Способы сокращения энергозатрат в пищевой промышленности: опыт США

Изменения в сельском хозяйстве, законодательстве и поведении каждого человека могут привести к сокращению объемов энергии, затрачиваемой на производство продуктов питания, и уменьшению количества парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу.

Более 50 лет ископаемые виды топлива и удобрения играли ключевую роль в мировом производстве и распределении продуктов питания. Отношения между пищевой и энергетической отраслями промышленности были вполне гармоничными, однако сейчас они вступают в новую эру. Объемы производства продовольственных товаров постоянно растут – это приводит к еще более активному использованию ископаемых видов топлива и азотистых удобрений, что является причиной глобального потепления, загрязнения рек и океанов и массы других бедствий. В то же время многие страны пытаются найти способ сократить энергетические потребности – особенно потребность в ископаемых источниках энергии.

В то время как транспорту, электростанциям и строительству в последнее время уделялось много внимания как отраслям, где назрела необходимость сократить объемы энергопотребления, пищевая промышленность часто остается в тени. В США около 10% от общих затрат на электроэнергию расходуется на производство, переработку, обработку и хранение продуктов питания растительного и животного происхождения. Это по-настоящему большой кусок «энергетического пирога».

Исследование механизмов производства пищевых продуктов через призму энергетики поможет раскрыть новые возможности усовершенствования имеющегося законодательства, изобретения инновационных технологий и поиска новых режимов питания, которые в будущем могли бы решить проблемы продовольственного и энергетического снабжения. Предпринятые меры также сделают здоровее как человеческий организм, так и всю экосистему.

ПРИНЦИП «С ПОЛЯ – НА СТОЛ» НЕЭФФЕКТИВЕН

Простые вычисления показывают, что производство продовольственных товаров является чрезвычайно неэффективным процессом. Рост растений абсолютно непродуктивен с точки зрения энергосбережения: в процессе фотосинтеза, как правило, менее 2% процентов поступающего солнечного света преобразуется в запас энергии. Когда растительная пища потребляется крупным рогатым скотом или птицей, эффективность составляет 5-10% и 10-15% соответственно. Попадая на стол к человеку, говядина или мясо птицы преобразуется в энергию, хранимую в гликогене – основном запасном углеводе человека, откладывающемся преимущественно в клетках печени и мышц.

С учетом того, сколько солнечного света ежедневно поступает на поверхность Земли, низкая эффективность не кажется такой большой проблемой. Однако если принять во внимание ограниченность водных и земельных ресурсов, избыточность удобрений, легкодоступность ископаемого топлива и растущие объемы выброса парниковых газов, низкая эффективность становится просто пугающей. Объем энергии, затрачиваемой на производство продуктов питания, гораздо больше количества энергии, которое мы получаем при их потреблении.

Масштабы потребления просто поражают, если принять во внимание все население планеты. Номинальное энергопотребление молодого, ведущего активный образ жизни мужчины в момент времени составляет около 125 ватт, что равняется 2500 калорий в день или 10000 британских тепловых единиц (БТЕ). Таким образом, 312 миллионов американцев потребляют с пищей около 1 септиллиона БТЕ. Для производства 1 единицы пищевой энергии требуется 10 единиц энергии, высвобождаемой при сжигании ископаемого горючего. Это значит, что для обеспечения продовольствием всего населения страны необходимо 10 септиллионов БТЕ, что составляет 10-ую часть от общего годового энергопотребления США в 100 септиллионов. Если общественность хочет уменьшить объемы потребляемой энергии, нужно найти способ сократить соотношение расходуемой и вырабатываемой энергии.

Для обеспечения пищевой энергией семи миллиардов людей требуется примерно 25 септиллионов БТЕ в год – это всего лишь 5% от годового глобального объема энергопотребления. Это не значит, что все остальные страны расходуют энергию более эффективно. Это объясняется тем, что более миллиарда людей голодает, еще миллиард находится под угрозой голодания, а остальные просто не потребляют так много энергии. 

Существенный рост пищевой промышленности стал возможен благодаря внедрению инновационных технологий – таких, как тракторы с дизельным приводом, электрические оросительные насосы, а также удобрения и пестициды, произведенные на основе природного газа и нефти. По сравнению с серединой 20-ого века урожайность буквально «взлетела до небес», и число работников, задействованных в сельском хозяйстве, увеличилось соответственно. Недорогая энергия (преимущественно получаемая с помощью переработки нефти) также поспособствовала развитию транспортных сетей, которые существенно облегчили процесс распределения – благодаря этому в разгар зимы мы имеем на столе овощи и фрукты, выращенные в самых отдаленных уголках мира. Больше энергии тратится на хранение и приготовление пищи.

Когда цены на ископаемые виды топлива были низкими, а людей не интересовало загрязнение окружающей среды или выбросы углекислого газа, мало кого заботили счета за электроэнергию.  Сейчас цены возросли, и мы стали больше задумываться о влиянии жизнедеятельности человека на природу, поэтому нам необходимо изменить соотношение производимой и затрачиваемой энергии. В таких странах, как США, малоэффективное использование ресурсов может даже ухудшить ситуацию, поскольку все больше и больше людей переезжают в районы, аграрная инфраструктура которых может обеспечить продуктами лишь малую часть постоянно растущего населения. В таком случае, еще больше энергии затрачивается на то, чтобы сделать местные земли плодородными с помощью удобрений и орошения или чтобы доставить продукты  с отдаленных рынков.

Аналогичные мировые тенденции будут только обострять существующие проблемы. По прогнозам, численность населения Земли к 2050 году составит более 9 миллиардов человек. Объемы потребления пищи и энергии на человека возрастут соответственно: в частности, когда люди становятся богаче, они потребляют больше мяса, производство которого более энергоемко, чем других продуктов. Климатические изменения, в свою очередь, подразумевают снижение урожайности из-за засухи, наводнений, проникновения соленой воды в водоносные слои, повышения температур (которое приведет к снижению эффективности фотосинтеза во многих районах) и усиление конкуренции с культурами, предназначенными для производства биотоплива. Таким образом, специалисты предсказывают, что к 2050 году объемы продовольственной продукции должны будут удвоиться.

МЕСТНОЕ ФЕРМЕРСТВО – НЕ ПАНАЦЕЯ

К сожалению, обзор наиболее популярных решений проблемы обеспечения продовольствием через призму энергетики показывает, что они не всегда эффективны. Например, в последнее время особой популярностью движение так называемых «locavores» – людей, которые питаются лишь местной пищей, стремясь таким образом сократить объемы энергии, затрачиваемой на транспортировку продовольствия или высокотехнологичные сельскохозяйственные методики. Кампании в пользу продуктов местного производства призывают жителей покупать товары на близлежащих фермерских рынках или соседних хозяйствах аграрных сообществ.

Предпочтение местных товаров импортируемым может быть экономически выгодным, а развитая сеть поставок продовольствия может оказаться весьма полезной в случае войны или засухи. Однако местные фермеры иногда используют малоплодородные земли для выращивания нетипичных культур, что требует большого количества химикатов и больших энергозатрат на орошение – при этом урожайность все равно остается на низком уровне. Как ни странно, при перевозке продуктов питания на тысячи километров иногда расходуется не так много энергии, а связанные с ней выбросы углекислого газа и вред, наносимый окружающий среде, гораздо меньше.

Например, разведение овец в Новой Зеландии, где животные пасутся на богатых пастбищах (трава на которых растет лишь за счет дождевой воды и без помощи удобрений или искусственного орошения), и дальнейшая транспортировка в Великобританию требует гораздо меньше  энергозатрат, чем выращивание овец в стране с использованием энергоемких методик. Кроме того, высокотехнологичные агрокомплексы с выровненными земельными участками (чтобы минимизировать потери воды и утечку удобрений), тракторами с системой навигации GPS(для оптимизации расхода топлива и контроля полноты насаждений) и полями, засаженными генетически модифицированными культурами (созданными так, чтобы поглощать минимум воды) могут оказаться гораздо более производительными, чем кучка разрозненных ферм, неэффективно использующих энергию и воду, но расположенных ближе к дому.  Специалисты Стэнфордского университета пришли к выводу, что крупное сельское хозяйство производит меньше парниковых газов благодаря усовершенствованию системы выращивания и сбора урожая и эффекту масштаба.

Вертикальное фермерство (высокоавтоматизированное агропромышленное производство), а также выращивание водорослей в качестве фуража – две технологии, находящиеся на стадии разработки – также обладают потенциалом получения еще больших объемов биомасс, чем местные хозяйства. Некоторые популярные решения в области альтернативной энергетики даже обостряют проблему обеспечения продовольствием. Например, такие продукты, как кукуруза, соя, сахар и пальмовое масло, используемые в качестве сырья для производства биотоплива, порождают нездоровую конкуренцию на пахотные земли и пресную воду.

В 2010 году в США около 120 тысяч квадратных километров – более четверти всех земель, занятых под выращивание  зерновых – было отведено на производство сырья, из которого было получено 48 миллиардов литров этанола. Этот показатель будет расти, так как власти штатов будут стремиться следовать государственному мандату, согласно которому к 2022 году 20% от общего объема жидкого транспортного горючего должно быть представлено биотопливом.

ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ

Несмотря на все проблемы, связанные с использованием энергии в пищевой промышленности, все же есть повод для оптимизма. Благодаря современным инновациям, законодательному регулированию, возникновению новых рынков и изменению поведения каждого человека мы сможем изменить соотношение потребляемой и производимой энергии, сократив таким образом выбросы парниковых газов и смягчив последствия негативного влияния на окружающую среду. Первым шагом должен стать отказ от использования зерен культурных растений для производства крахмалосодержащего спирта – весьма распространённой технологии в США в данный момент.  Зерно предназначено для человека и животных, а на создание этанола или синтетического топлива должны идти лишь грубые, древообразные части растений.

Американское законодательство содержит для этого все необходимые предпосылки. Так, Постановление об энергетической независимости и безопасности страны, принятое Конгрессом в 2007 году, предусматривает, что к 2022 году доля потребляемого биотоплива должна составить 136 миллиардов литров в год, 60 из которых будут произведены из целлюлозных частей растений. Последнее предписание является признанием властями того факта, что зерно не может решить все энергетические проблемы. По оценкам экспертов, из злаковых культур, выращиваемых на  имеющихся в наличии пахотных землях по всей стране, может производиться лишь около 57 миллиардов литров биотоплива в год – в противном случае будет поставлена под угрозу продовольственная безопасность государства.

Однако стремление увеличить масштабы производства биотоплива приводит к тому, что производители все чаще прибегают к зерну в качестве сырья, поскольку обработка растительных остатков требует больших финансовых и энергозатрат. За множество столетий природа сделала целлюлозные части растений достаточно прочными, чтобы они не расщеплялись. Для их расщепления нужно обратить вспять природный процесс, а для этого необходимы ферменты, производство которых в промышленных масштабах весьма недешево. Тем не менее, даже эти технологические затруднения можно преодолеть, ведь биотопливо на основе целлюлозы может стать существенным подспорьем энергетике страны и позволит освободить значительные территории для выращивания других культур.

Еще одним способом преодоления неравенства в соотношении пища-энергия является переработка отходов сельскохозяйственного производства. Продукты жизнедеятельности домашнего скота могут стать подходящим исходным сырьем. Раньше фермеры, выращивающие разные сорта растений и разводящие скот, использовали навоз на полях вместо химических удобрений. На нынешних крупных фермах выращиваются лишь несколько культурных сортов и используются специфические технологии кормления скота, поэтому такая система замкнутого цикла потеряла свою актуальность. Количество навоза, производимое большими скотоводческими хозяйствами, значительно превышает уровень местного спроса на него, а доставка на крупные фермы по всей стране экономически невыгодна. Кроме того, образующиеся навозные ямы служат источниками парниковых газов и токсичных отходов. Тем не менее, эти ямы являются весьма «энергетически насыщенными», и их очень много по все стране: в США производится более миллиарда тонн навоза в год. 

Анаэробные биореакторы и микротурбины могут преобразовать этот навоз в биогаз, сжигание которого даст около 2,5% от общего энергопотребления страны и позволит сократить объемы попадающих в атмосферу парниковых газов. Данная технология может стать дополнительным источником дохода для фермеров: ученые ведущих аграрных институтов занимаются поиском способов внедрения технологии анаэробного сбраживания в фермерские хозяйства. Небольшой немецкий поселок Юнде, жители которого сотрудничают с Франком Митленером из Калифорнийского университета в городе Дэвис, производит столько биогаза для отопления и приготовления пищи, что стал независимым от национальной газопроводной сети. Власти могут способствовать установке большего количества биореакторов и турбин, предоставляя фермерам займы с низкими процентами и временное освобождение от налогов на недвижимость (оборудование), обеспечивая доступ к необходимой информации и организовывая обучающие семинары, чтобы потенциальные пользователи знали, как работают данные технологии. Кроме того, необходимо создать так называемую «систему чистого измерения», которая учитывает отданную в сеть электроэнергию во взаиморасчетах с электроснабжающей организацией.

Еще одним видом отходов, с помощью которого могут сократиться объемы энергии, затрачиваемой на производство продуктов питания, является углекислый газ, выбрасываемый теплоэлектростанциями (работающими на угле) через дымовые трубы. Его можно использовать для выращивания водорослей, служащих пищей, кормом или топливом, избежав таким образом необходимости применения традиционных сельскохозяйственных технологий. 

Некоторые люди уже начали употреблять водоросли в пищу, а несколько сетей ресторанов используют водоросли в качестве загустителя. Липиды в водорослях также можно переработать в биодизельное топливо, которое используется в домашнем хозяйстве и сжигание которого не производит большого количества углекислого газа. Остатки водорослевых биомасс обычно представляют собой белки и углеводы, которые могут стать полноценной заменой корму для домашнего скота и сократить расход зерновых культур. Некоторые разновидности водорослей произрастают в слабоминерализованной или соленой воде, что исключает необходимость использования пресной.

Частный сектор, национальные лаборатории – как, например, Национальная лаборатория возобновляемой энергии – а также Техасский университет (Остин) и Калифорнийский университет в Сан-Диего проводят активные испытания и организуют экспериментальные программы. Хотя промышленное производство и переработка водорослей является делом далеко будущего, их потенциал требует дополнительных исследований и помощи со стороны правительства.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОРОШЕНИЯ

Простое применение инновационных сельскохозяйственных технологий, которые уже были усовершенствованы в ходе проведения многочисленных испытаний, при более широком распространении может существенно сократить разницу между потребляемой и производимой энергией. Капельное орошение, например, дает больше урожая на единицу жидкости, позволяя сэкономить водные ресурсы и энергию, необходимую для ее прокачки. Традиционные оросительные установки – разбрызгиватели на цапфах, создающие «иноземного» вида зеленые круги посреди коричневых пустынь (и легко видимых с высоты птичьего полета) – чрезвычайно неэкономичны, они разбрызгивают воду в воздухе, где большая ее часть просто испаряется.

Капли, которые все же достигнут  растений, скорее всего, упадут на листья и стебли, только увеличив таким образом потери на испарение. В стандартной установке капельного орошения, длинные отрезки узких труб укладываются в ряд под землей и доставляют воду прямо к корням растений. Исследователи из университета Айовы подсчитали, что если бы местные фермеры использовали капельную систему орошения, они бы сократили расход воды на 40%, а потребление электроэнергии – на 15%. Некоторые крупные поставщики аграрного оборудования предлагают эти системы, которые, будучи использованными, могут сэкономить тысячи мегаватт-часов в год по всей стране. Государственные стимулы, а также штрафы за нерациональное использование воды также могут поспособствовать оперативному внедрению данной технологии.

Большое будущее и у системы нулевой обработки почвы (также известной как «система no-till»).  Она позволяет уменьшить повреждение почв за счет того, что грунт не распахивается, а покрывается слоем измельченных растительных остатков (мульчей), куда и высевается зерно. Этот менее агрессивный способ обработки земли позволяет сократить энерго- и трудозатраты, уменьшить расход воды, предотвратить эрозию, а также снизить уровень высвобождаемых парниковых газов.  Лидером по освоению данной методики является Аргентина: более половины фермерских хозяйств используют эту передовую технологию. Информирование фермеров о достоинствах системы нулевой обработки может осуществляться с помощью служб распространения сельскохозяйственных знаний по всей стране.

Выравнивание почвы с помощью лазерного нивелира предотвращает эрозию, снижает расход воды и сокращает потери удобрений. Большинство полей имеют небольшой уклон, что приводит к неравномерному распределению воды и скапливанию удобрений в отдельных точках. Чтобы оросить весь участок, фермерам приходится буквально заливать его водой, излишек которой попадает в местные водные пути. Выравнивание почвы позволяет уменьшить объемы энергии, затрачиваемой на прокачку воды, а также количество удобрений.

Появление тракторов, комбайнов и другой техники, оснащенных глобальной системой навигации GPS– уже стандартного оборудования, предлагаемого производителям – привело к появлению так называемого «точного земледелия», использование которого повышает продуктивность и снижает энергозатраты. Система GPS позволяет фермерам рассчитать посадку различных культур буквально до сантиметров и помогает сократить нерационально используемые площади, время и топливо. Хотя модернизация фермы среднего размера может обойтись в 10000 долларов, ученые из университета Пердью подсчитали, что выгоды перевешивают затраты. Во-первых, существенно снижается расход топлива. Во-вторых, с помощью GPS можно провести диагностику состояния почвы и подобрать оптимальное количество удобрений, которое варьирует на различных участках поля. Кроме того, работу в поле можно продолжать и в темное время суток, а также во время дождя или тумана, когда видимость ухудшается – что также приводит к росту производительности.

ИЗМЕНЕНИЕ ПРИВЫЧЕК ПИТАНИЯ

Сокращение пищевых отходов также может изменить отношение энергии, затрачиваемой на производство продуктов питания, к энергии,  получаемой человеком с пищей. В США ежегодно выбрасывается до 25% производимого продовольствия, что составляет 2,5% от годового энергопотребления страны – это больше, чем объемы энергии, полученные от производства этанола в 2011 году или энергии, которая будет произведена в 2030 году, когда ограничения на бурение во внешней зоне континентального шельфа будут сняты. Уменьшение количества выбрасываемой пищи приведет к сокращению энергопотребления и выбросов парниковых газов в ближайшие несколько десятилетий, и даже может оказаться эффективнее дорогих и спорных решений в области энергоснабжения, которые были предложены законодателями.

Многие методики сокращения пищевых отходов можно применять уже сегодня. Вместо плохо продуманной системы указания сроков годности на этикетках, используемой последние несколько десятилетий, можно инвестировать в разработку диагностики скорости порчи продуктов. Ярким примером служат специальные чернила в составе упаковки, которые чувствительны к изменениям температурного и временного режимов: если пища слишком долго хранилась в неподходящих условиях, этикетки на ней меняют цвет. Молодые компании производят такие этикетки, которые помогут сохранить множество продуктов питания, выбрасываемых магазинами из боязни отравить покупателей. Данная методика также позволит сократить число случаев пищевого отравления, связанного с употреблением несвежей пищи. Более строгие требования, предъявляемые к температурным условиям хранения продуктов на складах компании-производителя, могут дать розничным торговцам и потребителям представление о возможных рисках порчи товара.

Изменение привычек питания и отношения к еде тоже может оказаться эффективным. Рестораны должны перестать подавать гигантские порции, а люди должны отказаться от фуршетов и шведских столов. Мы можем изменить наш режим питания и хотя бы частично отказаться от мясных продуктов (производство которых требует больших энергозатрат) в пользу фруктов, орехов, овощей,  бобовых и зерновых культур. Такое поведение не требует особых усилий – оно требует нового образа мышления и в результате даже может привести к экономии денежных средств.

Как показала «зеленая» революция 40-70-х годов 20-ого века, существенные изменения могут произойти сравнительно быстро, за несколько десятилетий. Результаты этих изменений могут даже превзойти наши ожидания. Однако возможны и непредвиденные ситуации: за годы крупномасштабного производства продуктов питания обострилась проблема ожирения и климатических изменений. Одних технологий недостаточно; со времен первой «зеленой» революции проблема голодающих стран осталась нерешенной. Гарантией сокращения энергозатрат в пищевой промышленности является всеобщее стремление изменить отношение к еде и привычки питания, а также усовершенствовать соответствующее законодательство. Нет причин предполагать, что новая «зеленая» революция будет чем-то отличаться от предыдущей.

ScientificAmerican(январь 2012), перевод с английского – Наталья Пристром