Биоэнергия: технология, термодинамика

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ. ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ БИОЭНЕРГИИ

5.1. ВВЕДЕНИЕ

Сохранение энергии. Как уже говорилось в главе 1, энергетические затраты при переработке и экстрагировании топлива являются важным вопросом в*плане перспективного обеспечения топливом, а также веро­ятности уменьшения запасов энергии. На местном уровне стоимость во­зобновляемых видов топлива, исходя из затрат ископаемых видов топ­лива, использованных для их производства, связана с планами увеличе­ния национальных запасов энергоносителей и снижения размеров ва­лютных платежей за импорт первичной энергии. В Великобритании при­мерно 30% первичной энергии, используемой в стране, потребляется самими энергетическими предприятиями [ 1 ]. По прогнозам, эта доля должна увеличиться с уменьшением доступности топлива. Были также высказаны опасения [2], что с понижением концентрации источников энергии и усложнением их переработки производство полезных видов топлива приемлемыми темпами окажется по термодинамическим при­чинам невозможным. Дополнительным мощным инструментом опреде­ления преимуществ альтернативных методов выработки энергии являет­ся детальный анализ энергетических затрат при производстве топлива.

Анализ чистых затрат энергии представляет собой попытку оценки затрат первичной энергии при производстве топлива; эти расчеты одно время считались настолько важными, что США потребовали утверждения закона о необходимости представления энергетического анализа как обязательного раздела всех новых технологических проектов по произ­водству энергии [3].

Данные анализа чистых затрат энергии использовались как сторон­никами, так и противниками возобновляемых источников энергии; в итоге стало очевидным, что выбор соответствующего метода расчета дает возможность ответа на целый ряд вопросов. В итоге была поставле­на под сомнение основная философия энергетического анализа, а также возможности любой методологии ответить на вопросы, касающиеся тер­модинамических пределов продуктивности человеческого общества [2].

Человечеству не грозит гибель от истощения источников энергии вследствие расточительного их использования; как уже говорилось, по­

тенциальные источники энерпш имеются в изобилии* мы не знаем только путей их использования. Энергетическая оплата процесса производства топлива не определяет его коммерческую ценность (жизнеспособность), и этот показатель не следует рассматривать как основной фактор. Тем не менее существует значительный интерес к расчетам необходимого коли­чества ископаемого топлива для производства биологически возобнов­ляемых видов топлива. Хотя эта информация играет небольшую роль в экономических спорах по поводу производства новых видов топлива, она может быть очень полезной в часто эмоциональных предложениях относительно ’’политических” субсидий и правительственных ’’поощре­ний” для предоставления возобновляемым видам энергии ’’равных воз­можностей”.

Допустимее затраты энергии. Анализ затрат энергии при производ­стве топлива поднимает ряд основных проблем. Во-первых, до сих пор не имеется единого мнения относительно числа и вида вводимых энер­гетических ресурсов при осуществлении данного процесса. Кроме совер­шенно очевидных затрат энергии и других видов топлива, существует много других вводимых ресурсов, которые включаются и которые могут быть включены. Например, существует энергия, используемая при производстве оборудования, зданий, а также других материалов, энергия, используемая в области исследований и разработок, энергия, необходимая для очистки окружающей среды после проведения про­цесса. Капитал, прибыль, труд человека, заработная плата — все эти ка­тегории могут быть выражены с точки зрения затрат определенного количества энергии.

Энергетическая характеристика каждой категории часто наиболее удобным образом может быть выражена в форме эквивалентных эко­номических затрат по этой статье. Этот эквивалент получают на осно­вании национальных денежных расходов по отдельным статьям и обще­го количества энергии, затраченного на их производство и доставку.

Некоторые примеры этих денежно-энергетических отношений для сель» скохозяйственных вводимых ресурсов показаны в таблице 51 [4]. Более полное обсуждение типов вводимых энергетических ресурсов и методов расчетов можно найти в литературе [4, 5, 6].

Энергетическая ценность побочных продуктов. Второй проблемой энергетического анализа является получение дополнительной энергии при производстве побочных продуктов в ходе возобновляемых про­цессов производства топлива. Примеры можно найти в энергетическом анализе производства газохода, где углеводородные остатки после сбра­живания и перегонки могут иметь теіілотворную способность, сравни­мую с теплотворной способностью спирта. Некоторые авторы утвержда­ют, что использование этих остатков позволяет избежать затрат значи­тельных количеств энергии, необходимой для проиводства - альтернатив­ных видов кормов и других продуктов.

Экономить нефть, а не энергию. Наконец, неодинаковая экономиче­ская ценность различных видов энергии (например, жидкие и твердые виды топлива) приводит к стремлению анализировать процесс не с точ­ки зрения общих затрат энергии, а с точки зрения потребления только одного вида энергии. Проблема разделения различных количеств топ­лива того или иного типа, идущих на изготовление продуктов опреде­ленного диапазона, как это можно себе представить, является очень сложной.

Столкнувшись в литературе с энергетическими расчетами, читатель немедленно задаст вопрос, какие вводимые ресурсы и какие выгоды от использования побочных. продуктов были учтены при расчетах. Необ­ходимо относиться с осторожностью к методу выражения конечных результатов, так как, используя определенный продукт и приводя в действие соответствующий процесс, можно получить высокий выход чистой энергии. Калорийность биомассы сама по себе не является пока­зателем затрат энергии; теоретически для поддержания процесса могут использоваться неограниченные количества биомассы при минимальной стоимости ископаемой энергии. До некоторой степени, интерпретация результатов расчетов затрат энергии, приведенных в этой главе, оставле­на для читателя. Роль возобновляемых процессов в увеличении нацио­нальных запасов энергии, экономии валюты и бттягивании того момен­та, когда нефть иссякнет, также трудно выразить в количественных показателях. Единственное, что можно сказать, опять оставляя интерпре­тацию фактов читателю, — это то, что чем выше затраты энергии в произ­водстве возобновляемых видов топлива, тем меньше их роль в увеличе­нии мировых запасов энергии. При необходимости чистых затрат иско­паемой - энергии трудно подобрать аргументы для обоснования исполь­зования возобновляемых видов топлива как варианта окончатель­ного решения проблемы удовлетворения потребностей человека в энергии.

Революция в сельском хозяйстве. Замена труда человека и живот­ных трудом машины в результате механизации сельского хозяйства в ходе XX столетия может быть справедливо названа ярким процессом. Энергия, необходимая для обработки почвы, возделывания культур, их уборки и транспортировки продукции, прямо или косвенно обес­печивается ископаемыми видами топлива. Топливо необходимо для приведения в движение трактора, других сельскохозяйственных ма­шин, строительства этих машин, производства удобрений и других хи­мических средств, а также для целого ряда других целей. В 1901 г. в сельском хозяйстве использовалось 1,1 млн. лошадей и около 30% площадей (равнинной местности) отводилось для их содержания [4]. Эти лошади теперь уступили место полумиллионному парку тракторов. В 1885 г. в Южной Англии на каждые 11 га приходился один человек и целая армия сезонных рабочих, которые нанимались на период уборки. К началу 70-х годов XX столетия на одного человека приходилось уже 37 га. В период между 1920 и 1970 г. затраты энергии увеличились с 0,5 до 9 ГДж/га, отражая как замену труда человека и животных меха­низированным трудом, так и повышение интенсивности сельского хо­зяйства, ведущей к повышению урожаев. Затраты энергии на одного Человека в сельскохозяйственном секторе развитых стран аналогичны затратам в тяжелой промышленности. Революция выразилась не столь­ко в увеличении сбора биомассы, сколько в изменении путей ее выращи­вания и уборки.

Высокие затраты энергии являются в настоящее время существен­ной частью сельскохозяйственной практики, определяющей высокое качество продукции. Революция в сельском хозяйстве произошла бла­годаря не только более дешевой энергий, но также вследствие наличия машин и химических средств, необходимых для получения высоких урожаев и высокого качества продукции. Непосредственная стоимость топлива составляет только небольшую долю стоимости сельскохозяй­ственной продукции, и даже при более высоких ценах на топливо новая технология продолжала бы использоваться.

Тенденция к изменению типа и количества энергии, необходимой в сельском хозяйстве, привлекла значительное внимание в лйтературе. Многие относятся отрицательно к зависимости производства такого ос­новного предмета потребления, как продовольствие, от ископаемых видов топлива. Так как продовольствие также является топливом, а его энергетическая ценность может быть выражена в тех же единицах, что и энергетическая ценность ископаемого топлива, энергетические за­траты производства продовольствия и кормов могут быть выражены в простых энергетических соотношениях. С этой точки зрения продукты питания, которые мы потребляем, производятся при очень низкой эф­фективности затрат энергии. Так как значительная часть биомассы,

предназначенная для производства возобновляемых видов топлива, будет получаться с использованием технологии, мало отличающейся от технологии производства продуктов Питания, вопрос энергетических затрат при выращивании биомассы становится кардинальным вопро­сом при проведении анализа чистых затрат энергии.

Разбивка затрат энергии. Первая основная проблема затрат энергии при получении биомассы связана с. относительным значением различных вводимых энергетических ресурсов. Раскладка потребления энергии в сельском хозяйстве Великобритании представлена в таблице 52 [4]. Основную долю энергетических затрат составляют непосредственные затраты топлива, а также косвенные затраты энергии на производство удобрений и машин. Этот анализ не учитывает виды энергии, связанные с затратами труда, Получением прибылей, капиталовложениями и т. д. Тем не менее общие потребности в энергии сельского хозяйства Велико­британии являются значительными, и суммарный результат таблицы 52 составляет около 3% общего количества первичной энергии. В ито^е в Великобритании на каждую калорию продовольствия, произведенного в сельском хозяйстве, тратится около 3 кал ископаемого топлива

(прямые энергетические потребности в топливе и материалах). Кудаг уходит энергия (в пересчете на 1 т биомассы) ? Раскладка затрат энергии при возделывании кукурузы в США показана в таблице 53 [7]. При возделывании кукурузы используются общепринятые системы удобре­ний и обработки почвы, обеспечивающие урожай в среднем 2,54 т с 1 га. В период выращивания и уборки культур используется жидкое топливо. Машины также представляют собой значительную статью потребления энергии. Наиболее важной статьей, однако, является обеспечение удоб­рениями. В этих расчетах не учитываются строения, труд и другие затра­ты энергии. Тем не менее даже с учетом этих ресурсов выращивание и доставка 1 т кукурузы на ферму требуют затрат энергии, эквивалент­ной примерно одной трети калорийности сухого зерна. Однако в долго­срочном плане непосредственная стоимость топлива составит только 10% стоимости производства зерна.

Потребности различных культур в энергии. Зерновые культуры обеспечивают наиболее эффективное использование энергии. Овощи, зеленные культуры, древесные культуры, такие, как цитрусовые, ябло­ни и т. д., требуют наибольших затрат энергии при возделывании. При­меры потребностей энергии на 1 т биомассы показаны в таблице 54 [8]. Цифры приводятся для сельского хозяйства США и включают только прямые затраты топлива и удобрений, поэтому они, естественно, ниже других показателей.

Типы биомассы, которые можно считать за биотопливо, вероятно, лучше представлены такими продуктами, как силос, экономические расчеты по которому приведены в главе 2. Затраты энергии по произ­водству кукурузного силоса в США представлены в таблице 55 [9].

Основная доля стоимости энергии приходится опять на машины, топливо и удобрения. В этих расчетах энергетический эквивалент тру­довых затрат составляет 0,002 ГДж/ч. Однако энергетические затраты не рассчитывались по таким статьям, как строения, транспорт, прибыль,

капиталовложения и т. д,, силос предназначался для внутрихозяйствен­ного использования. Тем не менее производство силоса требует около 4 ГДж/т при его теплотворной способности (определенной с помощью калориметрической бомбы) около 20 ГДж. Естественно, энергия био­массы не является легкодоступной, и биомасса должна быть обогащена путем использования других энергоемких процессов. Показатель 4 ГДж/т сухой массы увеличивается пропорционально потерям уро­жая при обогащении и составляет основной вводимый ресурс в окон­чательном продукте.

Затраты энергии в лесном хозяйстве. Возможно, вследствие своего традиционного использования в качестве топлива лес явился предметом усиленного внимания как потенциальный источник энергии. Возникает инстинктивное чувство, что в лесоводстве затраты энергии должны быть меньше, чем в интенсивном сельском хозяйстве. Работы по очистке пло­щадей, посадке и уборке выполняются значительно реже, чем в сельском хозяйстве. Удобрения на лесопосадках вносят значительно реже, и де­ревья, по-видимому, ’’заботятся сами о себе”. Однако положение совре­менного лесного хозяйства не так просто: энергетические затраты явля­ются существенными, и при учете всех процессов, необходимых для до­ставки биомассы к месту ее использования, составят около четверти теплотворной способности древесины. Сравнение интенсивной системы лесоводства, где проводится вспашка, внесение удобрений, обработка пестицидами И т. д., а также уборка каждые 10 лет, с системой естествен­ного лесовозобновления показало незначительную разницу между об­щими показателями энергетических затрат [10].

В таблице 56 дается раскладка затрат энергии в интенсивном лесо­водстве. Основная доля затрат приходится на топливо и удобрения. Основные потребности в энергии при подготовке древесины к использо­ванию приходятся на процесс сушки. В расчеты включены затраты чело­веческого труда, однако других вводимых ресурсов не дано. Несколько

приводят в замешательство низкие затраты на оборудование, а также отсутствие затрат на строительство измельчающего и сушильного обо­рудования (особенно потому, что по сельскохозяйственным машинам даются существенные затраты). В этих исследованиях урожай древесины с 1 га при интенсивной системе был в три раза выше, чем при естествен­ной регенерации, поэтому для обеспечения того же объема продукции в последнем случае необходима в 3 раза большая площадь. Затраты на транспорт не включены в таблицу 56, но они оцениваются в 1,0 МДж/ткм; при этом в системах с естественной регенерацией они возрастают вследствие больших расстояний между местоположением заказчика и местом рубки.

При анализе затрат по выращиванию можно видеть, что лесное хо­зяйство имеет очень низкие потребности в энергии (собственно лесная культура). Однако транспортировка сырой древесины на большие расстояния для использования ее в качестве топлива нецелесообразна; продукт, подобно зерну в сельском хозяйстве, должен транспортиро­ваться к месту использования почти в сухом состоянии. Авторы прове­денного исследования определили сушку и транспортировку биомассы как две основные статьи затрат энергии; снижение размеров этих затрат является затруднительным.