Биоэнергия: технология, термодинамика

КОНКУРЕНЦИЯ С НЕФТЬЮ, УГЛЕМ И ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИЕЙ

Рост или сокращение? В главе 1 уже говорилось о том, что в настоя­щее время в мире преобладают виды энергии, получаемой за счет нефти, угля и газа. Возобновляемые виды энергии всех типов должны конку­рировать с крупными промышленными отраслями, представленными этими видами топлива. Ошт должны также конкурировать с относитель­но новым видом энергии — ядерной энергией. Потребление ядерной энергии увеличилось за десять лет (с 1971 по 1981 г.) почти в 8 раз (рис. 16) и к концу столетия, по прогнозам, должно увеличиться еще в 4 раза до 28 млрд. ГДж в год [7}. Возобновляемые виды энергии в большинстве случаев не новые, многие из них были ранее вытеснены видами топлива, используемыми в настоящее время. Могут ли они теперь конкурировать с остающимися резервами ископаемых видов топлива и с резервами расщепляющихся материалов, которые могут быть использованы в будущем для выработки ядерной энергии? Како­вы в перспективе потенциальные возможности возобновляемых видов топлива по отношению к ядерным и термоядерным реакциям? Если термоядерная реакция будет осуществлена технически, мы получим возможность почти неограниченной выработки энергии. Ответы зависят частично от состояния мировой экономики, населения и т. д. в будущем.

Уменьшение мирового населения, уменьшение его благосостояния вызовут уменьшение потребностей в энергии, а также возможность или восполнения запасов ископаемых видов топлива, или приспособления к более низким нормам потребления, определяемым возобновляемыми видами топлива. Рост населения, повышение благосостояния, усложне­ние человеческих отношений вызовут необходимость развития основных новых источников энергии, которые должны быть дешевыми, не вызы-

Рис. 16. Мировое потребление ядерной энергии.

вать загрязнение окружающей среды и быть приспособленными для использования в различных географических условиях, но не должны за­висеть от армий плохо оплачиваемых, неквалифицированных. рабочих. Ниже мы рассмотрим второй вариант, так как он больше согласуется с историей развития энергии, а также потому,, что первый вариант вызы­вает больше проблем, чем решает. Динамическое равновесие, связанное со стихийным, быстрым ростом, является, возможно, более стабильным, чем искусственно созданный застой, который будет рассматриваться как несправедливость теми, кто не успел насладиться плодами индуст­риализации.

Размеры запасов энергетических ресурсов. Конкуренция между во­зобновляемыми и другими видами энергии определяется прежде всего разведанными запасами ресурсов. Глобальные энергетические ресурсы показаны в таблице 66 [8]. Цифры по" ископаемым видам топлива да­ются для дешевого, легко добываемого сырья. При включении более дорогих ресурсов, т. е. 50 долл/т угля и 25 долл/т нефти и газа запасы примерно утраиваются с 32 до 93 тыс. млрд. ГДж только для ископае­мых видов топлива. Топливо для обычного ядерного реактора добавля­ет к общей сумме еще 9450 млрд. ГДж. Реакторы-размножители, нахо­дящиеся в стадии разработки, добавляют к общей сумме в тысячу раз больше топлива. Термоядерный синтез, если он когда-нибудь станет технически возможным, снова в громадных размерах увеличит общий объем ресурсов. В главе 2 указывалось, что общий объем биомассы, про­мышленно собираемый человеком, составляет около 70 млрд. ГДж в год. Если предположить, что десятая часть этого объема, т. е. 7 млрд. ГДж в год, могли бы быть использованы в качестве топлива в

І

течение нескольких десятилетий, то такое предположение было бы в высшей степени оптимистичным. Хотя энергия биомассы, накопленная с течением времени, в принципе, выше, чем все другие виды энергии (так как она может возобновляться каждый год, даже при низких урожаях и отсутствии ископаемых видов топлива), нормы ее использования яв­ляются очень низкими и не могут составить серьезную конкуренцию другим видам энергии, по крайней мере, в ближайшие годы.

Цены на нефть. Резкий рост цен на сырую нефть в 70-е годы явился частично причиной внимания к развитию биоэнергетической промыш­ленности и надежд, что биотопливо сможет конкурировать с ископаемы­ми видами топлива. Последующие события явились менее благоприят­ными для будущего биоэнергии, так как цены на нефть упали, а конку­ренция между биомассой и углем складывается обычно неблагоприятно для биомассы. Однако энергетические кризисы имели место не столько вследствие обеспокоенности по поводу топлива вообще, а вследствие временного дефицита жидких видов топлива, необходимого развитым странам для использования на транспорте. Жидкие виды топлива могут быть получены из биомассы с использованием ограниченного числа про­цессов, включая ферментацию и термическое обогащение. Последний тип процесса может также применяться для экстрагирования жидкого топлива из угля, нефтяных сланцев и битуминозного песчаника. В этом случае сырье является очень дешевым. В результате получение синтети­ческого топлива из этих источников в будущем более вероятно, чем по­лучение биоэнергии. Синтетический автомобильный бензин получают из угля в специальных условиях, существующих в Южной Африке. Од­нако, к сожалению, производство синтетического топлива из угля и слан­цев в Европе и США за последнее время ослабло вследствие падения цен на сырую нефть и из-за больших издержек по переработке сырья. Можно также ожидать соответствующее ослабление интереса и к возобновляе­мым видам топлива.

Размеры и число установок по производству синтетического топли­ва. Одно из преимуществ нефти, газа, угля, низкосортных горючих слан­цев и битуминозного песчаника то, что эти источники энергии сконцен­трированы в одном месте. В результате возможна постройка крупных перерабатывающих заводов. Нефть часто перерабатывают на заводах мощностью 10 млн. т в год и более. Аналогично этому заводы по произ­водству синтетического топлива, использующие горючие сланцы и биту­минозный песчаник, будут тоже очень крупными. Проекты биотоплив - ных заводов предусматривают размеры на 2—3 порядка меньше, так как в этом случае ограничивающим фактором служит необходимость сбора биомассы с очень большой площади. Любое преимущество в раз­мерах биотопливного завода аннулируется увеличением стоимости пере­возок. Таким образом, для производства объема топлива, сравнимого с объемом ископаемого топлива, производимого обычным заводом, потребуется большое число мелких биотопливных заводов. Поэтому при наличии более концентрированных источников энергии биомасса будет всегда в невыгодном положении. Как мы уже отмечали, урановая руда по плотности энергии превышает все остальные источники. Уголь и нефть менее энергоемки, но более ценны в этом отношении, чем биомасса и другие источники возобновляемой энергии (см. главу 1, раздел 1.2).

Биомасса и уголь. Наиболее реальным конкурентом биомассы и ископаемых видов топлива является уголь. Как уголь, так и биомасса — твердые вещества, содержащие углерод, но здесь их сходство кончается. Биомасса более влажная, более окислена, имеет более низкую тепло­творную способность и плотность, чем уголь, используемый в настоящее время. Уголь обычно дешевле и легче транспортируется к месту его ис­пользования, за исключением только очень отдаленных районов. В бли­жайшие несколько десятилетий прогнозируется увеличение потребления угля вследствие уменьшения потребления нефти. Многие процессы, предложенные для обогащения биомассы, такие, как сжигание, пиролиз, газификация и т. д., в равной мере применимы к углю. Запасы угля все еще большие (по отношению к годовому потреблению энергии), поэто­му в течение, по крайней мере, ближайших ста лет (при отсутствии других разработок в области топлива) уголь останется очень сильным конкурентом биомассы.

Загрязнение. Загрязнение окружающей среды — это другая область, где традиционные и ядерное виды топлива часто предпочтительнее био­топлива. В случае традиционных видов топлива, поскольку добыча его сконцентрирована в одном месте, удаление стока на единицу произведен­ного топлива является значительно более практичным. Электрофильтры, установки для обработки стоков и другое оборудование несовместимы с мелкомасштабным производством, даже несмотря на то что мелкомас- штабность считается достоинством биоэнергии. Загрязнение можно рас­сматривать, исходя из единицы произведенного топлива и из возможно­сти регулирования выбросов и стоков. Ядерная энергия в этом отноше­нии котируется высоко и уже может считаться наиболее экологически ’’чистой” из всех видов энергий, которыми пользуется человечество. Дымный огонь от сжигания дров можно считать как временное самодея­тельное отклонение от тенденции к очищению воздуха. В перспективе использование электричества для индивидуального транспорта умень­шает остроту проблемы выхлопных газов, от которой не свободно даже спиртовое топливо. Правда, одна технология, а именно анаэробное бро­жение, способствует уменьшению выброса загрязняющих среду угле­родистых материалов, и ценность этой технологии выше, чем просто как метопа производства топлива.

Исследования. Много надежд возлагается на исследования, напра­вленные на снижение затрат и решение проблем, связанных с биоэнерги­ей, и, конечно, никто не может предсказать результаты исследований и изменения, которые они могут вызвать. Много исследований проводится также и в других областях энергии. Были предложены новые формы энергии и новые методы производства традиционных видов топлива. Какие направления окажутся наиболее полезными - сказать трудно. Мы не имеем в своем распоряжении разработанных методов проведения таких оценок, но можно утверждать, что потенциальное преимущество (эффект) биоэнергии является более ограниченным, чем потенциальный эффект ядерного деления или синтеза. Жидкие виды топлива представля­ют собой только углерод в восстановленной форме, и при достаточном количестве дешевой энергии диоксид углерода может быть восстановлен до углеводородов. Наличие в мире окисленного углерода в форме из­вестняка обеспечивает почти неистощимый резерв в добавление к потен­циальным запасам топлива. Как мы увидим в следующей главе, значи­тельная часть современных исследований по биоэнергии направлена на изучение второстепенных компонентов стоимости производства топлива. Требование исследований поставить использование биоэнергии на про­мышленную основу является революционным и в значительной мере теоретическим по сравнению с требованиями использовать более труд­ные источники углеводородов, а также низкосортные виды ископаемо­го топлива, которые уже имеются ”в наличии”, но ожидают разработки экономичных процессов получения.