В поисках энергии. Ресурсные войны, новые технологии и будущее энергетики - Мацак Олег (читаем книги .TXT) 📗
На что это похоже
До 2006 г. очень немногие слышали о просе прутьевидном. Одним из тех, кто точно знал о нем, был Дэвид Брэнсби, профессор родом из Южной Африки, который преподавал в Университете Оберна, штат Алабама. Его диссертация была посвящена сенокосным угодьям, и он в течение нескольких десятилетий изучал травы прерий, одной из которых было просо прутьевидное, растущее плотными пучками высотой 2–2,5 м. Однако его работа до поры до времени не привлекала особого внимания. Затем как-то засеянное просом поле Брэнсби посетил сенатор от штата Алабама, которого поразил потенциал этого растения как сырья для топлива. На встрече в Белом доме перед обращением президента к нации 2006 г. он рассказал о достоинствах проса прутьевидного. Президентская администрация, стремившаяся найти что-то новое в сфере энергетики, взяла его слова на заметку.
Можно не сомневаться в том, что десятки миллионов американцев, слушавших обращение к нации в 2006 г., были озадачены, когда президент Буш призвал к внедрению «передовых методов производства этанола… из древесной стружки, кукурузных стеблей и проса прутьевидного». Древесная стружка – это понятно. Но просо прутьевидное? На что это похоже? Реакция профессора Брэнсби из Университета Оберна была несколько иной. «Я чуть не упал со стула, когда смотрел это обращение в гостиной», – сказал он позднее15.
Священный грааль
Иногда целлюлозный этанол и другие современные виды биотоплива называют «священным Граалем». Если они получат практическое применение, то могут существенно изменить предложение и в то же время существенно снизить выбросы парниковых газов транспортными средствами. В отличие от электромобиля, для них не потребуется совершенно новая инфраструктура. Для конечного потребителя – водителя или авиакомпании – изменение будет практически незаметным. Жизнь не изменится. Но биотопливо трансформирует энергетическую систему с точки зрения производства энергии, ее производителей и потока доходов.
В их разработку вкладывается много усилий. На помощь энергетикам приходят ученые-биологи. Также эта деятельность, как никогда ранее, подкрепляется финансовыми ресурсами – от правительств, предпринимателей, венчурных капиталистов и инвестиционных компаний.
К тому же в последние годы значительные средства в исследования вкладывают крупные транснациональные нефтяные компании. Венчурные капиталисты, в свою очередь, профинансировали ряд стартапов.
Двигаясь разными путями, венчурные капиталисты стремятся к одной и той же цели – новому источнику моторного топлива, который будет коммерчески жизнеспособным, конкурентоспособным, доступным в больших количествах и для которого не понадобится совершенно новая инфраструктура.
Технология разложения растительных материалов и сельскохозяйственных отходов и превращения их в этанол существует. Проблема в том, как сделать ее экономически выгодной и пригодной для крупнотоннажного производства. Это большая проблема. «Мы всегда знали, что при помощи ферментов дерево можно превратить в сахар, – сказал топ-менеджер одной из первых фирм по производству целлюлозного этанола, которая функционирует с 1970-х гг. – Дело не в этом, а в стоимости и в возможности производства в промышленных масштабах»16.
Неопределенность обусловлена характером проблемы. Исследователи бросают вызов анатомии самого растения. Они пытаются извлечь из растений и других материалов то, что эти органические материалы просто так не отдают.
Основная проблема для этанола – как извлечь сахар, который можно подвергнуть брожению и затем путем перегонки преобразовать в спиртовое топливо. Из сахарного тростника его получить несложно. Кукурузу необходимо размолоть и подвергнуть соответствующей обработке. С целлюлозным этанолом все сложнее. Его получают из сахаров, которые являются составной частью длинной сложной цепочки углеводов, включающей целлюлозу и гемицеллюлозу. Но до топлива им далеко. Они слишком жестки, поскольку составляют «стены» растения. Целлюлоза и гемицеллюлоза наряду с лигнином придают растению структурную целостность. Именно благодаря им дерево стоит.
Эту «броню», которая защищает сахар, нужно разбить. Необходимо отделить целлюлозу и гемицеллюлозу от лигнина и извлечь из них сахара, пригодные для преобразования путем брожения в этанол (этиловый спирт). Это преобразование можно осуществить с помощью специальных ферментов.
Сырье для целлюлозного этанола недорогое. Это могут быть остатки сельскохозяйственных культур или сельскохозяйственные отходы, например остатки зеленой массы, солома, оставшаяся после сбора пшеницы, или багасса, волокнистые отходы сахарного тростника. Это могут быть другие сельскохозяйственные остатки, древесные отходы и даже некоторые виды мусора. Также целлюлозный этанол можно получать из разных видов трав, которые выращиваются на малоплодородной земле, например вышеупомянутое просо прутьевидное, мискант или сорго, двоюродный брат сахарного тростника.
Но стоимость переработки по-прежнему велика. Ее необходимо резко снизить, чтобы эта технология стала конкурентоспособной.
Существует и «забытая проблема» – логистика. По сравнению с нефтью биомасса имеет очень низкую плотность энергии. Соответственно, ее необходимо собирать в больших количествах, и затраты на ее сбор, транспортировку и хранение велики. У нефти плотность энергии такова, что транспортировать ее даже на другой конец земного шара экономически выгодно. Биомасса имеет «местный характер», из-за чего ее транспортировка ограничивается радиусом 80 км. Рассмотрим завод по производству целлюлозного этанола производительностью 6000 баррелей в день. Для обеспечения его сырьем может понадобиться до 50 000 рейсов грузовиков с полуприцепом в год.
Заводу также необходим стабильный источник поставок. Если сырье собирают раз или два в год, то его необходимо где-то хранить, что является еще одной логистической проблемой. Сырье также портится и гниет. Все это повышает стоимость. И к тому же само сырье не бесплатно17.
Индустрия не выйдет на приемлемые масштабы, если эти логистические проблемы не будут решены. Один из способов сделать это – сменить сырье, т. е. растение.
Более крепкий орешек, чем думали многие
Став кандидатом наук по молекулярной биологии, Ричард Хамилтон год проработал в Гарварде, где опробовал свои идеи по созданию при помощи биотехнологий и генной инженерии новых растений. В 1997 г. он инициировал учреждение компании под названием Ceres, которая занималась генами растений. И только в 2004 г., когда этанольный бум уже набирал обороты, он сосредоточился на создании при помощи биотехнологий растений, которые можно использовать в качестве сырья, решающего проблемы снабжения целлюлозной индустрии. Хамилтон и другие ученые, работавшие в этой сфере, открыли новые возможности для биотоплива.
«Многие сосредоточены на технологиях переработки и почти не думают о сырье, – сказал он. – Но эта ситуация изменится с ростом масштаба. Одним из ключевых факторов, принимая во внимание логистику, является высокая урожайность. В целом целлюлозный этанол оказался более крепким орешком, чем думали многие. Самая большая проблема здесь заключается в том, что сроки определяются жизненным циклом живых организмов. Чтобы увидеть результаты своей работы, нам нужно ждать наступления определенного времени года».
«Наши культуры – не из мифического райского сада, – добавил Хамилтон. – Они выращиваются и совершенствуются человеком». Он показал ноготь на пальце. «Вот такими были первые кукурузные початки. Мы занимаемся сельским хозяйством уже 10 000 лет. До 1946 г. мы не знали, что ДНК – генетический материал. Зеленая революция в конце 1960-х гг. положила начало применению современной биологии в целях усовершенствования растений»18.
Многие из работающих в этой сфере применяют ноу-хау, появившиеся благодаря созданию карты генома человека. Обращаясь к таким новым направлениям, как биоинформатика и вычислительная биология, и занимаясь так называемым высокопроизводительным экспериментированием, они стремятся выделить конкретные гены и установить их функции. Цель – ускорить процесс эволюции, отбирая характеристики, которые позволят высоким травам вроде мисканта и проса прутьевидного расти на малоплодородных землях. Главная задача заключается в том, чтобы существенно увеличить количество «галлонов на акр».
