Марні надії на біопалива

Ще три роки тому «Пропозиція» недвозначно висловилася проти біопалив (див. «Біопалива: одна з найбільших дурниць в історії людства», «Пропозиція», 2008, №№1-3). У серпні цього року до такого самого висновку дійшло одне з найпрестижніших науково-популярних видань світу - американський журнал Scientific American. Оскільки не всі читачі мають доступ до Scientific American (а доступ до статей є платним), ми вирішили доволі стисло переказати статтю редактора Scientific American Дейвіда Б'єлло під назвою «The false promise of biofuels».

Ю. Михайлов

Лише кілька років тому біопалива розглядали як ідеальне вирішення двох великих американських проблем: залежність від нафти та небажана зміна клімату. Оскільки біопалива походять із рослин, що в процесі розвитку поглинають із атмосфери двоокис вуглецю, теоретично спалювання біопалив сповільнювало б накопичення тепличних газів порівняно зі спалюванням мінеральних палив.
Виробництво кукурудзяного етанолу в США зросло зі 189 млн л у 1979 році до 49 млрд л у 2010-у. Таке стрімке зростання пояснювалося вимогою уряду довести використання біопалив в автомобілях до 10%. Проте біопалива є конкурентоспроможними лише завдяки величезним державним субсидіям, що лише у 2010 році становили 5,68 млрд дол.
Компанія Range Fuels, започаткована колишнім менеджером компанії Apple Мітчем Мендіч, на початку 2011 року закрила свій новозбудований завод, не продавши й краплини етанолу. Завод мав щоденно переробляти 1000 т деревинної січки і відходів паперової галузі на 1,036 млн л етанолу. На будівництво заводу було витрачено мільйони доларів приватних коштів плюс 156 млн дол. коштів уряду США у вигляді грантів і позик.
На виробництві біопалив із рослинної речовини збанкрутували компанії Cilion у м. Гошен (шт. Каліфорнія), Ethanex Energy у м. Бейзхор (шт. Канзас) тощо, оскільки біопалива виявилися занадто дорогими.
Усупереч усім сподіванням, попри витрачені сотні мільйонів доларів урядових коштів і десятиліття зосередженої роботи, біопалива так і не склали конкуренції бензину за ціною та характеристиками.

На етанол з кукурудзи
не вистачить ріллі
Ключовою технологією виробництва етанолу з кукурудзи є ферментація.
На жаль, етанол із кукурудзи енергетично неефективний, а отже, не є вуглецево нейтральним. Дистиляція (переважно випарювання) етанолу із суміші води та дріжджів потребує великої кількості енергії, зазвичай з природних палив, таких як газ або вугілля. Отриманий біоетанол містить лише 2/3 енергії бензину.
Використовувана енергія - не безплатна, і кукурудзяний етанол без субсидій ніколи не складе конкуренції бензину.
Збільшення виробництва також обмежено площею родючої землі. У жовтні 2010 р. Служба досліджень Конгресу США повідомила, що якби весь рекордний урожай кукурудзи у США 2009 р. було використано на виробництво етанолу, він би замінив лише 18% потреби країни у бензині. Висновок експертів був такий: «Розширення виробництва етанолу з кукурудзи не забезпечить енергетичної безпеки США».
Заміна всього американського транспортного палива кукурудзяним етанолом потребувала б площі ріллі, втричі більшої за територію США.
Етанол не забезпечує відчутної економії у викидах двоокису вуглецю. Понад те, зростають ціни на продукти харчування та розширюється «мертва зона» в Мексиканській затоці, куди Міссісіпі виносить усі добрива з полів Середнього Заходу.

Целюлозу важко розкласти
Виправити ці хиби обіцяли технології другого покоління, тобто виробництво етанолу з цукру, що міститься у качанах і стеблах кукурудзи, а не з їстівних зерен або з аналогічного волокнистого матеріалу трав і навіть дерев. Ці частини рослин складаються з целюлози, яку не використовують як їжу люди або як корми - тварини, а отже, вона мала б впливати на ціни на продукти харчування.
США спроможні виробити 1,4 млрд т целюлозного матеріалу, такого як кукурудзяна солома, 80% якого можна було б переробити на біопаливо, що замінило б 30% потреби США у транспортному паливі.
Ключовою проблемою є знаходження ефективного способу розкладання стінок клітин рослин. По-перше, вони містять лігнін - хімічну сполуку, яка утримує стінки клітин від розпаду під дією гравітації і робить деревину неперетравлюваною тваринами. По-друге, вони містять хеміцелюлозу - складне цукрове волокно, зв'язане з лігніном, - що протистоїть руйнівним ензимам. Усередині цих стінок містяться довгі ланцюги молекул целюлози та прості вуглеводневі цукри, енергію яких можна використати у біопаливах.
Є декілька підходів до розкладання целюлози, ідеї яких запозичені в природі.
Перший підхід: розкладання целюлози на ліпіди безпосередньо за допомогою мікробів або виділення генетичного матеріалу, що кодує ензими мікробів, і використання його в промисловому процесі розкладання стінок клітин рослин.
Другий підхід: руйнування стінок клітин водяною парою або рідинами з електрично зарядженими молекулами, наприклад, соляною кислотою.
Третій підхід: використання родини ензимів, знаних як целюлази. Комерційно виробляє один такий ензим лише данська компанія Novozymes. Його ціна - приблизно 0,13 дол./л, що вдесятеро дорожче за ензими, використовувані за традиційної ферментації етанолу. Без суттєвого зменшення ціни ензимів біопаливна галузь є приреченою.
Проте використання навіть «суперензимів» не зможе зробити процес розкладання целюлози швидким. Швейцарська компанія Syngenta вже знайшла спосіб убудовувати гени в рослинні клітини для виробництва ензимів у зерні кукурудзи, яке тепер може саме перетворювати крохмаль на цукор за певних параметрів температури, вологості та кислотності в технологічному процесі. Насіння компанії Syngenta, що містить ензим, надійде у продаж вже у 2011 році.
Але самі вбудовані ензими не зроблять целюлозний етанол привабливішим. Компанія Gevo з Енглвуда в Колорадо та інші, такі як Virent з Медісона (шт. Вісконсин) дійшли висновку, що біопалива з целюлози не зможуть конкурувати з нафтою за будь-якої ціни на неї: цукри, що вивільняються, з урахуванням подальшого їхнього процесу перетворення у рідке паливо будуть утричі дорожчими за нафту.
Тому компанії звертаються до інших процесів трансформації цукрів (з целюлози чи цукрової тростини) в промислові хімікати, такі як прекурсори для пластмаси у пляшках, вартість яких удесятеро перевищує ціну природних палив.
Але навіть якщо цукри з целюлози були б конкурентоспроможними, цей підхід викликав би серйозні агрономічні та екологічні проблеми. Кукурудзяна солома після збирання врожаю зазвичай залишається на полі, де під час розкладання вона поліпшує якість грунту. Натомість вилучення її з поля може прискорити процеси його деградації. Деякі вчені вважають, що лише 80 млн т целюлозного матеріалу можна безпечно вилучити з полів у США (після переробки на етанол він покрив би лише 3% потреби у бензині).
У пошуках дешевшої сировини нафтові компанії інвестують у виробництво етанолу з цукрової тростини, а не з соломи. Цукрова тростина містить більше енергії, і її легше вирощувати.
У даний час Бразилія щорічно виробляє приблизно 26,5 млрд л етанолу з цукрової тростини. Проте зростання виробництва етанолу вплине на довкілля у Бразилії, насамперед, спричинить знищення тропічних лісів довкола річки Амазонки.

Рідкі палива з водоростей неконкурентоспроможні порівняно з нафтопродуктами
У якості альтернативи деякі вчені почали працювати з фотосинтезуючими організмами, які набагато ефективніше перетворюють фотони у хімічну енергію, - з баговинням. Організми зв'язують водень із двоокисом вуглецю для створення стінок клітин, поживних речовин і жиру - рослинної олії.
Певні штами баговиння можуть використовувати до 3% світла, що надходить, для виробництва рослинного матеріалу на противагу 1%, який використовують кукурудза або цукрова тростина.
Водорості можна вирощувати в пустелях (замість використання ріллі), підводячи солону воду або навіть стічні води, так що такий підхід не витісняє продовольчі культури і не потребує дорогої питної води.
Потенційно процес може забезпечити одержання олії на рівні 40 тис. л/га. Однак виробники біопалив із водоростей стикаються з цілою купою проблем. Якщо вони вирощуватимуть водорості у відкритих водоймищах, то як вони захищатимуть їх від хижаків, хвороб і забруднення природними штамами? Якщо вони вирощуватимуть водорості у біореакторах, то як вони окуплять вартість обладнання і перешкодять налипанню водоростей на його внутрішні стінки? Як вони забезпечуватимуть водорості азотом і фосфором, які вкрай потрібні їм для розвитку? Додавання великої кількості поживних речовин у систему робить її невигідною. Нарешті, як вони вилучатимуть олію без підведення енергії більшої, ніж отримуватимуть?
Лише кілька виробників водоростей виробили корисні обсяги олії - про прибутки ще ніхто не звітував.
Найбільшою проблемою може бути той факт, що водорості виробляють вуглеводні з метою захисту на випадок виникнення довгих періодів відсутності світла або поживних речовин. У цих стресових умовах водорості ростуть дуже повільно. Вчені мають подолати базові біологічні механізми цих клітин для того, щоб в умовах стресу вони зростали швидко.
Єдина компанія, що комерційно поставляє паливо з водоростей, узагалі не використовує фотосинтез. Компанія Solazyme із Сан-Франциско поставила 75800 л олії військовому флоту США за ціною 112 дол./л. Solazyme вирощує водорості всередині промислових чанів, які зазвичай використовують для виробництва інсуліну, подаючи в якості поживних речовин водоростям, замість світла та води, цукор. Як і інші біопаливні компанії, Solazyme може діяти прибутково, лише виробляючи продукти, дорожчі за паливо. Solazyme продає олію для використання у косметиці і співпрацює з компанією Dow Chemical у виробництві спеціальних хімічних речовин, таких як ізолюючі рідини.

Складність генетики
протистоїть використанню
синтетичних організмів
Компанії, що вирощують водорості, намагаються подолати перешкоди, змінюючи генетичний код мікроорганізмів за допомогою хімічних речовин або радіації. Проте вони поки що не знайшли потрібної комбінації генетичного коду.
У Спільному біоенергетичному інституті Міністерства енергетики США E. Coli перетворили на ефективну біологічну фабрику, що трансформує світло, CO2 і воду в різноманітні вуглеводні, включаючи біодизель. Поступово бактерію змінили для виробництва олії, так що її не треба знищувати в процесі. Олії спливають у баку догори, звідки їх забирають. Бактерія розвивається втричі швидше за дріжджі та є живучою завдяки властивості розвиватися в умовах відсутності кисню та отруйних умов шлунку.
Але й тут основними продуктами будуть більш дорогі вуглеводні.
Проте навіть за використання вдало змінених мікроорганізмів можна не досягти успішного виробництва вуглеводнів в обсягах або за ціною, що були б конкурентоспроможні щодо нафти. Довготермінове рішення полягає в створенні з нуля абсолютно нового генетичного коду, який би контролював усі параметри.
Компанія Synthetic Genomics вже створила синтетичну бактеріальну клітину, яка виділяє олію і яка є першим організмом, що живе за синтезованим генетичним кодом.
Цей підхід бачиться настільки перспективним, що нафтовий гігант ExxonMobil інвестував у компанію Synthetic Genomics 600 млн дол. Але проблема впирається в основи біології: навіть найменший геном налічує сотні загадкових генів, і вчені не мають жодної гадки щодо їхнього призначення. Біотехнологи можуть створити геном, але вони не знають, які саме гени потрібні для того, щоб мікроорганізм був життєздатним, дешевим і спроможним виробляти великі обсяги олії.
Навіть якщо хтось і створить чарівний організм, його успіх залежатиме від вартості поживних речовин. У даний час найдешевшим джерелом є бразильська цукрова тростина, але вона все ще є занадто дорогою для виробництва біопалив. Як і у разі з вирощуванням водоростей, інфекції та інші негаразди можуть призвести до зупинки виробництва.

Безнадійна справа
Отже, жодне з цих біопалив не є наразі конкурентоспроможним порівняно з нафтою (і навряд чи стане).
Енергія в усіх вирощуваних нині культурах - рослинах на корм, деревині для виробництва пульпи, паперу тощо -  становить приблизно 180 ЕДж (1018 Дж), або 20% світового енергоспоживання. Суттєве збільшення енергії в рослинах у найближчому майбутньому може виявитися недосяжним і мати значні негативні соціальні та екологічні наслідки.
Якщо кукурудзу та цукрову тростину розглядатимуть як альтернативу нафті, це й надалі підсилюватиме тиск на сільське господарство, яке вже тепер ледве спроможне задовольнити потреби зростаючого населення у продуктах харчування, кормах і волокнах.