Биоэнергетика в сельском хозяйстве США. Потребление продуктов в США

Производство зерновых культур, особенно пшеницы, кукурузы, ячменя, рис, является основой развития сельскохозяйственного производства в любой современнойэкономике: развитой или развивающейся.

Урожайность этих культур определяет степень эффективности применения агрогехнологий.

Одним из важнейших параметров, определяющих эту эффек- тив-ность, является К.П.Д. конверсии: отношение энергосодержания урожая к затраченной энергии инсоляции.

Суммарная величина инсоляции за 153 дня летней вегетации на 1 га составляет 785.7 ту.т. Энергосодержание урожая кукурузы на га составляет 4.78ту.т. К.П.Д. = 0.61%. пшеницы - 2.2 ту.т., К.П.Д. =

0.28%, ячмень - 3.29 ту.т., К.П.Д. =0.42%, овес - 3.68 ту.т., К.П.Д.=0.47%, рис - 3.59 ту.т., К.П.Д.= 0.46%

Биомасса является единственным возобновляемым источником энергии, который могут предложить заменитель ископаемого, транспортировки жидкого топлива в краткосрочной и среднесрочной перспективе. США могли бы производить более одного миллиарда тонн возобновляемой биомассы, которая может быть использована для того чтобы произвести пониженным выбросов углекислого газа, топлива для легковых, грузовых автомобилей и реактивных самолетов; химические вещества; производить и возобновляемых источников энергии для питания сетки. Это может создать новых внутренних экономических возможностей и рабочих мест в сельском хозяйстве, обрабатывающей промышленности и секторе услуг, в то время как сокращение будущих климатических воздействий.[5-1

Население США в конце 90-х годов имели персональную диету с высоким содержанием мясных продуктов и самой высокой калорийностью - 3624 ккал/чел./сут. против 3183 ккал/чел./сут для развитых стран (ЕС, Канада, Австралия, Новая Зеландия) и 2765 ккал/чел./сут. для Китая, как развивающейся страны.(Табл. 5-1).

Такая высококалорийная диета должна обеспечиваться высокопродуктивным и эффективным сельскохозяйственным производством, что, в свою очередь, определяет большие возможности по использованию биомассы отходов для производства биотоплив и энергии.

Показатель производства агропродуктов в США за 2014-15 годы (табл. 5-2)подтверждают этот вывод:

• -производство зерна 423.1 млн. т или 1.3 т на человека;
• -масленичные культуры (соя) 106.1 или 327 кг на человека;
• -мясо (говядина, телятина, баранина, свинина, куры) 64.13 млн.т или 197.5 кг на человека;
• -молоко 95 млн.т или 292 кг на человека, продуктивность 9.0 т/гол./год;
• -яйца 99.8 млрд.шт. или 308 пгг. на человека, продуктивность 78.2 яйца на 100 гол. в сутки.

Таблица 5-1.

Средние ежедневные величины калорийности пищи, потребляемой в

США, Развитых странах и Китае.

Таблица 5-2.

Основные показатели сельскохозяйственного производства в США в 2014 __-2015 годах.[5-2, 5-3].__

Прогноз развития производства энергии из биомассы в США.

Таблица 5-3.

Столь высокие показатели одного из самого эффективного мирового агропроизводства позволили американским экспертам нрогно- зи-ровать использование к 2030-2040 годам до 158.4-165.6 млн. т у.т. из биомассы (сухой). В 2015 г. в США было произведено 31 млн. т биотоплива (биоэтанол и биодизель).

Таблица 5-3.

Прогноз развития производства энергии из биомассы в США.

Таблица 5-4.

Прогнозируемые UCs (Union of Concerned scientists; и uknl (как Kiage National Laboratory) ежегодные количества биомассы для производства

топлива и энергии в США к 2030 г.

Из этого количества биомассы можно произвести 163.3 млн. т этанола к 2030 году (в четыре раза больше, чем произведено из кукурузы в США в 2010 году) или 732 миллиарда киловатт-часов электроэнергии (19% от общего прироста потребления электроэнергии в 2010 году).

Прогноз развития производства биотоплива в США

Таблица 5-5.

В конце 90-х годов в США производилось около 1 млрд, тонн навоза и 430 млн. тонн растительных остатков с общей калорийностью 78.6 млн. ту .т. В 2014 г. общие затраты энергии в агропроизводстве США 61.2 млн. ту.т.: Прямые - 39.6 млн. ту.т.

Напрямые (удобрения, пестициды, орошение)-23.4 млн.ту.т.

Таким образом, потенциально производство топлива и энергии из агроотходов может в значительной степени заместить прямые и непрямые затраты ископаемых топлив и энергии в производстве аг- ронродукции в США.

Количество с/х ферм США, производящих и использующих ВИЗ (2012 г.): Биогаз - 500; Мини электростанции - 1000; Биоэтанол - 2364; Биодизель - 4100: Ветротурбины -9000; Другие ветроагрегаты - 11000; Солнечные панели - 36000.

Таблица 5-6.

Топливо и энергия в сельскохозяйственном производ-стве США, млн. т., __ МВтч [5-4 - 5-241._

В 2015 г. США посредством ВИЭ произвели 344 млн.т у.т., из них: - солнечные коллектора 15.5 млн.ту.т.;

• - фотоэлектричество 32.8 ТВтч;
• - ветроэнергия 63.5 млн.ту.т.; -биотопливо 44. Млн.ту.т.
• - Вклад ВИЭ в общую энергетику США в 2015 г. составил около 10%, из них биотопливо У (биоэтанол и биодизель) 1.7%.(табл.5-6)

Производство электроэнергии из биомассы составило 8.5 млн.ту.т., биогаза-100 тыс. ту.т..

Общая энергетика агропроизводства США в 2015г. составила 63 млн.ту.т. (табл. 5-6) вклад биоэнергетики составил 67 млн.ту.т.(включая лендфилл газ городских бытовых отходов). Но тенденция вполне определенная: Агросектор США может полностью обеспечить свои потребности для прямого использования топлива и энергии, которые составили в 2015 г. 39.6 млн.ту.т.

«Стоит ли игра свеч ?»

Может ли энергия солнца, трансформированная в скрытую энергию химических связей агропродукции, быть выше, чем количество топлива и энергии, израсходованной на ее производство?

Эффективность солнечной энергии при производстве сельхозпродукции хорошо видна из расчетов американского исследователя Д. Пиментеля, опубликованных в 1984г. и суммированные в таблице 5-7. [ 5-25, 5-26 ].

Солнечная инсоляция на поверхности земли варьирует в зависимости от местоположения и времени суток, но ежедневно среднем 1 МВт/га (100 Вт/м2) будет уместен в качестве основы для сравнения. Солнечная энергия, достигающая одного гектара земли, накопленная за 5 месяцев вегетации составляет, примерно, 3,7 ГВтч или 457 ту.т. (3.2x10⁹ккал). [5-27].

При урожае кукурузы 7000 кг зерна/га из почвы удоляется до 40 кг азота, 5 кг фосфора и 6 кг калия с одного гектара земли [5-25].

Если указанное количество использованных элементов (азот, фосфор и калий) заменить на потраченную на их производство энергию, то это сос-тавит соответственно 840,000 ккал, 31,500 ккал, и 15000 ккал энергии, или 3% от общего объема запасенной энергии в собранном зерне.

Человеческая сила тоже входит, но в США это незначительно относительно общего потребления энергии, что составляет наименьший вклад на всего 0,05% из общего числа.

При урожае кукурузы 7000 кг зерна/га из почвы удаляется до 40кг азота, 5 кг фосфора и 6 кг калия с одного гектара земли. Если указанное количество использованных элементов (азот, фосфор и калий) заменить на потраченную на их производство энергию, то это составит соответственно 840,000 ккал, 31,500 ккал, и 15000 ккал энергии, или 3% от общего объема запасенной энергии в собранном зерне.

В конце 90-х годов около 1 млрд, тонн навоза и 430 млн. тонн растительных остатков производилось ежегодно в США[5-28].

Таблица 5-7.

Энергия, затраченная на производство кукурузы в США [5-28].

Урожай остатка содержал 4.3 млн. тонн азота, 0,4 млн. тонн фосфора и 4,0 млн. тонн калия, в то время как навоз содержал 2,5 млн. тонн азота, 6000 тонн фосфор и 2000 тонн калия. Большая часть урожая остатка пере-рабатывается (т. е. запахивается в почву), но только 20% азота, со- держа-щегося в навозе, возвращаются в почву, и теряется около 2 миллионов тонн "свободного" азот год. По данным Минсельхоза США (НАСС 2000), общее количество применяемого в США химически произведенного ^Лазота в 1990 году составило -11 млн. тонн.

Таблица 5-7 показывает, что машины, дизельное топливо и бензин в совокупности составляют 25%, удобрения - 45%.от общей потребляемой энергии на производство кукурузы. На производство кукурузы на площади 1 га затрачивалось 8.945.650 ккал топлива и энергии, а содержание запасенной энергии в 7500 кг произведенного зерна кукурузы составило 26.625.000 ккал, т.е. энергоэффективность составила 3.0. Эти данные еще раз убедительно показывают, что производством биотоплив и / биоэнергии, используя высокоэффективные энергокультуры и агроотходы, необходимое заниматься с целью снижения прямых энергозатрат и себестоимости агропродукции. Американцы в среднем съедают на 14% больше, чем люди из развитых стран на 31 % больше, чем китайцы.

К 2030 году выход общих первичных отходов растениеводства может составить 320 млн. сухих тонн, причем 85% этого количества состоит из остатков кукурузы. [5-29].

В 2000 году потребление энергии в сельском хозяйстве США составляло 1-3% от общего потребления.

Процентный состав видов энергии, затрачиваемой в с/х США: Электроэнергия 18% Производство удобрений 29% Производство гербицидов и пестицидов 6% Орошение 7% Дизельное топливо 25% Бензин 9% Природный газ 1% Жидкий нефтяной газ 5%.[ 5-30].

Таблица 5-8.

Схема производства жидких биотоплив из продуктов растениеводства[5-

31]

Таблица 5-9.

Урожайность биотоплива для различных видов сырья и странах

Энергетический баланс 2.0 означает, что литр биотоплива содержит в два раза больше энергии, чем это требуется в производстве. Балансы варьируются от менее чем 2 для кукурузы в около 2-8 для сахарного тростника.

Растения накапливают 107.25x10⁹ т у.т. в год на Земле солнечной энергии (107.4 10¹² ту.т.), что в шесть-семь раз нынешний глобальный спрос на энергию.

ПРОГНОЗ МЭА на 2050 г.

Последнее крупное исследование по биоэнергетике, проведенное международным Энергетическим агентством (1ЕА), оценивает круг потенциальных поставок биоэнергии к 2050 году от 1430 млн.т у.т. до крайности 37466 млн. т. у.т. (МЭА, 2006, стр. 412-16).

Последняя цифра основывается на допущении очень быстрого технического прогресс, однако, МЭА указывает на то, что более реалистичная оценка, учитывая медленное повышение урожайности, будет 8580-17160 Мт у.т. Средняя оценка около 13585 млн. т. у.т., что но данным МЭА, потребует примерно одну пятую часть земель сельскохозяйственного назначения в мире, необходимую для производства биомассы.

Биотехнология может помочь ускорить выбор сортов, которые более подходят для производства биотоплива - с повышенной биомассы на гектар, с повышенным содержанием масел (биодизель культуры) или сбраживаемых сахаров (этанол культуры), или улучшением особенностей обработки, способствующих преобразованию их в биотопливо. Область геномики - изучение всего генетического материала организма (генома) - скорее всего будут играть все более важную роль.

МЭА прогнозирует увеличение доли пашни в мире для выращивания биомассы для получения жидкого биотопливо от 1% в 2004 году до 2,5% в 203,0 году. Прогноз основан на предположении о том, что жидкое биотоп-ливо будет производиться с помощью обычных культур.

Биоэнергетики покрывает приблизительною процентов от общей мировой энергии питания. Традиционные необработанная биомасса большую часть этого, но коммерчески биоэнергетика берет больше значение.

Производство первичного биотоплива США, этанола (полученный из кукурузного крахмала ), возросло с 661 миллионов литров в 1980 году до почти 53 миллиардов л в 2011 году; производство биодизельного топлива (в основном из растительного масла ), хотя и гораздо меньше, также показал, сильный рост, увеличившись с 1.89 миллиона л в 1999 году до рекордных Зю7 млрд, л в 2012 году. Несмотря на бурный рост последних общее потребление биотоплива в Сельском хозяйстве составляло лишь около 8 % от объема потребления топлива для транспорта (9,7% бензина и 1,5 % дизельного топлива ) в 2012 году .[5-32].

Таблица 5-10.

Гипотетический потенциал для производства этанола из основные зерно-

вых и сахарных культур

В 2012 г. Биотопливный этанол составлял 38.13 млн.т или 9.7% от потребленного общего бензина (393.1 млн. т), тогда как биодтизель 1.5% (2.7 млн. т от 180 млн. т).

Соевое масло остается крупнейшим источником биодизельного сырья в Соединенных Штатах, с долей более 56%.

В 2012 году 76 млн. л биоэтанола произведено из целлюлозы.

В 2012 г. прогнозировалось, что производство биоэтанола из кукурузы в 2022 г. составит 45.36 млн. тонн.

Прогнозируется, что в 2022 г. производство биодизеля составит 5.14 млн.т (14-3.Evolution of the U.S. Biodiesel Sector).

B 2011 г. в США из 250.2 миллионов зарегистрированных легковых автомобилей (в том числе грузовых автомобилей, автобусов и мотоциклов) 14 миллионов транспортных средств способны работать на стандартном 10% этанола и 90% бензина (ЕЮ) смеси, а также смеси этанола выше до 85% этанола и 15% бензина (Е85).

EIA прогнозирует, что потребление бензина снизится до 454 млрд, л к 2022 году и потребление биоэтанола в двигателях составит 91 млрд, л (20%).

По данным Ассоциации возобновляемых видов топлива (RFA ), более 14 миллионов FFVs (гибкого топлива транспортных средств) были на дорогах в 2012 году, что составляет более 5% легковых автомобилей в США. По состоянию на начало 2013 года, более 3000 АЗС в Соединенных Штатах предложили Е85 (2 % из 142000 станций ) .73 Большинство Е85 заправочных станций сосредоточены в штатах Среднего Запада вблизи текущего производства этанола глубинки (рисунок 12).

(Е85 — это смесь 85% этанола и 15% бензина. Одним из преимуществ смеси Е85 является снижение выбросов выхлопных газов. Но не все так сладко в нашем королевстве. Так как этанол обладает меньшей энергоотдачей, то расход в сравнении с бензином вырастает на 30%)

Соединенные Штаты могли бы произвести более, чем один миллиард тонн.

Почти 8.1 миллион баррелей нефти (1.036 млн. т) потребовались в день, чтобы снабжать топливом 232 миллион машин(5.4 л/ день/авто)„ которые составляют в США транспортный флот (378 млн. т нефти/год)[5- !]•

Ожидается, что Нефть останется доминирующим энергетическим источником для транспортировки всемирной по 2040 год -5.4 млрд, т/год.

В 2015 г. мировое производство биотоплив составляло 7.48 млн. т, к 2040 г. прогнозируется увеличение до 130.8 млн. т/год.

Водоросли.

Стратегическая цель США в области НИР по водорослям разраба- ты-вать промышленные и технологии по производству 15.2 млн. т биотоплив из водорослей к 2030.

К 2014, продемонстрируют в научно-исследовательском масштабном продукте водорослей 5700 л биотоплива на акр в год.

Мощность: менее 2% нефти, потребляемой в США используется для производства электроэнергии. Ископаемого топлива преобладают произ-водства США мощность и составляют более 67% от выработки, с углем в составе 43%, природного газа-24%, нефть-1%. Баланс обеспечивается ядерная (21%) и возобновляемых источников (10%), в том числе 1% обеспечивается биоэнергией.

Использование Возобновляемые источники жидких топлив, включая биотопливо, по прогнозам, увеличится с 8% в 2010 году до 14% жидкого топлива в 2035.

Литература

• 5-1. MULTI-YEAR PROGRAM PI AN Bioenergy technologies office 2014. www.energy. Gov.
• 5-2. USCatSup-06-24-2016.pdf. usda.mannlib.cornell.edu
• 5-3.United States Young Meat Chic, www.nationalchickencouncil.org
• 5-4.U.S. Liquid Fuelshttps://www.eia.gov/forecasts..
• 5-5. Multi-year program pian Bioenergy technologies office 2014., www.energy, gov. 5-6.US Renewable Energy Eclipses Fossil Fuels For Second Year Running, Says BNEF., cleantechnica.com.
• 5-7.Solar power in the United States., en.wikipedia.org.
• 5-8.Renewables and Carbon Dioxide Emissions., www.eia.gov/outlooks.
• 5-9. U.S. energy consumption by energy source.2015.U.S. energy consumption by energy source.2015. www.statista.com/
• 5-10.Biofuel in the United States Википедия., en.wikipedia.org.
• 5-11.1 Federal Programs That Support Biofuels., www.fas.org.
• 5-12.Biofuel in the United States Википедия.,., en.wikipedia.org.
• 5-13.Greenhouse gas reduction thresholds., www.slocleanair.org.
• 5-14.Biomass Resources in the United States (2012)., www.ucsusa.org.
• 5-15.Trends in U.S. Agriculture's Consumption and Production of Energy-,

www.ers.usda.gov.

5-16.Energy sector looks to agricultural waste., bioener-

gyuiuc.blogspot.com.

• 5-17.Biomass Resources in the United States (2012)., www.ucsusa.org.
• 5-18.Energy Use in American Agriculture., web.mit.edu.
• 5-19.Crop Residues and Agricultural Wastes*(USA)., wwwl.eere.energy.gov.
• 5-20.Multi-Year Program Plan March 2016., www.energy.gov.
• 5-21.U.S. energy production - biomass 2040 | Forecast - Statista: www.statista.com
• 5-22.Biomass Resources in the United States (2012)., www.ucsusa.org.
• 5-23.U.S. Biomass Energy - Statistics & Facts | Statista

https:www.statista.com. 5-24.Clean Power and Fuel- If Handled Righ., www.ucsusa.org.

• 5-25.Pimentel, D. (1984). Energy Flow in the Food System. In "Food and Energy Resources." (D. Pimentel and C. Hall, eds.), pp. 65-90. Academic Press Inc., Orlando.
• 5-26.Energy Use in American Agriculture (no 2000 r.)., web.mit.edu.
• 5-27.Energy Use in American Agriculture (no 2000 r.)., web.mit.edu. 5-28.Pimentel, D. et al. (1996). "Water resources: Agriculture, the environment, and society. Bioscience, www.kysq.org.
• 5-29. Bioenergy technologies office.,www.energy.gov.
• 5-30. Energy and Agriculture., www.gracelinks.org.
• 5-31. Biofuels and agriculture - a technical overview ftp:www.ftp.fao.org.
• 5-32. Agriculture-Based Biofuels: Overview and Emerging Issues 2013.,www.fas.org.
• 5-33. Evolution of the U.S. Biodiesel Sector., www.digitalrefming.com.