рай не знаю, но жить наверное можно - особенно если что типа водорослей подключить, но судя по цифрам EROI по биотопливу - пока это полный бред. нужны другие технологии сбора/посева/перегонки - то есть гужевые наверное
и получается тогда феодально-информационное сообщество (как в той моей фантазии про "мир пост-грибной катастрофы" сейчас её немного расширяю...)
В книжке Подолинского как раз приведены данные на конец 19 века (из STATISTIQUE DE LA FRANCE, 1874, 1875 И 1878):
...Вот несколько примеров из сельскохозяйственной статистики Франции, которые ясно показывают влияние, оказываемое трудом на увеличение накопления энергии на земле.
Во Франции существует в настоящее время около 9 000 000 гектаров леса, доставляющих средний ежегодный прирост дерева, равняющийся 35 000 000 стэрам, т. е. кубическим метрам, весом около 81 000 000 метрических кинталов (один кинтал равен
100 килограммам). На гектар, следовательно, приходится ежегодного прироста 9 метрических кинталов, или 900 килограммов. Принимая число тепловых единиц, заключающееся в каждом килограмме высушенной на воздухе клетчатки, равным 2550, мы получим ежегодное накопление солнечного тепла на каждом гектаре леса, равное 900×2 500=2 295 000 тепловым единицам.
Естественные луга занимают во Франции пространство в 4 200 000 гектаров и производят средним числом ежегодно 105 000 000 метрических кинталов сена, или по 2500 килограммов на каждом гектаре. Накопление солнечного тепла на гектаре составляет, следовательно, ежегодно 2 500×2 550=6 375 000 тепловых единиц.
Таким образом, мы видим, что без вмешательства труда предоставленная сама себе растительность, при самых выгодных обстоятельствах, т. е. в лесу или на лугу, накопляет ежегодно на гектаре количество солнечного тепла, колеблющееся между 2 295 000 и 6 375 000 тепловыми единицами.
При участии труда сейчас же замечается значительное увеличение.
Во Франции искусственные луга устроены уже на поверхности 1 500 000 гектаров, которые за вычетом ценности семян производят ежегодно 46 500 000 метрических кинталов сена, т. е. по 3 100 килограммов на каждом гектаре. Следовательно, ежегодное накопление тепла равно 3 100×2 550=7 905 000 тепловых единиц. Избыток против естественного луга равняется 1 530 000 тепловых единиц и получен он, естественно, благодаря труду, приложенному к устройству искусственного луга. Труд этот для одного гектара искусственного луга равняется ежегодно приблизительно: 50 часам работы одной лошади и 80
часам работы одного человека. Вся работа эта, переложенная на тепло, равняется 37 450 тепловым единицам. Таким образом, каждая тепловая единица, приложенная в виде труда человека или лошади к устройству искусственного луга, производит избыток накопления солнечного тепла, равный 1 530 000 : 37 450=41 тепловой единице.
То же явление замечается и при возделывании зерновых хлебов. Во Франции засевается пшеницей немногим более 6 000 000 гектаров, которые за вычетом семян дают 60 000 000 гектолитров зерна и 120 000 000 метрических кинталов соломы ежегодно.
На каждый гектар, следовательно, приходится 10 гектолитров, или 800 килограммов зерна и 2000 килограммов соломы. В тепловых единицах 800 килограммов зерна, по расчету составных частей его, например белковины, крахмала и пр., равняется около 3 000 000 калорий, что вместе с 2000×2 550=5 100 000 тепловыми единицами, содержащимися в соломе, составляет 8 100 000 тепловых единиц.
Избыток над естественным лугом равен 8 100 000—6 375 000=1 725 000 тепловых единиц. Для получения его затрачено 100 часов работы лошади и 200 часов работы человека, представляющие вместе ценность 77 500 тепловых единиц. Следовательно, каждая тепловая единица, затраченная в виде труда на возделывание пшеницы, производит избыток накопления солнечного тепла, равный 1 725 000 : 77 500=22 тепловым единицам...
...Уже в 1861 году учителю физики турского лицея А. Мушо удалось устроить машину, в которой двигателем является непосредственно теплота солнца.
Из-за недостатка средств у изобретателя, усовершенствования прибора шли очень медленно, и только ко времени всемирной выставки 1878 года ему удалось устроить зеркало для отражения солнечных лучей, имеющее достаточную величину для того, чтобы можно было судить о рабочей силе аппарата. Вот в коротких словах описание машины, действовавшей в последние три месяца выставки. Посредством зеркала, имеющего вид внутренней поверхности усеченного конуса и величину поверхности около 20 квадратных метров, солнечные лучи собираются и падают на паровик, имеющий высоту (длину) 2,5 метра и весящий вместе с его принадлежностями 200 килограммов. Объем паровика равен 100 литрам; из них 70 для котла, а 30 для паровой камеры. Особого рода механизм позволяет направлять отверстие зеркала прямо против солнца во время его дневного движения. Паровая машина посредством передаточного механизма приводит в движение различного рода приборы, совершающие работу. Кроме этой, самой большой из устроенных до сих пор солнечных машин, на выставке находилось еще несколько небольших, служащих для варения пищи и тому подобных хозяйственных целей.
Вот извлечение из отчета Мушо Парижской академии наук о действиях его машины: «Имею честь представить на рассмотрение академии результаты моих опытов применения солнечной теплоты в промышленности, произведенных в течение всемирной выставки 1878 года. Из этих опытов одни имеют целью приготовление пищи, перегонку спиртов, другие — применение солнечного тепла в качестве двигательной силы».
«Небольшие аппараты для варения пищи не переставали действовать во все время солнечной погоды. Зеркала менее 1/5 квадратного метра поверхности, устроенные с возможно большей правильностью, успевали изжарить 1/2 килограмма мяса в 22 минуты. Полутора часов было достаточно для изготовления навара, который требует четырех часов обыкновенного дровяного огня. Три четверти литра холодной воды закипели в полчаса, что составляет пользование 9,5 тепловыми единицами в минуту на каждый квадратный метр; результат этот весьма замечателен на широте Парижа».
«Солнечные аппараты для перегонки спиртов также дали прекрасные результаты. Снабженные зеркалами менее 1/2 метра в поперечнике, они доводили три литра вина до кипения в полчаса и доставляли водку чистую, нежного вкуса и свободную от всякого дурного запаха. Водка эта, вторично подвергнутая перегонке в том же аппарате, получала все свойства хорошего столового напитка».
«Моей главной целью было устроить для всемирной выставки 1878-года самое большое зеркало в мире и изучить его действия при солнце Парижа, в ожидании случая испытать его под более благоприятным небом.
Благодаря помощи, оказанной мне в моем деле молодым и искусным техником г. Абелем Пифром, мне удалось, несмотря на неизбежные случайности при первом устройстве подобных аппаратов, установить окончательно 1 сентября солнечный собиратель, зеркало которого представляет отверстие около 20 квадратных метров. Этот собиратель действовал первый раз 2 сентября. В полчаса он довел 70 литров воды до кипения, и манометр, несмотря на некоторую потерю пара, показывал под конец шесть атмосфер давления».
«12 сентября, несмотря на появление нескольких облаков, давление в паровике возрастало еще быстрее. Пар допускал дополнение паровика посредством инъектора, без значительного ослабления давления».
«Наконец, 22 сентября при постоянном, хотя и слегка покрытом, солнечном освещении удалось довести давление до 6½ атмосфер и, конечно, давление стало бы еще выше, если бы солнце не закрылось совершенно. В тот же день я мог заставить работать, при постоянном давлении в три атмосферы, насос Танги, поднимающий от 1500—1800 литров воды в час на высоту 2 метров».
«Вчера, 29 сентября, когда солнце освободилось от облаков, около 11 часов 30 минут, у меня в полдень уже было 75 литров воды в состоянии кипения. Упругость паров поднялась постепенно от 1 до 7 атмосфер, предела манометра, в течение 2 часов, несмотря на помеху, представленную появлением нескольких легких облаков. Я мог возобновить опыт 22 сентября, а потом направить пар еще в прибор Карре, что мне дало возможность получить брусок льда».
Мы видим из этого отчета, представленного самим изобретателем, что солнечная машина еще далеко не доведена до такого совершенства, при котором она могла бы стать опасной соперницей для паровой машины. Но если уже теперь при зеркале всего в 20 квадратных метров и на пасмурном сентябрьском солнце Парижа она дает работу в 2—2½ паровые лошади, то при другом климате, при большей величине зеркала можно ожидать совершенно других результатов. Вопрос о возможности продолжать работу даже в то время, когда солнце не светит, уже поставлен на очередь, и теоретический расчет допускает его решение в положительном смысле. Приняв все это во внимание, солнечная машина, с точки зрения сбережения энергии, может быть названа самой удовлетворительной машиной из всех до сих пор изобретенных...
Янтовский Е.И. Потоки энергии и эксергии. // М.: Наука, 1988Книга представляет собой одну из первых в научно-популярной литературе попыток изложить научные основы энергосбережения - как вычислить коэффициент полезного использования топлива, как определить затраты энергии на различные объекты. Даются также основные сведения о современных методах расчета потоков эксергии, подробно описывается накопление эксергии солнечного излучения в соляных («солнечных») прудах.Значение эксергии
...Глубокий смысл понятия «эксергия» вытекает из эквивалентности убывания эксергии и возрастания энтропии в изолированной системе. Убывание эксергии неизбежно в силу второго закона термодинамики. В отличие от энергии эксергия действительно означает способность производить работу. В обычной повседневной практике слова «энергосбережение, экономия энергии» на самом деле означают экономию эксергии. В силу закона сохранения материи суммарная масса всех веществ и соединений на земле остается постоянной. Вода любой степени загрязненности может быть очищена до питьевого качества — эта технология хорошо разработана, но она требует затрат эксергии. Любой металл может быть получен и из бедных руд, и из окислов, подобных ржавчине, но и этот процесс требует все больших затрат эксергии.
Можно представить себе человеческое общество (его называют автотрофным), которое не берет у природы никаких материальных тел для своего существования, и закон сохранения материи вполне позволяет это, но вследствие второго закона термодинамики такое общество не сможет существовать без притока эксергии. Эксергия, необходимая для восстановления металлов из окислов, опреснения воды и всех видов иной созидательной деятельности, в настоящее время на 96% получается из запасов органического топлива. Поэтому очевидно, что именно эксергия первичного топлива является тем основным ресурсом (в отличие, например, от руды, воды и пр.), который подлежит сбережению (подробнее об этом см. в гл. 9).
Наиболее четкое и краткое современное изложение определения цодятия «эксергия» и история его развития даны Шаргутом в упоминавшейся нами статье.
«Поддержание существования человечества и его деятельности возможно благодаря использованию природных ресурсов. Они представляют собой такую форму материи, которая по своему химическому составу или параметрам состояния существенно отличается от средних значений, встречающихся в природе.
Поэтому параметры состояния и состав наиболее распространенных веществ в природе можно принять за нулевой уровень отсчета практической пригодности энергии природных ресурсов и произведенных энергоносителей. Способность производить работу, отсчитываемая от упомянутого уровня, и была названа в Европе "эксергия". Эта величина может быть определена следующим образом:
Эксергия — это количество работы, которое может быть получено, когда некоторое вещество приходит в состояние термодинамического равновесия с наиболее распространенными компонентами окружающей среды путем обратимых процессов, включающих взаимодействие только с упомянутыми компонентами окружающей среды.
Основная задача эксергетического анализа состоит в определении и количественной оценке влияния необратимых явлений, снижающих термодинамическое совершенство рассматриваемых процессов.
...Эксергетический анализ дает информацию относительно возможного улучшения термодинамических процессов, но только экономический анализ позволяет решить, рационально такое улучшение или нет» [12, с. 710].
По мере снижения температуры увеличивается разница между энтальпией и эксергией, поэтому процессы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, при которых отличие температур потоков от окружающей температуры мало, необходимо описывать в эксергетических величинах. Когда природные ресурсы представляют собой источники теплоты невысокой температуры, отличие их эксергии от энтальпии особенно велико. Поэтому, например, Геологический комитет США учитывает геотермальные ресурсы по их эксергии, а не по энтальпии.
Иногда встречается следующее возражение против применения понятия «эксергия»: способность производить работу как мера качества энергии была бы важна, если бы народное хозяйство всю энергию потребляло в виде механической работы. Фактически же в нашей стране более 50% первичных энергоресурсов используется в виде тепла довольно низкой температуры (до 100° С), поэтому хорошая способность производить работу здесь ни к чему и незачем вводить в практику новое понятие, мало знакомое большинству энергетиков.
Однако здесь следует подчеркнуть, что высокий потенциал теплоты (т. е. большая эксергия) полезен и тогда, когда потребитель требует тепло низкого потенциала, потому что 1 Дж высокопотенциального тепла позволяет с помощью трансформации тепла получить 2 или 3 Дж низкопотенциального тепла, а это приведет к существенному снижению затрат первичных энергоресурсов. Поэтому в нашей стране расчеты эксергии приобретают не меньшую, а относительно большую важность по сравнению с другими странами из-за более сурового климата и большой доли теплоснабжения.
Много десятилетий продолжаются споры о том, как распределять затраты топлива на электроэнергию и теплоту при их совместном производстве на ТЭЦ. Разные способы такого распределения приведены, в частности, в книге Шаргута и Петелы [2].
Пессимистическое отношение к термодинамическим методам распределения было характерно в начале 50-х годов, когда понятие «эксергия» (или, как тогда говорили, «техническая работоспособность») было еще малоизвестно. Так, в статье 1953 г. утверждалось, что методы распределения экономии топлива при комбинированном процессе выработки тепла и электроэнергии... не могут вытекать из законов термодинамики и все попытки непосредственного термодинамического обоснования того или иного способа разнесения экономии топлива между видами полученной энергии лишены научного обоснования. Такое категорическое утверждение несет на себе характерный отпечаток того времени. Но в последние годы все более популярной становится методика простого и наглядного распределения любых затрат (и текущих затрат топлива, и капитальных затрат на строительство объекта): пропорционально выдаваемым потокам эксергии...
История объекта
...Термин «эксергия-нетто» обозначает новое и важное понятие в энергетических расчетах. Чтобы его пояснить, скажем сначала, что такое «энергия-брутто». Это не поток энергии, а все количество энергии, которое выдал какой-либо энергетический объект, электростанция, котельная и т. п. Но сам этот объект появился не по волшебству. Чтобы его создать, было затрачено много энергии, да и в процессе эксплуатации, например на добычу и доставку топлива, тоже расходуется энергия (а теперь мы знаем, что правильнее говорить — расходуется эксергия).
Энергия-нетто — это полное количество полученной энергии за вычетом ее затрат на создание объекта и его обслуживание. Соответственно эксергия-нетто — это полученная эксергия за вычетом ее затрат [23].
Для ее расчета следует обобщить составление баланса потоков эксергии, которые проходят через границу, т. е. воображаемую оболочку, окружающую наш объект. В самом деле, учитывая в этом балансе только потоки энергии за единицу времени (имеющие размерность мощности), мы забываем о том, что сам объект когда-то попал внутрь оболочки. До начала строительства там ничего, кроме атмосферы и грунта, не было. Когда началось создание объекта, через граничную поверхность были введены потоки эксергии, заключенной в строительных материалах, выплавляемом металле и т. п.
Чтобы учесть все потоки эксергии, надо рассматривать историю объекта начиная от первых затрат эксергии и сделать расчет этих затрат.
Проиллюстрируем это на примере тепловой электростанции (рис. 19). На схеме стрелками показаны: ε
отв поток электроэнергии, отводимой от станции, ε
топл поток эксергии с топливом и ε
внеш — затраты на добычу и доставку топлива. Точки над буквой обозначают, что это потоки за единицу времени. Кроме них, показана ε
стр — полная величина эксергии, затраченной на строительство и оборудование.
Здесь η
2=ε
отв/(ε
топл+ε
внеш)
Историю объекта во времени можно наглядно изобразить на графике (рис. 20), где по горизонтальной оси отложено время (годы), а по вертикальной — потоки эксергии через границу вокруг объекта. В момент t
c началось строительство и полный поток эксергии отрицателен — он направлен только внутрь границы. Площадь над этой частью кривой и есть ε
стр.
В момент времени t=0 создание объекта завершено и с пуском первого агрегата начинается выдача эксергии ε
отв потоком электрических зарядов, т. е. электроэнергии. Через время t
ок полученная эксергия скомпенсирует затраты (площадь над осью координат сравняется с ε
стр) и начнется поступление в энергосистему потока эксергии-нетто.
Наконец, через время τ электростанция работу прекращает, срок ее службы заканчивается и за этот срок она выдает ε
отвτ — такое количество электроэнергии. Отношение всей полученной эксергии к затраченной на строительство и оборудование называется коэффициентом эксергии-нетто: К
ε=ε
отв•τ/ε
стрОн вычислен уже для многих энергетических объектов. Так, например, для тепловых электростанций К
ε=5-7, а для газовых промыслов 60-70, но с учетом строительства газопроводов он, конечно, во много раз меньше.
Эксергетический прейскурант материалов
...Основная проблема в расчете К
ε состоит в определении ε
стр. Она облегчается тем, что в большинстве случаев все затраты эксергии связаны с получением материалов — стали, меди, пластмасс, бетона и т. п. Поэтому, как правило, ε
стр вычисляется как масса каждой детали, умноженная на полные удельные затраты эксергии на изготовление материала, с учетом добычи и обогащения руды, плавки металла, проката и т. п.
Такой энергетический «прейскурант» приведен на рис. 21. На левой шкале показана полная энергоемкость (в МДж на 1 кг материала), на правой шкале — безразмерное отношение, показывающее, сколько килограммов топлива нужно сжечь, чтобы получить 1 кг указанного материала или вещества. (Чтобы не называть конкретного топлива с его меняющейся теплотой сгорания, в энергетике введено понятие условного топлива, имеющего теплоту сгорания 29,3 МДж/кг.)
Указанные в «прейскуранте» ориентировочные энергетические «цены» материалов подвержены двум противоположным тенденциям. С одной стороны, они снижаются благодаря техническому прогрессу в горной, металлургической и химической промышленности, но, с другой — повышаются из-за того, что исходное сырье и руды становятся все беднее. В целом эти величины довольно стабильны и в этом смысле они гораздо надежнее, чем цены денежные.
Затраты энергии на добычу и выплавку металла находятся в естественной и сильно падающей зависимости от его содержания в добываемой из недр земли горной массе. На рис. 22 показана зависимость энергоемкости некоторых металлов от их концентрации. Очевидно, что наиболее распространенные конструкционные металлы — железо и алюминий — занимают правый нижний угол, а драгоценный металл — золото — левый верхний. В высокой цене золота не последнюю роль играют большие затраты энергии на его добычу.
Обе упомянутые тенденции — снижение затрат энергии за счет технического прогресса и возможный рост за счет обеднения руды — можно проиллюстрировать рис. 23 и 24 [25]. На рис. 23 показано снижение затрат электроэнергии на выплавку 1 кг алюминия за 100 лет — с 1880 по 1980 г. Как видно из графика, они снизились примерно в 3 раза — с 50 до 16 кВт•ч, но дальнейшее снижение маловероятно, поскольку уже близок теоретический минимум, определяемый по балансу эксергии химической реакции восстановления алюминия из его окисла.
Для оценки тенденций в энергоемкости производства меди приведем данные [о ее зависимости от концентрации меди в руде (рис. 24). Поскольку, например, в США средняя концентрация меди в руде с 1920 до 1980 г. уменьшилась от 2 до 0,4%, это должно было бы привести к повышению энергозатрат от 16 до 50 МДж/кг. Поэтому, несмотря на технический прогресс, тенденция обеднения руды фактически за последние 20 лет привела к росту энергозатрат на получение меди.
В структуре энергозатрат компоненты ε
внеш значительную долю занимают транспортные расходы. Ниже приводится расход условного топлива (кг на 1000 тыс. км) по разным видам транспорта на 1980 г.:
Железнодорожный 8,3
Морской 10,3
Речной 11,4
Автомобили грузовые 144,1
Газопроводный 66,5
Нефтепроводный 5,5
За исключением автомобилей, где еще возможно увеличение дизелизации, эти показатели вряд ли могут существенно улучшиться в перспективе. Для расчетов ε
внеш следует учесть, что здесь указан расход условного топлива на перевозку натурального груза, поэтому при оценке доли условного топлива, идущего на транспорт, необходимо приведенный показатель увеличить примерно в 1,5 раза в случае угля и уменьшить в таком же отношении для нефти и газа. Следовательно, при транспорте на 1000 км расходуется около 4,5% газа, 0,37% нефти и 1,25% угля. Поскольку сибирский газ транспортируется почти на 4 тыс. км, его расход на собственный транспорт составляет 18%, и на такую величину следует снижать эксергетический КПД всех газопотребляющих установок, если учитывать ε
внеш в η
2.
Получив материалы, их надо обработать, а потом собрать детали и отвезти все на место. Эти затраты сравнительно невелики, они составляют не более 20% от суммы всех затрат. Например, энергетическая «стоимость» легкового автомобиля 81 ГДж, из них 65 ГДж — затраты на материалы...