Общая факторная продуктивность. Понятие "совокупная производительность факторов производства" было описано Берндтом [И]. Он представляет целый ряд выводов, касающихся стоимости и энергетической ценности биоэнергии. Эти выводы заключаются в следующем. Энергия является только одним из многочисленных дорогостоящих вводимых факторов производства. Общая энергия, которой обладает топливо, не равна энергии, которая может быть использована для практических целей. В основном максимизация продуктивности энергии не согласуется с минимизацией общих затрат. Раскладка использования энергии в обществе может способствовать пониманию вопроса конечного потребления энергии. Эта проблема не должна рассматриваться отдельно от необходимости максимизации продуктивности всех имеющихся ресурсов. Высокие цены на энергию могут привести к существенному повышению эффективности ее использования, а также к замещению затрат труда в энергетике. Сохранение энергии может также быть достигнуто путем использования капиталоемкого оборудования. Однако темпы роста вложений основные средства снижаются, а экономический рост замедляется в результате повышения реальных цен на энергию.

Что все это означает для биоэнергии? Дело в том, что мы не судим о процессе только на основании энергетических балансов. Однако важно знать, является ли биоэнергия чистой добавкой к запасам первичной энергии, особенно когда возникает вопрос о крупных государственных субсидиях. Если нет, то из первичных источников энергии следует получить ценные виды топлива при издержках, сравнимых с издержками альтернативных методов. Субсидии иногда даются в надежде получения дополнительного источника топлива и сокращения его импорта. Несмотря на свою неэкономичность, биоэнергетические процессы протекают в течение длительного времени. Необходимо быть уверенцым в обоснованности результатов с точки зрения термодинамики, а также в ожидаемой в перспективе отдаче. Экономия на импорте нефти может быть оправдана только в случае отсутствия соответствующего увеличения импорта капитала, оборудования и других важных статей, необходимых для осуществления возобновляемых энергетических процессов.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Forest, W.W., Entropy of microbial growth, Л/izWre, 225, 1970, 1165-1166.

[2] Wright, D. J., Energy budgets, Goods and services, an input - output analysis

Energy Policy, 2 Dec. 1974, 307-315. [3] Constanza, C, Embodied energy and economic evaluation, Science, 210, 1980

1219-1224.

[41 .Monteith, J. L., Does light limit crop production. Chap. 2 in Physiological Processes Limiting Plant Productivity, Ed. C. B. Johnson, Butterworths, 1981.

[5 ] BP Statistical Review of World Energy, The British Petroleum Company pic, London, 1981.

[61 FAO Production Yearbook 1981 (vol. 35), FAO, Rome, 1982. 22

[7] Humphrey, W. S., Stanislaw, J., Economic growth and energy consumption in the

UK, 1700-1975, Energy Policy, March 1979, 29-42. [8] Anon., Study explodes U. S. energy waste myth.. The Oil and Gas Journal, Mar. 6,

1978,30-31.

[9] Darmstadter, J., Dunkerly, J., Alterman, J., How Industrial Societies use Energy, Johns Hopkins University Press, Baltimore, 1977.

[10] Keenan, J. H., Gyftopoulos, E. P., Hatsopoulos, G. N., The fuel shortage and thermodynamics - The entropy crisis. Chap. 34 in Energy: Demand, Conservation, and Industrial Problems, Ed. M. S. Macrakis, MIT Press, 1974.

(llJBerndt, E. R., Aggregate energy, efficiency, and productivity measurement, .4лл. Rev. Energy, 3, 1978, 225-273.

(12] Banks, F. E., Scarcity, Energy and Economic Progress, Lexington Books, Toronto, 1977.

[13] Bradley, Askin, A., How Energy Affects the Economy, Lexington Books, Toronto, 1977.

14] Annual Abstract of Statistics 1982, HMSO, London.*

15] Smil, v., Kuz, Т., European energy elasticities, energy Policy, June 1976, 171-175. 16] Brookes, L. G., Energy/GDP relationships - the elastic snaps, Energy Policy, June 1976, 162-164.

[17] Digest of UK Energy Statistics, 1980, 1982, Dept. of Energy, HMSO.

[18] Berndt, E. R., Wood, D. O., An economic interpretation of the energy - GDP ratio,

Chap. 3 in Energy: Demand, Conservation and Institutional Problems, Ed. S.

Macrakis, MIT Press, 1974. [19] Twentieth Century Petroleum Statistics, DeGolyer and MacNaughton, Texas, 1978. [20] Brookes, L. G., Energy policy, the energy price fallacy and the role of nuclear energy

in the UK, Energy Policy, June 1978, 94-106. [21] Srarr, C, Field, S., Economic growth, employment and energy. Energy Policy, March

1979,2-22.

(22] Energy analysis - a verdict awaited. Editorial m Energy Policy, Dec. 1975, 266-« 267.

[23] Leach, G., Net energy analysis - is it any use?. Energy Policy, Dec 1975. 322-344.

[24] Slesser, M., NEA re-examined. Energy Policy, June 1976, 175 -177.

8

_ГЛАВА_

ПРОДУКТЫ ФОТОСИНТЕЗА -СЫРЬЕ ДЛЯ ТОПЛИВА?

2.1. СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ И НАЛИЧИЕ ЗЕМЕЛЬНЫХ УГОДИЙ

Интенсивность солнечной радиации. Солнечная радиация непосредственно за Пределами земной атмосферы имеет энергетическую плотность около 0,12 ГДж/м^ в день [1]. В целом земля получает около 5,4 X 10^ ГДж радиации ежегодно. Однако минимум 30% падающей радиации теряется в результате отражения или поглощения ее земной атмосферой (даже при отсутствии облаков и загрязнения атмосферы). Облака могут отражать до 80 % общей радиации, а степень покрытия облаками, земной поверхности составляет почти 50% в любое время. Кроме того, энергия излучения у земной поверхности регулируется географическим положением, временем года, суток, а также степенью затенения поверхности почвы. Количество энергии, получаемой растениями,, уменьшается в результате взаимного затенения.

Средняя интенсивность солнечной радиации в Великобритании составляет около 0,009 ГДж/м^ в день [2]. Этот показатель в таких .странах, как Австралия и США, примерно в 2 раза выше. Общая энергия солнечной радиации, получаемая в Великобритании на площади 229 827 км^, составляет примерно 7,6 х Ю" ГДж в год. Потребление первичной энергии в Великобритании в тех же единицах составляет около 8,8 X 10 ГДж. Энергетические потребности Великобритании были бы полностью удовлетворены, если бы солнечную радиацию можно было использовать в той же степени, что и существующие виды топлива.

Максимальная интенсивность потока солнечной радиации у земной поверхности, равная 0,09 ГДж/м^ в день, только немного выше интенсивности потока, испускаемого радиатором водяного отопления. Средняя годовая инсоляция значительно менее интенсивна, как об этом говорилось выше. И здесь возникает проблема. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к современным видам топлива, плотность этой энергии очень низка. Например, нефтяной поток мощностью 30 млн. т в год в типичном 32-дюймовом морском нефтепроводе представляет собой энергетический поток интенсивностью 7,4 млн. ГДж/м^

2000

hsoo

5

&

500

500

1000 Длина волны,нм

1500

2500

Рис. 7. Солнечный свет и спектр фотосинтетической активности:

1 ~ солнечная радиация в космическом пространстве; 2 - солнечный свет; 3 - спектр фотосинтетической активности.

В день. Использование солнечной энергии противоречит сформировавшейся веками тенденции использования видов топлива с более высокой теплотворной способностью, увеличения тепловых потоков, плотности энерговыделения. Это не говорит о невозможности использования солнечной энергии, но свидетельствует о необходимости нововведений в связи с широким использованием солнечной энергии, которое может иметь место в развитых странах.

Солнечный спектр. Состав спектра общего излучения за пределами атмосферы аналогичен составу спектра излучения, испускаемого черным телом при температуре около 5800 К (5526 °С). Некоторые длины волн поглощаются земной атмосферой (рис. 7). Кроме того, в Великобритании более половины общей солнечной радиации поступает в виде рассеянного излучения. Однако спектр рассеянного излучения аналогичен спектру прямого излучения с точки зрения энергии.

Растения способны использовать только четверть общего спектра излучения. Пик используемого спектра (см. рис. 7) находится в области видимого голубого и красного света (450—650 мкм). Неиспользуемая солнечная радиация идет на нагревание поверхности почвы и испарение влаги. Косвенным образом эта энергия способствует обеспечению растений необходимым теплом и влагой. Небольшая часть энергии излучения, усвоенная растениями, уходит в атмосферу в виде теплового излучения.

Использование земельных ресурсов на земном шаре. Как мы увидим Позднее, энергетический эквивалент 5 млн. т в год продукции нефтеперерабатывающего завода можно получить на площади выращивания

типичных "биоэнергетических" культур 1 млн. га. В проектах по производству биотоплива обычно предусматривается технология интенсивного возделывания и уборки культур на больших площадях с последующей централизованной переработкой их. Таким образом, для фиксации относительно слабых потоков солнечного излучения с целью получения большого выхода энергии необходимы значительные земельные площади. Поверхность суши на земном шаре составляет примерно 14,6 млрд. га, а площадь водной поверхности - 35,9 млрд. га. Достаточны ли эти площади для удовлетворения будущих потребностей человечества в энергии?

Площадь земельных угодий, пригодных для выращивания культур, составляет на земном шаре около 13 млрд. га [3]. Использование этих земель в настоящее время показано на рисунке 8. Как видно из диаграммы, характер землепользования в Европе является аналогичным характеру землепользования в мире, за исключением того, что Европа имеет большую долю пахотных земель и меньшую долю земель, входящих в категорию "другие" площади. Последняя категория включает площади, не производящие биомассу и являющиеся в этом отношении непродуктивными (например, застроенные площади, парки, дороги и т. д.). Веками увеличение выхода сельскохозяйственной продукции обеспечивалось увеличением обрабатываемой площади и совершенствованием технологии обработки почвы. Однако за последние два десятилетия увеличение выхода сельскохозяйственной продукции в развивающихся странах только на Vs произошло за счет увеличения обрабатываемых площадей; в развитых странах эта доля является еще более низкой [4]. В основном увеличение выхода сельскохозяйственной продукции произошло за счет улучшения культур, использования удобрений и пести-

Европа

Монокультуры

Леса

Монокультуры

Пастбища Пашня

Пашня

Внутренние воды

Прочие земли

Внутренние воды

Рис. 8. Землепользование в мире и в Европе.

цидов, а также интенсификации сельского хозяйства. Однако размеры неиспользованных площадей являются все еще значительными (0,5 — 1,4 млрд. га) по сравнению с используемыми в настоящее время (0,8 млрд. га). По расчетам ФАО, к 2000 г. площади, находящиеся в землепользовании, могут увеличиться только на 10—15 % (по сравнению с 1980 г.), в основном вследствие неудобного расположения земель.

Наличие земельных угодий. По ряду причин использование как обрабатываемых, так и не обрабатываемых земель на земном шаре для целей производства биотоплива не всегда возможно. Первая и, возможно, наиболее важная причина - это получение более высокой нормы прибьши, чем при производстве биотоплива. Как уже говорилось, твердые виды топлива стоят максимум несколько десятков фунтов стер-лингов-за 1 т (в расчете на сухую массу). Зерновые, бобовые, сахар и растительные масла стоят намного больше. Если не учитывать продукты Литания, производство биотоплива должно конкурировать с отраслями промышленности, использующими биомассу для производства кормов, строительных материалов и одежды. Отходы сельскохозяйственного производства и лесной промышленности мо1*ут в первую очередь рассматриваться как сырье для получения биоэнергии. Производство биотоплива может быть осуществлено одновременно с другими видами использования земли. Однако даже эти отходы имеют ценность при использовании их в качестве топлива. Наличие этих отходов будет также зависеть от продуктивности угодий и от трудностей, связанных со сбором достаточного количества материала дяя производства биотоплива.

Значительная часть площадей, которые на первый взгляд могут служить в качестве биоэнергетических "плантаций", на самом деле не в состоянии обеспечить достаточно высокие урожаи биомассы. Они или слишком сухие, или слишком влажные, слишком холодные, или подвержены слишком сильным ветрам, чтобы выращивать на них запланированные культуры. Кроме того, почва может быть неплодородной, засоленной или солонцеватой, а склоны могут быть слишком крутыми для эффективного возделывания культур. Влияние этих факторов на урожай рассматривается ниже.

Характер землепользования в Великобритании показан в таблице 8 [2]. Так как 75 % территории уже отведено под пахотные и пастбищные угодья, очень небольшое число крупных участков может быть использовано для получения биоэнергии. В проектах по производству биотоплива в Великобритании предлагалось использовать отходы или разрозненные участки земли, убедив при этом владельцев участков производить на них биомассу для продажи на центральные перерабатывающие заводы. Если бы в Великобритании или какой-либо другой стране использование биоэнергии было высокоэкономичным, другие категории землепользования могли бы быть принесены в жертву, однако в настоящее время такое маловероятно.