IT-байки: водоросли - топливо будущего? / Аналитика

Нефти на наш век хватит. И нефти, и газа, и другого топлива органического происхождения, может быть, ещё останется и нашим детишкам. Заглядывать в более далёкую перспективу разведки и добычи минерального топлива - дело пустое и неблагодарное, однако всё чаще аналитики оценивают вероятность доступности достаточных ресурсов нефти и газа более чем на 50 лет мизерными шансами. Впрочем, человечество – на беду ли себе, на счастье ли, оказалось гибче, чем общество планеты Плюк. До тех пор, пока, кроме цветовой дифференциации штанов, спичек и минеральных ресурсов, на свете существуют деньги, что-нибудь да придумывает. Хотелось бы, конечно, надеяться, что развитие и внедрение альтернативных способов добычи энергии происходит по причине моральных соображений о будущем планеты, или, скажем, из-за возможного глобального катаклизма с потенциальным потеплением/похолоданием климата. Однако на мой взгляд, всё гораздо прозаичнее - люди "зашевелились" в поисках иных источников топлива только потому, что это становится выгодно. Что, мрачновато и слишком пессимистично? Помилуйте, журналисты тоже люди и порой теряют веру в светлое начало человечества. Хорошо на эту тему в своё время высказался покойный Р. А. Хайнлайн в одной из лучших своих книг "Достаточно времени для любви, или жизни Лазаруса Лонга":

Никогда не апеллируй к лучшим качествам человека. Возможно, он ими не располагает. Надежней обращаться к его личному интересу.

А что, вполне жизненное наблюдение, особенно в свете нынешнего состояния дел со стремительным "осушением" мировых запасов энергоресурсов органического происхождения, бедственного состояния окружающей среды в целом, и "отсутствием спешки" при ратификации Киотского протокола рядом развитых стран в частности. И никакие уговоры экологов и увещевания гринписовцев до поры до времени не имели особого эффекта. Но время пришло – цена нефти вплотную приблизилась к отметке $100 за баррель. Спору нет, этот магический уровень цены имеет огромнейший психологический потенциал, однако ценность его заключается в не менее важной экономической составляющей: при достижении уровня $100 цены минерального энергетического сырья открываются невостребованные возможности производства альтернативных видов топлива, которые доселе были попросту нерентабельны ввиду дороговизны. Повышение цены на нефть более чем в два раза за последние три года так или иначе должно было "вывести" в рентабельность ряд проектов, положенных ранее под сукно до лучших времён. Вот, собственно говоря, практически добрались до темы сегодняшнего рассказа. Вряд ли ошибусь, если скажу, что большинство населения планеты интересуются ценами на нефть лишь в той связи, какую она имеет к ценам на топливо для транспорта – стоимость бензина и дизельного топлива на заправках интересует нас ежедневно и гораздо больше, чем любые макроэкономические показатели. Поэтому сегодня поговорим о новых разработках в области производства альтернативного топлива, главным образом, для автомобилей. Точнее, не обо всех возможных видах топлива – обзорно мы обязательно поговорим в одной из будущих публикаций. Но лишь об одной из разновидностей биотоплива, пока что добываемого экзотическим, но очень перспективным способом.

Из табуреток? Из опилок? Из водорослей!

Нефть – не единственное сырьё для получения высокооктановой органики для двигателя нашего автомобиля. В одной из наших предыдущих публикаций, посвящённых изменению мирового климата, мы уже анализировали различные способы получения альтернативной энергии подробнейшим образом. Разумеется, ветряк на автомобиль не поставишь, равно как ядерный или термоядерный реактор; аккумуляторы для работы в качестве источника энергии для двигателя автомобиля, значительно усовершенствованные в последнее время в плане ёмкости, всё же пока не дают идеального решения. Раз уж природа, запасая на будущее ископаемые виды органики, не предусмотрела многочисленности людского племени и его алчности, придётся человечеству обратить свой взор на органику, растущую вокруг и самостоятельно придумывать способы создания горючки из подручных и, по возможности, возобновляемых источников. Логичный выход на ближайшее время – поиски среди альтернативных способов синтеза высокооктановой органики, без применения истощающихся ископаемых ресурсов. Способов таких множество, один из наиболее популярных ввиду сравнительно низкой себестоимости производства - это получение спирта средствами возобновляемых природных ресурсов, сиречь, из биомассы с грядки. Получаемый таким способом спирт можно заливать в бак в чистом виде, можно для дополнительной экономии смешивать с продуктами перегонки нефти. Всё бы хорошо, да мест с подходящим климатом, где можно выращивать кукурузу да пшеницу для перегонки в спиртовое топливо с достаточной рентабельностью, ограниченное количество. Плюс к этому, исключительно по человечески жаль зерно, из которого можно сделать хлебушек, виски или пивко, да что там – хотя бы просто скормить скотине для не менее интересных дивидендов в виде молочка и мяса. Гнать же спирт из стеблей той же пресловутой кукурузы или, например, целлюлозы, хоть и научились, да пока без особых перспектив с рентабельностью, поскольку в среднем, потратив 1 мегаджоуль энергии, можно получить бензина на 1,19 МДж, кукурузного спирта на 0,77 МДж и целлюлозного спирта – всего на 0,10 МДж. Есть и другие способы – вплоть до переработки масла, уже использованного для приготовления хрустящей картошки, о них мы поговорим в других публикациях, но многие из них, увы, также пока балансируют на грани рентабельности.

В поисках более "интересной" для переработки органики учёные обратили своё внимание на практически неисчерпаемый и легко возобновляемый ресурс – водоросли. Отдельно стоит отметить, что биотопливный потенциал водорослей является объектом пристального внимания учёных Франции, Германии, Японии и США с 50-х годов прошлого столетия, при этом особенно вопрос обострялся во время предыдущего нефтяного кризиса 70-х годов – в полной аналогии с нынешним состоянием дел. Время от времени такие программы оживлялись и даже потом закрывались (нефть иногда дешевеет), как, например, программа Aquatic Species Program (ASP), проводившаяся с 1978 по 1996 год национальной лабораторией США по возобновляемой энергии – NREL (US National Renewable Energy Laboratory), с финансированием со стороны Office of Fuels Development, подразделения Министерства энергетики США. По сути, водоросли – это та же органика, прекрасно подходящая для получения биодизельного топлива, разве что, обеспечивает отличный выход биомассы на каждый квадратный метр культивируемых площадей - в отличие от "сухопутных" растений; не содержит серы и других токсичных веществ - в отличие от нефти; наконец, отлично разлагается микроорганизмами и, главное, обеспечивает высокий процент выхода готового к использованию топлива: для некоторых типов водорослей - до 50% от исходной массы! Для начала давайте более точно определимся о предмете разговора. Под водорослями (Algae) в широком смысле подразумеваются самые различные одноклеточные и многоклеточные организмы, самых причудливых форм и размеров (от долей микрона до 40 м). Wikipedia так определяет этот термин: Водоросли (лат. Algae) — группа автотрофных, обычно водных, организмов; содержат хлорофилл и другие пигменты и вырабатывают органические вещества в процессе фотосинтеза. Нас в большей степени интересуют микроводоросли. Обычно микроводоросли обитают везде, где есть влага, однако наиболее обширными "поставщиками" водорослей в естественной среде являются болота и озёра, в том числе, солёные. В полной аналогии с растениями, для роста водорослям требуется три главных компонента – солнечный свет, двуокись углерода и, конечно же, вода. В процессе фотосинтеза – ключевого биопроцесса для растений, водорослей и ряда бактерий, энергия солнца перерабатывается в "химическую энергию". Помимо этого, микроводоросли умудряются аккумулировать в качестве материала для строения мембраны различные липиды и жирные кислоты, при этом их содержание колеблется у разных видов водорослей в пределах от 2% до 40% от общего веса. Именно эти компоненты, собственно говоря, интересуют учёных в первую очередь.

Стоит ли овчинка выделки? Может, ну его – путаться в этой грязной тине ради сомнительного удовольствия? Стоит, ещё как стоит! Данные, найденные мной на сайте издания Permaculture Activist, прямо скажем, ошеломляющи.

Годовой выход топлива с акра занимаемой площади (галлонов)
Кукуруза	18
Соя	48
Сафлор	83
Подсолнечник	102
Рапс	127
Пальмовое масло	635
Микроводоросли (достигнутые показатели)	1850
Микроводоросли - (теоретические лабораторные показатели)	5000 - 15000

Да простят меня дотошные читатели за то, что поленился переводить галлоны в литры (один американский галлон - это примерно 3,785 литра). Дело, как вы понимаете, не столько в циферках абсолютного количества, возможно, гораздо важнее обратить внимание на в десятки раз превосходящие показатели микроводорослей относительно традиционных "сухопутных" культур. В качестве примера серьёзных исследований по выращиванию водорослей можно привести результаты, полученные выше упомянутой лабораторией NREL в годы нефтяного кризиса 70-х в рамках программы Aquatic Species Program (ASP). Для производства биодизельного топлива, богатого липидами, использовались установленные на открытом воздухе прозрачные "садки", в которые подавался газ CO₂ из расположенной неподалёку электростанции на угле. В результате экспериментов ASP удалось установить порядка 300 подвидов водорослей – главным образом, диатомовых (кремневых) водорослей (Diatoms) и зелёных водорослей (Chlorophyceae), позволяющих достигать следующие результаты:

При оптимальных условиях роста микроводорослей достигать производительности до 15000 галлонов с акра в год
7,5 млрд. галлонов биодизельного топлива может быть произведено на площади в 500 тысяч акров в пустынях (для производства такого же количества биотоплива из рапса потребовалось бы занять порядка 58 млн. акров).
Водоросли содержат жиры, углеводы и протеин, в некоторых случаях – до 60% жиров, до 70% которых может быть "добыто" элементарной отжимкой.
Не удалось найти подходящих культур для культивации вне "садков".

Программа, свёрнутая десять лет назад ввиду малой рентабельности из-за снизившихся тогда цен на нефть, совсем недавно получила "второе дыхание", поскольку, в связи со штурмом нефтяных цен 100-долларового рубежа, в октябре Министерство энергетики США в сотрудничестве с компанией Chevron объявило о поисках новых технологий переработки водорослей. В дополнение к этому, агентство DARPA, что при Пентагоне, в настоящее время спонсирует разработки авиационного топлива из растительного сырья, в том числе, из водорослей, и в настоящее время плотно сотрудничает с компаниями UOP (Honeywell), General Electric, а также с университетом Северной Дакоты. Говорят, что с ноября финансирование дополнительно увеличилось. Так что, бросаем добычу нефти и займёмся разведением болот? Шутка, конечно, для производства биодизельного топлива пока что чаще применяют специальные "садки"- биореакторы для выращивания водорослей. Увы, скептицизма хватает, и главным образом, вопрос заключается в двух сложностях – стабильности ежедневного прироста массы и возможности доведения технологии переработки водорослевого сырья в биотопливо до коммерчески приемлемого уровня. Так, в одной из статей на сайте Biopact пессимизм в отношении "водорослевых" фабрик обоснован дотошным образом. С другой стороны, только представьте, какое обширное поле действия для любителей модифицировать гены – лучше бы приложили свои силы здесь, чем клонировать колбасу (надеюсь, сегодня моё мнение по поводу генетически модифицированной пищи не очень бросается в глаза. Оно резко отрицательно, но об этом в другой раз). Что ж, как говорится, дело за малым – научиться толком перерабатывать всю эту влажную биомассу в консистенцию, пригодную для залития в бак автомобиля. В настоящее время широко распространены три способа переработки водорослей в топливо, и все три позаимствованы из методик переработки масличных культур – с помощью пресса или маслоотделителя; это селективная экстракция в надкритическом состоянии (Supercritical Fluid Extraction); это селективное отделение и очистка с помощью гексана (Hexane Solvent Oil Extraction). Надо отметить, что в США проблемой получения недорогого биодизельного топлива для автомобилей занимаются десятки компаний и множество научных групп в самых разных университетах страны. Неловко говорить, но я даже не представлял масштабов работ на эту тему в США до тех пор, пока не взялся за изучение вопроса. К сожалению, мне так и не удалось найти хоть какую-нибудь статистику по объёмам производства топлива из водорослей, но ссылок на сайты компаний, лабораторий и различных фондов, всерьёз занимающихся этим вопросом, просто пропасть. Сегодня же расскажу лишь о самом свежем и наиболее интересном сообщении последнего времени на тему создания недорогого и эффективного биотоплива из водорослей, которое, собственно, и стало поводом для этой публикации. Речь о разработках Центра технологий создания биотоплива (Center for Biorefining), что при университете штата Миннесота (University of Minnesota). Группа учёных этого центра многие годы исследует возможности использования различных типов водорослей для получения недорогого биотоплива для автомобилей.

На представленной выше фотографии хорошо заметен зеленоватый оттенок "сырья", разработанного в лаборатории Роджера Руана (Roger Ruan). Основным достижением, полученным Роджером Руаном и его коллегами, называют технологию полного цикла получения биотоплива из водорослей, включая способы увеличения скорости прироста массы, эффективные методики "отжимки", а также эффективные пути утилизации отходов, остающихся после переработки биомассы. Основной проблемой, сдерживающей быстрый прирост массы водорослей, считают слишком малую – всего лишь на несколько сантиметров, возможность проникновения солнечного света в толщу водно-растительной смеси, из-за чего эффективность использования крупных ёмкостей, да и в целом открытых водоёмов, оказывается очень низкой. В этом плане учёным из Миннесоты удалось разработать такой принцип работы "фотобиореактора", при котором обеспечивается оптимальный режим перемешивания света и питательных веществ для хорошего выхода продукции при работе даже с "дикими" культурами водорослей. Возможно, при чтении этого материала у кого-то уже зародилась аналогия "фотобиореактора" с тривиальным круглым искусственным водоёмом - типичным сооружением для очистки сточных вод. Именно на очистной станции Руан и команда его коллег экспериментируют с выращиванием водорослей. Благо, в фильтратах сточных вод предостаточно фосфатов и нитратов – веществ, крайне загрязняющих реки, но весьма полезных и питательных для водорослей. Видение будущего учёными из Миннесоты как раз включает этакие "водорослевые фермы", стоящие рядом с очистными сооружениями и потребляющими всё необходимое из стоков – в том числе, углекислоту, получаемую при сжигании осадка сточных вод. Главная цель, которая стоит нынче перед исследователями – снижение себестоимости производства биотоплива. По словам представителей UOP LLC, подразделения Honeywell International по разработке биотоплива, результат можно будет считать удовлетворительным в случае достижения уровня ниже $2 за галлон, и, что показательно, сейчас множество специалистов не видят в этом ничего нереального. Впрочем, в Пентагоне вполне согласны, если авиационное топливо из водорослей будет стоить менее $5 за галлон, а в идеале - менее $3 за галлон.

Если пофантазировать всласть, можно представить себе "водорослевые фабрики" где угодно, благо, уж что-что, а отходы человечество научилось производить лучше всего, в неограниченных количествах. Более того, для такой фабрики совершенно не понадобится использования пахотных земель – как в случае с производством биотоплива из растений, и больше не случится подорожаний растительного масла и хлеба из-за растрат урожая на производство топлива. Самое же, пожалуй интересное, что на свете существует превеликое количество водорослей, с удовольствием живущих и размножающихся в морской солёной воде. Такое положение дел, в сочетании со "всеядностью" бактерий в отношении отходов очистных сооружений и тепловых электростанций, можно назвать квинтэссенцией разумного подхода к борьбе с загрязнением планеты и розовой мечты всех экологов.

Вместо эпилога

В прошлом году одна новозеландская компания продемонстрировала всему миру модель Range Rover, усовершенствованную для работы с биодизельным топливом из водорослей. Тогда эксперты отнеслись с большим скептицизмом к перспективам таких автомобилей и в один голос заявили, что пройдёт много лет, прежде чем эта технология станет актуальной. Ага, хорошо умничать при цене нефти $50-$60 за баррель, интересно бы послушать этих экспертов с поправкой на нынешние цены. Зато группа учёных из Миннесоты полна оптимизма и обещает представить общественности несколько "демонстрационных" фабрик по переработке водорослей в топливо уже в ближайшие несколько лет. Находясь где-то в середине написания этого материала, я планировал ближе к концу статьи "пустить яда" в адрес мелиораторов, без головы осушивших в своё время множество болот. Ведь, помимо вусмерть искривлённой экологии таких регионов теперь, глядишь, и болота бы на что-нибудь сгодились. Ладно уж, сегодняшний сюжет обойдётся без мелиораторов. До следующих встреч, и пишите, какие темы IT-баек были бы вам интересны в будущем.

Ссылки по теме: