массы, описанного раньше, является превращение биомассы в продукты^ получаемые в настоящее время из ископаемых источников, т. е. в твердые, жидкие и газообразные горючие вещества, жидкие виды топлива для двигателей внутреннего сгорания и получения электроэнергии.

Сжигание древесины. Простое сжигание биомассы должно представлять простейший случай затрат при производстве возобновляемой энергии. Как было указано в предьщущем разделе, затраты на производство высушенной, измельченной древесины составляют около 5 ГДж/т, или около V4 ее теплотворной способности. Такая древесина при минимальной адаптации оборудования может непосредственно выступать в качестве заменителя угля, затраты энергии на производство] которого сравнимы с его теплотворной способностью. Поэтому исполь-j зование древесины даст чистую экономию ископаемого угля и нефти в национальном масштабе, даже при необходимости оплаты энергетиче-] ских затрат в лесоводстве. Древесина широко используете^} во всем ми- \ ре, хотя часто без лесовозобновления (что ставит под вопрос использо-^ вание термина "возобновляемый"). Нерешенным вопросом, связанным с затратами энергии по производству древесины, является вопрос заработной платы, капитальных вложений, прибьши и т. д., который не включался в анализ энергетических затрат. Этот показатель зависит от структуры общества и представляет большую проблему при проведении анализа энергетических затрат. С одной стороны, денежнью затраты пропорциональны содержащейся энергии [11], и лесное хозяйство в целях производства топлива функционировать не будет, в основном вследствие того, что в большинстве стран оно дорого и, кроме того, поглощает большое количество энергии, будучи к тому же неэкономичным. С другой стороны, косвенные затраты энергии, возможно, могут быть снижены путем резкого изменения характера потребления общества, и представленный энергетический ^анализ может сохранить свою силу. Почти все остальные виды биотоплива требуют использования большего количества энергии, чем древесина, и косвенные затраты на заработную плату, прибыль и т. д. становятся второстепенными вопросами, хотя они и увеличивают общую сумму затрат. Сушка, термическое обогащение, биохимическая переработка и т. д. - все эти процессы требуют больших затрат энергии, прежде чем мы получим топливо, сравнимое по своим характеристикам с топливом из ископаемого сырья.

Процессы термического обогащения. В литературе имеется крайне мало данных по энергетической характеристике термического обогащения биомассы. Для таких процессов часто рассчитываются простые тепловые балансы, при этом может быть сохранена значительная доля теплотворной способности сырья. Термическая эффективность таких процессов явно представляет интерес в плане сравнения преимуществ различных предложений и получения наибольшего выхода готовой продукции. Однако это не отвечает на вопрос об экономии ископаемого топлива. В таблице 58 показан тепловой баланс при производстве синте-100

тического натурального газа из дерева [12]. В ходе процесса теряется юколо трети теплотворной способности сырой биомассы.

Таблица 58. Тепловой баланс газификации древесины

К этим потерям следует добавить все косвенные затраты энергии, связанные с оборудованием и финансированием самого процесса, а также финансированием вспомогательной деятельности, например очистка стока и т. д. Превысит ли сумма всех элементов общие затраты энергии на получение натурального газа (1,2 ГДж/ГДж, таблица 57) - здесь можно только строить предположения.

Биохимические_процессы. Затраты энергии, связанные с брожением спирта, явились предметом пристального внимания в литературе, и они будут рассмотрены в следующем разделе. Другой биохимический процесс, анаэробное брожение, бьш рассмотрен Льюисом [13], который пришел к выводу, что простые системы, применявшиеся на Дальнем Востоке, могут быть чистыми производителями энергии, хотя точных данных по этому вопросу не имеется. При использовании более сложных систем общие прямые и косвенные затраты могут превысить количество энергии, полученной в форме метана. В одном примере по использованию отходов животноводства при общей затрате энергии 82,5 ГДж количество полученной энергии метана соответствовало 32 ГДж. При возделывании водорослей на каждый гигаджоуль метана требовалось 3 ГДж энергии. Даже эти цифры говорят о том, что может быть возможным в ближайшие годы, а не о том, что уже бьшо достигнуто. Таким образом, продукты анаэробного брожения — сомнительный кандидат на использование в качестве заменителя ископаемого топлива. В этих исследованиях рассматривались только ограниченнью затраты энергии. Количество энергии, необходимое, например, для очистки стока, не учитывалось.

Растительные масла: Насколько известно, процесс производства растительных масел не подвергался всестороннему энергетическому анализу. Общие затраты энергии на производство этих потенциальных видов топлива могут быть очень низкими. Затраты энергии на. производство сои, как указывалось в предьщущем разделе, составляют около 4 ГДж/т

сухой массы, а экстрагирование масла требует относительно небольших энергетических затрат. Соевое масло оценивалось по методу отношения затрат к выходу энергии по соответствуюшим отраслям [6]; затраты составили 18 ГДж/т, в то время как теплотворная способность масла составляет около 43 ГДж. И хотя здесь также учитьтались не все энергетические затраты, полученные показатели позволяют поставить растительное масяо в один ряд с древесиной как возможных производителей чистой энергии.

5.4. СПИРТ КАК ТОПЛИВО

Экономия на импорте нефти? Пропаганда спирта, полученного путем брожения для использования £го в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания в США, характеризующихся наибольшим потреблением бензина в мире, привела к тому, что каждому аспекту производства спирта, его экономике и термодинамике стало уделяться самое пристальное внимание. Как говорилось ранее, возможности использования спирта в качестве топлива сушествуют в США только благодаря дешевым зерновым, налоговым льготам за такое использование спирта по линии как федерального правительства, так и правительства штатов, а также стимулированию капиталовложений. Фермеры, выращиваюшие кукурузу для производства спирта, получайт большую выгоду, так как они постоянно имеют излишки этой культуры. Кроме того, также отмечалось, что добавление спирта в бензин снизит зависимость США от импортируемой нефти, зависимость, которая до нефтяного кризиса непрерывно росла. Замена нефти спиртом или его добавки к автомобильному бензину являются некоторым основанием для подобного рода заявлений. Возможность такой экономии бьша подтверждена целым рядом энергетических анализов. Однако вьшоды, сделанные из этих исследований, довольно спорные; существует ^лнение, что при технологии получения спирта в США методом брожения потребляется больше энергии из высококачественного топлива (т. е., нефти), чем ее вырабатывается [14, 15].

Дискутирующие стороны обвиняли друг друга в отсутствии объективности. Показатели различных вводимых ресурсов при производстве спирта бьши часто у обеих сторон аналогичными, но затруднения вызывал как раз вопрос: какие ресурсы должны быть включены в расчеты? Расчетные показатели экономии энергии нефти при использовании спирта в качестве топлива варьируют очень широко - от чистой экономии более галлона нефти на галлон спирта до потерь до трех галлонов на галлон. Ниже дается содержание проводящихся дискуссий, а также характеристика современного подхода к вопросу о ресурсах. Результатом является согласие с точкой зрения, что без революции в технологии использования угля и нефти в США использование спирта будет иметь ничтожное или даже отрицательное влияние на потребление нефти в стране. 102

Раскладка Затрат энергии на производстве спирта. В литературе имеются данные по энергетическим затратам, а также различные варианты расчетов [16]; в таблице 59 представлена основная структура такого анализа. Для производства 1 т спирта необходимо примерно 3,35 т кукурузы. Раскладка энергии воэдельшания кукурузы здесь не дается, но она примерно соответствует показателям по биомассам, о которых говорилось ранее. Показатель энергии, затраченной на возделывание кукурузы, приближается к показателю теплотворной способности полученного спирта. Энергия переработки примерно в 2 раза выше затрат энергии на возделывание. Энергия, затраченная на производство побочного продукта (сухая барда), рассчитьтается на основе энергии воздельтания кукурузы минус стоимость транспортировки. Количество нефти, замененное спиртом, используемым в качестве добавки к бензину, выражается здесь через его теплотворную способность (29 ГДж/т против 43,5 ГДж/т для автомобильного бензина). Кроме того, использование спирта способствует также сохранению энергии, идущей на очистку сырой нефти для производства автомобильного бензина. В результате, как показывает анализ, в США экономится 35 ГДж первичной энергии (всех типов). Однако эта "экономия" идет эа счет 70,3 ГДж первичной энергии.

Таблица 59. Энергетический анализ производства этанола для использования его в качестве топлива

Показатели

ГДж/т спирта

Сельское хозяйство (3,35 т кукурузы)

Энергия переработки брожение перегонка

выпаривание и сушка побочного продукта Снижение затрат вследствие производства побочного продукта Обшце затраты

Теплотворная способность этанола

Экономия энергии, идущая на производство автомобильного бензина Общий выход

26,6

8,9 19,8

22,8

-6,8 70,3

29,0

6,0 35,0

Количество нефти может быть выражено в затратах энергии на производство спирта из кукурузы. При получении биомассы около 59 % потребленной энергии поступает иэ нефти. При переработке биомассы

в спирт затраты нефти могут варьировать -в зависимости от метода перегонки; значительная доля вводимых ресурсов может покрываться углем, хотя по ряду причин в практике это отсутствует. Если вводимые ресурсы представлены по возможности углем, затраты энергии (нефть) составляют около 12 ГДж/т спирта по сравнению с полученным энергетическим уровнем 35 ГДж/т. Таким образом, производство спирта представляет собой метод превращения твердого топлива; угля, в более калорийное жидкое топливо. Была подсчитана стоимость этого топлива на галлон нефти [14]. Каждая тонна спирта в лучшем случае (перегонка на угле) экономит около половины тонны (35-12 ГДж) нефти. Для производства спирта в США рекомендуются установки на угле, а не на нефти.

Косвенные энергетические затраты и кредиты. В литературе имеются многочисленные варианты расчетов энергетических затрат. Энергия возделывания, кукурузы может быть выше или ниже названного уровня. В кукурузном поясе США затраты на возделывание культур являются низкими. Более полный анализ с включением затрат на строения и т. д. и других косвенных затрат энергии, связанных с денежными расходами, дает более высокий показатель общих затрат. Кроме того, если увеличение использования топлива вызывает необходимость расширения площадей под кукурузой, стоимость возделывания кукурузы будет выше, так как для этих целей придется использовать менее плодородные почвы, чем почвы кукурузного пояса. Имитационные исследования, проведенные в Университете штата Айова, показали, что стоимость возделывания кукурузы может возрасти в 3 раза [17].

Бьш разработан ряд предложений по сокращению затрат на переработку биомассы при производстве спирта; общие затраты энергии на этой стадии должны составлять 20 ГДж/т [18]. Цифры таблицы 59 взяты из источников, опубликованных сторонниками использования спирта в качестве топлива, и вряд ли здесь можно ожидать больших отклонений. Минимально эффективное снижение затрат на брожение и перегонку само по себе не приведет к таким низким показателям; однако затраты энергии на переработку различным образом компенсируются кредитами на производство побочного продукта. Вместо учета только расходов на получение эквивалентной массы кукурузы (в пересчете на сухую барду) в качестве скидки, последняя рассчитьшается на основе общей теплотворной способности сухой барды. Это требует обоснованности использования этого материала в качестве топлива. Белковая ценность зерна может переводиться в затраты энергии на возделывание другой белковой культуры, такой, как соя. Однако белковая ценность сухой барды намного ниже белковой ценности соевой муки. В крайнем случае, в скидку может включаться теплотворная способность отходов клетчатки в результате переработки кукурузы. Однако использование этого материала в качестве топлива маловероятно.

Топливная ценность этанола. Ценность спирта как компонента газохола лежит между его эквивалентной теплотворной способностью 104

(учитывая 4 %-ное увеличение потребления смеси при 10 % спирта в автомобильном бензине) и уровнем, превышающим его теплотворную способность примерно на 70% (эквивалентным увеличению пробега на 6,7 %). Получение результатов испытаний, дающих увеличение длины пробега, происходит, очевидно, в результате использования искусственно обогащенных смесей для повышения рабочих характеристик двигателей [19], так как спирт "обедаяет" бензин. Поэтому бьшо бы правильнее не завышать теплотворной способности спирта при смешивании его с автомобильным бензином (без учета его свойств как антидетонационной присадки).

В литературе имеются данные по энергетическому анализу производства спирта из других культур, таких, как сахарный тростник, маниок, отходы целлюлозы. В принципе, затраты вводимых ресурсов меньше, но они отличаются по значимости. Затраты энергии на возделывание — низкие в случае отсутствия механизации сельскохозяйственного производства или когда сырьем являются отходы. Затраты на переработку ниже, когда в качестве топлива используется жом сахарного тростника (багасса). Вариант с сахарным тростником является интересным вследствие его усовершенствования в Бразилии; однако в развитой стране (США) использование сахарного тростника для получения спирта на установке, только частично работающей на багассе, дало лишь небольшую прибавку чистой энергии [20]. По имеющимся данным, при работе на чистом ископаемом топливе процесс идет с потерей энергии.

5.5. ЭНЕРГИЯ И ДЕНЕЖНЫЕ ЗАТРАТЫ

Хотя ранее говорилось о том, что привлекательность процессов по производству биотоплива будет определяться не столько энергетическими затратами, сколько денежными расходами, непосредственное сравнение этих двух категорий расходов по отдельным продуктам прояснит отношения между денежными и энергетическими затратами в экономике. На рисунке 15 дается раскладка этих двух категорий расходов. Денежные расходы касаются травяного силоса, производимого в Великобритании, а затраты энергии касаются кукурузного силоса, производимого в США; это сравнение следует принимать как приблизительное вследствие различных технологий воздельшания культур в этих странах. Машины и удобрения являются основными компонентами в обоих расчетах и имеют примерно одинаковую значимость. В этом нет ничего неожиданного, так как для таких продуктов энергетические затраты часто рассчитываются на основании денежных показателей. Однако два компонента не согласуются между собой. Один компонент, непосредственные затраты топлива, является существенным с точки зрения энергетических затрат, но очень дешевым с точки зрения денежных затрат. Другой компонент - строения, рента и труд - требует больших денежных затрат, но потребляет ничтожное количество энергии. Фактически некоторые