Бойлс - Биоэнергия технология, термодинамика, издержки

Б о й л с Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки / Пер. с англ. М. Ф. Пушкарева; Под ред. Е. А. Бирюковой. - М.: Агропромиздат, 1987. - 152 с.

Запасы ископаемых источников энергии на Земле ограничены. Поэтому во многих странах ведутся поиски альтернативных источников энергии. Получение дешевой биоэнергии - один из возможных путей решения проблемы. Биотопливо можно получить путем сжигания биомассы, ее сухой перегонки, гидролиза, ферментации, анаэробного разложения и т. п. В некоторых странах налажено производство моторного топлива из биомассы. В настоящее время пока нет крупных экономически выгодных установок для производства биотоплива, однако интенсивные исследования, ведушлеся в этом направлении, возможно, позволят превратить биотопливо в надежный и дешевый источник энергии.

Иллюстраций 22, таблиц 66, список литературы 164 названия.

© 1984 D. Т. Boyles/Ellis Harwood Limited

© Перевод на русский язык, ВО "Агропромиздат", 1987

ПРЕДИСЛОВИЕ К АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ

Предлагаемая книга — результат анализа преимуществ и недостатков биоэнергии. Несмотря на то что биоэнергия - возможный конкурент нефти, вопрос успешного ее использования стал предметом самого пристального внимания со стороны сотрудников нефтяных компаний, что, в свою очередь, дало толчок к проведению широких исследований в этой области.

За последние сто лет не раз высказывалось мнение о возможности получения топлива на основе переработки биологических материалов. К этой проблеме возвращались неоднократно. В различные периоды высказывались опасения относительно истощения природных запасов жидких углеводородов. Возникала также проблема использования побочных продуктов сельского хозяйства. В течение 30-х годов прошлого столетия, а также на протяжении последнего десятилетия пропагандировалось использование этанола и растительных масел в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Однако попытки получения биоэнергии каждый раз прерывались относительным накоплением запасов нефти, что уменьшало значение таких экспериментов.

В настоящее время возникла необходимость беспристрастной и объективной оценки биоэнергетических процессов. Сторонники этого направления предсказывают наступление века изобилия дешевой энергии, производимой почти без ущерба для окружающей среды, а также с использованием безъядерной технологии. При этом они утверждают, что даже если эти процессы окажутся в настоящее время дорогостоящими, усовершенствование их и повышение цен на ископаемые источники энергии в конечном счете сделают их конкурентоспособными. Насколько эти утверждения справедливы? Можно ли дать количественное определение степени изобилия, дешевизны и чистоты биологической энергии, а также установить, когда ее производство станет рентабельным? Кроме того, нас постоянно волнует вопрос, действительно ли в наше распоряжение поступит больше первичной энергии или же биоэнергия просто будет переводить ископаемые материалы в другие виды топлива? В конечном итоге скрытые затраты энергии, возможно, явятся причиной неращюнального расходования имеющихся видов ископаемого топлива.

В предлагаемой книге сделана попытка ответить на эти вопросы. Однако, несмотря на обилие литературы, появившейся за последние годы, объем материалов по данному вопросу незначителен. Промышленное значение биоэнергетических процессов тонет в массе технических деталей. И хотя существуют утверждения об экономичности некоторых видов биотоплива, удачных промышленных установок для его использования нет. Принятие на вооружение биоэнергетических процессов на практике часто имело место в результате государственного субсидирования, осуществлявшегося скорее по социально-политическим, чем по экономическим соображениям. Энергетические и экономические расчеты проводились различными специалистами по-разному, при этом часто решающую роль играло их отношение к данному вопросу.

Иногда неоправданно большое значение придается побочным продуктам биоэнергетических процессов. Такой подход по меньшей мере только усложняет понимание вопроса, оставляя читателя в недоумении относительно того, является ли биотопливо объектом широкомасштабной промышленной разработки или оно остается только предметом надежд противников использования ядерной энергии. При написании настоящей работы автор ставил своей задачей сформулировать по крайней мере вопросы, которые можно было бы задать при обсуждении предложений об использовании биоэнергии. Кроме квалифицированных технических описаний, необходима разбивка издержек по основным составляющим элементам, определение воздействия на них ряда факторов, а также социальных последствий и влияния биоэнергетики на окружающую среду в долгосрочном'плане. Ответы должны быть представлены с точки зрения перспектив развития биоэнергии, а также состояния мировой экономики. Необходимы ссылки на существующие и применявшиеся в прошлом биоэнергетические процессы, протекающие на основе использования аналогичного исходного материала или характеризующиеся аналогичным ходом реакций. Необходимо знать, насколько эти процессы экономичны. Биоэнергия - это дисциплина, где представления о реально существующем и возможном часто подменяют друг друга.

Хотя в целом результаты настоящего исследования не являются оптимистичными, мы можем утверждать, что существуют некоторые факторы, способные изменить перспективы использования биоэнергии Ниже дается анализ указанных факторов. Один из них — научно-исследовательские разработки. В книге рассматривается влияние технологических нововведений на полные издержки производства биоэнергии.

В некоторых районах земного шара биоэнергия — единственно доступный вид энергии, и, подобно тому, как в прошлом мы могли удовлетворять наши потребности в энергии за счет биологических источников развивающиеся страны в течение некоторого времени смогут также удовлетворять свои потребности за счет этого вида энергии. Высказывалось мнение, что для таких стран было бы предпочтительнее совершенствовать развитие производства биоэнергии, чем следовать путем проторенным индустриальными странами в области производства ископаемого и ядерного топлива. Вопрос о том, согласятся ли с этим народы полагающиеся на биологические источники энергии, является спорным

ГЛАВА 1

ПОТРЕБНОСТЬ В БОЛЬШОМ КОЛИЧЕСТВЕ ДЕШЕВОЙ ЭНЕРГИИ

1.1. ЭНЕРГИЯ, ЭНТРОПИЯ и ПОЛЕЗНАЯ РАБОТА

Роль энергии. Ежегодное мировое потребление нефти для производства 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 или. 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 (Saccharomyces cerevisiae) (табл. 1). Энтальпия метаболизма расходуется в основном на увеличение выхода энтропии и в очень малой степени — на синтез калорийного клеточного материала. Энергообеспечетше 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 высокоэнергетических 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 вопрос, 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 экономику. Это не означает истощение других источников энергии. Нашей целью должно быть получение экономически целесообразного максимального результата от использования имеющихся запасов топлива.

1.2. 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 (фотоаутотрофы). Однако источник энергии - только один из многих факторов, ограничивающих рост организмов в биосфере: часто более важные лимитирующие факторы - температура, питательные вещества, вода и болезни. 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 источников энергии, чем в адаптации к наличию избыточных ее запасов. До сих пор существуют виды окружающей среды, например море 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 её 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 фотосинтеза (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 энергосбережение 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.