Александр Проценко - Энергетика сегодня и завтра
Продолжим путь по энергетической цепочке растения. Энергия поглощенного светового кванта передается электронам, находящимся на внешних электронных орбитах, на более высоких энергетических уровнях. Эта энергия хлорофиллового зерна запускает длинную цепочку биохимических реаций. На выходе цепочки синтезируется глюкоза, состоящая из шести молекул углерода и такого же количества молекул воды. Отсюда происходит название, данное глюкозе и некоторым другим "сладким" веществам, - углеводы. При данной реакции фотосинтеза выделяется и свободный кислород.
Итак, общепринято, что синтез глюкозы совершается в растениях лишь подобным образом. Однако недавно датским исследователем А. Миллером была высказана гипотеза, что синтез может осуществляться не только за счет солнечного света, а и благодаря тепловой энергии.
Сверху зеленый лист нагревается солнцем, снизу он охлаждается при испарении влаги. Возникает разность температур. Термоэлектрические преобразователи, которыми могут быть биологические мембраны, инициируют ток, вызывающий химические превращения. Если предположение А. Миллера оправдается, то можно и нужно будет разрабатывать новые пути интенсификации синтеза углеводов и повышения КПД этого процесса. Могут появиться, например, и новые направления тепличного растениеводства. С процессом фотосинтеза и его КПД связан более общий вопрос о производительности всего сельского хозяйства.
Действительно, чтобы повысить эффективность использования энергии в сельскохозяйственном производстве, нужно проследить, куда она направляется сейчас.
В сельском хозяйстве трудно определить, где кончается энергетика и начинается агрономия, селекция, борьба за урожайность. И все же попытаемся выделить энергетическую составляющую.
Сельское хозяйство забирает около одной десятой всех добываемых природных энергетических ресурсов - около 160 миллионов тонн условного топлива. С учетом косвенных затрат энергии на различную продукцию и машины для сельского хозяйства эта величина существенно больше. Только для производства аммиака, используемого непосредственно или при получении азотных удобрений, затрачивается около 20 миллионов тонн условного топлива. Так что общая величина энергии, отдаваемой производителям сельскохозяйственных продуктов, скорее близка к 250-300 миллионам тонн условного топлива.
Сколько же энергии получает страна взамен? Мы не ошиблись - именно энергии. Основные "кирпичики", из которых состоят продукты сельского хозяйства, - углеводы и жиры - это топливо организма. Правда, когда его не хватает, в организме в качестве топлива могут использоваться и белки. Поэтому ценность или объем сельскохозяйственной продукции можно выражать в энергетических единицах - килокалориях или даже тоннах условного топлива. Сделаем такую оценку двумя способами.
Первый способ - по потребностям. Человек потребляет в день в среднем 2 тысячи килокалорий, а в год - 700 тысяч. Значит, все население страны 270 миллионов человек - потребит за год 200 триллионов килокалорий пищи, то есть около 30 миллионов тонн условного топлива.
На самом деле, если оценивать объем пищевых продуктов по их производству, эта цифра явно занижена.
Двести миллионов тонн зерна с калорийностью 200 килокалорий на килограмм - это основная часть сельскохозяйственной продукции, дающая 500 триллионов килокалорий. Затем сто миллионов тонн картофеля добавляют еще 80 триллионов килокалорий. Мясо и молоко дают около 50 триллионов. А еще сахарная свекла, подсолнечник, овощи, фрукты. Всего получится около 700 триллионов килокалорий, или 100 миллионов тонн условного топлива.
Что же получается? Потребляется 30 миллионов тонн условного топлива, а производится 100 миллионов. Конечно, цифры приближенные. В подсчетах допущены п различные неточности. Ведь значительная часть зерна используется как корм в самом сельском хозяйстве для получения мяса, молока, птицы, япц. Так что часть зерна учтена как бы дважды. Но как бы то ни было, в стране производится сельскохозяйственной продукции по крайней мере в полтора раза больше, чем потребляется. Думаю, что действительная разница еще больше.
Причины две. Во-первых, часть продукции сельского хозяйства используется не для продовольственных, а для технических нужд, во-вторых, очень большая часть просто теряется при транспортировке, первичной переработке, хранении, продаже, потреблении.
О потерях мы поговорим позже, а сейчас подсчитаем энергетический коэффициент полезного действия всего сельского хозяйства. Вкладывается в него 300 миллионов тонн условного топлива, а производится в нем 100 миллионов. Значит, КПД - 30 процентов.
Правда, до потребителя доходит в два раза меньше - скажем, всего 50 миллионов. Тогда КПД равен 15 процентам. Это очень высокая величина. На самом деле мы пока не учли основной энергетической составляющей - цепочки "солнце - фотосинтез - углеводы".
Над атмосферой земного шара мощность светового потока на квадратный метр - 1,4 киловатта. Для района Москвы при учете длительности светового дня, потерь в атмосфере и облаках в зависимости от географической широты эта величина почти в 10 раз меньше - всего 0,15 киловатт на квадратный метр. Если принять эту величину как среднюю для всей территории СССР, то получим, что 200 миллионов гектаров пашни за вегетационный период получают количество тепла, равное 100 миллиардам тонн условного топлива. Напомним, что продукция сельского хозяйства эквивалентна 100 миллионам тонн, то есть в тысячу раз меньше. Таким образом, усредненный КПД преобразования солнечного излучения в продукцию сельского хозяйства равен всего 0,1 процента. Куда же исчезает живительная сила солнца?
Энергобаланс при выращивании растений выглядит приблизительно следующим образом:
- из всего потока солнечной энергии на листья попадает только 20-30 процентов; - КПД фотосинтеза в полевых условиях - 1,5 - 2 процента; - от трети до половины полученной энергии растение тратит на собственные нужды и благодаря дыханию обеспечивает нормальный ток воды через собственные органы, совершает работу по преодолению сопротивления почвы; - из полученной растительной массы богатые энергией семена или плоды составляют около половины; - еще 10-30 процентов урожая теряется из-за поражения насекомыми и болезнетворными микроорганизмами.
Учет перечисленных потерь объясняет обнаруженную тысячекратную разницу между количеством поступающей солнечной энергии и ее долей, утилизованной в сельскохозяйственной продукции. Задача сельскохозяйственного производства - уменьшить эти потери.
Подведем промежуточный итог. Сельское хозяйство получает от солнца 100 миллиардов тонн, условного топлива, от топливного комплекса - еще 300 миллионов тонн, а энергоемкость производимой им продукции эквивалентна всего 100 миллионам тонн. Мы разобрались, куда "исчезают" 100 миллиардов тонн солнечного топлива, теперь посмотрим, на какие цели тратятся 300 миллионов тонн прямых энергетических затрат.
Мы уже подсчитали биоэнергетический КПД. Без учета вклада солнечной энергии он оказался равным 10- 15 процентам, то есть на каждую пищевую килокалорию затрачивается 7-10 килокалорий первичного топлива.
Для производства 1 килограмма мяса необходимо истратить 12 килограммов условного топлива. Литр молока можно получить, израсходовав пол-литра нефти, а для производства килограмма наиболее ценной части молока протеина - потребуется 25-30 килограммов условного топлива.
Во многих развивающихся странах с хорошим климатом биоэнергетические коэффициенты полезного действия существенно больше. Для некоторых же культур растениеводства они превышают единицу. Например, в Судане при выращивании сорго на каждую затраченную калорию энергии получают 14 пищевых калорий, а в Заире при культивировании маниоки биоэнергетический КПД еще больше - 37. Ясно, почему достигаются такие большие величины? Все делает сама природа. Человеку только остается снять плоды. При использовании примитивных орудий труда затраты энергии на уборку урожая невелики. Может быть, имеет смысл повсеместно перестроить сельское хозяйство в духе минимизации энергозатрат?
Нет, делать так нельзя. Главный и решающий недостаток примитивных немеханизированных систем - очень низкий выход продукции с единицы площади земли и очень низкая производительность труда.
Как раз для достижения высокой урожайности и производительности труда и необходим значительный рост энерговооруженности, которая характерна для современных агропромышленных комплексов.
Вернулись мы к общеизвестной истине. Но вопросов остается много. Какой должна быть эта энерговооруженность? Должна ли она расти или нужно стремиться ее снижать, достигая необходимых результатов другими способами?
Увеличивать или уменьшать!
Агропромышленный комплекс страны потребляет около 160 миллионов тонн условного топлива, если не учитывать расход энергии на коммунально-бытовые нужды и косвенные энергетические затраты. Поскольку основные затраты энергии прямо или косвенно связаны с пашней, удобно анализировать удельную величину - затраты энергии, отнесенные на 1 гектар.
