мые для производства промышленной продукщ1и, 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.

Таблица 2. Затраты энергии на производство отдельных товаров и теплотворная способность этих товаров

Сахар Бумага

Древесная масса Соевое масло Хлопок

Удобрения (в среднем)

Синтетический каучук

Краска

Сталь

Медь

21

61

28

18

57

31

129

144

12

80

16,5 17,5 17,5 42 17,5

40 40

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 национаньной экономики. 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 (фотоауто-трофы). 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 источникЬв энергии, чем в адаптации к наличию избыточных ее запасов. До сих пор существуют виды окружающей среды, например морЬ или пустыня, где адаптация организмов очень низкая, а использование значительной энергии светового потока очень слабое.

, Таблица 3. Мировое потребление первичной энергии (1981 г.)

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

И

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 фо-

Таблица 4. Мировое производство товаров и ископаемых видов топлива (1981 г.)

древесина

Зерновые и картофель Сахар

Семена масличных культур

и фрукты

Целлюлоза

Натуральный каучук

Сырая нефть

Уголь

1,5 1,6 0,09

0,15 0,023 0,004

2,9

3,1

тосинтеза (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 12

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 [И]. 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.

Энергетическая плотность различных источников энергии, используемых человеком, представлена в таблице 5. Урановая руда, несмотря на то что она может содержать менее 1 % урана, имеет энергетическую плотность примерно в 500 раз выше, чем сырая нефть. Уголь - более энергоемкий источник, чем нефть (в весовом отношении энергоемкость нефти составляет 45 ГДж/т, а угля - 29 ГДж/т). Дерево является менее энергоемким материалом, чем уголь или нефть. Далее, в порядке умень-

шения энергоемкости следуют геотермическая эвергия, текущая вода,

солнечный свет и ветер.

Таблица 5. Энергоемкость источников энергии

Источник энергии

Энергоемкость, МДж/м^

Урановая руда Сырая нефть Уголь Древесина

Геотермальная энерпи Текущая вода (5 м/с) Солнечный свет Ветер (5 м/с)

20 X 10* 36 X 10^ 55 X 10^ 9 X 10^ 24

1X 10"^

2 X 10~* (МДж/м*/с)

2X 10"5 -

Кроме энергоемкости материалов, приведенных в таблице 5, существует еще один, менее ощутимый фактор, определяющий полезность этих материалов как видов топлива. Этим фактором является их физическое состояние. Так, нефть ценится бодьше, чем уголь, так как она представляет собой жидкость, что облегчает погрузку, разгрузку, транспортировку и хранение. Аналогично этому^геотермальная энергия, энергия текущей воды и энергия ветра находят широкое применение, несмотря на их низкую энергоемкость. Ценность топлива также сильно зависит от характера его использования. Например,,топливо для транспорта ценится больше, чем топливо для систем обогрева.

Сказанное освещает только качественные аспекты-оценки источников первичной энергии в отношений их пригодности для производства топлива. Второй закон термодинамики не позволяет количественно оценить эффективность перевода нетепловых источников энергии (например, солнечного света) в полезную работу. Однако он указывает на трудности, связанные с концентрацией и использованием таких "разбавленных" форм энергии, а также налагает определенные ограничения на полезную работу, которая может быть получена на основании тепла, высвобождаемого в результате окисления горючих материалов.

1.3. ИСТОРИЯ ВОПРОСА ПОТРЕБЛЕНИЯ И СТОИМОСТИ ЭНЕРГИИ

Потребление энергии в Англии. Потребление энергии и экономический рост находятся в тесной связи [9, 12, 13]. Индустриализация требует увеличения количества топлива с высокой теплотворной способностью. Энергия должна быть дешевой и доступной как с точки зрения стоимости, так и с точки зрения требующихся затрат труда. Тип используемой энергии может широко варьировать в зависимости от страны

60001

ё i;4800

11

I S

Z i 2400

12

1200

1700

1760

1820 Годы

1880

1940

2000

Рис. 1. Потребление энергии на душу населения в Великобритании

в 1700-1981 гг.

и различных стадий экономического развития. Имеется достаточно данных по потреблению энергии в Англии начиная с 1700 г. [4]. Несмотря на некоторые неопределенности в отношении самих данных, а также их интерпретации, мы можем отметить существование ясно выраженных тенденций. Данные, опубликованные в работе [4], а также статистические данные за 1981 г. [14] приведены на рисунке 1.

Потребление энергии возрастало на протяжении всего периода до 7Q-X годов нашего столетия, при этом в конце XIX столетия, а также в 50-х и 6Q-X гоДах его рост был особенно интенсивным. На рисунке 1 показаны виды топлива, использовавшиеся в этот период. В начале периода основным топливом служила древесина (древесный уголь); при этом следует отметить, что уголь использовали в обиходе начиная с XII века. В этот период важную роль играли также такие источники энергии, как вода и ветер. В течение XVIII столетия древесина стала очень дорогой, была разработана технология использования угля в сталелитейной промышленности, и древесина уступила место углю. В XIX столетии стала использоваться нефть, сначала в качестве топлива для морского и наземного транспорта, а затем во все больших масштабах - для общих целей. В 6Q-X годах нефть вытеснила уголь, став основным источником энергии в Англии. Хотя водные источники энергии также существовали, они бьши нерачительными и в 70-е годы уступили место природному газу и ядерной энергии. Характер потребления первичной энергии в Англии в настоящее время представлен в таблице 6.