Биоэнергия: технология, термодинамика

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 человечества, связанные с использованием биомассы, а также изготовленных из нее видов топли­ва, часто считаются незначительными, но многие знают разрушительные возможности бесконтрольного пронесся ядерного распада. Возможности риска, связанные с использованием возобновляемых видов топлива при производстве и использовании их в масштабах, аналогичных масштабам использования ископаемых видов топлива, исследовались сравнительно мало, но этот фактор следует принимать во внимание.

Степень риска может быть оценена таким же путем, как это делается при анализе энергетических и денежных затрат. Общая деятельность в этой области раскладывается на ряд составляющих, причем по каждой составляющей известна степень риска. Такой анализ проводился в тече­ние ряда лет [1] применительно к производству и использованию тради­ционных видов топлива.

Известно, что добыча угля и нефти более опасна как для лиц, участ­вующих в ней, так и для остального населения, чем производство ядер­ной энергии или природного газа. Извлечение больших количеств угля и нефти из неблагоприятной среды вызывает больше отрицательных последствий и смертельных исходов среди работников энергетики (в расчете на единицу производимой энергии), чем производство природ­ного газа или добыча значительно меньших количеств урановой руды. Уголь и нефть также вызывают более сильные отрицательные послед­ствия для населения благодаря высвобождению больших количеств газообразных продуктов горения и твердых частиц. Отрицательный эф­фект, вызываемый продуктами сжигания газа или радиоактивными, из­лучениями ядерных станций, намного ниже. В -.таблице 60 показаны потери в человеко-днях на единицу выработанной энергии (один смер­тельный исход = 6000 чел.-дней) [2].

Риск, связанный с производством биотоплива. В таблице 60 показана также степень риска, связанная с осуществлением одного процесса — получением метанола из древесины. Метанол считался очень чистым топливом, однако риск, связанный с его производством, довольно большой. В лесном и сельском хозяйстве процент несчастных случаев выше, чем при добыче ископаемых видов трплива [3]. Работа с боль­шими партиями древесины также характеризуется высокой степенью риска для рабочих, занятых в этих отраслях. Раскладка степени риска, связанного с производством метанола из древесины, приводится в таб­лице 61 [4]. Сравнимые цифры по ядерной электроэнергетике пред­ставлены в таблице 62 (из того же источника). В отношении получения метанола из древесины наибольшая стелешь риска связана с приобрете-

ниєм сырья и с осуществлением процесса. Производство металлов и других материалов, исрользуемых при производстве возобновляемых видов топлива, предполагает использование угля или нефти, которые, в свою очередь, добываются и используются при определенной степени риска. Эти цифры следует рассматривать в перспективе, так как риск, связанный с производством угля и нефти, а также их использованием, обычно рассматривается как приемлемый.

Степень приемлемого риска лежит примерно между показателями естественной смертности (примерно один смертельный исход в год на миллион населения) и смертностью при заболеваниях (примерно тысяча смертельных исходов в год на миллион населения) и зависит также от осознаваемой степени выигрыша [5]. Риск, осознаваемый населением, может быть выше или ниже статистического расчетного уровня. Напри­мер, в самолете пассажир может чувствовать, что степень риска является более высокой, чем на самом деле. При обсуждении относительных пре­имуществ видов биотоплива следует оценить степень риска, связанного с введением новых систем, и сравнить его с существующими системами, которые предстоит заменить.

Анархия в использовании биоэнергии. Биоэнергия имеет преиму­щество децентрализованного использования. Каждый может собирать сухие ветки, сбраживать сахар и отходы. Но даже при этом следует знать относительную степень риска как индивидуальную, так и общественную. Частные предприятия гораздо труднее поддаются контролю, чем госу­дарственные. Значительные опасения высказывались в связи со сжига - ниєм древесины [6, 7], особенно в США, где эти процессы в значительной мере усилились и где, в противоположность Великобритании, такое сжи­гание проводится Почти бесконтрольно. Как; мы увидим позднее, мелко­масштабные процессы сжигания древесины связаны с серьезным загряз­нением окружающей среды и угрозой для здоровья человека.

Баланс диоксида углерода. Глобальный риск, связанный со сжига­нием всех ископаемых видов топлива (это не касается ядерного топли­ва) , является результатом выброса в атмосферу диоксида углерода. Вопрос, насколько это обстоятельство представляет собой риск, — явил­ся предметом широких дискуссий, так как ’’парниковый” эффект может даже оказаться положительным как для климата земного шара, так и для выхода продукции сельского и лесного хозяйства. Но с другой сто­роны, были также прогнозы таких грозных явлений, как расширение мировых пустынь и катастрофический подъем уровня моря. С точки зрения общепринятого анализа степени риска, число фактов недостаточ­но, и можно только рассуждать по поводу эффектов непрерывного сжи­гания ископаемых видов топлива. Только половина углерода, выбро­шенного в атмосферу в результате сжигания ископаемого топлива в течение этого столетия, может быть фактически обнаружена в атмос­фере [8].

Ежегодное поглощение углерода в процессе фотосинтеза наземной биосферой и океанами составляет около 100 млрд, т., что значительно больше существующего выброса углерода в атмосферу (5 млрд, т в год).

Сведение лесов без возобновления растительного покрова лик­видирует возможность поглощения диоксида углерода, что приведет к обострению проблемы. Однако высокопродуктивное сельское хозяйство имеет потенциальные возможности поглощать, по крайней мере, столько же диоксида углерода, сколько леса (см. главу 2).

В определенных условиях рост растений может быть ограничен недостатком диоксида углерода. Таким образом, в мировом масштабе растительность может увеличить фиксацию углерода в результате по­вышения его концентрации в атмосфере. Однако измерить это неболь­шое увеличение выхода продуктов фотосинтеза будет затруднительным. И наоборот, по простым причинам кинетического характера концентра­ция СОг в окружающем воздухе может увеличиться в результате интен­сификации сельскохозяйственного производства, предполагающего бо­лее быструю смену растительного покрова. Некоторые авторы утвер­ждают, что даже в районах, покрытых растительностью, идет чистое об­разование диоксида углерода [9], однако такого рода утверждения Трудно подтвердить или отвергнуть до тех пор, пока нам не будет из­вестна точная емкость поглощения С02 океанами и наземной расти­тельностью, которая дала бы возможность рассчитать полный углерод­ный баланс.

Потребность в площадях. В этом разделе рассматриваются вопро­сы, связанные с безопасностью использования биоэнергии для людей и окружающей среды. Уровень безопасности является значительным, и этот фактор может перевесить все остальные возражения против исполь­зования этого вида топлива. В главе 2 было показано, что теплотворная способность материалов, получаемых человеком в сельском и лесном хозяйстве, равна примерно четверти общей энергии топлива, используе­мого человеком. Увеличение использования энергии биомассы потребует переворота в развитии сельского и лесного хозяйства. Для производства энергии потребуется больше земли, при этом возрастет конкуренция между производством энергии и производством продовольствия, волок­на и т. д. Конечно, можно предположить условия, при которых потребле­ние энергии на душу населения составит только незначительную долю того, что существует в настоящее время. Такие предметы роскоши, как путешествия, машины, экономящие труд, материалы и продукты, произведенные с использованием энергоемких методов, будут в сильной степени ограничены. Последствия такой революции здесь не рассматри­ваются. Маловероятно, что такой переворот будет принят добровольно.

Проблемы наличия земельных угодий рассматриваются в главе 2. Хотя приобретение необходимых площадей плодородных земель для оптимального производства биомассы на топливо может оказаться не­возможным, правительство, вероятно, сможет выделить крупные пло­щади для производства топлива. Каких можно ожидать последствий? Последствий много, и среди них такие, как изменения в обеспечении продовольствием, занятости, благоустройства, отдыха, истощение почвы, эрозия, состояние жилищного строительства и транспорта. Если преду­смотреть использование для производства биотоплива только остатков сельского и лесного хозяйства, влияние указанных изменений на состоя­ние общества значительно снизится, но при этом доля энергии биотопли­ва будет также значительно меньше.

Занятость. Кроме экономии иностранной валюты, биотопливо долж­но иметь преимущество в обеспечении занятости. Это подтверждается самой природой сельского хозяйства, являющегося часто трудоемким; в таблице 63 показан низкий выход энергии при производстве зерновых по сравнению с производством нефти и угля (последняя отрасль также является трудоемкой) [10, 11, 12].

Эффект значительно выше в развивающихся странах, где произ­водительность труда обычно очень низкая. Однако даже в этих странах использование биотоплива не обязательно сопровождается увеличением занятости. Например, в Бразилии на плантациях сахарного тростника потребности в рабочей силе носят чисто сезонный характер, и рабочие, которые раньше при производстве продовольственных культур имели круглогодичную занятость, в настоящее время являются сезонными ра-

бочими [13]. Местные рабочие могут не найти подходящую работу на плантациях по производству биомассы (как это было с уборкой сахар­ного тростника в Доминиканской республике); для этой цели могут быть наняты иностранные рабочие. Использование городских отходов и сельскохозяйственных остатков для производства биотоплива, особен­но в странах третьего мира, может лишить многих людей (собирающих эти отходы) средств к существованию. В развитых странах для повыше­ния национального благосостояния изыскиваются пути повышения производительности труда во всех отраслях, включая энергетику. Поощ­рение и внедрение технологий, характеризующихся низкой производи­тельностью труда в развивающихся странах, вызовут снижение показа­теля национального продукта на душу населения.

Продовольствие или топливо? Использование потенциальных источ­ников продовольствия в качестве сырья для производства топлива яви­лось предметом широкого обсуждения. Аргументы были как экономи­ческого, так и морального порядка, так как ценность биомассы как продовольствия обычно значительно выше, чем ее ценность как топлива. Однако субсидии, стимулирующие использование биомассы в качестве топлива, могут радикальным образом изменить положение. Использо­вание излишков биомассы (сахар в Бразилии или кукуруза в США) для производства топлива явилось сначала, скорее, результатом нехват­ки достаточно выгодных рынков сбыта, чем стремлением создать новую отрасль. Поэтому было предложено увеличить получение биомассы (осо­бенно в Бразилии) для производства спирта независимо от пищевой про­мышленности. Это, в свою очередь, вызвало обеспокоенность неблаго­приятными социальными последствиями в Бразилии и привело к замене необходимых продовольственных культур топливными [14].

Конкуренция за использование мировых запасов биомассы между ’’богатыми”, желающими использовать ее в качестве топлива, и ’’бед­ными”, нуждающимися в ней как в средствах к существованию, создала в мире угрожающее положение [15]. В таблице 64 приводятся данные о площадях, необходимых для выращивания зерна на продовольствен­ные нужды и для производства топлива (спирта) [13]. Если топливо, необходимое для производства зерна, также обеспечивается путем выра­щивания зерна, то для этого потребуются большие размеры площадей.

Если все же цены на энергию увеличатся в ближайшие десятилетия, как это следует из прогнозов, ценность биомассы как топливного сырья также увеличится и покупательная способность развитых стран послужит гарантией того, что биомасса будет использоваться-не как продоволь­ствие, а как топливо. Несмотря на неправдоподобие этих аргументов, следует все-таки учитывать, что уже значительная доля продовольствия в форме сахара в Бразилии и кукурузы в США была использована в ка­честве топлива. По имеющимся данным, только треть всех бразильцев имеет нормальный рацион, а одному из потребителей американской кукурузы, СССР, было на время отказано в необходимых ему продо­вольствии и кормах. Другими странами, собирающимися проводить по­литику, ведущую к подобным результатам, являются Австрия (экспор­тирующая в Восточную Европу излишки пшеницы), Новая Зеландия, Австралия, Южная Африка, Таиланд и Филиппины. Затруднения, связан­ные с крупными излишками сельскохозяйственной продукции и регио­нальными различиями в доходах и потреблении продуктов питания, бу­дут, вероятно, в дальнейшем углубляться вследствие широкого исполь­зования потенциальных запасов продовольствия ’’богатыми” в качестве топлива. В Бразилии средний доход наиболее богатой части населения (Vs общей численности) в 36 раз превышает средний доход беднейшей части, составляющей также */s часть общего населения. Владельцы авто­мобилей могут использовать наиболее низко оплачиваемые слои насе­ления для производства топлива. Бразилия - крупнейший импортер зерна в Западном полушарии, и ее площади могут с успехом использо­ваться для выращивания культур в целях прекращения утечки иност­ранной валюты.

Почвенный статус. Для ’’энергетических плантаций”, при организа­ции их в достаточно больших масштабах, будут использоваться бед­ные почвы, непригодные для сельского хозяйства. В дальнейшем в ре­зультате выращивания и уборки биомассы может произойти дальнейшее снижение плодородия и ухудшение структуры почвы. При существующей

технологии уборки значительная часть питательных веществ остается в почве в неубранных частях растения. При уборке всего растения, как этого требуют некоторые технологии производства биотоплива, почва будет терять органическое вещество, и для поддержания достаточно высоких урожаев потребуется внесение большего количества неоргани­ческих питательных веществ. С точки зрения отрицательных послед­ствий, вызванных потерей питательных веществ, больше всего страдают тропические леса и меньше всего — хвойные леса умеренной зоны [14].

Другая проблема, связанная с выращиванием лесов для целей произ­водства топлива, — уплотнение почвы колесами тяжелых машин, ис­пользуемых для вывозки лесной биомассы. Уплотнение ведет к повыше­нию стока, эрозии и ухудшению условий роста корней.

Отдых и окружающая среда. Последнее из социальных последствий, которое мы рассмотрим, — это проведение досуга и отдых. Особенно в Великобритании леса рассматриваются как место отдыха, а также как промышленный источник древесины. Лесное хозяйство Англии характе­ризуется монокультурой и преобладанием пород с мягкой древесиной. Забота о красоте лесных насаждений заставляет человека менять их истинный облик путем посадки полос из пород с твердой древесиной вдоль дорог. Однако эти породы скоро заглушаются более быстро растущими хвойными породами.

Изменение характера пользования при организации энергетических плантаций не может не изменить характера фауны. Одни считают такие изменения положительными, другие — отрицательными [16], но многие специалисты по вопросам окружающей среды предпочитают отсутствие изменений той революции, которую вызывает возделывание топливных культур.

Вследствие огромных потребностей в площадях для производства значительных количеств энергии проблема изменения внешнего вида ландшафта в равной мере коснется лесоводства, сельского хозяйства, а также предложенкй по организации морских хозяйств. Морское побе­режье — это традиционное место отдыха населения Великобритании, и появление структур для закрепления водорослей, а также закрытие крупных водных пространств не может не вызвать отрицательной реак­ции. Деятельность, связанная с добычей ископаемых видов топлива, в значительной мере локализована с точки зрения ее влияния на населе­ние; производство же биоэнергии будет иметь «значительные социаль­ные последствия.