Биоэнергия: технология, термодинамика

МАСШТАБЫ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПЛОТНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

Использование энергии в определенных целях предполагает учет трех основных факторов: наличия достаточных запасов энергии, эффек­тивности и нормы ее использования. Продуктивность представляет собой сочетание указанных трех факторов.

Изобилие энергии. Здесь снова можно провести аналогию между живыми клетками и экономическими системами. В качестве топлива клетки используют неорганические молекулы (хемодитотрофы), орга­нические молекулы (гетеротрофы) или солнечную радиацию (фотоауто - трофы). Однако источник энергии — только один из многих факторов, ограничивающих рост организмов в биосфере: часто более важные лимитирующие факторы — температура, питательные вещества, вода и болезнй. Попытки продемонстрировать годовые колебания выхода продуктов фотосинтеза в зависимости, например, от солнечной радиа­ции обычно оказывались неудачными [4]. В природе успех в меньшей степени заключается в обнаружении скудных источникЬв энергии, чем в адаптации к наличию избыточных ее запасов. До сих пор существуют виды окружающей среды, например мор£ или пустыня, где адаптация организмов очень низкая, а использование значительной энергии свето­вого потока очень слабое.

Подобно этому человек всегда был окружен громадным числом различных форм энергии и лишь очень медленно учился их использовать. Сначала получение энергии шло путем биохимического окисления гото­вых углеродных соединений, содержащихся в животной и растительной пище. Затем энергию стали получать путем сжигания сухой растительной биомассы (древесины) на воздухе при высокой температуре. Позднее для получения энергии начали сжигать более концентрированные остат­ки отмерших клеток в форме угля и нефти. Наконец, человек научился использовать энергию уже не молекулярных, а атомных связей. Уровень общей потенциальной энергии всегда был высоким, но способы ее ис­пользования отсутствовали.

Как видно из таблицы 3, мир в настоящее время потребляет огром­ное количество энергии [5]. Потребление энергии биомассы, т. е. дре­весины, навоза и т. д., в таблице не показано из-за отсутствия достовер­ных данных. Большое количество используемой биомассы собирается в частном порядке и не является предметом торговли. Тем не менее 10—25 % общего мирового потребления энергии приходится на био­массу. Производство и торговля энергетическим сырьем значительно превышают по объему производство сырой биомассы и продуктов фо-

тосинтеза (табл. 4) [6]. Теплотворная способность нефти в 2—3 раза выше теплотворной способности сухой биомассы. В результате общая энергия одной только сырой нефти превышает энергию всей биомассы, получаемой промышленным путем в мировом масштабе. Для поддержа­ния уровня жизни, существующего в настоящее время в развитых стра­нах, и для достижения аналогичного уровня жизни в развивающихся странах потребуется использование разнообразных форм энергии. В гла­ве 2 рассматривается вопрос возможностей получения достаточного количества биоэнергии из собранной биомассы.

Эффективность использования энергии. Эффективность использо­вания химической энергии организмами для осуществления своего роста и жизнедеятельности высокая. Вероятно, это является результа­том естественного отбора. Эффективность производства промышлен­ных товаров человеком также возросла по истечении начального пе­риода индустриализации [7]. В итоге национальные уровни эффектив­ности использования энергии в промышленном секторе сближаются [8]. Разница в использовании энергии, которая действительно сущест­вует между странами, обусловлена не столько непроизводительными потерями, сколько различиями в системе транспорта, характере'разви­тия промышленности, различиями в индивидуальном и промышленном использовании энергии, а также различиями в потерях при преобразо­вании энергии [9]. Теоретические возможности повышения эффектив­ности промышленного использования энергии все еще значительные [10], так как различные виды топлива потенциально могут выполнить намного больше работы, чем это имеет место в настоящее время. Даже в периоды ’’изобилия” энергии энергрсбережение стимулируется сущест­вованием оптимального уровня издержек. Для эффективного использова­ния энергии часто требуются капиталовложения. Однако по иронии судь­бы в период ’’нехватки” энергии наблюдается и недостаток свободного капитала [11]. При подорожании энергии в результате ее нехватки мо­жет иметь место переход к менее эффективным, но более дешевым ме­тодам ее использования.

Плотность энергии. При определении сроков, необходимых для за­вершения определенной программы, большую роль играет интенсивность использования имеющихся запасов топлива. Сложные системы требуют больше энергии, чем простые. При необходимости выращивания орга­низмов в определенные сроки интенсивность подачи энергии должна быть высокой. Это требование предполагает необходимость наличия более энергоемких источников, в противном случае системы будут развиваться и функционировать крайне медленно. Сам по себе круп­ный источник энергии является недостаточным, он должен быть пред­ставлен в форме концентрированного топлива. Например, человек по характеру своего метаболизма не является фотоаутотрофным организ­мом. Тип его питания — гетеротрофный; он использует концентриро­ванную энергию животных и растений. - Солнце — крупный источник - энергии, однако вследствие большой удаленности оно может обеспечить только относительно небольшой поток энергии. Медленно растущие, неактивные, малоподвижные организмы, такие, как растения, могут жить за счет солнечной радиации, так как значительная площадь расте­ния подвергается ее действию. Для своей жизнедеятельности человек нуждается в более плотных формах энергии. Подобно этому, по мере развития технологии, в промышленности наблюдалась тенденция к ис­пользованию все более концентрированных источников энергии. Как мы увидим, прежде чем использовать солнечное тепло, необходимо пре­вратить солнечное тепло в энергоемкое топливо.

Энергетическая плотность различных источников энергии, исполь­зуемых человеком, представлена в таблице 5. Урановая руда, несмотря на то что она может содержать менее 1 % урана, имеет энергетическую плотность примерно в 500 раз выше, чем сырая нефть. Уголь — более энергоемкий источник, чем нефть (в весовом отношении энергоемкость нефти составляет 45 ГДж/т, а угля — 29 ГДж/т). Дерево является менее энергоемким материалом, чем уголь или нефть. Далее, в порядке умень­

шения энергоемкости следуют геотермическая энергия, текущая вода, солнечный свет и ветер.

Кроме энергоемкости материалов, приведенных в таблице 5, суще­ствует еще один, менее ощутимый фактор, определяющий полезность этих материалов как видов топлива. Этим фактором является их физи­ческое состояние. Так, нефть ценится больше, чем уголь, так как она представляет собой жидкость, что облегчает погрузку, разгрузку, транс­портировку и хранение. Аналогично этому •''геотермальная энергия, энер­гия текущей воды и энергия ветра находят широкое применение, не­смотря на их низкую энергоемкость. Ценность топлива также сильно зависит от характера его использования. Например,.топливо для транс­порта ценится больше, чем топливо для систем обогрева.

Сказанное освещает только качественные аспектьюценки источ­ников первичной энергии в отношений их пригодности для производ­ства топлива. Второй закон термодинамики не позволяет количественно оценить эффективность перевода нетепловых источников энергии (на­пример, солнечного света) в полезную работу. Однако он указывает на трудности, связанные с концентрацией и использованием таких ”раз - бавленных” форм энергии, а также налагает определенные ограничения на полезную работу, которая может быть получена на основании тепла, высвобождаемого в результате окисления горючих материалов.