Біопаливо як майбутнє паливо, Biowatt
Нині більшість розвинених країн у тому чи іншою мірою розвиває альтернативну енергетику, оскільки розуміють, що класичні джерела енергії вичерпні. У цьому відношенні біоенергетика має явну перевагу. На думку кандидата біологічних наук, наукового співробітника Лабораторії екології Інституту РАНЗорігто Намсараєва, біопаливо може стати один із кандидатів на роль технології майбутнього, пише Postnauka.ru.
Що таке біопаливо?
Біопаливо – це органічні сполуки, які ми можемо використовувати для отримання енергії. Існують різні види біопалива: тверде (деревні пелети, тріска тощо), газоподібне (біогаз, біоводень, синтез-газ) та рідке. Рідке біопаливо найцікавіше, оскільки воно може використовуватися на двигунах внутрішнього згоряння та реактивних двигунах, замінюючи паливо з нафтопродуктів. Як правило, це особливі вуглецеві молекули завдовжки близько 14-15 атомів. У живих організмах вони трапляються не дуже часто, тому нам потрібно намагатися якимось чином знаходити джерела таких довгих молекул. Існують два способи пошуку. Перший спосіб – використати існуючі шляхи біосинтезу та якимось чином намагатися їх оптимізувати. Інший варіант - це розрахувати на комп'ютері принципово новий шлях біосинтезу та створити його в організмі з використанням засобів синтетичної біології.
Які проблеми з паливом існують на даний момент?
Насправді проблем із паливом зараз дуже багато. Ми живемо у світі нафти, вся наша цивілізація збудована на нафті, весь транспорт, реактивна авіація. Без цього палива ми не зможемо жити. І тут існує велика проблема: нафта є викопним ресурсом, а це означає, що в якій-то момент у нас може виявитися недостатньо її запасів, придатних для індустріального комерційного видобутку, нафта залишиться десь у глибоких покладах, у якихось економічно невигідних умовах тощо. Світ уже починає готуватись до цього моменту. Існує два питання. Перший: коли настане цей момент? І друге питання: чи встигнемо ми розробити відповідні технології? Біопаливо — це один із кандидатів на роль такої технології майбутнього.
Які варіанти біопалива були історії людства?
Основне паливо у багатьох країнах – це деревина. Наприклад, у Танзанії близько 70% енергії досі походить саме від неї. Звісно, розвинені країни від цього пішли дуже далеко. Деревина — це насправді ресурс вичерпний, тобто якщо ми вирубуватимемо дерева надто швидко, то у нас, природно, енергія закінчиться. Така криза була в Англії у XVI-XVII століттях. Вони мали величезні ліси. Існувала навіть прислів'я, в якому говорилося, що в Англії білка здатна перетнути всю країну, не зістрибнувши на землю. Але для того, щоб виплавляти сталь, потрібно було витрачати деревне вугілля. На той час на 1 кілограм сталі необхідно було 50 кілограм вугілля. А щоб отримати деревне вугілля, потрібно було зібрати багато деревини та обпалити її. Таким чином, англійці вирубали практично всі економічно рентабельні ліси. Приблизно на початку XVII століття через це в Англії різко впала виплавка заліза. Вони стали імпортувати залізо зі Швеції та України. Це відбувалося доти, доки вони не відкрили наступне джерело енергії — кам'яне вугілля. Тоді індустріальна машина англійської промислової революції знову запрацювала.
Нині може скластися схожа ситуація. Англія мала величезні запаси вугілля, і свого часу вони вважали, що його вистачить на тритисячі років, розділивши кількість запасів на щорічний видобуток. Але в 1860 Джевонс написав книгу «Питання про вугілля в Англії», де розповів про те, що споживання вугілля збільшується на 3% на рік, і до кінця XX століття вугілля в Англії закінчиться. Він був абсолютно правий. Зараз в Англії лише 6 великих шахт, а за Джевонса було 3 тисячі.
Що виникло після деревини?
Після деревини з'явилося масло. Рудольф Дизель наприкінці XIX століття використовував на своєму двигуні олію, і він працював. Зараз проблема полягає в тому, що для забезпечення нашого суспільства автомобільним паливом, у нас недостатньо місця, де ми могли б вирощувати культури, з яких виготовляється олія. Крім того, якщо ми почнемо садити пальми, сою або ріпак для того, щоб виробляти паливо, нам не вистачатиме землі для виробництва продуктів харчування. Зараз є дуже серйозна проблема: продукти проти палива. Таким чином, перше покоління біопалива, вироблене з тих продуктів, які можуть використовуватися для продуктів харчування, - це тупиковий шлях розвитку. Ставиться завдання виробляти біопаливо в такий спосіб, щоб воно в жодному разі не вступало у конкуренцію з виробництвом продуктів харчування. Це вже біопаливо другого покоління. З соломи, різних відходів сільського господарства, деревини можна одержувати ті ж види біопалива, що й з харчових культур.
Наскільки перше та друге покоління біопалива ефективні та життєздатні?
Є два основні види біопалива першого і другого покоління: етанол і біодизель, що отримується з рослинних олій. У США багато кукурудзи, а в Бразилії цукрової тростини, тому там дуже зручно отримувати спирт. Його можна додавати у певній концентрації у бензин. Заразвиробляється безліч автомобілів, які здатні їздити на такому бензині, на зеленому бензині з добавкою етанолу. У США, Бразилії та Європі виробництво біопалива першого покоління використовується фактично для додаткового стимулювання сільського господарства та зниження залежності від нафти.
Перше та друге покоління біопалива – це спроба задіяти існуючі потужності. Тому що будувати з нуля індустрію у капіталістичному світі дуже складно та дорого. Набагато краще задіяти існуючі технології отримання спирту та олії. Перше та друге покоління використовують ці технології. А осьтретє покоління біопалив а - це зовсім нова річ. В основі процесу одержання біопалива лежать фотосинтетичні мікроводорості. Вони використовують енергію світла у тому, щоб поглинути вуглекислоту з повітря виробництва органічних сполук.
Микроводорослі дуже маленькі - 1, 2, 3, 10 мікрометрів у діаметрі і здатні виробляти дуже велику кількість жирів усередині клітини - ліпідів. Ці ліпіди мають довгий вуглецевий ланцюжок. Їх можна виділити та переробити на біопаливо. Плюси в тому, що цим мікроводорості не потрібно вирощувати кореневу систему, листя і так далі, тобто це просто клітини з ліпідами всередині. Вони дуже швидко зростають, їх можна досить технологічно збирати. І зараз це, звісно, дуже цікавий напрямок.
Як виглядає процес отримання біопалива третього покоління?
Для початку потрібно виростити мікроводорості. Потім цю біомасу потрібно зібрати.
Її можна просто взяти як є, засунути в установку та підняти температуру тиск. Відбудеться гідрокрекінг та виділиться фракція біонафти. Її ми можемо почистити на звичайних нафтоперегінних установках. Існує й іншийваріант. Ми можемо виділити якусь фракцію з біомаси мікроводоростей та переробити її на біопаливо хімічно. І таких технологій дуже багато.
Якщо порівнювати із звичайними сільськогосподарськими культурами, з мікроводоростей можна отримати набагато більше біопалива. Це відбувається через те, що, по-перше, їм не потрібно синтезувати коріння, гілки, листя, вони є маленькими клітинами. По-друге, вони дуже швидко зростають. Сільськогосподарська культура росте протягом довгого сезону. А для того, щоб виростити мікроводорості, потрібна пара тижнів.
Що є лабораторією з виробництва біопалива з мікроорганізмів?
Основа такої лабораторії - це велика установка під назвою "фотобіореактор". Вони можуть бути як відкритими, і закритими. Відкриті фотобіореактори – це ставки, заповнені водою темно-зеленого кольору, закриті – це целофанові мішки або пластикові труби, усередині яких ростуть мікроводорості. Коли вони виростають, їх збирають, руйнують, виділяють потрібну фракцію, а потім уже цю фракцію хімічно переробляють.
Є ще четверте покоління біопалива. Це технологія, при якій використовуються фотосинтезуючі ціанобактерії, які виробляють кінцевий продукт із СО2. Такий спосіб дуже підвищує продуктивність системи. Уявіть клітину, яка здійснює фотосинтез. Вона поглинула молекулу вуглекислого газу з повітря, перетворила її на органічну сполуку, а потім туди, в цю клітину, додали, наприклад, два гени. Ферменти, які кодуються цими генами, переробили ці органічні сполуки на етанол, спирт вийшов із клітини назовні. Після цього ми можемо створити систему, в якій поверхня води у фотобіореакторі нагріватиметься сонячним світлом, і з неївипаровуватиметься спирт. Потім можна конденсувати спирт та збирати його. Це дуже цікава розробка, вона дозволяє уникнути всіх проміжних етапів збирання та переробки біомаси, зараз у США вона знаходиться на ранній промисловій стадії.
В Україні, звичайно, теж існує багато технологій, у тому числі заснованих на ще радянських розробках. Але нас гальмує те, що в Україні поки не створено ринок біопалива. Наприклад, якщо ми зробимо етанол, з нього братимуть акцизи, тоді як технічно можливо відразу на заводі додавати етанол у бензин та отримувати біопаливо. Наразі триває обговорення можливості додавання 5% спирту до бензину. Економічний ефект від цього теж був би позитивним. В Україні є величезні території, де займаються сільським господарством, але економічно рентабельно вивозити зерно на експорт досить складно. Адже у нас поки що не дуже великий внутрішній ринок, порівняно з площами доступними для розвитку сільського господарства. Можна звичайно використовувати зерно як корм для худоби, але, на жаль, у нас ще недостатньо розвинене тваринництво. Тому виробництво біопалива чи біопластиків може стати дуже перспективним напрямом розвитку сільського господарства. Зараз ринок біопластиків зростає зі швидкістю близько 20% на рік. Це дуже перспективна тема.
Які ще є види біопалива?
Зараз у розробці перебуває п'яте покоління. Цеелектробіосинтез - використання електрики для синтезу біопалива. Існують мікроби, які здатні споживати електроенергію з електрода, зануреного у розчин. Потенційно вони мають дуже високий ККД. Наприклад, ККД сонячної батареї, яку можна купити в супермаркеті, становить близько 10-15%. Деякі мікроорганізми здатні спрямовувати до 80%електронів, отриманих з електрода на синтез органічних сполук. Якщо ми порахуємо 80% від 10-15%, то вийде, що 8-12% енергії сонячного світла використовується для синтезу органічних сполук. Здавалося б, не дуже багато. Але якщо порівнювати із звичайним фотосинтезом, на якому існує вся біосфера, то він має ефективність близько 1% конверсії.
Які переваги є у цього покоління біопалива?
По-перше, це відновлюваний ресурс. Тобто його можна використати дуже довго, не звертаючи уваги на те, що у нас закінчується нафта або щось відбувається. По-друге, якщо ми справді придумаємо такі технології, які не займатимуть площі для сільського господарства та не витрачатимуть прісну воду, то тоді ми зможемо збільшити виробництво і продуктів харчування та біопалива. Більш того, за допомогою таких технологій можна отримувати біополімери, харчові добавки і т.д. Навіть їжу на певному етапі розвитку технології можна синтезувати таким чином.
Нині зростає кількість населення. Нас зараз близько семи мільярдів. Через 35 років нас буде вже понад дев'ять мільярдів, це на 35% більше. А от їжі, за прогнозами, людство споживатиме на 100% більше. Вільної землі прийнятної якості для того, щоб збільшити вдвічі виробництво харчування, у нас, на жаль, немає, тому потрібна глобальна інтенсифікація виробництва продуктів харчування.
Які основні проблеми існують у розвитку цього напряму?
На мою думку, головне — це створення ринку. Коли створюється ринок, відразу залучається приватна ініціатива, але це найпотужніший драйвер у розвиток цієї галузі. Мені здається, що основні завдання на даний момент — це грамотна державна економічна політика щодо створення ринку біопалива.та біополімерів, а також стимулювання наукових досліджень у цій галузі.