Выращивание растений с целью получения энергии

В этой книге нас интересует в основном возможность преобразования солнечной энергии. Мы можем извлекать энергию, накопленную в органических материалах растущих растений, путем их сжигания или использования какого-нибудь другого процесса их разложения. Так, при сжигании в воздухе мы получаем около 6 кВт*ч тепловой энергии на каждый килограмм сжигаемого растительного материала. При благоприятных условиях, например во влажном тропическом климате, такая культура, как растущий круглый год сахарный тростник, дает годовой урожай сухого органического продукта до 10 кг с 1 м² поверхности. При сжигании его в качестве топлива можно получить до 60 ^кВт*ч/_м² энергии. При годовой интенсивности солнечной радиации около 2000 ^кВт*ч/_м² (см. гл. 2) это соответствует к. п. д. - 3%.

Однако достигнуть такого максимального (теоретического) значения к. п. д. в реальных условиях даже при выращивании растений, специально предназначенных для топлива, невозможно. Во-первых, вследствие затенения одних растений другими при частой посадке к. п. д. изменяется в широких пределах. Другие причины носят еще более глубокий характер. Одна из них связана с углекислым газом. На открытом воздухе углекислый газ CO₂ поступает к листьям растений благодаря перемешиванию воздушных масс. Этот процесс определяется характером потоков воздуха и значительно ускоряется при ветре. В спокойных условиях перемешивание происходит лишь в результате диффузии и тепловой конвекции потоков воздуха, а этого, как правило, далеко не достаточно. К ускоренному выращиванию растений сейчас проявляется огромный интерес. Для ежегодного получения 10 кг сухого топлива с 1 м² поверхности необходимо почти такое годовое количество CO₂, которое соответствует ежедневному потреблению в среднем около 0,015 м³ CO₂ с 1 м² поверхности. Это означает, что в период наибольшего роста растения ежедневная норма потребляемого ими CO₂ составляет не менее 0,04 м³ на 1 м² поверхности. Если учесть, что концентрация CO₂ в атмосфере порядка 0,03%, то для обеспечения необходимых темпов роста растения понадобилось бы использовать весь CO₂, содержащийся в воздухе от поверхности земли до высоты 130 м. Приведенные цифры показывают, что запасов CO₂ не всегда оказывается достаточно для поддержания высоких темпов роста растений.

Рис. 80. Эффект светонасыщения у высших растений

Однако, если даже в экспериментальных условиях мы обеспечим необходимый запас CO₂, то это еще не решит проблемы. Установлено, что скорость фотосинтеза не пропорциональна скорости поступления солнечной энергии (рис. 80). Для ряда растений скорость фотосинтеза, достигнув при определенном уровне освещения некоторого значения, в дальнейшем стабилизируется. Полагают, что это "светонасыщение" обусловлено одной или несколькими стадиями процесса фотосинтеза, в которых при повышении интенсивности радиации скорость поступления фотонов оказывается выше скорости использования их энергии для дальнейшего построения углеводородной цепи. Поскольку это явление наблюдается лишь для некоторых видов растений, следует ожидать, что путем соответствующего отбора и разведения в любой области земного шара можно выращивать такие растения, которые имеют наибольшую скорость фотосинтеза.

Скорость фотосинтеза заметно зависит также от температуры и влажности. У растений, приспособленных к условиям значительной солнечной радиации, устойчиво отмечается высокая скорость роста при температурах свыше 30° С, но при отсутствии осадков их развитие задерживается. Растения поглощают углекислый газ из воздуха через поры листьев, называемые устьицами. В сухой атмосфере через поры испаряется много воды, но наступает момент, когда устьица закрываются, что препятствует дальнейшему обезвоживанию и увяданию растений. В свою очередь, это ограничивает поглощение CO₂ и, следовательно, задерживает рост. Установлено, что во влажном тропическом климате темп роста растений наиболее высок. В таких условиях ежедневное количество получаемого растительного горючего материала достигает 40 г на 1 м² открытой поверхности.

Подобные урожаи стали возможны в результате накопления опыта интенсивного ведения хозяйства на протяжении десятилетий и даже столетий. Мы уже видели, что достижение максимального теоретического значения к. п. д. процессов фотосинтеза позволило бы повысить урожайность растений в 3-4 раза по сравнению с современным уровнем. Как реализовать эти резервы, пока не ясно. Однако предполагается, что при наиболее интенсивных способах культивирования высокопродуктивных растений уже в ближайшее время можно было бы ежегодно получать около 20 ^кг/_м² горючего материала. Это эквивалентно примерно 6% поглощенной солнечной энергии. С учетом потерь при сжигании, на парообразование, на преобразование в механическую и электрическую виды энергии, даже при использовании для этих целей самой современной техники мы могли бы получить в виде работы около 2% поглощенной растениями солнечной энергии. Но оправданы ли наши затраты при столь разочаровывающих результатах?