Энергия из водорослей - реальная перспектива или утопия?В последние годы все активнее обсуждается идея использования водорослей в качестве нового альтернативного энергоресурса. Однако практическую реализуемость этой идеи специалисты оценивают очень по-разному.
Какие только альтернативы иссякающим ископаемым энергоносителям ни предлагают исследователи! Тут и ветер, и солнечное излучение, и морской прибой, и тепло недр, и биомасса. Вот только практическая реализация этих альтернатив наталкивается на трудности, порой почти непреодолимые.
Так, биодизель, то есть дизельное топливо из растительного сырья, еще недавно многим представлялся чуть ли не панацеей от всех проблем. Однако вскоре оказалось, что технические культуры, призванные служить сырьем для производства горючего, начали вытеснять кормовые и пищевые культуры, а это привело к росту мировых цен на продукты питания. Так что массовым возделыванием технических культур энергетическую проблему решить не удалось. И вот в последнее время все более активно дискутируется другая идея - использовать в качестве альтернативного энергоресурса микроводоросли: для фотосинтеза им не нужно ничего кроме солнечного света и углекислого газа, а благодаря высокой скорости размножения они за короткое время образуют весьма значительное количество биомассы. Этой теме была посвящена прошедшая во Франкфурте-на-Майне сессия Немецкого общества химической техники и биотехнологий (Dechema).
Казалось бы, на узкоспециальном и сугубо научном мероприятии о перспективах промышленного разведения водорослей не место эмоциям, однако в данном случае страсти разгорелись не на шутку. Особенно бурную реакцию участников сессии вызвало выступление Ульриха Штайнера (Ulrich Steiner), сотрудника отдела проектирования производственного оборудования концерна Bayer в Леверкузене, эксперта в области новых стратегий производства энергии. Касаясь перспектив решения энергетической проблемы уже в ближайшем будущем за счет широкомасштабного разведения водорослей - а такие сценарии излагали многие докладчики, - он назвал их "совершенно утопическими".
Между тем, авторы этих сценариев не скупятся на посулы. По их замыслу, крупные фермы по разведению фитопланктона позволят решить проблему горючего не только для наземного, но и для воздушного транспорта. На смену нефтепродуктам - бензину, дизельному топливу, авиационному горючему - придут биоэтанол, биодизель и биокеросин из водорослей. Кроме того, эти фермы могут быть устроены где угодно, хоть в пустыне. Они не потребуют плодородных в сельскохозяйственном отношении территорий, - утверждают поборники новаторской идеи. Однако по мнению Ульриха Штайнера, вся эта концепция не выдерживает критики: "Проблема просто-напросто в том, что мы располагаем очень слабым источником энергии - я имею в виду солнечный свет, доходящий до поверхности Земли. И еще в том, что для сбора этой энергии мы собираемся использовать процесс, сам по себе крайне неэффективный, с очень низким коэффициентом полезного действия - я имею в виду фотосинтез".
Даже в самых солнечных регионах Земли на производство биогорючего из водорослей потребуется больше энергии, чем будет получено на выходе, - поясняет Ульрих Штайнер: "Подача воздуха под давлением, экстракция, сушка, поддержание температурного режима и так далее - все это весьма энергоемкие процессы. В результате мы получаем отрицательный энергобаланс, что для производства энергии, естественно, полный абсурд".
Однако эту точку зрения разделяют отнюдь не все. Многие участники сессии выступили с возражениями. Они дружно указывали на большой потенциал этой технологии и ратовали за создание более эффективного оборудования - прежде всего, фотобиореакторов, поскольку в замкнутой системе проще контролировать условия роста фитопланктона и параметры технологического процесса.
Олаф Крузе (Olaf Kruse), профессор биотехнологии Билефельдского университета, поясняет: "Очень многое зависит от того, сумеет ли промышленность наладить производство высокоэффективных и экономичных фотобиореакторов, которые смогут обеспечить положительный энергобаланс. Время покажет. А биологи, в свою очередь, должны предложить более эффективные штаммы водорослей - да это, собственно, уже происходит. Мы делаем все, чтобы максимально повысить энергоотдачу водорослей. Но совершенно очевидно, что узким местом в использовании микроводорослей будет технология".
Профессор Крузе связывает свои представления о будущем биотехнологий с крупномасштабным и, главное, многопрофильным производством, которое поставляло бы на рынок не только биотопливо, но и целый ряд других ценных субстанций: "Это могут быть вещества, представляющие большой интерес для фармацевтической или косметической отрасли. Но это могут быть и вещества, которые найдут применение в качестве кормов в птицеводстве или рыбоводстве. Я полагаю, что сочетание производства энергии с производством широкого ассортимента ценных химических субстанций вполне способно сделать биотехнологию на основе фитопланктона вполне реальным делом"
Однако в одном вопросе все участники сессии во Франкфурте-на-Майне были едины: прежде чем на рынке появится сколько-нибудь значительное количество биотоплива из водорослей, пройдет еще очень много времени. А значит, планы авиаперевозчиков уже через 10-15 лет заправлять этим топливом значительную часть своего воздушного флота, - чистая утопия. Это признает и профессор Крузе: "Реалистичными такие представления не назовешь".
Утилизация сточных вод может наконец-то сделать биотопливо разумной альтернативой обычномуБиотопливо пока — скорее головная боль для ФАО, нежели экономически целесообразный продукт. Единственная культура, позволяющая получать биотопливо по разумным ценам, — сахарный тростник. Но, учитывая продуктивность земель, на которых он произрастает, его перегонка на биоэтанол смахивает на экономическое безумие.
Про рапс или сою, казалось бы, не стоит и говорить: они радикально менее эффективны как базовые культуры для производства жидкого моторного топлива (из них делают биодизель). Однако размах этого безумия растёт с каждым днём: 19 млрд литров биодизеля, произведённые в 2010 году, заставили изъять из нормального сельхозпроизводства колоссальные площади. Скажем, в пересчёте на чистый рапс — значительно больше 15 млн га, а ведь рапс — самая эффективная из применяющихся сегодня «биодизельных» культур. Если бы весь биодизель мира делался из сои, из продовольственного оборота пришлось бы вывести 40 млн га земель. При этом нельзя сказать, что все эти жертвы сильно помогли биотопливу заменить нефть: последней мир потребляет примерно 4,8 трлн литров год — в четверть тысячи раз больше, чем производится биодизеля. Замена даже 40% нефти на такое горючее потребует изъять из производства продовольствия миллионы уже не га, а квадратных километров.
И всё же выход есть, настаивают сторонники зелёной альтернативы нефти: микроводоросли (в частности хлорелла), многочисленная группа одноклеточных, насчитывающая от 200 000 до 800 000 видов, из которых описано всего 35 000, отличаются от обычных многоклеточных растений — и водных, и сухопутных — не только сверхбыстрым размножением, но и тем, что в них содержится до 70% (по массе без учёта воды) натуральных масел. При помощи переэтерификации полученное отжимом масло становится биодизелем (сухой остаток можно скармливать скоту, ибо богат белком) и может использоваться для заправки автомобилей. При этом, если у высших наземных растений продуктивность по маслу, исходному сырью биодизеля, редко превышает 1000 л/га (у подсолнечника — 950, у рапса — 1190), то оценки микроводорослей по производительности (чистое масло) колеблются от 18700 до 95000 с гектара водной поверхности. Напомним, что у рапса этот показатель равен менее чем 1200 литрам. Да и использование водорослями водной среды исключает ту «конкуренцию с продовольствием», которая, по мнению ФАО, является главной причиной нынешних высоких цен на еду.
Конечно, даже при такой огромной производительности для замены нефтетоплива потребуются огромные площади. Так, в ближайшие годы США планируют потреблять 80 млрд л биодизеля. Следовательно, нужно до 4,32 млн га — или 43 тыс км². Для замены же половины используемой человечеством нефти понадобится в 30 раз больше пространств, то есть пара-тройка Франций. Если разводить такие водоросли в открытых местах, это создаст новую экологическую проблему. Микроводоросли из цианобактерий приводят пресные водоёмы к известному итогу — «цветению воды». Запах, гибель высших водорослей и других организмов — всего этого хотелось бы избежать. Можно культивировать микроводоросли в океане — но тогда собирать и транспортировать масло будет дороже, да и загородка для водорослей будет непростой задачей, не говоря уже о её влиянии на экологию Мирового океана.
В связи с этим НАСА, участвующее в проекте OMEGA, который ведётся в Исследовательском центре Эймса (Калифорния, США), планирует использовать для их разведения сточные воды, производимые как канализационными системами, так и пищевой промышленностью и сельскохозяйственной ирригацией. Их объём, по данным ООН, составляет 1 500 км³ в год, причём 80% сейчас никак не очищаются, а на очистку остальных 20% уходит от 2 до 3% электроэнергии, производимой в развитых странах.
Система OMEGA — офшорное мембранное огораживание для выращивания водорослей (Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae) — сможет использовать эту воду в фотобиореакторах, применяемых для разведения водорослей. Под громким словом «фотобиореакторы» разработчики, руководимые Джонатаном Трентом из Океанографического института Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего, имеют в виду дешёвые прозрачные пластиковые трубы, запаянные с двух концов и свободно плавающие в шельфовых водах, крупных заливах или хотя бы за линией искусственных волноломов. В них будут закачиваться пресные сточные воды, а отбираться — водоросли. Трубные фотобиореакторы станут массово плавать вокруг крупных городов, где, как считается, проживает до 40% населения мира.
Удаление уже обработанных сточных вод должно проходить через пластиковые стенки, выполненные из полупроницаемых мембран, которые не выпускают лишь цианобактерии и загрязнения, имеющиеся в только что прибывшей сточной воде больших городов. Зацветание при повреждении труб штормом исключено: пресноводные водоросли просто умрут в солёной воде.
В настоящее время такие фотобиореакторы испытываются в Сан-Франциско; на них же отрабатываются попутные технологии — в частности сочетание выращивания водорослей на биодизель с культивированием мидий. Ведутся работы по созданию демонстрационного «поля» (на поверхности залива) очистки сточных вод, площадью в полгектара. Что же, спросите вы, неужели у технологии нет недостатков?
Конечно, есть. Не все смогут воспользоваться описанными способами выращивания — лишь страны типа Австралии, Южной Кореи и, возможно, Англии с Норвегией. Эффективность выращивания будет тем выше, чем выше температура окружающей пресноводные фотобиореакторы морской воды, поэтому Россия вряд ли сможет применить эту технологию, не говоря уже о нашем климате, в котором зимой биодизель будет замерзать. Опять же для переэтерификации потребуется метанол, который получают из газа, то есть полная независимость от ископаемого топлива миру пока не угрожает.
И всё же плюсы у OMEGA налицо. По сути, перед нами повтор неолитической революции в области энергетики: от выкачивания нефти и газа, «охоты и собирательства» в области энергоресурсов, как их называет Джонатан Трент, мы впервые можем перейти к выращиванию жидкого топлива по разумным ценам.
Топливо из водорослей, живущих в морской воде, можно получать и на сушеGривлекательность микроводорослей для «выращивания» биотоплива в том, что, в отличие от обычных многоклеточных растений, они размножаются и растут очень быстро. Кроме того, в них содержится до 70% (по обезвоженной массе) натуральных масел — готового биотоплива, после переэтерификации становящегося топливом. Продуктивность на гектар в 15–80 раз выше, чем у лучших наземных «биотопливных» растений.
Испанский стартап полагает, что такая схема подходит только для тех районов, где есть крупные мегаполисы, способные «удобрять» ёмкости с водорослями. Сама же Bio Fuel Systems придерживается полярной концепции: её влекут бросовые земли вдалеке от городов. Конечно, это означает, что нужен другой видовой состав, — поэтому используется не только фитопланктон, но и цианобактерии, совместно образующие микроэкосистему, которая обеспечивает устойчивое развитие обоих типов организмов в замкнутых ёмкостях, размещённых на суше. Так, цианобактерии способны к азотфиксации, что обеспечивает снабжение этим элементом остальных видов фитопланктона, применяемых Bio Fuel Systems.
Разумеется, это не решает задачу полностью: фосфорные удобрения всё равно нужны. Из-за «сухопутности» значима и проблема перегрева. Чтобы минимизировать его и оптимально использовать площади, отводимые под биореакторы, испанцы располагают фотобиореакторную трубу вертикально. И всё равно воду приходится периодически перемешивать, иначе перегрев помешает росту фитопланктона.
На первый взгляд, подход испанцев менее выгоден: OMEGA использует даровые «удобрения» из канализационных сетей больших городов. Но Bio Fuel Systems думает иначе. Да, в мире ежегодно продуцируется 1500 км³ сточных вод. Но бóльшая их часть далека от берегов, и транспортировка будет экономически бессмысленной. А нефти мы потребляем в год 4,8 км³, и это значит, что даже если все сточные воды, включая глубоко континентальные, использовать для выращивания биотоплива, то нехватка всё равно неизбежна.
Bio Fuel Systems же предлагает нечто иное. Жаркие пустыни просторны, а морская вода у их побережья стоит... да ничего она не стоит, равно как и сточные воды рядом с крупными городами. Использование вместо пресноводной хлореллы морского фитопланктона и цианобактерий требует внесения определённого количества удобрений, однако пресная вода — в случае массового производства биотоплива — станет значительно бóльшим дефицитом. Когда кончатся сточные воды, чем будем заполнять фотобиореакторы, ведь чистой питьевой воды и так не хватает? Ну а минеральные компоненты удобрений после отжима фитопланктона можно добывать из получившегося ила, причём многократно.
Наконец, этот метод позволяет эффективнее использовать территорию. По расчётам испанцев, 35 млн га ливийской пустыни (350 000 км²) хватит для обеспечения жидким топливом всего мира! Нет, это не слишком много: пока на один га первого завода по производству биотоплива, который построила Bio Fuel Systems, вырабатывается 2,5 барреля в день.
Недостатки? Не без них. Трубы из поликарбоната дороги: размещённые на гектаре, они обходятся в $1 млн. Вместе с затратами на перемешивание воды в трубах это делает цену одного литра получаемого биотоплива близкой к $5 — в то время как литр обычного дизеля в Испании стоит 1,5 евро.
Но перспективы всё же есть. Дело в том, что при масштабировании установок стоимость их снижается, и заметно. Да и производительность на гектар должна вскоре вырасти до пяти баррелей в день, что значительно удешевит продукт. Другой важный момент: при производстве топлива потребляется больше углекислого газа, чем попадает в атмосферу при сжигании готового продукта. Если быть точным, на 2168 кг основного парникового газа, используемого для производства каждого барреля, 938 кг никогда не возвращаются в воздух: они связываются илом от отжима водорослей. А это позволяет применять сторонний углекислый газ — в случае пилотного производства «производимый» местным цементным заводом. 30 млрд баррелей мирового потребления в год (как у нефти сейчас) выводили бы из атмосферы десятки миллиардов тонн углекислого газа — количество, сравнимое со всеми антропогенными выбросами в целом, подчёркивают в Bio Fuel Systems.
