5.2. ЗАТРАТЫ ЭНЕРГИИ НА ПРОИЗВОДСТВО БИОМАССЫ

Революция в сельском хозяйстве. Замена труда человека и животных трудом машины в результате механизации сельского хозяйства в ходе XX столетия может быть справедливо названа ярким процессом. Энергия, необходимая для обработки почвы, возделывания культур, их уборки и транспортировки продукции, прямо или косвенно обеспечивается ископаемыми видами топлива. Топливо необходимо для приведения в движение трактора, других сельскохозяйственных машин, строительства этих машин, производства удобрений и других химических средств, а также для целого ряда других целей. В 1901 г. в сельском хозяйстве использовалось 1,1 млн. лошадей и около 30% площадей (равнинной местности) отводилось для их содержания [4]. Эти лошади теперь уступили место полумиллионному парку тракторов. В 1885 г. в Южной Англии на каждые И га приходился один человек и целая армия сезонных рабочих, которые нанимались на период уборки. К началу 70-х годов XX столетия на одного человека приходилось уже 37 га. В период между 1920 и 1970 г. затраты энергии увеличились с 0,5 до 9 ГДж/га, отражая как замену труда человека и животных механизированным трудом, так и повышение интенсивности сельского хозяйства, ведущей к повышению урожаев. Затраты энергии на одного человека в сельскохозяйственном секторе развитых стран аналогичны затратам в тяжелой промьшшенности. Революция выразилась не столько в увеличении сбора биомассы, сколько в изменении путей ее выращивания и уборки.

Высокие затраты энергии являются в настоящее время существенной частью сельскохозяйственной практики, определяющей высокое качество продукции. Революция в сельском хозяйстве произошла благодаря не только более дешевой энергий, но также вследствие наличия машин и химических средств, необходимых для получения высоких урожаев и высокого качества продукции. Непосредственная стоимость топлива составляет только небольшую долю стоимости сельскохозяйственной продукции, и даже при более высоких ценах на топливо новая технология продолжала бы использоваться.

Тенденция к изменению типа и количества энергии, необходимой в сельском хозяйстве, привлекла значительное внимание в литературе. Многие относятся отрицательно к зависимости производства такого основного предмета потребления, как продовольствие, от ископаемых видов топлива. Так как продовольствие также является топливом, а его энергетическая ценность может быть выражена в тех же единицах, что и энергетическая ценность ископаемоге топлива, энергетические затраты производства продовольствия и кормов могут быть выражены в простых энергетических соотношениях. С этой точки зрения продукты питания, которые мы потребляем, производятся при очень низкой эффективности затрат энергии. Так как значительная часть биомассы,

предназначенная дня производства возобновляемых видов топливг,, будет получаться с использованием технологии, мало отличающейся от технологии производства продуктов питания, вопрос энергетических затрат при выращивании биомассы становится кардинальным вопросом при проведении анализа чистых затрат энергии.

Разбивка затрат энергии. Первая основная проблема затрат энергии при получении биомассы связана с.относительным значением различных вводимых энергетических ресурсов. Раскладка потребления энергии в сельском хозяйстве Великобритании представлена в таблице 52 [4]. Основную долю энергетических затрат составляют непосредственные затраты топлива, а также косвенные затраты энергии на производство удобрений и машин. Этот анализ не учитывает виды энергии, связанные с затратами труда, •Получением прибьшей, капиталовложениями и т. д. Тем не менее общие потребности в энергии сельского хозяйства Великобритании являются значительными, и суммарный результат таблицы 52 составляет около 3% общего количества первичной энергии. В ито1;-е в Великобритании на каждую калорию продовольствия, произведенного в сельском хозяйстве, тратится около 3 кал ископаемого топлива

Таблица 52. Затраты энергии в сельском хозяйстве Великобритании (1968)

Статья затрат

Млн. ГДж

Нефть

Электроэнергия

Другие виды топлива

Удобрения

Машины

Строения

Другие затраты

Всего

69,7 29,8 8,9 81,9 31,8 22,8 29,0 273,9

Таблица 53. Затраты энергии при выращивании кукурузы в США

Статья затрат

ГДж/т (сухая масса)

Удобрения и известь

Пестициды

Машины

Выращивание культур

Уборка

Всего

2,28 0,01 1,27 0,23 1,22 5,01

(прямые энергетические потребности в топливе и материалах). Куда" уходит энергия (в пересчете на 1 т биомассы) ? Раскладка затрат энергии при возделывании кукурузы в США показана в таблице 53 [7]. При возделывании кукурузы используются общепринятые системы удобрений и обработки почвы, обеспечивающие урожай в среднем 2,54 т с 1 га. В период выращивания и уборки культур используется жидкое топливо. Машины также представляют собой значительную статью потребления энергии. Наиболее важной статьей, однако, является обеспечение удобрениями. В этих расчетах не учитываются строения, труд и другие затраты энергии. Тем не менее даже с учетом этих ресурсов выращивание и доставка 1 т кукурузы на ферму требуют затрат энергии, эквивалентной примерно одной трети калорийности сухого зерна. Однако в долгосрочном плане непосредственная стоимость топлива составит только 10 % стоимости производства зерна.

Потребности различных культур в энергии. Зерновью культурьт обеспечивают наиболее эффективное использование энергии. Овощи, зеленные культуры, древеснью культуры, такие, как цитрусовые, яблони и т. д., требуют наибольших затрат энергии при возделывании. Примеры потребностей энергии на 1 т биомассы показаны в таблице 54 [8]. Цифры приводятся для сельского хозяйства США и включают только прямые затраты топлива и удобрений, поэтому они, естественно, ниже других показателей.

Таблица 54. Затраты энергии в сельском хозяйстве США (топливо + удобрения)

Культура

ГДж/т (сухая масса)

Овес Ячмень

Сахарная свекла Соя

Картофель

Яблоки

Апельсины

1,9 3,1 2,7 4.0 7,9 17,3 25.4

Типы биомассы, которые можно считать за биотопливо, вероятно, лучше представлены такими продуктами, как силос, экономические расчеты по которому приведены в главе 2. Затраты энергии по производству кукурузного силоса в США представлены в таблице 55 [9].

Основная доля стоимости энергии приходится опять на машины, топливо и удобрения. В этих расчетах энергетический эквивалент трудовых затрат составляет 0,002 ГДж/ч. Однако энергетические затраты не рассчитывались по таким статьям, как строения, транспорт, прибыль, 96

Таблица 55. Затраты энергии при производстве-кукурузиого силоса

Статья затрат

ГДж/т (сухая масса)

Труд

Машины

Топливо

Удобрения

Семена

Гербициды

Электроэнергия

Транспорт

Всего

0,01 0,75 1,50 1,28 0,06 0,06 0,29 0,13 4,14

капиталовложения и т. д., силос предназначался для внутрихозяйственного использования. Тем не менее производство силоса требует около 4 ГДж/т при его теплотворной способности (определенной с помощью калориметрической бомбы) около 20 ГДж. Естественно, энергия биомассы не является легкодоступной, и биомасса должна быть обогащена путем использования других энергоемких процессов. Показатель 4 ГДж/т сухой массы увеличивается пропорционально потерям урожая при обогащении и составляет основной вводимый ресурс в окончательном продукте.

Затраты энергии в лесном хозяйстве. Возможно, вследствие своего традиционного использования в качестве топлива лес явился предметом усиленного внимания как потенциальный источник энергии. Возникает инстинктивное чувство, что в лесоводстве затраты энергии должны быть меньше, чем в интенсивном сельском хозяйстве. Работы по очистке площадей, посадке и уборке выполняются значительно реже, чем в сельском хозяйстве. Удобрения на лесопосадках вносят значительно реже, и деревья, по-видимому, "заботятся сами о себе". Однако положение современного лесного хозяйства не так просто: энергетические затраты являются существенными, и при учете всех процессов, необходимых для доставки биомассы к месту ее использования, составят около четверти теплотворной способности древесины. Сравнение интенсивной системы лесоводства, где проводится вспашка, внесение удобрений, обработка пестицидами "и т. д., а также уборка каждые 10 лет, с системой естественного лесовозобновления показало незначительную разницу между общими показателями энергетических затрат [10].

В таблице 56 дается раскладка затрат энергии в интенсивном лесоводстве. Основная доля затрат приходится на топливо и удобрения. Основные потребности в энергии при подготовке древесины к использованию приходятся на процесс сушки. В расчеты включены затраты человеческого труда, однако других вводимьпс ресурсов не дано. Несколько

Таблица 56. Затраты энерган при интенсивном ведении лесного хозяйства

приводят в замешательство низкие затраты на оборудование, а также отсутствие затрат на строительство измельчающего и сушильного оборудования (особенно потому, что по сельскохозяйственным машинам даются существенные затраты). В этих исследованиях урожай древесины с 1 га при интенсивной системе был в три раза выше, чем при естественной регенерации, поэтому для обеспечения того же объема продукции в последнем случае необходима в 3 раза большая площадь. Затраты на транспорт не включены в таблицу 56, но они оцениваются в 1,0 МДж/ткм; при этом в системах с естественной регенерацией они возрастают вследствие больших расстояний между местоположением заказчика и местом рубки.

При анализе затрат по выращиванию можно видеть, что лесное хозяйство имеет очень низкие потребности в энергии (собственно лесная культура). Однако транспортировка сырой древесины на большие расстояния для использования ее в качестве топлива нецелесообразна; продукт, подобно зерну в сельском хозяйстве, должен транспортироваться к месту использования почти в сухом состоянии. Авторы проведенного исследования определили сушку и транспортировку биомассы как две основные статьи затрат энергии; снижение размеров этих затрат является затруднительным.

5.3. ЗАТРАТЫ ЭНЕРГИИ НА ОБОГАЩЕНИЕ БИОМАССЫ

Затраты энергии на добычу ископаемых видов топлива. Биомассу в сыром состоянии можно сравнить с источниками первичной энергии, используемыми в национальном масштабе для обеспечения топливом промышленности, транспорта, жилых помещений и т. д. Эти источники первичной энергии частично расходуются в ходе самого процесса производства топлива. Желательно сохранить ископаемый уголь, нефть и газ

как компоненты источников первичной энергии, побудивших нас к проведению подсчетов энергетических затрат. Биомасса уже потребовала в процессе ее подготовки некоторых затрат первичной энергии. Сколько еще необходимо энергии для превращения сырья в пригодные для использования виды топлива, и насколько эти количества сравнимы с затратами энергии, необходимыми для производства топлива из ископаемого сырья? На этот вопрос нельзя дать точного ответа, так как провести сравнения по затратам энергии трудно. Цифры, приведенные в этом разделе, в лучшем случае, лишь приближенно раскрывают потребность в пер--вичной энергии при производстве возобновляемых и не возобновляемых видов топлива.

Затраты энергии при производстве некоторых видов топлива из ископаемого сырья даются в таблице 57 [1]. В таблице показаны общие затраты энергии на единицу массы топлива и отношения использованной энергии к полученной. За исключением электроэнергии, только небольшая часть теплотворной способности топлива используется для его производства. Так как нас с самого начала интересовало истощение ископаемых ресурсов, теплотворная способность самого топлива принималась как вводимый ресурс; что касается биомассы, то энергию источника образования углеродсодержащих молекул — Солнца мы не учитываем.

Таблица 57. Затраты энергии и энергетические соотношения для ископаемых видов топлива

Источник энергии

Обище затраты энергии, ГДж/т

Энергия затраченная/ энергия полученная

Уголь, среднее по промышленности Кокс Бензин

Дизельное топливо Топливная нефть (жидкое топливо) Газ

Электроэнергия

30,2 32,4 51,6 48,6

54,2

0,13 ГДж/100 ООО БТЕ 0,014 ГДж/(кВт-ч)

1,0 1.1 1,2 1.1

1,3 1,2 3,97

Однако мы включаем в наши расчеты стоимость получения биомассы. Как говорилось в разделе 5.2, типичные затраты энергии при создании биомассы (за исключением древесины) составляют 4—5 ГДж/т сухой массы. Энергоемкость этой биомассы составляет в среднем 18 ГДж/т сухой массы (игнорируя содержащуюся воду); таким образом, энергетическое соотношение (отношение энергии затраченной к энергии полученной) составляет 0,25. Целью процесса обогащения био-