Достижения науки позволят производить достаточно топлива из растительного сырья без ущерба для продовольственной безопасности человечества
Немецкий инженер Рудольф Дизель, создавший в самом конце XIX века двигатель, ныне носящий его имя, изначально планировал использовать растительное масло в качестве топлива, а Генри Форд, в свою очередь, рассчитывал, что его автомобили будут заправляться кукурузным этанолом. Данным прогнозам, как мы знаем, не суждено было сбыться. В силу различных причин (цена, доступность, показатели энергоэффективности и т.д.) выбор был сделан в пользу керосина, бензина и других продуктов нефтепереработки.
Между тем нефтяной кризис начала 80-х годов, а с недавних пор и обеспокоенность последствиями повышения уровня углекислого газа в атмосфере (глобальное потепление) возродили интерес промышленности к различным видам биотоплива (прессованные древесные гранулы, синтез-газ, биометан и др.).
Получаемые из возобновляемых (в основном растительных) источников подобные энергоносители занимают пока еще довольно скромное место в жизни современной, построенной на нефти, цивилизации.
Познакомиться с некоторыми достижениями, проблемами и перспективами данной отрасли мы предлагаем нашим читателям на примере дизельного и спиртового биотоплива.
Не нефтью единой
В то время как получаемая при перегонке нефти дизельная фракция представляет собой набор тяжелых углеводородов (молекул, состоящих из 10-20 атомов углерода и соответствующего числа атомов водорода), биодизель, как правило, является смесью метиловых эфиров различных жирных (длинноцепочечных) органических кислот. Последние образуются в результате так называемого процесса переэтерификации (перегонки) растительных масел или животных жиров. Суть данной реакции, кстати, вполне осуществимой в домашних условиях, заключается в замене в молекулах масла массивных глицериновых эфирных остатков на более компактные метанольные.
В результате вязкие, а порой и твердые растительные масла превращаются в подвижную жидкость, называемую биодизелем, который по своим основным эксплуатационным характеристикам практически ничем не отличается от традиционной солярки и может быть без всяких проблем использован в соответствующих двигателях.
Дизтопливо на грядках
Источниками растительного масла для производства биодизельного топлива могут служить семена самых различных растений – от сои и сорго до хлопка, арахиса и масличных пальм. В зависимости от урожайности, климатических условий и содержания масла в плодах той или иной культуры, возможно получать от 800 (подсолнечник, рапс) до 5 тысяч литров (масличная пальма) биодизеля в год с каждого гектара посевных площадей.
Помимо сокращения нефтяной зависимости, использование произведенного подобным образом дизельного топлива имеет существенные преимущества экологического свойства. Биодизель практически безвреден для людей (в 10 раз менее токсичен, чем поваренная соль) и окружающей среды (разлагается микробами за 1-3 месяца).
Будучи свободным от серы, биодизель при сгорании дает гораздо меньше вредных выхлопов, а образующийся углекислый газ не является источником «парникового эффекта» (высвобождается лишь то, что было поглощено ранее растениями).
Поесть или поехать
В 2009 году производство биодизеля (в основном из соевого масла) в США составило 1,5 млн. тонн, что покрывает около одного процента от текущей потребности страны в топливе (приблизительно 160 млн. тонн/год). При существующих технологиях получить подобное количество биодизеля было бы возможным, лишь засадив соей все доступные сельскохозяйственные земли Соединенных Штатов (на территории в 1,9 млн. кв. км).
А с учетом того, что интенсивное земледелие невозможно без использования воды, удобрений, пестицидов, сельскохозяйственной техники и пр., не кажется удивительным, что многие подвергают сомнению экономическую целесообразность подобного производства. Так, согласно некоторым расчетам, производство каждой единицы биодизеля требует, по крайней мере, 1,3 единицы ископаемого топлива (газ, уголь, бензин и т.д.). Вдобавок ко всему, отчуждение все большего количества пахотных земель под выращивание «биодизельных» растений является одной, хотя и не главной, причиной наблюдаемого в последние годы резкого роста мировых цен на основные продовольственные товары.
Выход есть
На данный момент практически во всех странах производство биодизеля дотируется государством. В то же время ученые предпринимают значительные усилия по оптимизации данной технологии. В первую очередь это касается поиска таких масличных растений, выращивание которых не шло бы в ущерб традиционным сельскохозяйственным культурам (пшеница, кукуруза и др.).
Так, например, семена устойчивого к засухе и вредителям многолетнего тропического кустарника ятрофа содержат до 40 процентов масла, что позволяет устраивать его плантации вдоль дорог, на пустырях и бросовых землях, непригодных для выращивания обычных сельскохозяйственных культур.
Водоросли - «золотая жила»
Однако больше всего надежд исследователи возлагают на водоросли, коих насчитывается в мире свыше 100 тысяч различных видов. С точки зрения удобства сбора «урожая» наибольший интерес представляют так называемые мелкие свободноплавающие водоросли – вроде тех, что, размножаясь в больших количествах, вызывают «цветение» воды.
Обладая высокой скоростью роста (в 20-30 раз быстрее растений) и приличным содержанием в клетках липидов (жиров) (до 70%), подобные водоросли способны производить в год в 300 раз больше растительного масла, чем любая традиционная масличная культура.
По оценкам министерства энергетики США, чтобы удовлетворить полностью потребности страны в дизельном топливе, необходимо было бы организовать всего 39 тысяч кв. км водорослевых плантаций (полпроцента территории страны), что приблизительно в 7 раз меньше, чем площадь посевов кукурузы.
Теоретически выращивание водорослей несложно – необходимы лишь солнечный свет, углекислый газ и питательные вещества. На деле же для получения максимального выхода биомассы необходимо поддерживать в системе условия, оптимальные для роста того или иного вида.
Хотя процесс можно проводить в открытых водоемах, чаще применяются специально сконструированные замкнутые биореакторы, что облегчает контроль условий и сбор «урожая».
Предположительно к 2018 году данная технология будет отработана настолько, что затраты на производство в США биодизеля из водорослей и обычного, перегнанного из нефти, сравняются.
Спирт в бензобаке
Схожая ситуация наблюдается и в отношении другого распространенного биотоплива – этанола (питьевого спирта), получаемого сегодня в основном за счет ферментативного сбраживания растительного сырья (кукуруза, сахарный тростник, картофель и т.д.).
Используемый, как правило, в виде смеси (85 к 15) с обычным бензином, биоэтанол получил широкое распространение в США и, особенно, в Бразилии, где подавляющее большинство машин использует биоэтанольные топливные смеси в той или иной пропорции.
В США на рынке предлагается свыше трех десятков различных моделей автомобилей – от городских малолитражек до легких грузовиков, двигатели которых могут работать как на чистом бензине, так и на его произвольной смеси со спиртом.
Как и в случае с биодизелем, производству биоэтанола ставят в вину сокращение доли земель, занятых под выращивание кормовых и пищевых культур, и, как следствие, рост цен на продовольствие. Выход ученые видят в создании новых технологий получения спирта из целлюлозы (древесные опилки, солома, отходы кукурузы и т.д.), поскольку существующие гидролизные процессы не являются экономически выгодными.
Одним из возможных решений могло бы стать, например, выращивание генетически модифицированных культур с низким содержанием лигнина (один из компонентов стенок клеток растений). Именно его присутствие в древесных отходах представляет основную проблему при расщеплении полисахаров растительной биомассы на молекулы спирта.
Александр ЛЕОНТЬЕВ
Версия для печати
Добавить комментарий