Растёт спрос на биотоплива - горючие жидкости, изготовленные из возобновляемых биологических ресурсов. Один из них - древесина. Можно ли из древесины получать топливо, не уступающее нефтяному?

Первое, что нужно уяснить - это то, что именно бензина или керосина из дерева сделать нельзя. Оно не поддаётся разложению на углеводороды с прямой цепью, из которых главным образом состоят нефтепродукты. Однако это не означает, что из него нельзя получать вещества, способные заменить нефтепродукты.

Некоторые любят табуретовку

Первый в списке, конечно же, спирт. Из древесины можно получать два различных вида спирта. Первый, который так и называется древесным - по-научному метиловый спирт. Это вещество очень похоже на привычный этиловый спирт, как по горючести, так и по запаху и вкусу. Однако метиловый спирт отличается тем, что весьма ядовит, и приём его внутрь может привести к смертельному отравлению. Вместе с тем он является высококачественным моторным топливом, его октановое число даже выше, чем у этилового спирта, и намного выше, чем у обыкновенного бензина.

Технология получения метилового спирта из древесины очень проста. Он получается путём сухой перегонки, или пиролиза. Точнее, он является одной из составных частей жижки - смеси кислородсодержащих органических веществ, отделяющихся от свежевыгнанной древесной смолы. Однако выход полученного таким образом спирта слишком мал, чтобы он мог использоваться в качестве топлива. Это делает подобную технологию получения топлива бесперспективной.

Однако из древесины можно получить и этиловый спирт, в намного больших количествах. Этот спирт - так называемый гидролизный - получается при разложении целлюлозы, основного компонента древесины, с помощью серной кислоты. Вернее, при разложении целлюлозы получаются сахара, которые в свою очередь могут быть переработаны в спирт обычным путём. Этот способ получения этилового спирта весьма распространён в промышленности, именно гидролизным способом получают практически весь технический спирт, применяемый в непищевых целях.

Этиловый спирт может быть использован как непосредственно вместо бензина, так и в качестве присадки к бензину. Путём таких присадок получаются различные сорта биотоплива, популярные, в частности, в таких странах, как Бразилия.

Получение этилового спирта путём гидролиза древесины экономически несколько менее выгодно, чем получение его из различных сельскохозяйственных культур. Однако выгодной стороной такого способа получения биотоплива является то, что он не требует отведения сельскохозяйственных площадей под «топливные» культуры, не дающие пищевых продуктов, а позволяет использовать для его производства территории, задействованные в лесном хозяйстве. Это делает получение биотопливного этанола из древесины достаточно практичной технологией.

И терпентин на что-нибудь полезен

Недостатком этанола как топлива является его низкая теплота сгорания. При использовании в двигателях в чистом виде он даёт или меньшую мощность, или больший расход, чем бензин. Решить эту проблему помогает смешивание спирта с веществами с высокой теплотой сгорания. И не обязательно это продукты из нефти: в качестве такой присадки вполне годится скипидар, или терпентин.

Скипидар - тоже продукт переработки древесины, а если конкретно - хвойной: сосен, елей, лиственниц и других. Он достаточно широко применяется как растворитель, а наиболее очищенные его сорта находят применение в медицине. Однако лесоперерабатывающая промышленность в качестве побочного продукта производит большое количество так называемого сульфатного скипидара - низшего сорта, содержащего ядовитые примеси, не только неприменимого в медицине, но и находит весьма ограниченное применение в химической и лакокрасочной промышленности.

Вместе с тем скипидар из всех продуктов переработки древесины более всего похож на нефтепродукт, точнее - на керосин. Он отличается весьма высокой теплотой сгорания, может использоваться как горючее в керосиновых примусах, лампах, керогазах. Пригоден он и в качестве моторного топлива, правда, непродолжительное время: если его заливать в баки в чистом виде, двигатели вскоре выходят из строя из-за засмоления.

Однако скипидар можно использовать в качестве топлива не в чистом виде, а в качестве присадки к этанолу. Такая присадка не сильно снижает октановое число этилового спирта, но повышает теплоту его сгорания. Ещё одна положительная сторона такой технологии изготовления биотоплива в том, что скипидар денатурирует спирт, делает его непригодным для употребления внутрь в качестве алкоголя. А социальные последствия широкого внедрения неденатурированного спирта в качестве топлива могут стать весьма тяжелыми.

Лигниновые отходы - в доходы!

Такой компонент древесины, как лигнин, считается малополезным. Его применение в промышленности значительно менее широкое, нежели у целлюлозы. Несмотря на то, что он находит применение в производстве строительных материалов и в химической промышленности, чаще его просто сжигают прямо на лесохимпроизводстве. Однако, как выясняется, при пиролизе лигнина можно получить более разнообразные продукты, чем при пиролизе целлюлозы.

Лигнин состоит главным образом из ароматических циклов и коротких прямых углеводородных цепей. Соответственно, при его пиролизе получаются преимущественно углеводороды. Однако, в зависимости от технологии пиролиза, можно получать как продукт с высоким содержанием фенола и родственных ему веществ, так и жидкость, напоминающую нефтепродукты. Эта жидкость также пригодна в качестве присадки к этиловому спирту для получения биотоплива.

Разработаны технологии и установки для пиролиза, которые могут потреблять как лигнин из отвалов, так и неразделённые на лигнин и целлюлозу отходы древесины. Более высокие результаты получаются при смешивании лигнина или древесных отходов с мусором, состоящим из выброшенного пластика или резины: пиролизная жидкость получается более нефтеподобной.

Мирный атом и опилки

Ещё одна технология получения биотоплива из древесины разработана совсем недавно российскими учёными. Она относится к области радиохимии, то есть химических процессов, протекающих под воздействием радиоактивного излучения. В опытах учёных из ИФХЭ им. Фрумкина опилки и другие отходы древесины подвергались одновременному воздействию сильного бета-излучения и сухой перегонки, причём нагревание древесины проводилось именно с помощью сверхсильной радиации. Удивительно, но под воздействием радиации состав продуктов, получаемых при пиролизе, изменился.

В пиролизной жидкости, полученной «радиоактивным» способом, было обнаружено высокое содержание алканов и циклоалканов, то есть углеводородов, содержащихся главным образом в нефти. Эта жидкость получилась значительно легче нефти, сравнимой, скорее, с газоконденсатом. Причём экспертиза подтвердила пригодность этой жидкости для использования в качестве моторного топлива или переработки в высококачественные топлива, такие, как автомобильный бензин. Думаем, что это не заслуживает особого упоминания, но проясним ради успокоения страхов радиофобов: бета-излучение не способно вызывать наведённую радиоактивность, поэтому топливо, получаемое этим способом, безопасно и не проявляет радиоактивных свойств само.

Что пускать в переработку

Понятно, что предпочтительнее использовать для производства биотоплива не цельные стволы деревьев, а отходы переработки древесины, такие, как опилки, щепу, веточки, кору, да и тот же лигнин, который идёт в отвалы и печи. Выход этих отходов с гектара поваленного леса, конечно же, ниже, чем древесины в целом, но не следует забывать, что они получаются в качестве побочного продукта в производственных процессах, которые уже идут на многих предприятиях страны, соответственно, отходы производства дешевы и для их получения не нужно вырубать или засаживать под вырубку дополнительные площади леса.

В любом случае, древесина является ресурсом возобновляемым. Способы восстановления лесных площадей давно известны, а во многих регионах страны наблюдается даже и неконтролируемое зарастание лесом заброшенных сельскохозяйственных земель. Так или иначе, Российская Федерация не относится к странам, где к сбережению леса следует относиться со всем тщанием; площадей нашего леса и его потенциала к самовосстановлению вполне достаточно, чтобы загрузить полностью и лесоперерабатывающую промышленность, и производство биотоплив, и многие другие производства.

Новый европейский исследовательский проект изучает культуры травы, которые могли быть выращены и собраны на непригодных землях, вдали от территорий, используемых для выращивания продовольственных культур.

Трава может быть использован для производства биотоплива. Преимуществом использования травы является то, что она может быть выращена на непригодных землях, которые никак иначе не будут использоваться. «Непригодные земли» является широким определением, признает Сюзанна Барт, научный сотрудник Teagasc, исследовательского центра сельского хозяйства и развития в Карлоу, Ирландия. «Это могут быть почвы в плохом физическом состоянии или подверженные затоплениям, сильной засухи или которые страдают от солевого стресса». Сюзанна Барт координирует финансируемый ЕС исследовательский проект под названием GrassMargins, который тестирует, может ли быть использована трава как биотопливо.

Оптимизация урожая многолетних трав на этих землях будет иметь решающее значение для производства топлива по конкурентоспособной цене. Это также поможет решить вопрос конкуренции за земли, пригодные для продовольственных культур.

Таким образом, травы родом из Европы (растущие и в России), такие как овсяница тростниковая , куринная ножка (также известная как ежа сборная) и вейник проходят испытания, чтобы увидеть, как различные сорта растут в далеко не идеальных словиях. В Ирландии, ученые в основном заинтересованы в переувлажненных почвах или почвах, склонных к затоплениям. В северной Европе, травы должны выдерживать низкие температуры, в то время как устойчивость к соли является проблемой на юге Европы.

Вейник (лат. Calamagrostis) - род травянистых растений семейства Злаки (Poaceae). На территории России и сопредельных стран растут около 50 видов вейника

Это идея для фермеров, предпочитающих полностью использовать свою землю. Затем они могли бы использовать траву в качестве сырья для анаэробных реакторов для получения жидкого топлива или брикетировать её для использования в качестве объекта сжигаемого топлив для производства энергии или тепла. «Это вполне может быть, что один тип травы лучше на определенных непригодных землях, и другой тип на другой. Маловероятно, что один вид травы будет на голову выше конкурентов во всех условиях», говорит ученый проекта Джон Финнан, научный сотрудник и эксперт Teagasc по биоэнергии в Карлоу, Ирландия.Некоторые эксперты видят потенциал в некоторых местных травах и проводят испытания в рамках проекта: «овсяницу довольно легко вырастить, легко собрать, легко косить и паковать. Но, вероятно, её доходность ниже», - говорит Джон Клифтон-Браун из Aberystwyth университета, в Уэльсе, который ведет программу разведения тропической травы *Miscanthus - * растения также называемого слоновая трава, и уже успешно используемую как биотопливо. Он считает, что проект на местных травах может конкурировать с известными видами биотоплива.

Миска́нтус, или ве́ерник (лат. Miscánthus) - род многолетних травянистых растений семейства Злаки (Poaceae).

В рамках проекта также будет испытан мискантус в различных сложных условиях. «Мискантус не местный вид. Оно происходит из Юго-Восточной Азии, так что любит теплые условия, которые мы видим здесь [в Ирландии]», - объясняет Финнан.

Мискантус является хорошим кандидатом с научной точки зрения, согласно мнения эксперта Nicolas Brosse из университета биотоплива Лотарингии, Нанси, Франция. «Мискантус имеет низкую влажность и высокое содержание сахара. Продукт также интересен из-за его высокой производительности, это многолетняя трава, не требующая азот и гербицидов. А сорт * Miscanthus* *x giganteus* [стерильный гибрид] является неинвазивным. Поля Miscanthus также очень хорошее убежище для диких животных, таких как птицы, дикие кабаны, а также и для насекомых».

Тем не менее, он отмечает, что опубликованная урожайность от 15 до 25 тонн с гектара получена на очень плодородных землях, пригодных для выращивания пищи. «Производство Miscanthus на очень больших площадях, где произрастает кукуруза или пшеница, не должно рассматриваться. Одной из целей проекта является производство биомассы, полученной непригодных земель. Но в таком случае, фактическая урожайность может быть ниже». Броссе добавляет: «к фактической урожайности с гектара следует подходить с осторожностью, также необходимо учитывать возможное влияние на водно-болотные угодия и дикие районы.

Результатом проекта, скорее всего, станет несколько альтернативных решений. «Я не думаю, что любой сорт будет доминировать во всех странах, потому что разные культуры лучше всего подходят для разных мест. Я хотел бы сказать, что вся биомасса должна быть местной,» комментирует Брюс Дейл, эксперт по биотопливным культурам в Мичиганском государственном университете в городе Лансинг, штат Мичиган, США. «Я думаю, мы в первую очередь будем использовать растительные остатки, потому что они, вероятно, будут наименее дорогим, а после мы начнем испльзование энергетических культур, таких как Miscanthus. Я думаю, что другие многолетние травы, такие как просо и травы прерии, древесная биомасса, как плакучая ива также преуспела бы в некоторых местах «.

Л.В. Назаренко

Одной из особенностей развития современного мира является повышенное внимание мирового сообщества к проблемам рациональности и эффективности использования энергоресурсов, внедрения технологий энергосбережения и поиска возобновляемых источников энергии.

Сегодня развитие возобновляемой энергетики в мире приняло ускоренный характер, что связано с нарастающими многофакторными кризисными явлениями глобального характера. С одной стороны, отмечается ограниченность геологических запасов основных видов топливных ресурсов - нефти и газа, что приводит к неизбежному росту цен на них . С другой стороны, очевиден рост негативного влияния экологических факторов, вызванных последствиями жизнедеятельности человека.

Таблица 1

Извлекаемые запасы ископаемых первичных энергоносителей и ежегодный прирост биомассы (в млрд т)

Основной экологический ущерб, связанный с глобальным изменением климата Земли, - парниковым эффектом, наносят, главным образом, добыча, переработка и сжигание ископаемых видов топлива - угля, нефти и газа. Парниковый эффект составляет до 75 % доли антропогенного экологического ущерба. В этой связи удовлетворение нарастающих потребностей населения мира в топливе, электрической и тепловой энергии одновременно с обеспечением экологической безопасности обуславливает необходимость развития возобновляемой энергетики, ведь нефть - не единственное сырье для получения высокооктановой органики для двигателей.

Биотопливо занимает особое место в структуре возобновляемых источников энергии. Будучи одним из немногих видов альтернативного топлива в транспортном секторе, биотопливо рассматривается в качестве важного ресурса при выборе источников энергии и обеспечения энергетической безопасности, развития сельского хозяйства и сельских районов, а также для смягчения последствий изменения климата путем сокращения выбросов парниковых газов .

В нашей предыдущей публикации были проанализированы различные виды биотоплива . Условно биомассу, как сырье для производства биотоплива, можно подразделить на три поколения . В настоящий момент различают следующие поколения биотоплива (см. рис. 1):

пищевые масло- и сахаросодержащие наземные растения;

непищевые и целлюлозосодержащие растения;

непищевые водные растения, т. е. водоросли.

Рис. 1. Упрощенная классификация поколений биотоплива

Биотопливо первого поколения изготавливают из сахара, крахмала, растительного масла и животного жира, используя традиционные технологии. Основными источниками сырья являются семена или зерно. Например, из семян рапса извлекают растительное масло, которое затем может быть использовано в биодизеле. Из пшеницы получают крахмал, после его сбраживания - биоэтанол.

Вырубка лесов, отрицательное воздействие на традиционное сельское хозяйство, дисбаланс использования сельскохозяйственных земель в сторону технических культур и угроза продовольственной безопасности - вот некоторые из проблем, с которыми сталкивается человечество при производстве биотоплива. Основной проблемой в производстве топлива из биомассы является продовольственная безопасность, поскольку биотопливо первого поколения производится из сельскохозяйственных культур, входящих в пищевую цепочку людей и животных (кукуруза, соя, масличная пальма, рапс, сахарный тростник, пшеница, рожь). Общественность уже спохватилась, что значительные площади, где производилось продовольствие, коммерчески ориентированные земледельцы отдали под технические культуры. Поскольку население Земли растет и требуется все больше пищи, то использование этих площадей для производства биотоплива уменьшает количество доступных продуктов питания и увеличивает их себестоимость.

Биотопливо второго поколения производится из непищевого сырья. Источниками сырья являются лигноцеллюлозные соединения, остающиеся после того, как пригодные для использования в пищевой промышленности части растительного сырья удаляются. Для этой цели также могут быть использованы быстрорастущие деревья и травы (тополь, ива, мискантус, ятрофа и другие) . Их иначе называют энергетическими лесами или плантациями. Испытано около 20 различных видов растений - древесных, кустарниковых и травянистых.

Преимущество такого биотоплива заключается в том, что растения, из которых оно получено, не конкурируют с продовольственными культурами за землю. Они могут произрастать на склонах, холмах, в оврагах, а также на непродуктивных и вырождающихся землях, иногда даже с перспективой восстановления этих земель. Для их выращивания можно использовать минимальное количество воды, удобрений, пестицидов и техники. Каждые 4-7 лет деревья срезают, их годовой урожай может доходить до 7 тонн на гектар. В междурядьях можно дополнительно высаживать сельскохозяйственные культуры. Собранная биомасса используется для производства тепловой и электрической энергии, а также может служить в качестве сырья для производства жидкого биотоплива.

Энергетические плантации можно подразделить на несколько видов: плантации деревьев быстрого роста (эвкалипт, ива, тополь, осина, ольха, роза многоцветная); двудольные растения (артишок, топинамбур, сида); многолетние злаки (мискантус гигантский); однолетние злаки (сорго суданское, тростник обыкновенный).

В таких странах, как Италия, Германия, Аргентина, Польша, на сегодняшний день широко практикуется создание специальных плантаций быстрорастущих пород тополя и ивы (тополь черный - Populus nigra, ива ломкая - Salix fragilis, ива корзиночная - Salix viminalis). Ива приобрела в качестве биотоплива популярность и в скандинавских странах. Ее собирают каждые 3-4 года. В Северной Индии посадки быстрорастущего тополя и эвкалипта занимают примерно от 50 до 60 тысяч гектар. В Германии производительность энергетических лесов достигает 20 миллионов кубометров древесины в год.

В России пока энергетические плантации развиты слабо, в основном используются быстрорастущие деревья, такие как тополь или осина. К примеру, в Ленинградской области начаты работы по закладке плантаций осины на неиспользуемых сельскохозяйственных землях в Бокситогорском районе.

«Зеленое топливо» перспективно как ценный возобновляемый источник энергии. Так, например, в г. Зиммеринге (Австрия) находится крупнейшая в Европе электростанция, использующая древесную биомассу. Ее мощность составляет 66 МВт, а потребляет она ежегодно 190 тысяч тонн биомассы, собираемой в радиусе 100 км.

Мискантус или мискант (серебряная трава, слоновья трава, Miscanthus giganteus) - бамбукоподобная трава, которую уже несколько лет выращивают в Европе и Северной Америке. Она морозо- и засухоустойчивая. Растение вырастает высотой до 4 м и более, урожай ее можно собирать в течение 30 лет, не пересеивая поля. Мискантус может произрастать на бедной почве, практически не требует удобрений и хорошо растет во влажных условиях умеренного климата на всей территории США, Европы и Азии. При этом мискантус не истощает землю. Более того, из мискантуса можно добыть большое количество биомассы при весьма небольшой посевной площади, что выгодно отличает это растение от других культур. Урожайность мискантуса составляет до 10-12 тонн на гектар, что примерно эквивалентно 36 баррелям нефти. Выведены гибриды мискантуса с урожайностью до 60 тонн с гектара. Специалисты утверждают, что если засадить 10 % полей Европы мисканту- сом, то можно будет дополнительно выработать до 9 % электроэнергии.

Ятрофа ядовитая (джатрофа, Jatropha curcas L.) относится к семейству молочаевых. Известна, как многолетний древовидный сорняк, растущий на бедных сухих почвах, размножается черенками и легко распространяется с помощью семян. Встречается по всей планете, но особенно хорошо растет в странах с тропическим и субтропическим климатом. Содержание питательных веществ в почве не является главным фактором, влияющим на продуктивность ятрофы. Этот кустарник может расти практически на любой почве, даже на заброшенных и неиспользуемых землях. Плантации ятрофы имеются в Индии, Китае, Бирме, Никарагуа, во многих африканских странах, на Филиппинах и в Бразилии. Семена ятрофы ядовиты для человека и животных, но в них содержится до 40 % различных масел. Ятрофа имеет высокий выход масла из семян в сравнении с основными биодизельными культурами - соей и рапсом. С гектара посевов сои получают почти 400 кг масла для биодизеля, из рапса - 1 т, из ятрофы - 3 т. Европейские селекционеры работают над выведением новых высокомасличных, скороспелых и морозоустойчивых гибридов ятрофы ядовитой.

Камелина (рыжик посевной, рыжей, Camelina sativa) - масличная однолетняя трава. Род рыжик объединяет 10 видов, произрастающих в Европе и Азии в зонах прохладного климата степной и лесной областей. Может расти на полях, залежах, вдоль дорог. Посевной рыжик произошел от сорных форм, которые в диком виде в России встречаются повсеместно. Камелину можно сеять тогда, когда почва отдыхает от пшеницы и других зерновых в рамках севооборота. Выход масла у рыжика с 1 га составляет 490 кг (583 л). В семенах содержится 33-42 % масла, 25-30 % белков, витамин Е.

Таким образом, биотопливо второго поколения будет постепенно замещать биотопливо первого поколения, что связано с его большей экологичностью, производительностью, а также с тем, что оно вырабатывается из непищевого сырья. Россия, имеющая огромные площади земель, не пригодные для сельского хозяйства, может легко задействовать их для посадок энергетических растений с целью получения биомассы для биотоплива.

К сожалению, экономические, социальные и этические аспекты сдерживают развитие производства первых двух поколений биотоплива. Чем острее эти проблемы, тем больший интерес приобретает развитие третьего поколения биотоплива. Эффективной возобновляемой биомассой, для которой не нужны пахотные земли и пресная вода, являются водоросли. Это простые организмы, приспособленные к росту даже в загрязненной или соленой воде. Определяющими факторами для накопления биомассы водорослями являются:

интенсивность солнечной радиации;

температура воды;

наличие биогенных элементов;

концентрация углекислоты.

Водоросли преобразуют солнечную энергию и углекислый газ в дешевое и высокопродуктивное сырье для получения продуктов питания, биотоплива, кормов для животных и высокоценных, биологически активных веществ. То есть эти организмы обладают эффективным аппаратом биоконверсии солнечной энергии и являются ее природными биоаккумуляторами. Продуктивность микроводорослей по биомассе превышает продуктивность наземных растений . Максимальные реальные величины прироста биомассы водорослей при интенсивности солнечной радиации 5623-7349 МДж на м2 в год (180-235 Вт/м2) составляют 38-47 г сухой биомассы с квадратного метра в сутки .

Водоросли включают в себя множество видов как одноклеточных, так и многоклеточных организмов. Они состоят из белков, углеводов, жиров и нуклеиновых кислот. Процентное содержание этих веществ зависит от вида водоросли. Некоторые штаммы водорослей идеально подходят для производства биотоплива благодаря высокому содержанию в них масла . Микроводоросли по потенциальному энергетическому выходу в 8-25 раз превосходят пальмовое масло и в 40-120 раз - рапсовое, что позволяет относить их к типичным представителям растительных масленичных культур. Существуют отдельные виды этих растений, содержащие до 40 % жирных кислот. Водоросли вида Botryococcus braunii способны до 61 % своей биомассы переводить в масло. Это масло может быть извлечено из водорослей и переработано в биодизель. Биотопливо, получаемое из водорослей, не содержит серы, нетоксично и хорошо поддается биоразложению. Преимущество получения биодизельного топлива из водорослей состоит в их высокой скорости роста и, следовательно, в высоком выходе биомассы на 1 га площади. Накопление жиров в водорослях при этом обычно происходит в условиях дефицита питательных веществ.

Десять преимуществ водорослей :

водоросли представляют собой непищевую биомассу, использование которой для производства топлива не представляет угрозы продовольственной безопасности;

водоросли растут в 20-30 раз быстрее наземных растений (некоторые виды могут удваивать свою массу несколько раз в сутки);

они производят в 15-100 раз больше масла с гектара, чем альтернативные наземные культуры - рапс, масличная пальма, соя или ятрофа;

они не имеют жесткой оболочки и практически лигнина, что технологически делает их переработку в жидкие виды топлива более простой и эффективной, чем переработка биомассы из любого наземного сырья;

производство и использование водорослей в качестве биотоплива не требует изменения российского законодательства, как в случае с этанолом;

водоросли растут как в пресной, так и в соленой воде, в том числе и в промышленных стоках, где используются для очистки;

водоросли можно выращивать промышленным способом в биореакторах или фотобиореакторах, освещаемых искусственными источниками света, либо в открытых резервуарах на некультивируемых почвах, включая пустыни;

фотобиореакторы встраиваются в технологические линии уже существующих промышленных предприятий (ТЭЦ, нефтехимические производства, цементные заводы);

водоросли уменьшают эмиссию углекислого газа (поглощают до 90 % С°2);

водоросли также являются источниками масел, протеинов, углеводородов.

Особый интерес вызывает культивирование водорослей с использованием вторичных ресурсов. CO2 был и остается самым масштабным отходом промышленности. Водоросли могут использовать этот газ промышленного происхождения для своего роста и синтеза биомассы, поскольку процессы их метаболизма протекают более интенсивно при повышенных концентрациях углекислоты в среде. Таким образом, водоросли могут превращать углекислый газ из негативной проблемы в позитивный фактор, что открывает перспективы для улучшения экологической ситуации в мире.

Уникальными условиями для выращивания водорослей обладают сооружения по очистке сточных вод. Примером служит строительство ТЭС на Курьяновских очистных сооружениях (КОС), работающей на биогазе . Биогаз получается после сбраживания осадка первичных отстойников очистных сооружений. В результате этого в перебродившем осадке не остается ни одной болезнетворной бактерии, и он может быть использован в качестве высококачественного удобрения. Если в схему ТЭС встроить биореактор с водорослями, можно дополнительно получать биомассу для топлива, максимально оптимизировав затраты, поскольку очищенная сточная вода является благоприятной средой для роста микроводорослей. Здесь круглогодично имеются все необходимые условия для фотосинтеза: теплая вода, биогенные элементы (в фильтратах сточных вод после очистки ее активным илом достаточно фосфатов и нитратов - веществ, загрязняющих реки), углекислый газ (образуется в результате окисления органического вещества и сжигания метана на ТЭС). Подача отходящих газов ТЭС в культуру микроводорослей существенно стимулирует их рост. При производстве 1 кг сухой биомассы водорослей потребляется: 1,9 кг СО2, 80 г азота и 13 г фосфора. Получаемая биомасса - сырье для ряда ценных продуктов: биотоплива, органического удобрения или корма для животных. Таким образом, могут быть решены две проблемы: утилизация отходов первичных отстойников очистных сооружений и получение биотоплива.

Другим возобновляемым источником являются собственно илы озер, состоящие из отмерших микроводорослей и продуктов их жизнедеятельности . Красноярские ученые обратили внимание на этот бесплатный «склад» микроводорослей, который образуется естественно, без дополнительных затрат. Добывать илы специально для производства биодизеля затратно, но их достают со дна озера в экологических целях: для очистки. Каждые 15-20 лет для восстановления водной экосистемы положено вычерпывать и убирать донные осадки. Было предложено осадок, который является побочным продуктом природоохранных мероприятий, использовать в качестве сырья для биотоплива. Ученые изучили липидный состав полученного биодизеля: он оказался достаточно хорошим, по качеству соответствующим «Евро-4» и «Евро-5».

Технологический процесс производства биотоплив из водорослей практически безотходен. Сухие отходы биомассы после извлечения биомасла сохраняют все витамины и ценные вещества, поэтому могут быть использованы в качестве подкормки в рыбоводческих и животноводческих хозяйствах. Кроме того, возможно превращение их в еще один вид энергоносителей - топливные брикеты .

Можно отметить ряд потенциальных преимуществ производства биотоплива на основе фотосинтезирующих водорослей .

В отличие от сырья для первого и второго поколений биотоплива в производстве биомассы из водорослей не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода. То есть процесс выращивания микроводорослей не конкурирует с сельскохозяйственным производством.

Используемые для производства биотоплива водоросли высокопродуктивны (до 100 т/га в год).

Различные водоросли производят биомасла посредством естественного фотосинтеза, для которого требуется солнечный свет, вода и углекислый газ, а также питательные вещества.

Растущие водоросли используют углекислый газ, обеспечивая снижение объемов парниковых газов в атмосфере.

Водоросли вырабатывают больший объем биотоплива с занимаемых площадей, чем источники биотоплива на базе сельскохозяйственных культур.

Произведенное водорослями биомасло и конечное биотопливо имеют молекулярную структуру, аналогичную нефти и нефтепродуктам.

Полученное из водорослей биомасло может быть использовано для производства всего ассортимента топлива, включая бензин, дизельное топливо и топливо для реактивных двигателей.

При наличии финансирования технологии, доведенные до промышленного применения, могут принести в течение 2-2,5 лет значительный экономический эффект. Московская ТЭЦ-21 вырабатывает в год 9,1 млрд кВт-ч электроэнергии; полное использование выбросов CO2 для выращивания водорослей позволит производить жидкие энергоносители суммарной энергетической ценностью от 8 до 11,4 млрд кВт-ч/год . Таким образом, использование биотоплива из водорослей может внести значительный, сопоставимый с производством электроэнергии, вклад.

К 2030 году объем производства биотоплива в мире может приблизиться к производству нефти . Основой такого производства может стать биомасса водорослей, которые сейчас практически не используются или используются с малой эффективностью. Это объясняется высокой стоимостью даже простой системы производства водорослей. В настоящее время еще не развиты технологии получения массовой культуры водорослей, начиная от выбора высокопродуктивных штаммов водорослей, которые можно было бы стабильно поддерживать в открытых водоемах, и заканчивая низкой себестоимостью их сбора. Основная задача, которая стоит перед альгологами, - необходимость достижения значительной продуктивности биомассы водорослей с высоким содержанием растительных масел или других прекурсоров биотоплива, необходимых для покрытия больших капитальных и эксплуатационных затрат производства водорослей. Тем не менее все усилия по преодолению этих ограничений оправданы, потенциал применения таких технологий вне конкуренции по сравнению с продовольственными культурами.

В настоящее время разрабатываются концепции и технологии для получения биотоплива четвертого поколения, которое будет более рентабельным и экологически чистым (с минимальным совокупным выбросом СО2 в атмосферу). Моделирование организмов с использованием методов генетической инженерии представляет основу для создания таких видов топлива. Заменяя одни гены другими, ученые могут заставить организмы, способные преобразовывать простые сахара и масла прямо в прекурсоры биотоплива, выделять эти соединения непосредственно в окружающую водную среду.

Однако радикально повысить эффективность фотосинтеза генно-инженерными методами, по-видимому, будет очень трудно .

Сегодня основная трудность в получении биотоплива из травы, опилок, ботвы культурных растений и тому подобного заключается в разложении важнейшего компонента растительной клетки - целлюлозы - на простые компоненты.

Ученые использовали микроорганизмы, обитающие в кишечнике жвачных животных - коров . Эти микроорганизмы выделяют специальные ферменты, разлагающие целлюлозу на простые компоненты, которые затем могут быть усвоены организмом животного .

Были исследованы геномы 20 видов бактерий, относящихся к родам Clostridium и Thermoanaerobacteraceae, и разработана специальная методика анализа биологического материала, которая позволила расшифровать ДНК этих до сих пор во многом загадочных микроорганизмов. В связи с этим выявлено около 30 тысяч генов, потенциально способных выполнять функции разложения целлюлозы. Из них было выбрано 90 генов ферментов, которые были протестированы на активность в процессах расщепления целлюлозы. Примерно 20 % из этого количества генов проявили способность активно разлагать целлюлозу, содержащуюся в растении просо. Таким образом, ученые открыли ранее неизвестные гены ферментов, которые могут быть использованы для разработки и генетической трансформации микроорганизмов с целью получения биотоплива из отходов растениеводства и сорной травы.

В Соединенных Штатах биологам удалось вывести несколько штаммов бактерий кишечной палочки, которые способны сразу осуществлять весь процесс производства биотоплива . Сам процесс производства биотоплива состоит из двух этапов. На первом этапе бактерии расщепляют целлюлозу и гемицеллюлозу. На втором этапе продукты расщепления синтезируются в биотопливо. Набор штаммов микроорганизмов объединил оба сложных этапа производства биотоплива. Эти организмы сами расщепляют все компоненты биомассы, превращают полученные элементы в сахара, из которых сами же и создают молекулы органического топлива.

Ученые вставили в геном кишечной палочки гены, которые отвечают за расщепление целлюлозы и гемицеллюлозы и выделение биотоплива. Сравнивая различные виды бактерий, расщепляющих биомассу, ученые выбрали десять самых эффективных ферментов и в геном кишечной палочки вставили гены, соответствующие этим ферментам. В результате бактерии с генами, отвечающими за расщепление гемицеллюлозы, и генами, разрушающими целлюлозу, заработали и стали образовывать промежуточные фрагменты-олигомеры. Гены заработали так, что олигомеры стали выделяться в среду выращивания, вне бактерии. Аналогичные наборы генов, расщепляющих уже олигомеры целлюлозы и гемицеллюлозы, подключили к предыдущим так, что они начинали работать, когда в питательном растворе накапливалось достаточное количество фрагментов гемицеллюлозы и целлюлозы. Последним этапом выстраивания «архитектуры» бактерий-биореакторов стало присоединение к модифицированным геномам кишечных палочек генов, которые будут синтезировать биотопливо. Фактически появился целый «живой конвейер», производящий биотопливо. Ученые уже проверили жизнеспособность новых бактерий на практике, с этой целью засеяв бактериями обработанную биомассу из стеблей и листьев гигантского проса.

Таким образом, были разработаны штаммы E. coli, которые осуществляют механизмы синтеза трех разных типов биотоплива. Это позволило продемонстрировать, что синтез топливных заменителей или прекурсоров для бензиновых, дизельных и реактивных двигателей происходит непосредственно в жидкой среде обработанного проса без добавления ферментов гидролаз. Такая демонстрация представляет собой важный шаг в реализации ослабления разногласий в осуществлении процессов производства биотоплива.

Учеными была разработана интересная «электромикробная» система, которая на входе получает электричество и углекислый газ, а на выходе производит изобутанол и 3-метил-1-бутанол - вещества, которые можно использовать в качестве жидкого топлива, пригодного для двигателей внутреннего сгорания . Главным компонентом в этой системе является генетически модифицированная бактерия Ralstonia eutropha. На катоде синтезируется формиат (HCOO), который поглощается бактериями. Окисляя формиат, бактерии производят НАДН, который затем используется для синтеза органики из CO2. Помимо веществ, необходимых для жизни и роста самих микроорганизмов, бактерии синтезируют биотопливо при помощи встроенного в их геном комплекса генов. Эта генетическая конструкция была разработана ранее и опробована на кишечной палочке . Основными ее компонентами являются гены ферментов, осуществляющих декарбоксилирование кетокислот, которые производятся бактериями в качестве промежуточных продуктов в ходе синтеза аминокислот валина и лейцина. В результате вещество, «предназначенное» для синтеза валина, частично превращается в изобутанол, а из предшественника лейцина производится 3-метил-1-бутанола. В итоге микробы могут расти в реакторе и производить биотопливо из углекислого газа, используя электрический ток в качестве единственного источника энергии.

Экологическая составляющая и экономические показатели различных методов производства биотоплива делают их недостаточно рентабельными, чтобы полностью вытеснить использование ископаемого топлива. Задача получения углеводородов биомассы в таких объемах и/или по такой себестоимости, чтобы они могли конкурировать с нефтью, может оказаться непростой даже для модифицированных микроорганизмов. Основная цель состоит в том, чтобы создать целый генетический код с нуля, контролируя все параметры.

Подводя итоги, отметим, что биомассу можно превращать в энергоемкие соединения, которые допустимо использовать для транспорта, для обогрева жилищ, для химической индустрии. Такое использование биомассы может сыграть существенную роль в энергетической безопасности и охране окружающей среды. Все это потребует значительных долгосрочных междисциплинарных усилий. Для того чтобы этого достигнуть, должен быть устранен целый ряд узких мест в интегрированной цепочке производства биотоплива: метаболическое конструирование и моделирование штаммов, накопление конкретных соединений, переработка биологических веществ, дизайн и эксплуатация фотобиореакторов и, наконец, использование логистики, которая объединяет все эти процессы в единое целое и делает их рентабельными.

Список литературы

Аршинова А. Вадим Яковлев (ИК СО РАН) о перспективах биотоплива // URL: www.computerra.ru/584522/

Варфоломеев С.Д., Ефременко Е.Н., Крылова Л.П. Биотоплива // Успехи химии. 2010. Т. 79. № 6. С. 544-564.

Моисеев И.И., Тарасов В., Трусов Л. Эволюция биоэнергетики. Времяводорослей// The Chemical Journal. 2009. Декабрь. С. 24-29.

Назаренко Л.В. Биотопливо: история и классификация видов биотоплива // Вестник МГПУ. Серия «Естественные науки». 2012. № 2 (10). С. 16-32.

Храменков С., Козлов М. и др. Ресурс особого назначения. Использование потенциала очищенной воды городов для производства биотоплива // Вода Magazine. 2011. № 1 (41). C. 18-22.

Atsumi S., Hanai Т., Liao J.C. Non-fermentative pathways for synthesis of branched-chain higher alcohols as biofuels // Nature. 2008. V. 451. P. 86-89.

Atsumi S., Wu T. Y., EcklE.M. et al. Engineering the isobutanol biosynthetic pathway in Escherichia coli by comparison of three aldehyde reductase/alcohol dehydrogenase genes // Appl. Microbiol .Biotechnol. 2010. V. 85 (3). P. 651-657.

Benemann J. Microalgae biofuels: a brief introduction // URL: www. adelaide.edu.au/biogas/renewable/biofuels_introduction.pdf.

Blankenship R.E., Tiede D.M. Comparing photosynthetic and photovoltaic efficiencies and recognizing the potential for improvement // Science. 2011. V. 332. P. 805-809.

Bokinsky G., Peralta-Yahya Р.Р. et al. Synthesis of three advanced biofuels from ionic liquid-pretreated switchgrass using engineered Escherichia coli // PNAS. 2011. V. 108. № 50. P. 19949-19954.

Schenk P.M., Thomas-Hall S.R., Stephens Е. et al. Second generation biofuels: high- efficiency microalgae for biodiesel production // Bioenergy Research. 2008. V. 1. P. 20-43.

Chisti Y. Biodizel from microalgae // Biotechnology Advances. 2007. V. 25. P. 294-306.

Hemme C.L., Mouttaki Н. et al. Sequencing of multiple clostridial genomes related to biomass conversion and biofuel production // J. Bacteriol. 2010. V. 192. № 24. P. 6494-6496.

Hess M., Sczyrba А. et al. Metagenomic discovery of biomass-degrading genes and genomes from cow rumen // Science. 2011. V. 331. P. 463-467.

Kuchkina A.Yu. Gladyshev M.I. et al. Biodiesel production from sediments of a eutrophic reservoir.

LiH., Opgenorth Р.Н. et al. Integrated electromicrobial conversion of CO2 to higher alcohols // Science. 2012. V. 335. P. 1596-1599.

RosenbergJ.N., Oyler G.A. et al. A green light for engineered algae: redirecting metabolism to fuel a biotechnology revolution // Curr. Opin. Biotechnol. 2008. V. 19. P. 430-436.

Walker D.A. Biofuels, facts, fantasy, and feasibility // J. Appl. Phycol. 2009. V. 21. P. 509-517.

Weyer K.M., Bush D.R. et al. Theoretical Maximum Algal Oil Production // BioEnergy Research. 2010. V. 3. № 2. P. 204-213.

Wijffels R.H., Barbosa M.J. An outlook on microalgal biofuels // Science. 2010. V. 379. P. 796-799.

По своим энергетическим характеристикам водоросли значительно превосходят другие источники.

200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5% автомобилей США. 200 тысяч гектаров — это менее 0,1% земель США пригодных для выращивания водорослей.

Однако, водоросли, содержащие большее количество масла, растут медленнее. Например, водоросли, содержащие 80% нефти вырастают раз в 10 дней, в то время как, водоросли, содержащие 30% -3 раза в день.

Производство водорослей привлекательно еще и тем, что в ходе биосинтеза поглощается углекислый газ из атмосферы.

Однако, основная технологическая трудность заключается в том, что водоросли чувствительны к изменению температуры, которая вследствие этого должна поддерживаться на определенном уровне (резкие суточные колебания недопустимы).

Также коммерческому применению водорослей в качестве топлива препятствует на сегодняшний день отсутствие эффективных инструментов для сбора водорослей в больших объемах. Также необходимо определить наиболее эффективные для сбора масла виды.

Технологии выращивания водорослей

Департамент Энергетики США исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program». Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гаваи и Нью-Мексико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м2. Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в захвате СО2. Урожайность составила более 50 гр. водорослей с 1 м2 в день.

Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата.

Компания BioKing приступила к серийному производству запатентованных биореакторов по разведению водорослей, пригодных к немедленной эксплуатации, которые включают быстрорастущие водоросли с высоким содержанием масла.

Испанские ученые нашли один из видов микроводорослей, которые способны гораздо быстрее размножаться, чем другие биологические собратья при определенном освещении. Если в открытом море каждый кубометр воды приходится до 300 экземпляров водорослей, то исследователи получили 200 млн. экземпляров на тот же кубометр воды.

Микроводоросли растут в пластиковом цилиндре диаметром в 70 см и длиной в 3 м. Водоросли размножаются делением. Они делятся каждые 12 часов, и постепенно вода в цилиндре превращается в зеленую плотную массу. Один раз в день содержимое цилиндра подвергается центрифугированию. Остаток представляет собой практически стопроцентное биотопливо. Насыщенная жирами часть этой массы преобразуется в биодизель, а углеводороды — в этанол.

Разработки биотоплива из водорослей

Корпорация Chevron, один из мировых энергетических гигантов начали исследование возможности использования водорослей в качестве источника энергии для транспорта, в частности, для реактивных самолетов. В ходе исследований будут изучены виды водорослей, которые содержат максимальный процент масел в своем составе, а также разработаны методы культивирования водорослей.

Компания Honeywell, UOP недавно начала проект по производству военного реактивного топлива из
водорослевых и растительных масел.

Компания Green Star Products завершила вторую фазу испытаний демонстрационного завода по производству биодизеля из водорослей в Монтане. Во время второй фазы выбирались оптимальные условия для выращивания водорослей штамма zx-13.

GSPI разработала гибридную систему выращивания водорослей в прудах — Hybrid Algae Production System. Обычные водоросли живут при температуре воды около 30 по Цельсию, zx-13 выживают при температуре около — 44. zx-13 также продемонстрировали хорошую устойчивость к повышенному содержанию солей в воде.

Однако, во второй фазе испытаний GSPI не удалось отработать технологию сбора водорослей. Водоросли созрели раньше, чем ожидалось, и оборудование ещё не было готово. Технология GSPI позволяет собирать водоросли размером более 2 мкрн. Водоросли меньшего размера возвращаются в пруд для дальнейшего выращивания.

На следующем этапе технология GSPI будет испытываться на пруду площадью 100 акров. Ведутся переговоры о размещении 100-акрового пруда в Калифорнии, Миссури и Юте. В дальнейшем возможно увеличить площадь до 500 — 1000 акров.

Крупная энергетическая компания Японии Tokyo Gas Co намерена построить демонстрационный завод, на котором из морских водорослей будут получать электричество. Для работы газовых генераторов на станции будет использоваться метан, выделяемый из мелко изрубленных водорослей.

Для ряда японских префектур, включая столичную, загрязнение побережья водорослями остается серьезной экологической проблемой. Они нередко выделяют при гниении зловонный запах и портят пейзаж.

Между тем новейшая разработка японских специалистов предлагает решить эту проблему с экономической выгодой. Экспериментальная модель завода с газовым электрогенератором, которая уже работает в лаборатории несколько лет, позволяет в день уничтожать до 1 тонны водорослей.

При этом вырабатывается около 9,8 киловатт электроэнергии. Эта пилотная установка позволяет получать около 20-30 куб метров метана в месяц — этого объема достаточно, чтобы ровно на половину сократить месячный расход на электричество средней семьи.

По подсчетам Tokyo Gas, строительство предприятия, в зависимости от производственной мощности, требует от нескольких десятков млн до 200 млн иен.

Испанская фирма Bio-Fuel-Systems планирует не только изготовлять из водорослей горючее, но и снижать уровень двуокиси углерода, который образуется при производстве электроэнергии с использованием органических видов топлива. В 2008 году запланировано строительство подобной установки в районе города Аликанте.

Компании Shell и HR Biopetroleum намерены построить на Гавайских островах опытный завод по получению растительного масла из микроводорослей и его дальнейшей переработке в биотопливо.

Микроводоросли будут выращивать на месте, в специальном открытом бассейне с морской водой. Виды микроводорослей будут отобраны для дальнейшего использования из местных образцов морских организмов, в качестве критерия отбора будут использованы быстрый рост водорослей и максимальный выход растительного масла

Авиационная промышленность также заявила о начале разработок по использованию морских водорослей, в качестве сырья для производства авиационного топлива. Компания Боинг сообщила, что альтернативой биодизелю, произведенному из морских водорослей, в будущем может стать производство авиационного биотоплива.

Согласно документу, никакое биотопливо, которое сегодня производится, не может быть использовано в качестве авиационного топлива. Этанол поглощает воду и разъедает двигатель и топливный провод, в то время как биодизель замерзает при низких температурах (на крейсерской высоте). Кроме того, биотопливо обладает более низкой термической стабильностью, чем обычное реактивное топливо.

Специалисты Боинга считают, что оптимальным сырьем для производства биотоплива станут морские водоросли, из которых получают в 150 — 300 раз больше масла, чем из сои. По их мнению, биотопливо из водорослей — это будущее для авиации. Так, если бы весь флот авиалиний мира по состоянию на 2004 год использовал 100% биотопливо, полученное из морских водорослей, понадобилась бы 322 млрд. литров масла.

Для выращивания этих водорослей необходима земля площадью 3,4 млн. га. В расчете принято, что с одного гектара получается 6 500 литров ежегодно. Для этих целей, возможно, использовать земли, которые не пригодны для выращивания пищевых сельхозкультур.

Использование биотоплива, например этанола (этилового спирта) или дизельного топлива (биодизеля), полученного из специально выращенных растений, обычно рассматривают как важный шаг к сокращению выбросов углекислого газа (СО 2) в атмосферу. Конечно, при сжигании биотоплива углекислый газ попадает в атмосферу совершенно так же, как и при сжигании ископаемого топлива (нефти, угля, газа). Разница в том, что образование растительной массы, из которой было получено биотопливо, шло за счет фотосинтеза, то есть процесса, связанного с потреблением СО 2 . Соответственно, использование биотоплива рассматривается как «углерод-нейтральная технология»: сначала атмосферный углерод (в виде СО 2) связывается растениями, а потом выделяется при сжигании веществ, полученных из этих растений. Однако стремительно расширяющееся производство биотоплива во многих местах (прежде всего в тропиках) ведет к уничтожению природных экосистем и утере биологического разнообразия.

Двигатели, работающие на биотопливе, используют энергию солнечного света, запасенную растениями. Энергия ископаемого топлива — это на самом деле тоже когда-то давно (десятки и сотни миллионов лет тому назад) связанная энергия солнечного света, а выделяющийся при сжигании ископаемого топлива углекислый газ когда-то был изъят из атмосферы (и вод океана) растениями и цианобактериями. Казалось бы, биотопливо ничем не отличается от обычного ископаемого топлива. Но разница есть, и определяется она временно й задержкой, лагом между связыванием СО 2 в ходе фотосинтеза и выделением его в процессе сжигания углеродсодержащих веществ. Если этот лаг очень большой (как в случае использования горючих ископаемых), то состав атмосферы мог за это время существенно измениться. Кроме того, если связывание углекислого газа происходило в течение очень длительного времени, то высвобождение происходит очень быстро. В случае же использования биотоплива временно й лаг совсем небольшой: месяцы, годы, для древесных растений — десятилетия. Поэтому биотопливо и называют часто «углерод-нейтральным».

При всех плюсах использования биотоплива быстрое увеличение его производства чревато серьезными опасностями для сохранения дикой природы, особенно в тропиках. В последнем номере журнала Conservation Biology появилась обзорная статья (пока еще только в предварительной, онлайновой версии), посвященная вредным последствиям использования биотоплива. Ее авторы, Марта Грум (Martha A. Groom), работающая в рамках Междисциплинарной программы наук и искусств Вашингтонского университета в Ботелле (США), и ее коллеги Элизабет Грэй и Патрисия Таунсенд, проанализировав большой массив литературы, предложили ряд рекомендаций по тому, как сочетать получение биотоплива с минимизацией отрицательного воздействия на окружающую среду, с сохранением биоразнообразия окружающих природных экосистем.

Так, по мнению Грум и ее коллег, вряд ли заслуживает одобрения принятая во многих странах, и прежде всего в США, практика использования кукурузы как сырья для получения этанола. Культивирование кукурузы само по себе требует большого количества воды, удобрений и пестицидов. В результате, если учесть все затраты на выращивание кукурузы и производства из нее этанола (они ведь тоже связаны с потреблением энергии, со сжиганием топлива), то окажется, что в сумме количество СО 2 , выделяющегося при изготовлении и использования такого биотоплива, почти такое же, как при использовании традиционного ископаемого топлива! Для этанола из кукурузы коэффициент, оценивающий выделение парниковых газов на определенный энергетический выход (в кг СО 2 на мегаджоуль,10 6 джоулей, полученной энергии), равен 81-85. Для сравнения, соответствующий показатель для бензина (из ископаемого топлива) составляет 94, а для обычного дизельного топлива — 83. При использовании сахарного тростника результат уже существенно лучше — 4-12 кг СО 2 /МДж.

Но настоящий положительный скачок наблюдается при переходе к использованию многолетних трав, например одного из видов дикого проса — так называемого проса прутьевидного (Panicum virgatum ), обычного растения высокотравных прерий Северной Америки. Благодаря тому, что значительная часть связанного углерода запасается многолетними травами в их подземных органах, а также накапливается в органическом веществе почвы, территории, занятые этими высокими (порой выше человеческого роста) травами, функционируют как места связывания («стока») атмосферного СО 2 . Показатель эмиссии парниковых газов при получении биотоплива из проса характеризуется отрицательной величиной: -24 кг СО 2 /МДж (то есть СО 2 становится меньше в атмосфере).

Еще лучше удерживает углерод многовидовой растительный покров прерий. Показатель эмиссии парниковых газов в этом случае также отрицательный: -88 кг СО 2 /МДж. Правда, скорость прироста (продуктивность) таких многолетних трав относительно низкая. Поэтому и количество топлива (выраженное в количестве бензина в литрах), которое может быть получено с естественной прерии, составляет всего около 940 л/га. Для проса эта величина достигает уже 2750-5000, для кукурузы — 1135-1900, а для сахарного тростника — 5300-6500 л/га.

Эффективным оказывается и использование быстро растущих деревьев, например разных тополей и ив. В целом ряде районов земного шара, прежде всего в тропиках, широкое внедрение культур, используемых для получения биотоплива, связано с вырубкой лесов. В Индонезии и в Малайзии огромные территории, еще недавно занятые дождевыми тропическими лесами — экосистемами, характеризующимися не только очень высокой первичной продукцией (cм. также: Primary production), но и максимальным видовым разнообразием растений и животных, — превращены теперь в плантации масличной пальмы и других растений, пригодных в качестве сырья для биотоплива. В Бразилии плантации сахарного тростника замещают интереснейшие, также характеризующиеся высоким видовым разнообразием, болотные экосистемы. Особенно интенсивно этот процесс идет в последние годы после подписания соглашения между Бразилией и США о крупных поставках этанола.

Очевидно, что замещая ископаемое топливо и снижая таким образом рост СО 2 в атмосфере, биотопливо на самом деле может угрожать многим природным экосистемам, прежде всего тропическим. Дело, конечно, не в самом биотопливе, а в неразумной, «недружественной по отношению к природе» политике его производства, в уничтожении богатых видами природных экосистем и заменой их крайне упрощенными экосистемами сельскохозяйственных угодий. Большие надежды авторы возлагают на использование в качестве сырья для биотоплива массы микроскопических планктонных водорослей, которые можно выращивать в прудах (порой даже с солоноватой водой) или в специальных биореакторах. Выход полезной продукции на единицу площади при этом значительно выше, чем в случае наземной растительности.

В заключение статьи авторы формулируют ряд рекомендаций, которые надо учитывать, чтобы минимизировать вред, наносимый природным экосистемам при получении биотоплива. В частности, они настаивают на том, чтобы в каждом конкретном случае рассчитывались затраты и выгоды на всех этапах производства и использования того или иного биотоплива в том или ином конкретном месте. Следует также минимизировать площадь, занятую культурами, выращиваемыми для получения биотоплива, стараться использовать для этого брошенные земли, отвалы производства, места свалок и т. п. Предпочтение должно отдаваться многолетним местным растениям. Надо опасаться использования видов, которые могут стать инвазийными (см.: Invasive species), то есть выйдут из-под контроля и станут массовыми в природных сообществах.

В любом случае, необходимо оценить тот риск, который возникает для природных экосистем при культивировании растений, используемых в качестве сырья для биотоплива.