. Увеличение зависимости от наличия избыточной и дешевой энергии формировалось незаметно в течение столетий. Посте­пенно эти формы вытеснили менее обильные и более дорогие формы биологической возобновляемой энергии. Повышение производитель­ности во всех обществах во всех материальных аспектах означает уско­ренное формирование энтропии и ускоренную денатурацию видов топ­лива, характеризующихся высокой энергетической плотностью с обра­зованием низкокалорийного нагрева. Сами законы термодинамики не дают нам возможности обходиться без этих расходов топлива, хотя мы стараемся достичь прогнозируемого уровня, опираясь на законы теорети­чески минимально необходимого уровня. Если человечество собирается продолжать свою деятельность, оно должно иметь избыточные количе­ства дешевого топлива. Трудно видеть будущее дорогостоящих возоб­новляемых видов-топлива, даже в конкуренции с другими дорожающими видами, за исключением только условий кризиса или увеличивающегося хаоса. В небольшом масштабе возобновляемые виды топлива могут эксплуатироваться энтузиастами-любителями, как это часто имело место во время последней войны. В больших масштабах дорогостоящая энер­гия, не затронутая инфляцией, использование нефтедолларов и обещание разработки дешевых форм энергии могут только отбросить развитые страны назад, к ранним стадиям развития. Такие тенденции будут, ско­рее всего, катастрофическими.

Эти вопросы были рассмотрены после первого нефтяного кризиса [14], и прогнозы, сформулированные в то время, по-видимому, остают­ся в силе.

По мере роста цен на нефть и газ будет - происходить естественная адаптация без вмешательства правительства. Сначала будет наблюдаться возврат к углю. Затем в итоге, по мере истощения запасов угля, появит­ся тенденция к экономии всех видов топлива. Экономический застой будет способствовать экономии топлива. Станет экономически выгодно разрабатывать запасы, ископаемых видов топлива, производство кото­рых раньше было неэффективным, и эти запасы будут использоваться более полно. Станет экономичным заниматься исследованиями районов земного шара с суровым климатом. Появится стимул к разработке новых источников энергии, как ископаемых, так и неископаемых. Дол-

госрочная проблема состоит не в истощении источников энергии, а в разработке новых, крупномасштабных энергетических технологий.

Потребность в жидких видах топлива. В некоторых прогнозах роль биоэнергии сузилась до обеспечения производства жидких видов топ­лива. Наша приверженность к независимому и быстрому виду транспор­та усилила беспокойство относительно невозможности пользования таким транспортом вследствие отсутствия подходящего топлива. Сле­дует отметить, что некоторые предложения по использованию биоэнер­гии не включают использование жидких видов топлива, например пря­мое сгорание, газификация, анаэробное брожение; они больше подходят для выработки пара или электричества. Другие виды топлива могут ис­пользоваться в двигателях внутреннего сгорания в качестве добавок к традиционным видам топлива (газохол) путем модификации двигателя (водный спирт) или путем химической модификации топлива (эфиры растительных масел). Однако углерод во всех его формах может быть превращен в жидкости с высокой теплотворной способностью, и превра­щение биомассы в жидкие виды топлива может конкурировать с пре­вращением тяжелых масел, угля и природного газа в аналогичные виды или даже в топливо для карбюраторных двигателей. В настоящее время такие ископаемые материалы сжигаются в основном для получения тепла. При достаточно сильном повышении цен на автомобильный бен­зин, полученный путем простой перегонки нефти, можно использовать расщепление более дешевых, тяжелых нефтяных фракций со снижением более стабильных форм углерода. Биомасса представляет, однако, до­рогую форму углерода, а сырая биомасса к тому же играет другую важ­ную роль для человечества. Напротив, уголь, тяжелые горючие сланцы, битуминозные пески находят незначительное применение, кроме как источники топлива или химические материалы.

Транспорт без жидких видов топлива. Допущение о том, что жидкие виды топлива всегда будут необходимы для наземного или воздушного транспорта, может быть не всегда верным. Ценностью углеводородов является их очень высокая энергетическая плотность, которая составля­ет в настоящее время величину, в 300 р&з превышающую показатель для свинцово-кислотных аккумуляторов. Возможность расширить ис­пользование транспортных средств с электродвигателем является в на­стоящее время предметом усиленного внимания, и в этой области имеет­ся, по крайней мере, несколько перспектив использования аккумулято­ров высокой энергетической плотности. Возможность получения деше­вой ядерной электроэнергии (особенно когда электромобиль не ис­пользуется) является привлекательной. Энергетическая плотность ядерного топлива значительно выше, ч$м энергетическая плотность углеводородов, и в перспективе ядерная энергия будет наиболее ве­роятным заменителем нефти. Она занимает свое место в истории термо­динамики топлива. Ядерное топливо компактно, безопасно и не за­грязняет окружающую среду. Строительство небольших атомных стан-

ций — это вопрос только времени и технологии. Однако, как и в период появления первых автомобилей, ядерной энергии необходимы красные опознавательные сигналы.

Биоэнергия и дешевое топливо. Все виды возобновляемой энергии кажутся дещевле, чем они есть на самом деле. Рост биомассы, ее уборка, переработка, использование в качестве топлива обеспечиваются множе­ством путей с использованием традиционных видов топлива. Дешевые виды топлива используются непосредственно в самом процессе, а также для производства необходимых машин, удобрений, строений и т. д. При отсутствии дешевых видов топлива все компоненты процессов производства возобновляемой энергии становятся соответственно до­роже. За последние несколько лет появилось много легковесных прогно­зов относительно конкурентоспособности возобновляемых видов энер­гии, которые игнорировали этот простой факт. Насколько автору из­вестно, этот вопрос не имеет полного теоретического обоснования, од­нако при прогнозах относительно будущего биоэнергии на фоне повы­шения цен на традиционные источники энергии следует соблюдать очень большую осторожность.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Haggin, J., Krieger, J. Н., Biomass becoming more important in the US energy mix,

Chem Eng News, 14 March 1983.

[2] A 20 year preview; oil, plentiful; synfuels scarce, Chem Week, 26,1983, 132.

[3] Brookes, G., Energy policy, the energy price fallacy and the role of. nuclear energy in the UK, Energy Policy, June 1978, 94-106.

[4] Roberts, F., Energy in the 80’s, Energy Policy, Sept.' 1977, 253 — 254.

[5] Johnson, P., The facts behind the alcohol issue, Double Bond, April 1983, 6-7.

[6] Sauer, H. B., Compton, J. B., Optimizing the by-product credit for distiller’s grains in a fuel grade ethanol production process: Kentucky’s experience, Proceedings of the Ninth Energy Technology Conference, Feb. 16-18, 1982, Washington DC.

[7] Cave, L., Nuclear power experience, Energy policy, 11, 1983, 176-177.

[8] Hafele, W., Results of a seven-year global energy study, Proceedings of the Eighth Energy Technology Conference, Mar. 9 — 11, 1981, Washington DC.

[9] Agarwal, A., The forgotten energy crisis, New Scientist, 10 Feb. 1983, 377-379.

[10] Mac Killop, A., Energy for the developing world, Energy Policy, Dec. 1980, 260- 276.

[11] Hall, D. O., Barnard, G. W., and Moss, P. A., Biomass for Energy in the Developing

Countries, Pergamon Press, 1982.

[12] Mac Killop, A., More biomass energy for the south, Energy Policy, June 1983,185.

[13] Pyle, D. L., Energy and fuel from biomass, National Energy Symposium, Nov. 22—

24, 1978, Nairobi, Kenya.

[14] Robinson, C., The energy market and energy planning, Long Range Planning. 9, 1976, 30-38.