Хранителна система
12 октомври 2012 г. | От Никол Роджърс

Следващата статия, първоначално публикувана в Scientific American, е препубликувана тук с разрешението на автора, д-р Майкъл Е. Уебър. Хранително-енергийната връзка е в основата на мисията за устойчива Америка. Д-р Уебър разглежда несигурната връзка между доставките на храни и енергия в САЩ и обяснява как политиката, иновациите и личните действия могат да служат като потенциални решения. Аргументът му е убедителен и в крайна сметка ободрява.

направим

Повече от 50 години изкопаемите горива и торове са ключовите съставки в много по-голямото производство и разпространение на храни в световен мащаб. Връзката между храната и енергията е добра, но сега навлиза в нова ера. Производството на храни рязко нараства, изисквайки повече горива на основата на въглерод и торове на азотна основа, и двете задълбочават глобалното затопляне, замърсяването на реките и океаните и множество други неприятности. В същото време много държави се борят с това как да намалят търсенето на енергия, особено търсенето на изкопаеми горива.

Въпреки че транспортът, електроцентралите и сградите получават много политическо внимание като цели за намаляване на потреблението на енергия, нашите доставки на храни често се пренебрегват. В САЩ около 10 процента от енергийния бюджет отива за производство, разпространение, преработка, подготовка и съхранение на растителните и животински вещества, които консумираме. Това е значителен клин на енергийния пай.

Разглеждането на нашите доставки на храна през призмата на енергопотреблението разкрива възможности за интелигентни политики, иновативни технологии и нови диетични решения, които потенциално могат да решат проблемите с храните и енергията заедно. Същите стъпки също биха направили телата ни и нашите екосистеми по-здрави.

Farm to Fork е силно неефективен
Простата математика показва, че производството на храни е неефективен процес. Растежът на растенията не е енергийно ефективен: фотосинтезата обикновено преобразува по-малко от 2% от входящата слънчева енергия в съхранена енергия. Този нисък процент се влошава, когато животните превръщат растителните вещества в говеждо месо (5 до 10 процента ефективност) или пиле (10 до 15 процента). След това поглъщаме тази храна и я превръщаме в човешка енергия, съхранявана като гликоген в мускулите и като мазнини - особено около средната ни част.

Като се има предвид изобилието от фотони, удрящи земята всеки ден, ниската ефективност едва ли има значение. Но когато са изправени пред ограничения за сушата, сладководните води, оттока на торове и достъпността и емисиите на изкопаеми горива, неефективността може да бъде плашеща. Енергията, използвана за направата на храна, е значително по-голяма от количеството енергия, което получаваме от нея. САЩ изразходват около 10 единици изкопаеми енергии, за да произведат една единица хранителна енергия.

Размерът на потреблението е забележителен, когато се има предвид цялото население. Номиналната моментна консумация на енергия за здрав, активен възрастен мъж е приблизително 125 вата. Това се равнява на приблизително 2500 хранителни калории на ден или около 10 000 британски термични единици (Btu). По този начин 312 милиона души в САЩ се нуждаят от около един квадрилион Btu (една четворка) хранителна енергия всяка година. Тъй като използваме 10 единици изкопаема енергия, за да произвеждаме една единица хранителна енергия, храненето на населението изисква 10 квадрата - което е 10 процента от общото годишно потребление на енергия в САЩ от 100 квадрата. Ако ние като общество искаме да намалим потреблението на енергия и храна, трябва да намерим начини да намалим съотношението 10: 1 на вложената енергия към произведената храна.

Хранителната енергия, необходима за изхранване на седемте милиарда души в света, е около 25 квадрата годишно, което е само около 5% от 500-те годишни потребления в света. Не е, че останалата част от света е по-ефективна от САЩ. По-скоро един милиард души са гладни, други милиарди са изложени на риск от глад и много повече просто не консумират много.

Широката употреба на енергия е увеличила драстично производството на храни чрез иновации като трактори с дизелово захранване, електрически напоителни помпи и торове и пестициди, произведени от природен газ и нефт. От средата на 20-ти век добивите от тази зелена революция са преминали през покрива и ние трансформирахме пустини като Централната долина на Калифорния в световни плодови кошници. В същото време процентът на работниците, необходими за селското стопанство, рязко спадна.

Евтината енергия, главно петролът, също създаде транспортни мрежи, които подобриха значително разпределението на храните, донасяйки ни неочаквани тарифи като салати и пресни портокали в средата на зимата от далечните краища на света. Все още харчим повече енергия, за да запазим и приготвим храната си.

Когато цените на изкопаемите горива бяха ниски и не се интересувахме много от замърсяване или емисии, не се тревожехме за енергийните загуби. Сега, когато цените са по-високи и се грижим повече за въздействието върху околната среда, трябва да подобрим това съотношение 10: 1. Неефективността може да се влоши още повече в САЩ, тъй като все повече хора, задвижвани от евтини климатици, се преместват в райони, където местното производство на храна може да подкрепи само малка част от нарастващото население (мисля, че Финикс). В тези случаи се използва още повече енергия или за въвеждане на по-ниски земи в производството чрез енергоемки торове и напояване или за преместване на храна от отдалечени пазари.

Глобалните тенденции ще задълбочат предизвикателството. Прогнозира се, че световното население ще нарасне до над девет милиарда до 2050 г. Потреблението на енергия и храна на глава от населението също ще нарасне: по-специално, когато хората стават по-богати, те консумират повече месо, което е много по-енергоемко от другите храни. А изменението на климата предполага, че производството на храни ще бъде засегнато от загуби на реколта от суши и наводнения, проникване на солена вода във водоносни хоризонти, по-високи температури (което ще намали ефективността на фотосинтезата на много места) и конкуренция от биогорива за земеделска земя. В резултат на това експертите прогнозират, че производството на храни ще трябва да се удвои до 2050 г.

Местното земеделие може да не помогне
За съжаление, обмислянето на някои популярни „решения“ за производство на храни през призмата на енергията показва, че те не винаги помагат. Например, много хора са се придържали към движението на местните храни, като са се сметнали за „локавари“, като противоотрова за енергията, използвана за транспортиране на храна на дълги разстояния, и енергийната интензивност на широкомащабното индустриализирано земеделие. Кампаниите „Яжте местно“ насърчават жителите да пазаруват за местна храна от фермерските пазари или близките ферми, подпомагани от общността.

Да харчим парите си в местната общност, вместо да ги изпращаме далеч, може да бъде икономически ценно и наличието на жизнена местна хранителна система създава устойчивост в случай на неочаквани събития като война или суша. Местните ферми обаче понякога използват маргинални земи за производство на неродни култури, които изискват повече химикали и повече енергия за напояване, и въпреки това получават ниски добиви. Колкото и да е странно, транспортирането на храна на хиляди мили понякога може да изисква по-малко енергия, да отделя по-малко въглероден диоксид и да нанася по-малко вреда на околната среда.

Например обикновено е по-малко енергоемко отглеждането на агнешко месо в Нова Зеландия, където животните пасат на подхранена от дъжд трева, която расте предимно без тор или напояване, и го доставя до Обединеното кралство, отколкото за отглеждане на агнешко месо в Обединеното кралство, използвайки енергоемки входове. Освен това големи индустриализирани ферми, оборудвани с нивелирани с лазер полета (за минимизиране на загубите на вода и оттока на торове) и GPS-оборудвани трактори (за оптимизиране на разхода на гориво и плътност на реколтата) и засадени с генетично модифицирани култури, предназначени да използват минимално количество вода, могат да бъдат изненадващо ресурси -ефективен в сравнение с куп разпределени ферми, които неефективно използват енергия и вода, но са по-близо до дома. Изследване от университета в Станфорд стига до заключението, че Big Agriculture е спестил много въглеродни емисии поради подобрените добиви и икономиите от мащаба.

Вертикалните, градски ферми или водорасли за производство на фураж, които сега са в етап на прототип, също имат потенциал за още по-голямо производство на биомаса на квадратен метър земя, отколкото местните ферми.

Някои популярни решения за възобновяема енергия всъщност усложняват хранително-енергийната система. Хранителните суровини - царевица, соя, захар и палма - доминират на световните пазари за биогорива и създават нездравословна конкуренция за земеделските земи и сладководните води. През 2010 г. в САЩ около 30 милиона акра - повече от една четвърт от общото производство на царевица - бяха използвани за производството на 12,7 милиарда галона етанол. Този дял ще нарасне значително, тъй като САЩ се опитват да изпълнят федералния мандат, че 20% от цялото гориво за транспортиране на течности идва от биогорива до 2022 г.

Експлоатирайте отпадъците
Въпреки всички опасения, свързани с хранително-енергийната връзка, има причина за оптимизъм. С различни иновации, политики, пазари и културен избор, които се фокусират върху намаляването на отпадъците и неефективността, можем да намалим съотношението 10: 1 на използваната енергия към консумираната енергия, както и да смекчим екологичните щети.

Първата стъпка е да се спре употребата на царевични зърна за етанол на базата на нишесте, което е настоящата практика в САЩ. Нека използваме ядките за хранене на хората и добитъка и използваме само целулозния плот (стъблото и листата на растението), за да направим етанол или синтетични горива. Американската енергийна политика вече включва тласък за това решение. Законът за енергийната независимост и сигурност от 2007 г. има стандарт за възобновяеми горива, който изисква да консумираме 36 милиарда галона биогорива годишно до 2022 г. и че 16 милиарда от тези галони идват от целулозни източници. Последното изискване е рядко признание от политиците във Вашингтон, че царевицата може да не реши всички наши енергийни проблеми; експерти прогнозират, че можем да произвеждаме само до 15 милиарда галона годишно от суровини на основата на царевица, отглеждани на достъпни земеделски земи, без да подбиваме способността ни да се храним.

Агресивното внедряване на биогорива обаче изтласква хранителните форми онлайн най-бързо, като целулозните форми изостават много години назад, защото са по-трудни за производство. Природата е проектирала целулозни материали в продължение на много хилядолетия, за да не се разпадат. Разграждането им за етанол означава, че трябва да обърнем природата, която изисква ензими - код за пари; производството на ензими в промишлени мащаби е скъпо. Въпреки това можем да преодолеем техническите препятствия и да продължим по-силно в тази посока. Използването на целулозни източници вместо източници, базирани на храна, може да помогне на енергийните доставки в САЩ и също така да освободи десетки милиони акра за други производства на храни.

Друга стъпка за подобряване на уравнението между храните и енергията е превръщането на селскостопанските отпадъчни продукти в сила. Животният тор е един богат ресурс. Навремето малките ферми имаха смесица от животни и разнообразни култури на едно място; фермерите разпръскват оборски тор вместо химически тор върху полетата с култури. Днес, с големи ферми, които отглеждат само шепа мега култури и с концентрирани операции по хранене на животни, тази практика със затворен цикъл е загубена. Огромните количества оборски тор, създадени при големи животински операции, далеч надхвърлят местното търсене и е твърде скъпо да се доставя извънземно до големи ферми. Системата създава и горещи точки за околната среда, като например лагуните с тор, които са значителни емисии на парникови газове и източници на токсични отпадъци. Лагуните обаче са изключително енергийно гъсти и има много от тях; Американските ферми генерират повече от един милиард тона оборски тор годишно.

Анаеробните дигестери и микротурбините могат да превърнат този тор в достатъчно възобновяема, нисковъглеродна електрическа енергия, изгаряна от биогаз, за ​​да измести 2,5% от производството на електроенергия в страната, като същевременно намали емисиите на парникови газове. Този подход би довел и до друг поток от приходи за фермерите. Изследователи от водещи селскостопански институции като Texas A&M University и Cornell University College of Agricultural and Life Sciences търсят нови начини за включване на анаеробно усвояване на оборския тор в земеделските операции. Juehnde, малко немско село, работещо с Франк Митлонер от Калифорнийския университет, Дейвис, генерира толкова много биогаз за отопление и готвене, че градът е станал независим от националната газова мрежа. Политиците могат да насърчат инсталирането на повече дигестри и турбини, като предоставят на земеделските производители достъп до евтин капитал, създавайки стимули като данъчни облекчения за оборудването, предлагайки информация и обучения, така че потенциалните потребители да знаят как да управляват системите и установяване на нетно измерване - система, позволяваща на всяка електрическа енергия, генерирана на място, да намали сметките за комунални услуги на фермерите.

Земеделието без обработка е друг обещаващ подход. Той намалява нарушаването на почвите, като използва специално оборудване за засаждане, което поставя семената в необработена почва през тесни повърхностни процепи, а не чрез тъп подход на обръщане на почвата. Нарушаването на почвата намалява по-малко труда, напояването, енергията, ерозията и емисиите на въглерод. Аржентина е световен лидер; повече от половината ферми там прилагат тази модерна техника. Обучение за земеделските производители за предимствата на но-тила може да се осъществи чрез услуги за разширяване на земеделието в цялата страна.

Лазерно изравнените полета могат да сведат до минимум ерозията, напояването и оттока на торове. Повечето полета имат постепенен наклон, което причинява неравномерно разпределение на водата и неравномерно събиране на оттока. Вместо да рискуват една порция да получи по-малко вода, отколкото е необходима, фермерите често препълват цялото поле, като излишъкът се разлива в местните водни пътища. Чрез изравняване на нивата фермерите губят по-малко енергия за изпомпване на вода и е необходимо по-малко тор, защото по-малко тече.

Появата на GPS трактори, комбайни и други машини - днес стандартна функция, предлагана от производители като John Deere - въведе концепцията за „прецизно земеделие“, което повишава производителността и намалява потреблението на енергия. GPS насоките позволяват на фермерите да обработват ниви и да засаждат култури буквално до сантиметър, намалявайки загубеното пространство, време и гориво, без дори да се налага да управляват машините с ръце. Въпреки че подобренията за средно големи ферми може да струват 10 000 долара, изследователи от университета Пърдю показаха, че ползите надвишават разходите. Първо, използването на гориво намалява. Включването на GPS с полевата диагностика позволява на земеделските производители да очертаят състоянието на почвата и да прецизират прилагането на химикали, които могат да варират от единия до другия край на полето, като в крайна сметка изискват по-малко. Полетата могат да се обработват и през нощта и по време на мъгла и дъжд, когато видимостта на хората е ограничена, което повишава производителността нагоре.

По-добро поведение
Намаляването на пропиляната храна може също така да намали съотношението 10: 1 на използваната енергия към изядената храна. Големи 25% или повече от отглежданата храна се губят годишно. Това огромно количество представлява 2,5% от годишното потребление на енергия в САЩ - повече енергия от целия етанол, произведен през 2011 г. в САЩ, и повече от енергията, която ще бъде произведена през 2030 г. от премахване на ограниченията за сондажи днес на външния континентален шелф. Простото намаляване на количеството храна, което изхвърляме, може да намали потреблението на енергия и емисиите на парникови газове през следващото десетилетие или две, отколкото много от предложените скъпи или противоречиви политики за енергийно снабдяване.

Много методи за намаляване на хранителните отпадъци могат да започнат утре. Можем да инвестираме в диагностика, която наблюдава развалянето на храните, вместо да използваме суровата система за етикетиране, базирана на дати, която съществува от няколко десетилетия. Един пример са чувствителните към температурата и времето мастила върху опаковките на храните, които карат етикетите да променят цвета си, ако храната е била изложена на грешна температура твърде дълго. Стартиращите компании произвеждат тези етикети, които биха могли да спестят много храна, която ненужно се изхвърля от магазини, които се притесняват да не разболеят клиентите си. Етикетите наистина биха могли да предотвратят много заболявания, предизвикани от развалена храна. Изискването на компаниите да следят температурите, на които е била изложена храната - в допълнение към това колко дълго е била опакована - може да даде на търговците и потребителите по-добра информация за рисковете от разваляне.

Различните нагласи и изборът на диета също могат да помогнат. Ресторантите могат да спрат да сервират мамутски порции, а потребителите могат да спрат да се хвалят със своите завоевания в бюфетите, които можете да ядете. Повече допълнителна храна може да се запази и яде като остатъци. Можем да сменим диетата си, за да заменим поне някои от енергоемките ни меса с по-малко енергоемки плодове, ядки, зеленчуци, боб и зърнени храни. Тези поведения не изискват изобретение; те просто изискват ново мислене. Много от тях в крайна сметка спестяват и пари на потребителите. Наличието на безмесни петък или вегетариански понеделник може да започне да ни отвежда там.

Както показа първоначалната зелена революция, мащабните промени могат да бъдат приложени сравнително бързо само за няколко десетилетия. Промените могат да бъдат драматични, постигайки резултати далеч по-добри от очакваните. И все пак могат да възникнат изненади: годините на изобилно производство на храни са увеличили честотата на затлъстяване и влошени климатични промени. Само технологията не е достатъчна; дори с оригиналната зелена революция гладът не е решен. Глобалният подход за намаляване на енергийните загуби в храната, който включва ново поведение, нагласи и политики, ще бъде от решаващо значение за широкия успех. Няма причина да смятаме, че тази нова зелена революция ще бъде по-различна.