Енергетичний бак проти пластини - спектр науки
Енергія: бак проти пластини
Коли два роки тому водії Формули-1 Ferrari посіли перше та друге місця на Гран-прі Бахрейну, у їхніх баках була надзвичайна суміш: паливо містило невелику кількість біопалива другого покоління, виготовленого з лігноцелюлози . Навіть октановий світ Формули-1 повільно стикається з реальністю змін клімату та зменшення запасів нафти. З 2008 року правила Формули-1 передбачають, що принаймні 5,75 відсотка палива має надходити з рослинних джерел. Додане біопаливо у резервуари Феррарі зразково виконало це, оскільки воно було отримано з неїстівних частин рослин.
Відома гоночна команда продемонструвала, як біопаливо може втамувати наш енергетичний голод, не загрожуючи виробництву їжі. За даними Всесвітньої продовольчої організації (ФАО), ціни на продукти харчування останнім часом зростали незвично. Критики звинувачують це у зростаючому використанні біопалива першого покоління. Вони виготовляються з їстівних частин харчових культур - таких як цукровий очерет або кукурудза, - а потім додаються до звичайного бензину або дизельного палива. У багатьох країнах, що розвиваються, виникають соціальні заворушення через високі ціни на продовольство. Чи є це взагалі етично виправданим тим, що західні уряди все більше сприяють використанню біопалива? Чи можна захист клімату та продовольство поставити під один дах?
Для Ferrari відповідь однозначно так. Команда обрала етанол, виготовлений із соломи, який є залишковим продуктом у сільському господарстві - приклад того, як можна подолати поточні проблеми біопалива. Нові хімічні процеси, кращі стратегії землекористування та вища сільськогосподарська врожайність можуть показати нам вихід із дилеми "резервуару чи пластини". Ідея отримання палива з посівів не нова. Двигуни Рудольфа Дизеля працювали на рослинних оліях ще в 19 столітті. А бразильці додавали етанол у свій бензин з 1929 року, який походить із цукрової тростини. Але біопаливо лише добрі десять років відігравало важливу роль у світовій енергетичній та кліматичній політиці.
Розчищені тропічні ліси, стрімко зросли ціни на кукурудзу
Це базується на зростаючому страху перед безпечним постачанням нафти, страху перед зміною клімату та невпинно зростаючому голоді енергії. Однак поспіх, з яким біопаливо впроваджувалось у всьому світі, призвело до відчутних конфліктів із землекористуванням. Наприклад, у малайській частині Борнео фермери та великі підприємці розчищали величезні джунглі, щоб замінити їх плантаціями пальмової олії. В інших місцях величезна кількість зібраних продовольчих культур - таких як кукурудза - транспортується на біозаводи, щоб перетворити їх на паливо. У 2007 році американські фермери висадили кукурудзу на рекордних 375 000 квадратних кілометрів. Не менше третини його пішло на виробництво етанолу. На думку деяких експертів, саме це стало причиною того, що ціни на кукурудзу зросли більш ніж на 70 відсотків до кінця 2010 року. На початку 2011 року Всесвітня продовольча організація зафіксувала пік свого індексу цін на продовольство.
Однак при детальному розгляді стає зрозумілим, що біопаливо - це лише частина проблеми. Згідно з доповіддю Світового банку за 2008 рік "Примітка про зростання цін на продовольство", хоча вони головним чином відповідали за зростання цін на продовольство за останні роки, також сприяли спекуляції на фондовому ринку та екстремальні кліматичні події. Не слід ігнорувати також зростання вартості сирої нафти. Вони мають прямий вплив на ціни на продукти харчування, каже Оттоліна Лейзер. Генетик рослин з Кембриджського університету (Великобританія) є співавтором висновку щодо біопалива, нещодавно опублікованого Наффілдською радою з біоетики - британською некомерційною організацією, яка займається питаннями біоетики. За словами Лейзера, для збирання, транспортування та обробки врожаю потрібно багато енергії, переважно у вигляді викопного палива.
Але ціни на продукти харчування - це не єдина критика. Хоча більшість біопалива спеціально не призначені для зменшення викидів парникових газів, вони, як очікується, будуть такими. Найджел Мортімер з британської енергетичної консалтингової компанії North Energy в аналізі показав, що біопаливо часто лише незначно вигідніше, ніж викопне паливо, з точки зору викидів парникових газів. І за словами Анджели Карп, наукового директора Ротхемпстедського сільськогосподарського дослідницького центру в Харпендені (Великобританія), біопаливо першого покоління часто потребує великої кількості води та азоту, щоб виростити достатню масу рослин. Це також негативно впливає на їх вуглецевий слід. Кеннет Стоун, інженер сільського господарства Служби сільськогосподарських досліджень у Флоренції (Південна Кароліна, США), приходить до висновку, що споживання води в сільському господарстві зросте в шість разів, якщо відповідно до цілей Міністерства енергетики США в майбутньому з кукурудзи буде вироблятися більше біоетанолу.
Проте битва за площу залишається однією з найскладніших проблем. В ідеалі для виробництва біопалива слід використовувати лише низькоякісні родовища з низьким рівнем вуглецю, каже Ян Круте, головний науковий співробітник Ради розвитку сільського господарства та садівництва в Кенілворті, Англія. Насправді все більше фермерів вирощують енергетичні культури на високоякісних ґрунтах, які насправді призначені для виробництва продуктів харчування, оскільки вони можуть приносити з ними високі доходи. На цьому наголошує Олів'є Дюбуа, координатор групи біоенергетики ФАО в Римі. Для усунення цього конфлікту необхідно повернути додаткові землі.
Змагання на місцях
У тваринництві існує подібна конкуренція. Брюс Дейл, інженер-хімік Університету штату Мічиган у Східному Лансінгу, виявив, що понад 80 відсотків сільськогосподарського виробництва США використовується як корм. "Неймовірна трата", - коментує Лейзер. Таким чином, збільшення споживання м'яса у всьому світі є ще однією важливою причиною того, чому ціни на продукти харчування стрімко зростають. Водночас із збільшенням світового населення стає все складніше освоїти достатньо нових площ обробітку. Через 40 років у світі очікується дев’ять мільярдів людей, що на 2,3 мільярда більше, ніж сьогодні, яких доведеться годувати, як зазначає звіт ФАО «Як годувати світ у 2050 році». Ще гірше: оскільки споживання м’яса та споживання калорій на душу населення постійно зростають, потреба в їжі зростає непропорційно. "У 2050 році нам буде потрібно на 70 відсотків більше їжі", - підрахував Дюбуа.
Використання рослин для виробництва енергії погіршує ситуацію. Протягом наступних 25 років споживання енергії на ринках, що розвиваються, збільшиться на 84 відсотки. Майже третина цього, ймовірно, буде надходити з біопалива. Якщо сільське господарство у всьому світі незабаром не відчує значного поштовху розвитку, ці події призведуть до різкого дефіциту ріллі - як для їжі, так і для біопалива. Це правда, що орні землі теоретично можуть бути подвоєні протягом наступних чотирьох десятиліть. Однак ФАО очікує зростання лише на п’ять відсотків протягом цього періоду, оскільки багато орних площ, швидше за все, відстають від зростання міст. Для того, щоб збільшити продуктивність сільського господарства, врожайність культур повинна суттєво збільшитися, вважає Дюбуа.
На жаль, розвиток подій поки що говорить іншою мовою. Світова врожайність сільськогосподарських культур зросла за останні 50 років, але повільними темпами: темпи приросту впали з 3,2 відсотка в 1960 році до 1,5 відсотка у 2000 році. І все ж Ян Крут має надію. Незважаючи на все це, зростання, як він каже, все ще є, і є багато можливостей для вдосконалення. Все ще існували величезні відмінності в урожайності між країнами, і ще було багато можливостей для вдосконалення. Наприклад, великі території Африки є перелоговими, головним чином тому, що вони неадекватно підключені до інфраструктури. Там фермери не мають можливості вивести свою продукцію на ринок, тому вони садять лише те, що потрібно їхнім сім'ям, пояснює Крут. Вирощування енергетичних культур у цих регіонах може мати позитивний вплив як на інфраструктуру, так і на виробництво продуктів харчування.
Генна інженерія як вихід?
Генна інженерія також може стимулювати сільське господарство. Це вже допомагає зробити рослини більш стійкими до шкідників. "Незабаром ми також будемо виробляти сорти кукурудзи, які потребують менше води і краще витримують посушливі періоди", - прогнозує Крут. Дослідники також працюють над солестійкими рослинами. Наприклад, їх слід висаджувати в регіонах, де підвищення рівня моря призводить до засолення підземних вод. Кукурудза та деякі інші рослини також мають набагато ефективніші механізми фотосинтезу, ніж пшениця або рис, як підкреслює Крут. Їх можна перенести з одного виду рослин на інший за допомогою генної інженерії.
Не тільки вдосконалення сільського господарства та генної інженерії, але й нові процеси виробництва біопалива повинні зменшити конкуренцію між резервуаром та пластиною. Якби можна було використовувати всю рослину, а не лише їстівні частини, можна було б використовувати набагато більше видів біомаси. У паростках, листі та корінні накопичується значно більше енергії, ніж у плодах, - але цю енергію важче отримати, - каже Кріс Сомервілл, директор Інституту енергетичних біологічних наук при Каліфорнійському університеті в Берклі. Тому утилізація цілих заводів дорожча, ніж нинішнє виробництво етанолу з кукурудзи.
Наприклад, канадська біотехнологічна компанія Iogen використовувала фермент із виду гриба Trichoderma reesei для виробництва біопалива із соломи для команди Ferrari. З його допомогою гриб перетравлює лігнін - головний компонент деревних частин рослини - і таким чином потрапляє до поживних речовин на деревах. Існують і інші ферменти, що перетравлюють лігнін, але жоден з доступних на даний момент не працює дуже ефективно і коштує від 10 до 20 центів за літр виробленого палива. На відміну від ферментів для масштабного виробництва етанолу з кукурудзи: вони коштують близько півцента за літр.
Попитом користується весь завод
Тож не дивно, що біотехнологічна компанія Iogen, очевидно, має проблеми з викопуванням достатньої кількості цього залишку: її демонстраційний завод виробляє в середньому лише 256000 літрів етанолу на рік, хоча він розрахований на 1,9 мільйона літрів. Компанія пояснює цей розрив тим, що це випробувальний комплекс, який не перебуває в постійній експлуатації. Але якби нафтова компанія Shell, один з основних інвесторів в Іоген, мала вести виробництво біоетанолу в комерційних масштабах, попит становив би від 20 до 30 тонн соломи на день, що може призвести до вузьких місць.
Генетик рослин Оттолін Лейзер прогнозує, що для отримання такої кількості біомаси буде недостатньо кілька разів переробити врожай. Швидше, потрібно буде вирощувати швидкозростаючі рослини, призначені лише для виробництва біопалива. Однак вони не повинні конкурувати з продовольчими культурами за площу. Наприклад, швидкозростаючі тополі або верби можуть рости на забрудненому грунті і одночасно їх очищати. Дерева перетворюють вуглекислий газ у біомасу швидше, ніж більшість інших рослин.
Велике майбутнє
Багаторічні трави, такі як міскантус або трава панікум віргатум, можливо, навіть кращі кандидати. Їм не потрібно багато води і запасають поживні речовини в корінні. "Під час збирання врожаю ви збираєте лише надземні частини рослини, які містять дуже мало поживних речовин, - говорить Лейзер, - як наслідок, ґрунт майже не виснажується, і в результаті майже не потрібно добрив". Багаторічні трави ростуть також на ґрунтах, непридатних для орних культур. Сомервілл вважає, що останній пункт має вирішальне значення: деякі пустирі можуть стати плантацією для енергетичних культур, наприклад, вирощуючи посухостійкі культури, такі як агава.
Однак координатор ФАО Олів'є Дюбуа вважає, що біопаливо другого покоління також має недоліки. Їм теж потрібні були площі площі, і навіть найекономніші культури могли би конкурувати з продовольчими культурами за ресурси. Крім того, технологія отримання біоетанолу першого покоління вже розробляється протягом півстоліття. "Для великого виробництва біопалива другого покоління знадобиться ще п'ять-десять років", - говорить він. Вже багато чого відбувається. Енергетична компанія BP будує в окрузі Хайлендс (США) завод на 400 мільйонів доларів, який переробляє целюлозу з високоенергетичного цукрового очерету, трави або міскантусу в етанол. Завод розроблений для виробництва 136 мільйонів літрів палива на рік, що зробить його комерційним біопереробним заводом за критеріями Міністерства енергетики США. Хоча кількість звучить величезна, вона невелика порівняно з мільйонами літрів бензину на день, який викидають звичайні нафтопереробні заводи.
Але навіть якщо це займе деякий час, щоб утвердитися: нове біопаливо надійде. Залишається з’ясувати, чи врешті-решт рідини другого покоління наповнять наші резервуари - і ті, що формуються у автомобілях Формули 1 - чи буде третє і четверте покоління. У будь-якому випадку, вони відіграватимуть важливу роль у майбутньому для задоволення глобального енергетичного голоду. А завдяки сучасним технологіям, розумному землекористуванню та дбайливому використанню ресурсів, ріллі все ще має бути достатньо для продовольчих культур.