Биоэнергия: технология, термодинамика

ПОТРЕБНОСТЬ. В БОЛЬШОМ КОЛИЧЕСТВЕ. ДЕШЕВОЙ ЭНЕРГИИ

1.1. ЭНЕРГИЯ, ЭНТРОПИЯ И ПОЛЕЗНАЯ РАБОТА

Роль энергии. Ежегодное мировое потребление нефти для произвол* ства энергии составляет 7000 млн. т (с пересчетом на нефть других ис­точников энергии). Торговля энергоносителями по объему превосхо­дит все прочие статьи. Значение энергии не нуждается в комментариях, так как ни один вид человеческой деятельности не может осуществлять­ся без использования тех или других форм энергии. Любая угроза пере­рыва в обеспечении энергией вызывает тревогу. За последнее время такие угрозы нашли свое выражение в росте цен, эмбарго, а также прогнозах относительно появления дефицита энергетического сырья в будущем. Ответной реакцией на эти угрозы явилось повышение инте­реса к разработке новых источников и форм энергии.

Перед тем как перейти к рассмотрению одной из новых форм энер­гии — биоэнергии, необходимо проанализировать роль энергии в жизни и деятельности человека. В сущности, энергия в форме топлива служит для установления и поддержания упорядоченности существующего ма­териального мира. Транспорт, строительство, потребительские товары и т. д. представляют собой перераспределение (упорядочение) сырья и промышленных материалов, обеспечивая построение общества желае­мой структуры. Конечные издержки определяются не энергией, кото­рая не создается и не уничтожается (1-й закон термодинамики), а энтро­пией, которая неуклонно увеличивается по отношению ко всей системе (2-й закон термодинамики). В ходе многих процессов, способствующих повышению степени упорядоченности, происходит деградация высоко­калорийного (энергетического) топлива, а его энергия становится малоэффективной.

Как в природе, так и в процессе деятельности человека осуществле­ние созидательных изменений требует энергетических затрат. Организа­ция и рост как таковые - энтропически неблагоприятные процессы; они могут существовать только в сочетании с общей энтропией в про­цессе деградации энергии. Результатом такого сочетания является полез­ная работа, или создающая энергоемкие материалы, или распределяющая

материальные компоненты на благо организма, независимо от того, является ли этот организм живой или социальной формой. Как живой, так и социальный организмы требуют для своего построения и функ­ционирования специфических видов топлива.

Рост и сложность структуры и функций организмов. Наиболее оче­видное отличие живых организмов от других объектов физического мира - их сложность. Образование ископаемых отложений и история развития человеческого общества демонстрируют непрерывный харак­тер усложнения организмов. Чем сложнее структура и функции орга­низма, тем больше энергии требуется для его построения и жизнеобеспе­чения. Энергия обеспечения роста должна превышать минимальный уро­вень энергии, необходимый для поддержания жизнеспособности орга­низма. Там, где обеспеченность энергией ниже минимального уровня, организм должен дли. адаптироваться, или погибнуть. Там, где обеспе­ченность энергией выше минимального уровня, но ниже избыточного, на скорость роста влияет ряд ограничений. Для максимального роста энергия и другие материалы должны находиться'в избытке.

Эти ограничения можно продемонстрировать значительно более ярко на примере естественных организмов, чем на примере созданной человеком экономики. В последнем случае показать роль энергетиче­ских факторов в ограничении роста затруднительно. Существует много других неконтролируемых ограничивающих факторов. Кроме того, экономика человеческого общества не связана неизменными генетиче­скими кодами; она обладает способностью к относительно быстрой адаптации. Тем не менее человеческая деятельность также зависит от количества доступной энергии, и угроза возможного ее дефицита вызы­вает некоторую обеспокоенность.

Характерной чертой даже самой мелкой микробной клетки яв­ляется то, что основная доля энергии, обеспечивающей ее рост, идет не на синтез энергоемких продуктов, а на правильное размещение моле­кул в клетках организованных групп и структур [1]. В качестве при­мера можно привести процессы, происходящие в дрожжах (Saccharo - myces cerevisiae) (табл. 1). Энтальпия метаболизма расходуется в ос­новном на увеличение выхода энтропии и в очень малой степени — на

синтез калорийного клеточного материала. Энергообеспечение фактиче­ски достаточно для образования десятикратного количества раститель­ного материала (даже с учетом потерь при регенерации АТФ). Опреде­ленная доля энергии необходима для клеточной организации.

В отношении человеческой деятельности характер использования энергии является аналогичным, т. е. основная доля энергии идет не на производство высококалорийных материалов или высокоэнергетиче-. ских структур, а на наведение порядка (упорядочение) и на установле­ние структуры и функции. Здесь принимают участие мириады необрати­мых процессов, вызывая громадный рост энтропии.

Анализ чистой энергии. Следствия этих простых наблюдений яв­ляются далеко идущими. Например, потребление энергии часто рас­сматривается с точки зрения использования высококалорийных видов топлива для целей обогрева и в сфере транспорта. В то время как зна­чительные потери энергии происходят в процессе использования топ­лива, в немалой степени деградация энергии имеет место при очистке и транспортировке топлива, а также при строительстве установок для его сжигания. Даже такие виды деятельности, как предоставление услуг, на первый взгляд не требующие больших затрат энергии, предполагают определенные косвенные расходы энергии. Например, расходы на услу­ги идут в конечном счете на оплату энергоемких товаров и других услуг, требующих энергетических затрат.

За последние годы не раз задавался врпрос, какое количество энер­гии идет на производство различных товаров и оказание услуг. Ответ на этот вопрос найти трудно, поскольку он частично зависит от формули­ровки самой проблемы. Один из методов, описанный Райтом [2], заклю­чается в проведении расчетов, основанных на данных официальной ста­тистики; расчеты дают общий расход энергии при производстве различ­ных товаров в ряде отраслей промышленности. Типы вводимых ресур­сов, используемые различными авторами, достаточно ярко иллюстри­руют преобладающую роль энергии в странах с развитой экономикой.

При анализе чистой энергии затраты всех топливных ресурсов при производстве какого-либо предмета или его компонентов прослежи­ваются вплоть до потребления первичной энергии. Можно также при­нимать в расчет исходные энергетические затраты при производстве импортируемых материалов, так как эти затраты представляют собой потребление первичной энергии. Капитал можно относить, а можно и не относить к затратам энергии; здесь, однако, существует простая зави­симость. В расчеты могут быть включены (и иногда включаются) формы энергии, представленные рабочей силой, прибылями и солнечной ра­диацией (например, в сельском хозяйстве). Затраты первичной энергии, необходимые для производства товаров и оказания услуг, получаемых человеком в качестве вознаграждения за свой труд, — не всегда компо­ненты энергетического анализа [3]. Некоторые виды сырья, используе­мые для производства промышленной продукции, сами по себе высоко­энергоемкие материалы. Эти виды сырья, обычно включаемые в расче­ты, могут привести к необыкновенно высоким показателям энергетиче­ских затрат. В таблице 2 [2] приводятся типичные данные по затратам и выходу энергии; при этом энергетические затраты не включают капи­тальные, трудовые затраты, затраты солнечной энергии и прибыли. Для сравнения приводится теплотворная способность самих произведенных товаров. Как видно из таблицы, энергия, используемая для производ­ства продукта, может быть значительно выше, чем теплота сгорания самого продукта.

К вопросу энергетических затрат мы вернемся позднее, так как эти затраты необходимо учитывать при оценке эффективности процессов производства топлива. Если нас волнует вопрос итоговых запасов энер­гии, то эти процессы должны давать больше топлива, пригодного для использования, чем то количество, которое было потреблено для осу­ществления этих процессов, т. е. выход топлива должен превышать его потребление. Например, биоэнергетические процессы сложны и предпо­лагают значительные затраты энергии; сюда могут входить скрытые за­траты энергии, полученные за счет общих затрат энергии других энерго­потребляющих производств национальной экономики. Это не означает истощение других источников энергии. Нашей целью должно быть полу­чение экономически целесообразного максимального результата от использования имеющихся запасов топлива.