Біопаливо та їжа для людей

людей

Хорхе Лейн

Хорхе Лейн. Доктор філософії в галузі хімії, Імперський коледж, Лондонський університет, Великобританія, дослідник, Венесуельський інститут наукових досліджень (IVIC). Адреса: Центр хімії, IVIC. Box 20632, Каракас 1020A, Венесуела. електронна адреса: [email protected]

Вичерпання світових запасів викопних вуглеводнів, передбачене для цього століття, вимагатиме впровадження трьох альтернатив: 1) використання біопалива, 2) сонячної енергії через фотоелектричні елементи та 3) ядерної енергії та інших. Хоча використання біопалива є найближчою альтернативою, воно не повинно сприйматися як остаточне, оскільки воно може загрожувати продовольчому забезпеченню людей. Біопаливо можна найкраще розглядати як перехідний механізм між епохою викопного палива та ерою нових альтернатив енергетиці.

Біопаливо та харчування людини

Вичерпання світових запасів викопних вуглеводнів, передбачене для цього століття, призведе до необхідності впровадження трьох нових альтернатив: 1) використання біопалива, 2) сонячної енергії через фотоелектричні елементи та 3) ядерної енергії та інших. Незважаючи на те, що використання біопалива є найближчою альтернативою, його не слід сприймати як остаточний, оскільки це може порушити постачання їжі людьми. Біопаливо можна краще розглядати як перехідний механізм між віком викопного палива та віком нових альтернатив енергетиці.

Ви біопаливо та людська їжа

Постачання світових запасів фосфатних вуглеводнів, передбачене або наявне, потребуватиме впровадження трьох альтернатив: 1) використання біопалива, 2) сонячної енергії через фотоелектричні елементи та 3) ядерної енергії та інших. Крім того, я використовую два біопалива, якщо це більш близька альтернатива, його не слід сприймати як остаточний, оскільки він може атакувати або підривати їжу для людини. Біопаливо можна розглядати як засіб переходу між епохою двох викопних видів палива та ерою нових альтернатив енергетиці.

КЛЮЧОВІ СЛОВА/Їжа/Біопаливо/Біомаса/Цукровий очерет/Відновлювана енергетика /

Отримано: 20.06.2007. Змінено: 15.11.2007. Прийнято: 19.11.2007

Біопаливо можна визначити як такий тип речовини, який за допомогою простих хімічних перетворень служить як їжею для людей, так і їжею для двигунів внутрішнього згоряння. Наприклад, цукор із поля з очерету для споживання людиною також може бути перетворений в етанол для заміни автомобільного бензину. Інший приклад, їстівна рослинна олія (кунжутне, соєве тощо), а також тваринний жир, може бути перетворена в дизель, який в даний час називається "біодизелем".

Виробництво біопалива вимагає використання родючих земель, тому слід було б запитати, чи може широкомасштабне використання можливого заміщення викопного палива створити конкуренцію за родючі землі, які слід призначити для обробітку.

З огляду на вищевикладене, у цій роботі в глобальному масштабі робляться оцінки потреб наземної поверхні, необхідних для постачання людської їжі, а також для передбачуваного постачання біопалива для заміщення викопних вуглеводнів.

В якості вихідних даних буде взято глобальне населення 6 × 10 9 людей, а земельна площа дорівнює 15 Гга (1,5 × 10 10 га або 1,5 × 10 13 м 2), що еквівалентно

1/3 загальної поверхні планети Земля. Інші 2/3, море, не розглядаються в цій роботі, хоча вони також представляють джерело людської їжі через риболовлю. Як досить близьке наближення до реальності вважається, що наземний ґрунт розділений на три рівні частини по 5 Гга кожна: частина землі, придатної для обробітку (включаючи пасовища для розведення), частина джунглів та лісових лісів (Амазонка, Сибір, Канада тощо), а також інша частина безплідних районів (пустелі, болота тощо).

Наземні вимоги до їжі людини

Якщо припустити, що середня людина потребує близько 3000 ккал енергії на добу з їжі, щоб жити, для розрахунку необхідної площі тростини можна розрахувати еквівалент цукру (4 ккал/г). Таким чином, припускаючи, що 1 га тростинних полів дає в середньому 5 тонн цукру на рік (Laine, 1998), виходить, що теоретично було б достатньо годувати 18 людей на рік із нормою 275 кг цукру на рік на людину. З цього випливає, що 0,3 Гга було б необхідно для харчування всієї людської популяції планети, що становить менше 10% поверхні, придатної для обробітку, 5 Гга, згаданої вище.

10% поверхні, придатної для обробітку. Навіть у самих крайніх випадках, це означає, що вся їжа виробляється за ефіопською нормою, але що всі жителі планети харчуються як голландці, знадобиться 2,4 Гга, тому теперішня наявність землі, придатної для обробки ( 5 Гга) було б достатньо.

Незважаючи на те, що аналізовані дотепер у цій роботі показники показують добрі очікування щодо харчування людини в глобальному масштабі, інші проблеми, які утримують понад 10% світового населення, близько 800 мільйонів, страждають від недоїдання. (ВООЗ, 2003).

Наземні вимоги до біопалива

Хоча в даний час у світі достатньо запасів викопних вуглеводнів (вугілля, нафта та природний газ), щоб продовжити нинішні темпи споживання енергії протягом декількох десятиліть, очікується, що ці запаси будуть вичерпані в цьому столітті, особливо запаси нафти, оскільки це вуглеводень з найбільшим попитом. Основними новими альтернативами є (Grubler and Nakicenoviv, 1997) використання біопалива, сонячної енергії через фотоелектричні елементи та ядерної енергії. Інші альтернативи можна розглядати як взаємодоповнюючі, такі як тепло-сонячна енергія, енергія вітру, геотермальні свердловини, припливні зміни тощо.

Використання водню як палива не повинно включатись як альтернатива як така, оскільки для його виробництва необхідно буде використовувати одну з вищезазначених альтернатив. Багато вчених вважають водень паливом майбутнього, оскільки крім того, що при його згорянні не виробляється CO 2, основний парниковий газ, це полегшить впровадження паливних елементів (тестується в даний час на так званих гібридних транспортних засобах), які перетворюють енергію згоряння безпосередньо в електроенергію, що призводить до більшої ефективності порівняно з діючими двигунами, які перетворюють енергію палива в тепло.

Слід також зазначити, що завдяки відновлюваному (переробному) характеру біопалива, чистий ефект на збільшення атмосферної концентрації CO 2 внаслідок спалювання біопалива теоретично дорівнює нулю, як показано для випадку етанолу, виробленого з цукрового очерету у такій спрощеній схемі хімічних реакцій, що включають перетворення сонячної енергії у "відновлювану" енергію:

Отже, використання біопалива, а також інших згаданих альтернатив, сприятиме стримуванню глобального потепління, яке в даний час приписується спалюванню викопних вуглеводнів (Stern, 2006). Вловлювання та зберігання (секвестрація) викидів CO 2 (Lackner, 2003) є пріоритетним питанням для продовження використання викопних вуглеводнів без шкоди для атмосфери.

Можна з упевненістю стверджувати, що використання біопалива є найближчою альтернативою, оскільки технологія, необхідна для їх використання, практично така ж, як і для використання викопного палива. Наприклад, автомобіль, що працює на бензині, також може працювати на чистому етанолі, просто змінюючи деякі компоненти двигуна, такі як шланги та інші, та вносячи деякі корективи в карбюратор. Навпаки, дві інші альтернативи - фотоелектричні елементи та ядерна енергія вимагають вирішення важливих технічних аспектів. Наприклад, у випадку з фотоелектричними елементами (Green, 1993) необхідно накопичувати велику кількість енергії, щоб компенсувати зміни сонячного випромінювання під час змін від дня до ночі або від ясного до похмурого неба. Що стосується ядерної енергетики, основними проблемами є утилізація використаного радіоактивного матеріалу та ризик забруднення в результаті аварій або неправильної експлуатації. Наприклад, вдалося успішно розробити лише один тип транспортного засобу з атомною енергією, атомну підводний човен, оскільки важка вага свинцю, необхідна для ізоляції кабіни екіпажу, корисна як баласт для потоплення корабля.

Однак, як минуло кілька десятиліть між відкриттям парової машини, яка започаткувала еру викопного палива, і розвитком сучасних двигунів внутрішнього згоряння, слід очікувати іншого періоду часу для вдосконалення застосування вищезазначеного альтернативи.

Наступні розрахунки дадуть уявлення про кількість землі, необхідної у передбачуваному випадку використання біопалива у великих масштабах. Припускаючи, що весь поточний видобуток нафти у світі (30 Гб на рік, 1 б (барель) = 160 літрів) слід замінити етанолом, щільністю 0,8 г/см 3, і виходячи з критерію, що на кожні три молекули цукру (30 г/моль) виробляється один із етанолу (46 г/моль), тоді потрібно отримати 7,5 × 10 9 тонн цукру, щоб отримати необхідну кількість етанолу. Використовуючи вартість виробництва поля з очерету (5 т/га), буде використано розширення 1,5 Гга оброблюваної площі, тобто 30% від загальної кількості, доступної у світі, що, як зазначено вище, становить 5 Гга.

Важливо зазначити, що споживання палива (або нафти, або біопалива) змінюється залежно від рівня розвитку країни; тобто вона варіюється залежно від рівня попиту на енергію на душу населення в країні. Діапазон цього попиту коливається приблизно від 10 Гкал/рік на душу населення в деяких так званих країнах третього світу до 50 Гкал/рік на душу населення в найбільш розвинених країнах (Hall et al., 1993). Це означає, що бажаний майбутній розвиток країн третього світу означатиме значне збільшення світового попиту на паливо.

Як цікавий факт, отриманий із проведених розрахунків, людина, як передбачається, споживає в середньому в 10-50 разів більше енергії, залежно від рівня розвитку країни, ніж те, що вона витрачає завдяки своєму метаболізму.

Хоча оціночне значення потреби в родючих землях для загального заміщення нафти біопаливом (30% від загальної кількості наявних) не досягає, щоб скомпрометувати прогнозовану потребу в родючих землях для споживання людиною на глобальному рівні (10% від загальної кількості наявних), імовірно ситуація, яка в майбутньому буде набагато скомпрометовані через можливе збільшення попиту на біопаливо внаслідок не лише збільшення людської популяції, але й збільшення рівня розвитку країн, особливо тих, які класифікуються як країни третього світу.

1. Berndes G, Hoogwijk M, Brock R (2003) Внесок біомаси у майбутнє глобальне енергопостачання: огляд 17 досліджень. Біомаса Біоенергія 25: 1-28. [Посилання]

2. Crocker M, Crofcheck C (2006) Перетворення біомаси в рідке паливо та хімічні речовини. Енергія 17: 1-3. [Посилання]

3. Gerbens-Leenes PW, Nonhebel S (2002) Структури споживання та їх вплив на землю, необхідну для харчування. Екол. Екон. 42: 185-199. [Посилання]

4. Грін М.А. (1993) Сонячні елементи з кристалічного та полікристалічного кремнію. В Johansson TB, Kelly H, Reddy AKN (Eds.) Відновлювана енергія, джерела палива та електроенергії. Island Press. Вашингтон, округ Колумбія, США. С. 337-360. [Посилання]

5. Грублер А, Накіценів Н (1997) Декарбонізація глобальної енергетичної системи. Технол. Прогноз. Соціальні зміни 53: 97-110. [Посилання]

6. Hall DO, Rosillo F, Williams RH, Woods J (1993) Біомаса для енергії: перспективи постачання. У Johansson TB, Kelly H, Reddy AKN (Eds.) Відновлювана енергія, джерела палива та електроенергії. Island Press. Вашингтон, округ Колумбія, США. стор. 593-651. [Посилання]

7. Klass DL (1981) Біомаса як джерело не викопного палива. Серія симпозіуму Американського хімічного товариства 144. Вашингтон, округ Колумбія, США. 564 с. [Посилання]

8. Lackner KS (2003) Посібник з секвестрації CO 2. Наука 300: 1677-1678. [Посилання]

9. Laine J (1998) Цукровий очерет та кокосова пальма: джерела досліджень та розробок для покращення навколишнього середовища. Interciencia 23: 113-116. [Посилання]

10. Lehmann J, Gaunt J, Rondon M (2006) Секвестрація біо-чару в наземних екосистемах: огляд. Пом'якшення. Адаптувати. Страт. Глобальні зміни 11: с. 403-427. [Посилання]

11. Marris M (2006) Чорний - це новий зелений. Nature 442: 624-626. [Посилання]

12. Nonhebel S (2005) Відновлювані джерела енергії та продовольство. Поновити. Витримати. Енергія Rev. 9: 191-201. [Посилання]

13. Oil Mallee (2001) Інтегрована переробка деревини. www.oilmallee.com.au [Посилання]

14. Седжо Р. А. (1989) Ліси, інструмент для пом'якшення глобального потепління. Середовище 31: 14-20. [Посилання]

15. Sombroek WG (1992) Зберігання біомаси та вуглецю в екосистемах Амазонки. Interciencia 17: 269-272. [Посилання]