Существует немало путей ее использования солнечной энергии; в их числе – биологическая конверсия, то есть преобразование энергии Солнца в скрытую энергию химических соединений, составляющих биомассу растений, с помощью созданного миллионами лет эволюции эффективного природного механизма – механизма фотосинтеза. Применение современных достижений биофизики и фотобиологии, биохимии и генетики открывает перспективы получения таким путем больших количеств твердого, жидкого и газообразного топлива. Поэтому биотехнологическому направлению в энергетике уделяется большое внимание во всех странах мира.



Фотосинтез и будущее человечества

(академик А.А. Красновский, Институт биохимии им. А.Н. Баха)



Процесс фотосинтеза, происходящий в растениях, составляет основу всей жизни на Земле. Благодаря ему растения, используя энергию Солнца, вырабатывают из неорганических соединений органические, которые служат пищей всем другим живым организмам; благодаря ему образовалась и поддерживается кислородная атмосфера планеты — сам воздух, которым мы дышим; наконец, почти вся энергия, производимая мировой энергетикой, это энергия ископаемого топлива, то есть продуктов фотосинтеза когда-то живших на Земле растений. Этот запас, накапливавшийся на протяжении миллионов лет, мы используем быстрыми и все возрастающими темпами.

Поэтому особую актуальность приобретает проблема наилучшего использования той солнечной энергии, которая падает на поверхность Земли сегодня. Перспективы здесь очень велики. Сейчас все растения планеты потребляют на нужды фотосинтеза всего лишь около 0,1% падающей на ее поверхность энергии; расчеты же показывают, что они могут использовать до 30% поглощенного солнечного излучения.

Но чтобы реализовать эти огромные потенциальные возможности, мы должны детально изучить как устройство фотосинтезирующего аппарата растений, так и сам механизм фотосинтеза. Такие исследования широко и интенсивно ведутся сейчас во многих крупных лабораториях мира. В том числе и в нашем институте. Дальнейшее их развитие, как можно надеяться, позволит, с одной стороны, управлять процессом фотосинтеза, происходящим в растениях, повышать его эффективность, а с другой используя те принципы, на которых основана работа природных фотосинтезирующих систем, создавать системы искусственные, способные в перспективе использовать энергию Солнца для получения химического и энергетического сырья.

Проблема фотосинтеза – одна из самых важных проблем естествознания. И вряд ли будет преувеличением сказать, что от ее решения зависит само будущее человечества.




Энергия из биомассы

(профессор Д.О. Холл, Лондонский университет, Великобритания)



Растения — один из важнейших непременных источников энергетическое сырья, доступного человечеству. Правда, суммарная эффективность фотосинтеза, если считать по запасенной в биомассе энергии, не так уж высока; даже в оптимальных для растения условиях она не превышает 5…6% поступающей на поверхность Земли солнечной радиации. Обычно же в сельском хозяйстве эта величина составляет около 1%. И, тем не менее, ежегодно на Земле запасается в виде биомассы растений в 10 раз больше энергии, чем потребляет ее человечество. В древесине деревьев, сегодня растущих на планете, заключено столько же энергии, сколько во всех практически доступных запасах угля, нефти и газа.

Доля растительной биомассы в мировом потреблении энергии пока сравнительно невелика – около 14%. Однако чтобы получить столько энергии, нужно было бы каждый год дополнительно сжигать примерно миллиард тонн нефти – вдесятеро больше, чем дают все подводные месторождения Северного моря и в полтора с лишним раза больше, чем добывается нефти на территории бывшего СССР. В развивающихся странах биомасса растений, то есть дрова и различные сжигаемые отходы сельского и лесного хозяйства, покрывают около половины всех энергетических потребностей. В развитых странах эта доля меньше – например, в США всего 3%. В десяти странах Европейского экономического сообщества, растительная биомасса служит источником 1% получаемой энергии (что соответствует, однако, примерно 100 млн. тонн нефти в год); в ближайшие годы здесь намечено увеличить долю энергии, получаемую из биомассы, до 5%.

Широко известны успехи, которых добилась в энергетическом использовании биомассы Бразилия: здесь около 28 % всей производимой энергии получают из биомассы. В основном это биомасса сахарного тростника – ее микробиологическим путем превращают в этиловый спирт (он производится здесь в количестве 6…7 млрд. литров в год), который используется как горючее, в первую очередь для автомобилей. В этом качестве этанол обладает большим преимуществом перед бензином: у него весьма высокое октановое число, благодаря чему отпадает необходимость этилирования – добавления в горючее токсичного и экологически вредного тетраэтилсвинца. Это очень важно для высокоразвитых, густо населенных стран. Производство этанола в Бразилии, по-видимому, самая крупнотоннажная отрасль биотехнологии, существующая сейчас в мире.

К этому можно добавить, что в Бразилии успешно осуществляется еще одна, менее известная программа, цель которой – повышение продуктивности некоторых растений, способных давать большие количества биомассы, в первую очередь эвкалиптов: они очень быстро растут и легко размножаются вегетативным способом. Пользуясь современными методами селекции, бразильские селекционеры вывели особо быстрорастущие клоны, которые дают в год до 5 тонн сухой биомассы с гектара – в 10 раз больше обычных.

В больших масштабах используется растительная биомасса в Зимбабве. Здесь также выращивают сахарный тростник, из которого получают сахар, этанол (около 40 млн. литров в год), а из отходов сахарного производства (так называемой багассы) – животноводческие корма и электроэнергию. Это тоже результат большой селекционной работы.

Нужно подчеркнуть, что использование биомассы как источника энергии ставит перед селекционерами принципиально новые задачи. Если до сих пор главной целью селекции было получение максимального количества какого-то одного, традиционного продукта, то теперь нужно учитывать необходимость утилизации всей биомассы растения.

Осуществляемые в разных странах этанольные программы имеют целью производство горючего преимущественно для карбюраторных двигателей. В то же время заслуживают внимания перспективы получения из растительного сырья дизельного топлива. В принципе таким топливом может служить, например, подсолнечное или оливковое масло (хотя если заправлять дизель в продовольственном магазине, то нужно брать только самые высшие, рафинированные сорта масла, иначе неизбежно образование нагара). Здесь единственное препятствие – низкий выход масла: гектар подсолнечника или сои дает его всего лишь около тонны. Однако выход масла можно увеличить опять-таки путем селекции. Кроме этого, существуют гораздо более продуктивные масличные культуры. Например, западноафриканская масличная пальма дает до 4…6 тонн масла с гектара, а недавно выведены новые ее сорта, продуктивность которых достигает 14…16 тонн.

Все эти примеры наглядно показывают, что растения могут служить богатым источником не только пищевого и технического, но и энергетического сырья. Развитие этой области биотехнологии может намного повысить эффективность их использования. Наши знания механизмов биологической продуктивности растений, прежде всего процессов фотосинтеза, пока еще далеко не достаточны, так что открывающиеся здесь возможности огромны.



Энергия из воды и солнечного света

(академик И.В. Березин, директор Института биохимии им. А. Н. Баха)

Биологическая конверсия солнечной энергии в последние годы стала предметом широких исследований. Сейчас она чаще всего осуществляется по такой схеме:

Самое узкое место такой схемы с энергетической точки зрения – производство биомассы: средняя эффективность преобразования солнечной энергии при фотосинтезе составляет 0,1…1,0%. Это заставляет искать иные биотехнологические процессы, в которых достигались бы более высокие коэффициенты преобразования энергии.

Один из таких процессов – биофотолиз воды, то есть использование механизмов фотосинтеза для ее разложения под действием солнечного света с получением свободных кислорода и водорода. Уже существует немало биохимических систем, в которых этот процесс в той или иной мере реализован.

Такая система разработана в МГУ профессором С. Д. Варфоломеевым и его сотрудниками. Основа ее – культура двух микроорганизмов: микроскопической водоросли и термостойкой анаэробной цианобактерии с уникальными свойствами (такие бактерии были обнаружены в одном из горячих источников Камчатки, куда на поиски их была отправлена специальная экспедиция; это понадобилось потому, что система работает при температуре 50 °С, которую выдерживает не всякая бактерия).

Суть работы системы состоит в следующем. Клетки водорослей на свету, в ходе фотосинтеза, производят органические соединения углеводного характера и свободный кислород. Образующиеся углеводы разлагаются ферментными системами бактерии на уксусную кислоту, этанол, углекислый газ и водород. Таким образом, при работе системы непрерывно выделяются кислород и водород, то есть происходит фоторазложение воды, которое в лабораторных условиях удается наблюдать неограниченно долгое время. Можно сказать, что из всех известных способов прямого преобразования солнечной энергии в топливо такой процесс наиболее близок к практическому использованию.

Максимальный коэффициент полезного действия водорослей, работающих в такой системе, составляет 5…5,5% – это, как мы видим, значительно выше средней эффективности фотосинтеза при биологической конверсии солнечной энергии обычным путем.

Однако и это не предел. Изучение кинетической модели процесса позволило нам выяснить его закономерности, в частности зависимость скорости образования продуктов от интенсивности света и от других факторов. Исследования показали, что максимальный кпд, о котором мы говорили, наблюдается лишь при сравнительно небольших интенсивностях света – около 200 Вт/м2. Средняя интенсивность солнечной радиации на поверхности Земли вдвое выше – примерно 400 Вт/м2, но использовать такую освещенность не удается, потому что при этом кпд системы оказывается очень низким.

Однако теория позволяет наметить и возможности преодоления этого препятствия путем изменения некоторых параметров процесса. В частности, можно предсказать, что если удастся найти (или, может быть, какими-то генноинженерными способами создать) усовершенствованные штаммы работающей в этой системе бактерии, которые будут обладать определенными свойствами – в частности, устойчивостью к температуре 70 °С и малыми размерами пигментной антенны, – кпд системы можно будет повысить почти до 10%.

Подобные исследования открывают вполне реальную перспективу создания новой отрасли энергетики, основанной на биотехнологическом получении молекулярного водорода – топлива высококалорийного и экологически чистого.



Энергетическое использование биомассы: «за» и «против»

(Небел Бернард. США)



Биомассой называется любая органика, образующаяся за счет фотосинтеза. Ее энергетическое использование непосредственное применение в виде топлива или переработка в различные его виды. Здесь существует несколько способов. Биомассу можно сжигать, а также превращать в метан (природный газ) или спирт, которые используются как топливо.

Прямое сжигание. В настоящее время снова начали топить печи дровами. Около 5 млн. домов в США отапливаются ими полностью, а еще 20 млн. отчасти. В ряде районов проблема загрязнения воздуха дымом от дровяных печей встала настолько остро, что уже вводятся ограничения на такое использование биомассы.

Кроме того, на многих деревоперерабатывающих предприятиях и пищевых производствах (например, сахарных заводах) сжигание отходов растительного происхождения дает всю необходимую энергию или большую ее часть. Еще один пример – получение ее путем сжигания бытовых отходов, т. е. главным образом бумаги. Некоторые электростанции сейчас работают исключительно на дровах. При промышленном сжигании биомассы в дымоходах применяются фильтры.

По некоторым оценкам, дрова и отходы деревообрабатывающей промышленности могли бы на 20% удовлетворять энергетические потребности США. Однако для удовлетворения их хотя бы на несколько процентов, надо вырубить столько леса, что это нанесет серьезный ущерб окружающей среде. Прокладка необходимых дорог, равно как и сами вырубки, серьезно осложнят проблему почвенной эрозии. Специализация лесохозяйств на производстве дров снизит разнообразие природной биоты. К тому же лесные монокультуры потребуют усиления фитосанитарного контроля. Незаконные рубки в частных и государственных владениях могут стать гораздо большей проблемой, чем сейчас.

Кроме того, существуют пределы максимальной устойчивой эксплуатации лесов. Как известно, более миллиарда бедняков в странах Третьего мира используют дрова в качестве единственного источника энергии для приготовления пиит. Сведение с этой целью лесов стало причиной сильной эрозии почв и опустынивания в окрестностях многих городов и деревень Азии и Африки. Как утверждает Эрик Экхолм, научный сотрудник Института мировой статистики, «причина голода в Африке – эрозия и деградация почв, вызванные вырубкой лесов на дрова».

Поэтому сжигание древесины допустимо лишь тогда, когда ее можно получать без нарушения лесных экосистем, но в этом случае (даже вместе с бытовыми отходами) она обеспечит не более 5% энергетических потребностей США. Рекомендации же топить дровами только на том основании, что это возобновляемый энергоресурс, безответственны с экологической точки зрения. Напротив, спасение многих стран Третьего мира от экологической катастрофы требует замены древесины альтернативными видами топлива.

Получение метана (природного газа). Питание бактерий органикой в анаэробных условиях сопровождается выделением так называемого биогаза, на две трети состоящего из метана. Использование биогаза в качестве источника энергии таит в себе большие возможности. Например, Ричард Уэйбрайт, владелец молочной фермы с 2 тыс. коров в Мейсон-Диксоне близ Геттисберга (Пен­сильвания), сбраживает навоз в анаэробных ферментерах, а получаемый биогаз использует как топливо для выработки электричества, которого хватает не только для удовлетворения всех энергетических потребностей его хозяйства, но и на продажу. Избыток тепла от работы генераторов идет на обогрев ферментеров и отопление построек, а богатый биогенами ил, остающийся после сбраживания, вы­возится на поля в качестве органического удобрения. По расчетам Уэйбрайта, только экономия электроэнергии и ее продажа приносят ему около 100 тыс. долларов в год, не считая выгоды от использования собственных удобрений. Один ватт его энергосистемы обходится в 80 центов, что гораздо дешевле, чем на угольных ТЭС и АЭС (3 и 5 долларов соответственно).

Если бы все молочные фермы США переняли этот опыт, мы получали бы от коров больше электричества, чем сейчас на АЭС, причем оно стоило бы намного дешевле, не говоря уже об устойчивости и экологической безвредности такого энергоресурса. Канализационный ил вполне можно перерабатывать аналогичным образом, однако до сих пор мало кто этим интересуется. Короче говоря, здесь перед нами огромные возможности.

На уровне более мелких хозяйств эта идея нашла применение в Китае, где миллионы крестьян сбраживают в герметично закрытой яме сельскохозяйственные отходы, а образовавшийся биогаз используют как топливо для приготовления пищи. Такой вариант можно рекомендовать в качестве прекрасной замены дров для всех стран Третьего мира.

Получение спирта. Когда дрожжи в анаэробных условиях питаются сахаром и/или крахмалом, в качестве побочного продукта выделяется спирт; происходит так называемое спиртовое брожение. Кипятя полученный раствор и конденсируя спирт (этот процесс называется перегонкой, или дистилляцией), его концентрируют. Спиртовое брожение и перегонка уже тысячи лет используются человеком в производстве алкогольных напитков. Но спирт, кроме того, и хорошее топливо.

Первой страной, начавшей крупномасштабное производство из сахарного тростника спирта как автомобильного горючего, стала Бразилия. В настоящее время многие автомобили там работают на его смеси с бензином – так называемом бензоспирте. В США в начале 1980-х гг. также резко росло производство бензоспирта на основе кукурузы. В 1984 г. было произведено 420 млн. галлонов топливного спирта (около 0,5% общего объема жидкого горючего), на что пошло 160 млн. бушелей кукурузы, т.е. около 2% ее общего урожая.

Однако получение топливного спирта не свободно от серьезных недостатков. Поскольку в качестве исходных продуктов используются пищевые продукты, богатые сахаром и/или крахмалом (сахарный тростник, зерновые, картофель и др.), неизбежно возникает конфликт между пищевой и топливной промышленностью. Если производители горючего заплатят за зерно больше, чем пищевики, оно пойдет на получение спирта, а не хлеба. Социальные последствия в этом случае непредсказуемы. В Бразилии, например, лучшие земли заняты сахарным тростником, выращиваемым на спирт, в то время как посевы продовольственных культур сократились на 10…15%; и это происходит в стране с быстро растущим населением, значительная часть которого плохо питается! Вплоть до 1988 г. США располагали огромными излишками кукурузы, и получение из нее спирта помогало решить проблему реализации урожая. Однако засуха 1988 г. практически уничтожила этот избыток, и как это отразится на производстве спирта, еще неясно.

Другая проблема – загрязнение окружающей среды. Хотя сгорание спирта довольно чистый с экологической точки зрения процесс, его производство очень «грязное» из-за использования для пере­гонки дешевого, дающего много копоти топлива (например, битуминозного угля), причем оно требуется в больших количествах. В результате спирт дорог – примерно в два раза дороже бензина, а конкурентоспособность бензоспирта объясняется налоговыми льготами, составляющими от 0,60 до 1,35 долларов за галлон спирта.

Выходом из положения могло бы стать возделывание специальных культур, идущих исключительно на производство топлива. Однако на пути реализации этой идеи встает конкуренция за землю, воду и удобрения с производителями продуктов питания; исключения, например водный гиацинт, выращиваемый для извлечения биогенов из сточных вод, здесь немногочисленны. Кроме того, распространение «топливных культур» неизбежно расширит масштабы эрозии почв и засорения наносами водоемов.

Итак, переработка навоза, канализационного ила и прочих органических отходов в биогаз с рециклизацией богатых биогенами отходов этого производства может значительно увеличить энергоре­сурсы, ослабив антропогенное воздействие на окружающую среду. Однако использование в качестве источников энергии других видов биомассы чревато таким же,если не большим экологическим ущербом, что и применение традиционных энергоносителей.