Солнце является неиссякаемым источником энергии. Каждый год на поверхность Земли поступает 3∙20²⁴ Дж энергии, в то время как запасы нефти, природного газа, угля, урана по оцен­кам эквивалентны 2,5-IO²² Дж (8∙ IO¹¹ т в «угольном эквивален­те»), Понятно, что менее чем за неделю Земля получает от Солнца такое же количество энергии, какое содержится во всех невозобновляемых ее запасах. Проведем иное сравнение: если бы только 0,1% поверхности Земли занимали коллекторы, ис­пользующие солнечную энергию с коэффициентом полезного действия около 10%, то были бы удовлетворены все текущие потребности в энергии в мире за год (3- IO²⁰ Дж).

Однако у солнечной энергии есть два недостатка: она по­ступает неравномерно и диффузно. Поэтому необходимо, во- первых, разработать какие-то системы накопления, так чтобы энергия была доступна по потребности, а во-вторых, создать коллекторы большой площади. Оба этих фактора накладывают жесткие, но все же преодолимые экономические ограничения на использование систем на основе солнечной энергии. Производ­ство биомассы путем фотосинтеза решает обе проблемы: во-пер­вых, коллекторы могут быть выращены из семян и, во-вторых, получаемый продукт стабилен и может храниться. Впрочем, и при получении и использовании биомассы для выработки энергии возникают свои проблемы, которые, однако, уравнове­шиваются премуществами: ее можно получать во всем мире, она возобновляется и производится в согласии — в экологиче­ском смысле — с окружающей средой.

Преимущество использования солнечной энергии, заключен­ной в биомассе, в том, что она запасается в форме органи­ческих веществ и поэтому ее можно хранить и перемещать во времени и пространстве (табл. 2.1). К недостаткам относятся малая эффективность (обычно менее 1% и редко более 2%) использования солнечной энергии при фотосинтезе, при образо­вании продукции растениеводства, диффузный, а часто и сезон­ный характер продукции и высокое весовое содержание влаги. По этим причинам для получения высококачественного, богато­го энергией сырья необходимо осуществить его сбор, перевоз­ку, удаление воды, концентрирование или же химическую или биологическую переработку и упаковку. Если же задачей яв­ляется превращение биомассы в ценные виды топлива, то ду­мать приходится не только об удалении воды и увеличении удельного содержания энергии, но и о том, как получить про­дукт, совместимый с технологией, для которой он предназначен.

Ранее основным путем использования растительного сырья в качестве топлива во всем мире (а сегодня — во многих разви­вающихся странах) было прямое сжигание главным образом древесины и — в меньших масштабах — остатков урожая и на­воза. В настоящее время на разных стадиях разработки нахо­дится ряд систем термической модификации такого сырья. Сре­ди них — установки на основе пиролиза, газификации и гидро­генизации, Отметим, что для всех этих процессов нужно сырье с относительно низким содержанием воды, а протекают они при высокой температуре. Биологические процессы обладают тем преимуществом, что для них пригодно сырье с высоким содер­жанием воды, а осуществляются они в интервале температур от 25 до 65 ⁰C. Разнообразие планируемых для использования ви­дов сырья (биомассы) иллюстрирует табл. 2.2.

Сегодня для этой цели применяются главным образом са­харный тростник, кукуруза, древесина и стоки, навоз и бытовой мусор, а также отходы сельского хозяйства и промышленности: багасса, меласса, побочные продукты производства бумаги и целлюлозы.

Таблица 2.2. Источники биомассы для выработки топлива

•  2.2.1.Ресурсы

Основными поставщиками биомассы, идущей на топливо, слу­жит сельское и лесное хозяйство. Пытаясь оценить их нынешние возможности, следует, видимо, исходить из наличных земельных площадей, урожайности современных культур, продуцирующих сахар и крахмал, и числа работников, занятых в сельском хо­зяйстве. Ежегодный прирост биомассы во всем мире составляет около 2∙ IO¹¹ т (табл. 2.3), из них приблизительно 1,2∙ IO¹¹ т составляет древесина (в пересчете на сухое вещество). Примерно 60% вырубаемой древесины используется как топливо. Если потребление и возобновление леса сбалансированы, то прирост, не идущий сегодня в дело, составляет 3∙10¹⁰ т, что эквивалент­но около IO¹⁰ т целлюлозы.

Таблица 2.3. Годовой прирост биомассы в тоннах

Данные о распределении лесов во всем мире приведены в табл. 2.4. В ней же указаны земельные площади, используемые разными отраслями растениеводства, а также площади оро­шаемых земель. 

Таблица 2.4. Наличные земельные площади и их использование (в %)

В табл. 2.5 указаны площади, занимаемые лесами, запасы древесины в них и, кроме того, доступное для ис­пользования ее количество в пересчете на душу населения. Обращают на себя внимание два обстоятельства: во-первых, колоссальные запасы древесины в Канаде, СССР и Южной Америке (в основном в Бразилии и тропиках) и, во-вторых, не­хватка ее в настояще время в Азии, где быстро растущее насе­ление расходует биомассу в основном на топливо, используя ее с малой эффективностью, без регулярного возобновления.

Таблица 2.5. Площади, занимаемые лесами, и запасы древесины

Нынешний уровень производства сахара и крахмала из ос­новных сельскохозяйственных культур в мире представлен в табл. 2.6. Эти данные позволяют еще раз обратить внимание на хорошо известный факт: в развивающихся странах общая урожайность обычно гораздо ниже, чем в Северной Америке и Ев­ропе, где она наиболее высока. Особенно низка урожайность в африканских и многих азиатских странах.

Таблица 2.6. Объем производства (I; в млн. т) и урожайность (II; т/га) важнейших культур, продуцирующих сахар крахмал*’

 Эти цифры отражают чистый урожай, за вычетом потерь, соломы и пр. Данные по зерновым не включают те случаи, когда их выращивают на фураж.

Приведенные здесь данные проливают свет на причину мно­гих конфликтов при получении энергии за счет биомассы в стра­нах, где не хватает древесины и продуктов питания и где нуж­но разрешать дилемму: что важнее — пища или энергия. Отме­тим, что если удастся повысить продуктивность и сельского, и лесного хозяйства, то можно решить обе задачи. Применение агролесных комплексных систем поможет смягчить остроту многих таких проблем. Для этого нужно оценить пределы про­дуктивности с учетом эффективности фотосинтеза, пределов урожайности культур и особенно в зависимости от внешних источников энергии в сельском хозяйстве и эффективности ее применения. Еще одна возможность интенсификации заключа­ется в отборе или выведении новых, дающих высокий выход биомассы разновидностей растений, которые можно выращивать на засушливых, болотистых, засоленных или излишне обводнен­ных землях, продуктивность которых сегодня не идет в сравнение с достигнутой в сельском или лесном хозяйстве. Рассмотрим все эти вопросы более подробно.