ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 79, № 7, с. 608-616
ПРОБЛЕМЫ ^^ ЭКОЛОГИИ
Автор публикуемой ниже статьи рассказывает о методике анализа потоков энергии на примере производства этанола. Эта методика может применяться и для производства других нетрадиционных источников энергии — различных видов растительных масел, биодизеля, биогаза, выработки топлива из водорослей и т.д.
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА НЕТРАДИЦИОННЫХ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Г. А. Булаткин
Применение технической энергии в производстве и жизнеобеспечении с 1900 по 2000 г. на Земле увеличилось в 15 раз [1]. Невозобновляемые легкодоступные запасы (нефть, газ, каменный уголь) быстро истощаются, и насущной задачей человечества стало их рациональное использование, а также поиск возобновляемых источников энергии.
Современный этап высоких темпов роста производства альтернативных источников энергии (ветроэнергетика, геотермальная энергетика, жидкое и газообразное топливо из растительного сырья и т.п.) не случаен. Он был вызван наступлением "энергетического кризиса" в середине 70-х годов ХХ в., когда мировые цены на нефть лишь за четыре года выросли в 14 раз. В настоящее время мощности ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире составляют 40 млн. Вт. Они производят 0.5% мировой выработки электроэнергии [2]. Дания к 2030 г. планирует получать на ВЭУ 55% электроэнергии.
Использование растений на различные энергетические цели в мире достигает 1 млрд. т условного топлива, что эквивалентно 25% мировой добычи нефти [3]. Во многих странах ведутся исследования и промышленные разработки с целью выработки жидкого топлива из культурных растений (сахарного тростника, зерновых, масличного
БУЛАТКИН Геннадий Александрович — доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН.
рапса). Это связано с продолжающимся ростом цен на традиционные источники энергии (бензин, мазут, нефть), а также с одним из вариантов решения экологических проблем. Скачкообразный рост цен в последние годы обусловливается интенсивным развитием стран Юго-Восточной Азии, их возросшей потребностью в энергоносителях, а также спекуляцией на нефтяных биржах.
Значительное внимание в мире уделяется совершенствованию водородных топливных элементов, дающих возможность получать электрическую энергию из водорода и кислорода [1]. Успешны попытки перевода двигателей автотранспорта на водород (хотя в сжиженном виде по теплоте сгорания он содержит только 25—30% энергии, затраченной на его получение) [4]. В Институте фундаментальных проблем биологии РАН исследуется применение гидрогеназ из различных источников для создания водородного электрода взамен платинового катализатора [5]. Предполагается строить особые электростанции — фотоЭС [6], в основе которых будет лежать использование фотосинтетических реакционных центров растений в качестве преобразователя солнечной энергии в электричество.
Широко распространено производство этилового спирта из сахарного тростника в Бразилии, рапсового масла в Германии, Австрии и т.д. Эти энергоносители можно назвать "чистым" топливом, так как они не содержат загрязняющих веществ в отличие от топлива, произведённого из нефти. Энергополитика Евросоюза предусматривает увеличение доли возобновляемой энергии с 7 до 20% к 2020 г.
Возникшая "мания" на биотопливо уже приводит к изъятию из традиционного использования огромных площадей пахотных земель. Примерно 1/6 часть зерна, которое планировалось вырастить в США в 2007 г., — это кукуруза "промышленного назначения" (она пойдёт на получение этанола для автомобильного топлива).
Одними из активно обсуждаемых в России видов биотоплива являются этанол и биодизель. Считается, что в стране есть большие резервы для их производства. Из 120 млн. га посевных площадей нашей страны около 20 млн. га не используется. В 2007 г. собран урожай зерновых в 79 млн. т, из которых 65 млн. т необходимы как продовольствие. Таким образом, 14 млн. т может быть истрачено на получение биотоплива. Однако существует и другое мнение. Член-корреспондент РАН В.Г. Дебабов обратил внимание на внутренние потребности сельского хозяйства, отметив, что если в России будет производится столько же мяса, сколько производилось в СССР, то зерна не хватит — придётся импортировать.
Использование побочной растительной сельскохозяйственной продукции для получения жидкого топлива имеет свои ограничения, связанные с воспроизводством плодородия почв. В настоящее время в Российской Федерации резко сократилось поголовье крупного рогатого скота — основного источника органического удобрения. В связи с этим солома зерновых, послеуборочные остатки других культур становятся главным источником пополнения пахотных почв органическим веществом, необходимым для восстановления содержания гумуса. К тому же сбор, прессование и транспортировка соломы — чрезвычайно энергоёмкий процесс. Поэтому прежде чем ориентировать промышленность на использование остатков сельскохозяйственной биомассы в качестве сырья для получения жидкого топлива, нужны следующие предварительные многосторонние исследования: возможные объёмы отчуждения органического вещества из агросфе-ры по регионам без негативного влияния на восстановление содержания гумуса в почвах; энергетические затраты на сбор и прессование соломы при различных технологиях; приемлемые расстояния перевозки растительных остатков как автотранспортом, так и по железной дороге; энергетические затраты на переработку побочной продукции на промышленном предприятии. Затем необходимо суммарные затраты технической энергии по всей технологической цепочке соотнести с величиной полученной энергии и определить величину дополнительной энергии. Эти положения применимы и при анализе возможности использования остатков биомассы в лесной и де-ревоперерабатывающей отраслях в качестве сырья для получения жидкого или газообразного топлива.
В зарубежных странах, где в больших масштабах используются минимальная и "нулевая" энергосберегающие обработки почвы, то есть без вспашки плугом, пожнивные остатки играют важную роль в сохранении плодородия, создавая мощный слой мульчи после кукурузы, сорго и высокоурожайных зерновых культур. Мульча предо-
храняет почвы от водной и ветровой эрозии, способствует воспроизводству гумуса, полезных насекомых и микроорганизмов. При мульчировании более эффективно используется не только запасённая влага атмосферных осадков, но и влага, конденсирующаяся из воздуха при перепаде дневных и ночных температур. Масштабное изъятие пожнивных остатков из биологического круговорота приведёт к новому развитию эрозии почв, снижению урожайности и необходимости разработки замещающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур.
Эксперты ООН считают, что противостояние отраслей производства альтернативного биотоплива и традиционной пищевой индустрии — заметная причина подорожания и того и другого, что не было учтено при подсчёте общей рентабельности "альтернативы".
Во многих странах перспективным направлением считается получение экологически чистого топлива на основе возобновляемых биоресурсов — биоэтанола и биодизельного топлива, в основе которого лежат моноэфиры растительных масел или животных жиров. Их получают в результате химической реакции трансэтерификации масла или жира со спиртом (этанолом, метанолом) в присутствии различных катализаторов. В Европе и США такое топливо, как метиловый эфир рапсового масла Rape Methyl Ester (RME) и метиловый эфир соевого масла Soybean Methyl Ester (SOME), применяется в качестве альтернативного дизельного топлива и добавок к традиционному [7]. Для производства биодизеля подходит любой тип растительного масла (рапсовое, подсолнечное, соевое, пальмовое и др.), смесь масел, а также отработанные растительные масла и животные жиры.
До сих пор в научной литературе не дан глубокий анализ вопроса: получается ли дополнительная энергия сверх затрат на её производство, каков её размер при использовании различного растительного сырья, оптимальные величины урожая сельскохозяйственных культур, существующие и перспективные технологии их выращивания?
Для определения эффективности производства альтернативных источников энергии в настоящее время применяются в основном экономические методы. Считается, что если стоимость альтернативных энергоносителей ниже стоимости традиционных, то производство возобновляемых источников энергии целесообразно.
Экономический интерес фирм-производителей биотоплива — стремление к получению прибыли, которая формируется, с одной стороны, за счёт высоких цен на нефтепродукты (с ней сопоставляется цена нового энергоносителя), с другой — за счёт различных преференций государства: снижения или отмены акцизов, введения налоговых вычетов для инвестиций в новые капиталовложе-
ния, которые будут использоваться для производства возобновляемых источников энергии. Однако экономическая оценка производства возобновляемого источника энергии имеет ограниченную ценность. Она показывает только соотношение денежных затрат и полученного дохода, но ничего не говорит о цели производства, о её энергетическом аспекте, о размерах полученной дополнительной энергии.
Проблема производства возобновляемых источников энергии имеет пять аспектов: энергетический, экономический, социальный, политический и экологический.
При производстве альтернативного топлива в первую очередь должна ставиться главная задача — получение дополнительной энергии в биотопливе сверх затрат технической энергии на производство энергоносителя. Получается ли дополнительная энергия и какова её величина — на этот важный вопрос можно ответить только после проведения энергетического анализа всей технологической цепочки производства — от посева культуры в поле до бака транспортного средства. К сожалению, такие исследования только начинаются.
Оценку эффективности производства нетрадиционных энергоносителей обычно проводят в денежном выражении. Почему же акцентируют внимание на экономической стороне проблемы? В настоящее время экономическая оценка — основная принятая в мире мера эффективн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.