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.

Таблица 51. Затраты энергии иа единицу денежных затрат

для различных сельскохозяйственных вводвмых ресурсов

Показатели

МДж/ф. ст. (1968)

Дизельное топливо

2950

Электроэнергия

1690

Химические средства

326

Сельскохозяйственные построй-

ки

260

Трактора и сельхозмашины Технический уход и амортизация

216

оборудования

200

Транспорт, услуги и т. д.

84

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

Таблица 52. Затраты энергии в сельском хозяйстве Великобритании (1968)

Статья затрат

Млн. ГДж

Нефть

69,7

Электроэнергия

29,8

Другие виды топлива

8,9

Удобрения

81,9

Машины

31,8

Строения

22,8

Другие затраты

29,0

Всего

273,9

Таблица 53. Затраты энергии при выращивании кукурузы в США

Статья затрат

ГДж/т (сухая масса)

Удобрения и известь

2,28

Пестициды

0,01

Машины

1,27

Выращивание культур

0,23

Уборка

1,22

Всего

5,01

(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.

Таблица 54. Затраты энергии в сельском хозяйстве США (топливо + удобрения)

Культура

ГДж/т (сухая масса)

Овес

1,9

Ячмень

3,1

Сахарная свекла

2,7

Соя

4,0

Картофель

7,9

Яблоки

17,3

Апельсины

25,4

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,

Статья затрат

ГДж/т (сухая масса)

Труд

0,01

Машины

0,75

Топливо

1,50

Удобрения

1,28

Семена

0,06

Гербициды

0,06

Электроэнергия

0,29

Транспорт

0,13

Всего

4,14

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

Статья затрат

ГДж/т древесины

(сухая масса)

Оборудование

Химические средства н удобре-

0,007

ния

0,94

Семенные деревья

0,007

Топливо

0,45

Труд

0,002

Измельчение

0,08

Сушка

3,70

Всего

5,19

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.

Биоэнергия: технология, термодинамика

ЭНЕРГИЯ И ДЕНЕЖНЫЕ ЗАТРАТЫ

Хотя ранее говорилось о том, что привлекательность процессов по производству биотоплива будет определяться не столько энергетически­ми затратами, сколько денежными расходами, непосредственное сравне­ние этих двух категорий расходов по отдельным продуктам прояснит …

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ РИСКА. ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ БИОЭНЕРГИИ,. ЕЕ СОЦИАЛЬНОЕ ЗНАМЕНИЕ. И БЕЗОПАСНОСТЬ. ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. 6.Т. АНАЛИЗ СТЕПЕНИ РИСКА

Важным элементом в развитии использования возобновляемых Ри­дов энергии является риск, связанный с основной альтернативой источ­никам энергии на земном шаре в будущем — ядерной энергией. Риск, или возможные отрицательные последствия для …

РАСТИТЕЛЬНЫЕ МАСЛА

Масла, парафин, смолы и другие растворимые в растворителях сое­динения встречаются во всех растениях. Маслянистые соединения могут составлять до 40—50% биомассы, и они относительно легко экстраги­руются. Эти соединения — сырье для …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.