УДК 631: 338 - Московский государственный университет

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА
«РОЛЬ МЕЛИОРАЦИИ И ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА В РЕАЛИЗАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫХ ПРОЕКТОВ»
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ
КОНФЕРЕНЦИИ)
Москва 2008
УДК 631: 338.24
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ И ИХ ПРИЛОЖЕНИЕ К ПРОБЛЕМАМ СЕЛЬСКОГО
ХОЗЯЙСТВА И МЕЛИОРАЦИИ
И.А. Блохин – аспирант; Б.В. Ларюшкин-Железный – д. хим. н.
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия
В настоящее время сформировались шесть основных методов оценки эффективности
использования природных ресурсов в экономике на основе учета прямых и косвенных
затрат энергии при производстве и использовании товаров и услуг. Эти методы являются
инструментом при поиске путей оптимизации технологических процессов,
производственных и экономических связей в техноэкономических объектах различного
масштаба. Указанные методы позволяют также в той или иной степени оценить величину
техногенной нагрузки на окружающую среду. Показано, каким образом энергетические
методы можно использовать для оценки эффективности инвестиций в сельское хозяйство
и мелиорацию земель.
One may distinguish six methods, elaborated for evaluating effectiveness of resources use
in technology and economy and based on net and cumulative energy consumption calculations.
The methods may be applied to economic objects of different types and sizes, and some of them
may be used also for evaluating environmental loading from economy. The way to use these
methods for evaluating relative effectiveness of investments in agricultural sector of economy is
demonstrated.
Развитие любой отрасли экономики неразрывно связано с ростом потребления
энергии. В настоящее время потребление энергии из невозобновляемых источников
(горючих ископаемых) достигло таких масштабов, что перспектива их истощения стала
реальностью и напрямую сказывается на ценах энергоресурсов. В связи с этим возрастает
необходимость повышения эффективности использования энергетических (как, впрочем,
и любых других) природных ресурсов, невозобновляемых и возобновляемых.
Оценка эффективности использования природных ресурсов может производиться по
различным критериям. Среди методов такой оценки важную группу составляют
энергетические методы, в основу которых положены представления об эффективности
процессов преобразования энергии и об энергетической себестоимости промышленной и
сельскохозяйственной продукции [1]. Использование энергетических методов оценки
эффективности технологических, экономических и природных процессов, позволяет
решать следующие задачи:
1. Оценить эффективность преобразования энергии из одного вида в друго й в
технологических и природных процессах, с учетом и без учета качества преобразуемой и
получаемой энергии,
2. Рассчитать «энергетическую себестоимость» технологической продукции как
сумму прямых и косвенных затрат энергии разных видов на получение конечного
продукта,
3. Определить потенциальную возможность совершенствования продукционного
процесса в целях экономии энергетических и материальных ресурсов и наметить наиболее
перспективные пути такого совершенствования,
4. Оценить величину техногенной нагрузки на окружающую природную среду,
оказываемой данным производством, отраслью экономики или экономикой в целом.
В настоящее время можно выделить шесть основных типов энергетических методов
оценки эффективности [1]. Наиболее широко используются традиционные, часто
стандартизованные, методы оценки по непосредственному удельному потреблению
энергии или энергоресурсов (методы НПЭН, обозначения методов по [1]). Эти методы
применяются как на уровне оценки эффективности использования или преобразования
энергии отдельно взятым устройством, так и для агрегированных техноэкономических
объектов, включая экономику в целом. В последнем случае критерием эффективности
считается энергоемкость экономики – суммарное потребление первичных энергоресурсов
на единицу валового внутреннего продукта. По этому показателю экономика РФ
находится на одном из последних мест в мире [2].
Идея учесть не только непосредственное потребление энергии в процессе
эксплуатации (функционирования) технического или техноэкономического объекта, но и
затраты энергии на его создание, привела к разработке методов расчета совокупного
потребления энергии (методы СПЭН). В рамках этих методов оценивается
«энергетическая себестоимость» объекта, а для генерирующих объектов (электростанций)
может быть рассчитана так называемая «энергия-нетто» – чистый выход энергии от
объекта с учетом всех энергетических затрат на его создание, эксплуатацию и ликвидацию
после выработки ресурса службы [3]. Энергетическая себестоимость (продукции, объекта)
может рассматриваться как аналог обычной себестоимости, но, в отличие от нее, не
зависит от масштаба цен и их колебаний на рынке.
В методах НПЭН и СПЭН учитываются только энергетические затраты, причем без
учета «качества» энергии. Понятие качества энергии связано с особенностями процессов
ее преобразования и характеризует возможность получения наиболее ценного вида
энергии – механической работы из данного количества исходной энергии. Качество
энергии зависит не только от вида этой энергии, но и от параметров окружающей среды, в
которой находится объект – энергоноситель. Для оценки величины энергии с учетом ее
качества в технической термодинамике разработана специальная характеристика –
эксергия, а сам метод, в котором использование и преобразование энергии
рассматривается с учетом ее качества, назван «эксергетическим» [4].
Эксергетический подход позволяет оценить в энергетических единицах ценность и
эффективность использования не только энергии и энергоносителей, но и
неэнергетических природных ресурсов, таких как руды и минер алы. В этих случаях
ценность ресурса определяется химической составляющей эксергии, определяемой
концентрацией и формой нужного компонента в минеральном сырье. Таким образом,
эксергетический подход позволяет провести более глубокий и полный анализ
эффективности использования природных ресурсов и процессов преобразования энергии.
Аналогами методов НПЭН и СПЭН в рамках эксергетического подхода являются,
соответственно, эксергетический анализ отдельно взятого технологического процесса
(метод ЭКСАН) и определение совокупного потребления эксергии первичных природных
ресурсов (с учетом прямых и косвенных затрат) в технологической сети при производстве
той или иной конечной продукции – метод СПЭКС (по терминологии [1]).
Первоначально эксергетический метод был разработан как метод анализа
эффективности тепловых и химико-технологических процессов, позднее он был развит
применительно к анализу эффективности всей технологической продукционной сети –
метод СПЭКС [5]. В последние годы эксергетический подход начал широко применяться
для анализа эффективности использования ресурсов (в первую очередь, топливноэнергетических) в отраслях экономики и в экономиках в целом различных стран [6,7].
Перечисленные энергетические методы направлены в основном на оценку
эффективности использования ресурсов и поиск путей оптимизации техноэкономических
процессов и структур в отношении ресурсосбережения. Косвенно эти методы позволяют
оценить и величину техногенной нагрузки на окружающую среду. Наибольшие
возможности здесь имеет эксергетический подход, который позволяет прямо оценить в
единой энергетической шкале тепловое и материальное загрязнение окружающей среды,
связанное с продукционными процессами [8]. Однако это приложение названных методов
пока развито слабо.
На оценку суммарной величины техногенной нагрузки на окружающую природную
среду, связанной с использованием природных ресурсов, прямо нацелен оригинальный
энергетический подход, предложенный Г. Одумом [9]. В основе его лежит представление
о том, что в любом природном или технологическом объекте «скрыто» определенное
количество первичной солнечной энергии, использованной на его создание в сложной
цепи превращений энергии и вещества в природных, технологических и экономических
процессах. Это совокупное количество первичной солнечной энергии, «затраченной» на
создание объекта, названо Г. Одумом «emergy» (русский термин – «эмерг»).
Подход Г. Одума назван «эмергетическим» анализом (метод ЭМАН). Наиболее
спорным моментом этого метода является оценка вклада природных процессов в
величину эмерга. В рамках этой оценки не учитывается несопоставимый масштаб времени
экономических и геофизических процессов и слабая изученность последних, что делает
количественные значения эмерга весьма условными. По этой причине и в силу ряда
других спорных моментов метод ЭМАН, пока не получил широкого распространения, но
последователями этого направления он применялся для анализа эффективности
природопользования и нагрузки на окружающую среду в экономических объектах
различных масштабов от небольшой сельскохозяйственной фермы до национальных
экономик [10,11].
В рамках метода ЭМАН предложен ряд безразмерных критериев для оценки
величины техногенной нагрузки на природную среду и эффективности использования
природных ресурсов в экономике. Эти критерии основаны на сопоставлении мощности
потоков эмерга от использования возобновляемых (R) и невозобновляемых (N) природных
ресурсов на территории исследуемого объекта и относительного вклада потоков эмерга с
«импортируемыми» со стороны товарами и услугами.
В частности, относительная величина техногенной нагрузки на окружающую среду,
создаваемой объектом, определяется как отношение N/R.
Концептуально методы СПЭКС и ЭМАН являются близкими. Основное различие
между ними связано со степенью учета вклада природных процессов в «энергетическую
себестоимость» продукции; что касается алгоритмов расчета этой себестоимости, то они
могут быть тождественными. Это показано в работе [12], где сформулированы условия,
пр и кото р ы
х мето ды СПЭКС и ЭМАН «сливаются» в о дин метод (ЭКСЭМ). Однако
условности, связанные с учетом вклада природных процессов, в методе ЭКСЭМ
сохраняются [1].
Общая схема анализа в рамках методов СПЭКС, ЭМАН и ЭКСЭМ характерна для
системного анализа. Вначале определяются границы рассматриваемой системы в
территориальном, временном и функциональном отношениях. Степень учета
функциональных связей может быть различной [1]. В наиболее полных вариантах методов
помимо энергетических и материальных потоков, непосредственно связанных с
производством, учитываются трудовые затраты, услуги и другие экономические связи.
На втором этапе анализа устанавливается внутренняя структура системы,
направление, тип и величина (в натуральных величинах) материальных и энергетических
потоков, связывающих между собой структурные компоненты системы, а также входных
и выходных потоков, связывающих рассматриваемую систему с «внешним миром».
Структура системы обычно изображается графически с использованием специальных
символов. Этот этап анализа является наиболее трудоемким, поскольку связан со сбором
большого количества разнообразной информации о производственных и экономических
связях, которая не всегда надежна и/или доступна.
На третьем этапе анализа величины всех материальных и энергетических потоков
переводятся из натуральных единиц измерения в единую шкалу отсчета эксергии или
эмерга, что позволяет суммировать эти потоки. Алгоритм пересчета величин потоков в
единую энергетическую шкалу может быть различным. Наиболее просто эта операция
выполняется, если в предыдущих исследованиях установлены соответствующие
эквиваленты (в натуральном и энергетическом выражении) для каждого из видов
продукции. Необходимо отметить, такие эквиваленты не являются некими
универсальными константами, но, в общем случае, зависят от региональных
экономических и природных условий, уровня развития технологии и могут меняться со
временем.
На заключительном (четвертом) этапе анализа на основании обобщенных потоков
эксергии или эмерга рассчитываются искомые показатели или критерии, делается
сравнение с показателями других аналогичных систем и формулируются заключение об
эффективности рассматриваемой системы и рекомендации по ее улучшению.
Относительный вклад различных составляющих в величину совокупных
энергетических затрат при производстве сельскохозяйственной продукции может быть
самым различным в зависимости от типа этой продукции, технологии производства и
региональных условий (таблица). Данные, приведенные в таблице, рассчитаны методом
СПЭН, в них не учтены скрытые энергетические затраты, связанные с амортизацией
зданий, инфраструктуры и с социальными нуждами. В случае земледелия на
мелиорируемых землях существенными статьями энергетических затрат становятся
дисконтированные по времени эксплуатации оросительных и осушительных систем и
дождевальной техники капитальные затраты (в энергетическом выражении), текущие
энергетические и трудовые затраты на их обслуживание и эксплуатацию.
Вклад различных статей расхода (в %) в величину совокупных затрат энергии на
производство сельскохозяйственной продукции, по различным технологиям [13]
Статья баланса энергии
Сельскохозяйственная техника и инструменты
Горючее и смазочные материалы
Минеральные удобрения
Пестициды
Трудовые затраты
Прочее
Совокупные затраты энергии, ккал/(га*год)
Выход энергии с урожаем, ккал/(га*год)
Тип производства
Выращивание Выращивание
кукурузы,
кукурузы,
ручной труд
интенсивная
технология
3
12
21
32
10,9
90
0,1
7
24
5
5,5⋅10
8,4⋅106
6,9⋅106
2,45⋅107
Энергия, заключенная в урожае сельскохозяйственной культуры, в несколько раз
превосходит совокупные энергетические затраты на выращивание этой культуры за счет
фиксации солнечной энергии в процессе фотосинтеза (таблица). Наиболее существенным
результатом сопоставления затрат энергии и величины урожая при различных
технологиях является тот факт, что прирост урожая не пропорционален величине
совокупных затрат («дополнительной к солнечной») энергии.
По данным [14] десятикратное увеличения вклада «дополнительной» энергии с
различными составляющими приводит лишь к двукратному увеличению урожайности.
Поэтому функцию отклика урожайности (Y) на величину (дополнительной к солнечной)
совокупной энергии (E), затрачиваемой при сельскохозяйственном производстве, можно в
первом приближении аппроксимировать формулой
(1)
Y = a ⋅ Eb,
где
a, b – некоторые положительные константы, зависящие от типа
сельскохозяйственной культуры и/или продукции, характера используемой технологии и
региональных природных условий, причем b < 1. На основании упомянутой
закономерности, отмеченной в [14], можно считать, что константа b сравнительно
универсальна и ее значение приблизительно равно 0,3.
Формулу (1) можно использовать для оценки относительной эффективности
инвестиций (выраженных в энергетических единицах) в сельскохозяйственный сектор
экономики. Для этого найдем приращение урожайности
∆
Y (или продукции
сельскохозяйственного производства, например, молока в расчете на 1 га кормовых
угодий) при увеличении совокупных затрат энергии на относительно небольшую
величину ∆E. При ∆E/E 1 из (1) следует
∆Y/Y b ⋅∆E/E 0,3 ⋅ ∆E/E,
(2)
где Y – урожайность при существующем уровне совокупных энергетических затрат E.
Если величина E рассчитана, формула (2) позволяет количественно оценить прирост
производства сельскохозяйственной продукции при увеличении удельных (на единицу
площади сельскохозяйственных угодий) вложений в сельскохозяйственное производство
на величину ∆ E (в энергетическом выражении) относительно существующего уровня
совокупных энергетических затрат.
Величины E и ∆ E могут быть рассчитаны либо по методу СПЭН, либо по методу
СПЭКС, при этом результаты не должны существенно различаться между собой
(поскольку и прямые, и косвенные затраты энергии связаны в основном с использованием
энергии горючих ископаемых). При современном уровне земледелия, как видно из
таблицы, порядок величины E составляет 106 ÷ 107 ккал/га⋅год, эта величина зависит от
типа сельскохозяйственной продукции, технологии производства и региональных
экономических и природных условий.
Надо отметить, что при использовании метода ЭМАН для оценки совокупных
энергетических затрат формулы (1) и (2) становятся неприменимыми, поскольку величина
эмерга включает и скрытые «природные затраты» энергии, которые на порядок и более
могут превышать «дополнительные» к природным энергетические затраты, связанные с
сельскохозяйственным производством (последние, собственно, и обеспечивают урожай
сельскохозяйственных культур).
Формула (2) дает усредненную оценку эффективности дополнительных вложений в
сельскохозяйственный сектор. Реальная отдача инвестиций, естественно, будет зависеть
от их структуры, и здесь необходимы специальные исследования для выявления наиболее
слабого звена производства. Например, в условиях рискованного земледелия в
засушливых южных регионах РФ наибольшую отдачу могут дать вложения в
реконструкцию и создание новых оросительных систем, а в зоне достаточного
увлажнения – вложения в животноводческий комплекс, в частности, в развитие местной
кормовой базы.
Библиографический список
1. Ларюшкин-Железный Б.В., Блохин И.А. Эколого-энергетические методы: оценка
эффективности использования природных ресурсов и величины техногенной нагрузки
на окружающую среду. //Инженерная экология. 2008. №1.С. 29-39.
2. Беляев Л.С., Бушуев В.В. Мировая энергетика: состояние, проблемы, перспективы.
/Под общ. ред. проф. В.В.Бушуева.. – М.: ИД «Энергия», 2007. 664 с.
3. Янтовский Е.И. Энергия-нетто. // Промышленная энергетика. 1985. № 1. С. 33-37.
4. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения.
– М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с.
5. Szargut J., Morris D.R., Steward F.R. Exergy analysis of thermal, chemical and metallurgical
processes, 1st ed. – N.Y.: Hemisphere Pubs, 1988. 332 p.
6. Wall G. Exergy conversion in the Swedish society. //Resour. Energy. 1987. Vol.9. № 1.
p.55-73.
7. Chen G.Q., Chen B. Resource analysis of the Chinese society 1980-2002 based on exergy.
//Energy policy. 2007. Vol. 35. № 4. Р. 2038-2095.
8. Ayres R.U., Ayres L.W., Martinas K. Exergy, waste accounting, and life-cycle analysis.
//Energy. 1998. Vol .23. № 5. Р. 355-363.
9. Odum H.T. Environmental accounting: EMERGY and environmental decision making. –
N.Y.: Jon Wiley & Sons, 1996.
10. Andrew C., Haden M.S. Emergy analysis of food production at S&S homestead farm. available at: http://csanr.wsu.edu/DemoFarms/EmergyAnalysis.pdf
11. Brown M.T., McClanahan. EMergy analysis perspectives of Thailand and Mekong River
dam proposal. //Ecol. Model, 1996. Vol .91. № 1. Р.105-130.
12. Hau J.L., Bakshi B.R. Expanding exergy analysis to account for ecosystem products and
services. //Envir. Sci. Technol. 2004. Vol. 38. № 3. Р. 3768-3777.
13. Пиментел Д. Затраты энергии в агроэкосистемах. //Сельскохозяйственные экосистемы.
/Пер. с англ. – М.: ВО Агропромиздат, 1987. С. 119-131.
14. Одум Ю. Основы экологии. – М.: Изд-во «Мир», 1975. С. 526.