Биоэнергетика — выбор будущего

Сегодня в мире продолжают развиваться явления, нарушающие цивилизованное течение жизни: исчерпываются традиционные источники энергии, растет стоимость их добычи, интенсивно загрязняется окружающая среда, разрушается биосфера, образовывается чрезмерное количество органических отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения. Ликвидация всех этих проблем должна осуществляться ускоренными темпами, иначе человечество неминуемо ожидает судьба вымерших динозавров.

Биоэнергетика — это выбор, имеющий глобальную перспективу для дальнейшего успешного развития цивилизации. Преодоление современных и предотвращение вероятных экологических кризисов невозможно без применения новейших экобиотехнологий для очистки сточных вод, биосорбции тяжелых металлов из стоков, обезвреживания опасных газовых выбросов, обогащения воздуха кислородом, использование перспективных средств обезвреживания твердых и жидких промышленных отходов, биодеградации нефтяных загрязнений в почве и воде, биодеградации химических пестицидов и инсектицидов, повышения эффективности методов биологического восстановления загрязненных почв, замены ряда агрохимикатов на биотехнологические препараты и т.д. Важными направлениями также должны стать разработка экобиотехнологий, направленных на производство биогаза и водорода из органических отходов, микробиологическая деструкция ксенобиотиков, применение биоиндикации и биотестирования в системе экологического мониторинга.

Первая фундаментальная особенность биоэнергетики состоит в том, что все живые объекты являются термодинамически открытыми системами, которые успешно функционируют только при условии постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Термодинамика таких систем существенным образом отличается от классической. Они становятся принципиально способными к самоорганизации и самоусовершенствованию.

Вторая чрезвычайно важная особенность биоэнергетики связана с тем, что обменные процессы в клетках происходят при условии отсутствия значительных колебаний температуры, давления и объема. Природа, в отличие от техники, не могла себе позволить высокие температуры, давление и прочие условия, наличествующие в современных двигателях внутреннего сгорания и аналогичных тепловых машинах. Переход энергии химической связи в полезную биологическую работу в отдельной клетке или в организме вцелом происходит без преобразования химической энергии в тепловую.

И наконец, необходимо подчеркнуть, что в процессах преобразования энергии в живых объектах широко присутствуют электрохимические стадии. Совокупная мощность электрохимических процессов, происходящих в клетках всех живых организмов биосферы, на много порядков превышает мировые масштабы технического использования электрохимической энергии.

Одним из основных результатов развития биоэнергетики в последние десятилетия является установление сходства энергетических процессов во всем живом мире — от микроорганизмов до человека. Одинаковыми для растительного и животного мира оказались и вещества, в которых энергия аккумулируется, и процессы, с помощью которых подобное аккумулирование осуществляется. Такое же сходство обнаружено и в процессах использования аккумулированной в этих веществах энергии. Технические и биологические системы преобразования химической энергии в электрическую тоже принципиально сходны. Различия существуют только в деталях. При создании технических электрохимических систем обычно не возникает особых проблем с изоляцией, поскольку они окружены диэлектрической средой — воздухом. Кроме того, в технических устройствах в качестве электродов и проводников используются металлы с высокой электропроводностью. В отличие от этого, живая природа создала свои электрохимические устройства в недиэлектрической среде — растворе электролита. К тому же, в ее распоряжении не было металлических проводников. Поэтому «биологическая электрохимия» является как бы прямой противоположностью обычной для нас «технической электрохимии». В этом случае не электронный проводник, а электролитная фаза распределяется на два объема. Изолирующим слоем между ними служит тонкая пленка — клеточная мембрана. Разница потенциалов в такой системе генерируется между разделенными мембраной объемами электролита.

Подобное строение имеют митохондрии и хлоропласты. Именно эти субклеточные элементы и являются биологическими электрохимическими генераторами — «энергетическими станциями» клетки. В процессе исследований биоэлектрохимики установили, что в живую клетку как будто вмонтирован водородно-кислородный топливный элемент (ТЭ). Подобно тому, как в ТЭ химическая энергия топлива превращается в электрическую, живая природа химическую энергию сначала трансформирует в электрические формы, а потом, в процессе окислительного фосфорилирования, сразу же консервирует их в энергию химических связей. Практическое применение уже нашли ТЭ, где в качестве топлива используют водород, а окислителя — кислород, электролитом служат щелочь или ионообменный полимер. Такие ТЭ работают при невысоких температурах (до 370° К), что обеспечивает ресурс их работы до нескольких тысяч часов. Достигнутые на сегодняшний день в разработке ТЭ успехи связаны главным образом с химией (в частности электрохимией), тем не менее необходимо отметить, что существуют и другие, на наш взгляд, более перспективные пути решения этой проблемы.

Особое внимание стоит обратить на системы энергоустановок, способные с помощью микроорганизмов превращать непосредственно энергию химических связей органических молекул в электрическую. Эти процессы позволят миновать тепловую стадию, трансформировав свободную энергию сразу в электрическую. В результате энергия органических химических соединений будет использована наиболее эффективно, и при этом окружающая среда не будет загрязняться лишним теплом. Такие технологии теоретически позволяют значительно снизить уровень потребления органического топлива, не уменьшая при этом уровень энергопотребления. Некоторые современные экспериментальные разработки биотопливных элементов продемонстрировали довольно высокую частоту тока на электроде (до 50 м/см2) и мощность (более 1кВт), хотя они еще не доведены до того состояния, чтобы их можно было широко внедрять в производство. Для создания биоэнергетической установки надо решить ряд взаимосвязанных технологических задач.

Во-первых, необходимо разработать технологию получения стабилизированных мембран со значительными площадями и отработать условия формирования компактных объемных структур. Во-вторых, научиться включать в эти мембраны комплекс соответствующих биокатализаторов, чтобы обеспечить полное окисление органических веществ. Кроме того, разработать механизмы и устройства для регулирования интенсивности процесса окисления и обеспечения его цикличности с целью регулирования потока энергии от биоэнергетического источника в целом. По такому принципу на основе искусственных мембран можно построить и солнечные батареи. Если удастся включить в эти стабилизированные мембраны хлорофилл и ряд вспомогательных ферментов, тогда энергию возбуждения пигмента фотонами света можно будет непосредственно принимать на токопроводящую подкладку. Безусловно, современные преобразователи химической энергии в электрическую в виде топливных элементов или иных аналогичных устройств еще не в состоянии удовлетворить потребности ХХІ века, но можно отметить, что они позволяют нам приблизиться к решению энергетических проблем человечества, а следовательно, и его экологических проблем. Широкое применение биохимических и электрохимических принципов с использованием микроорганизмов в устройствах прямого преобразования различных видов энергии в электрическую, на наш взгляд, может быть рассмотрено как вариант экобиотехнологии. Особенностью таких систем будут высокий кпд и минимальное загрязнение окружающей среды.

Следующий аспект биоэнергетики неразрывно связан с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Все живое население биосферы, кроме человека, на протяжении своего эволюционного развития приспособилось к существованию за счет возобновляемых энергетических ресурсов. Такая стратегия использования энергии в условиях Земли является единственно возможным направлением устойчивого развития и стабильного существования. Именно поэтому возможность широкого использования ВИЭ в народном хозяйстве в течение последних нескольких лет рассматривается очень внимательно. Такой подход имеет преимущества и в контексте охраны окружающей среды. Доля ВИЭ в топливно-энергетическом балансе отдельных стран до этого времени очень дифференцирована, и с целью ее увеличения в Европейском Союзе принята Белая книга «Энергия будущего в возобновляемых источниках энергии». На сегодняшний день это издание — основной документ, который определяет направления долгосрочной политики и ставит количественную цель — увеличение доли ВИЭ с 6 до 10% за период 2000—2020 годов. Возобновляемые источники энергии в будущем должны составлять значительную долю и в энергетическом балансе отдельных районов и областей Украины. Ежегодно у нас потребляется около 200 млн. тонн условного топлива, при этом добыча из природных источников составляет всего лишь 80 млн. т. Важным потенциальным ресурсом при таком балансе собственного и импортируемого энергетического сырья может стать биотопливо. Возможности производства и использования биомассы в Украине определяются, в первую очередь, растениеводством, основу которого составляет выращивание зерновых. Солома — неплохой источник биомассы. Если считать, что для энергетических потребностей можно использовать около 20% общего количества соломы, то на этой основе может быть замещена определенная часть общего потребления первичных энергоносителей в Украине.

Форма биомассы для использования ее в качестве биотоплива может быть довольно разнообразной. Биомассу в энергетических целях можно использовать в процессе непосредственного сжигания древесины, соломы, сапропеля (органических донных отложений), а также в переработанном виде как жидкие (эфиры рапсового масла, спирты) или газообразные (биогаз — газовая смесь, основным компонентом которой является метан) топлива. Конверсия биомассы в носителе энергии может происходить физическими, химическими и биологическими методами, последние являются наиболее перспективными.

Мировой опыт показывает, что жидкое биотопливо становится перспективной и популярной категорией энергетических ресурсов, которая по своему значению для мировой энергетики занимает следующую позицию после твердого топлива из биомассы. На сегодняшний день в странах ЕС доля жидкого биотоплива не превышает 0,5% общего использования моторных масел, минерального дизеля и бензина. Это объясняется прежде всего высокой стоимостью производства, что делает жидкое биотопливо неконкурентоспособным по сравнению с традиционным горючим, производящимся из нефти. Несмотря на высокую себестоимость, производство жидкого топлива из биомассы в странах ЕС динамично растет. Прежде всего это происходит благодаря экологически продуманной экономической политике на государственном уровне. Основные пути развития производства жидкого биотоплива, предназначенного для транспортных средств с дизельными двигателями и двигателями внутреннего сгорания, непосредственно связаны с выращиванием масличных культур и растений с большим содержанием крахмала. В зависимости от вида сырья и масштабов производства, затраты на изготовление этого вида биотоплив меняются в диапазоне от 0,4 долл. /дм3 для этанола из кукурузы в США до 0,6 долл. /дм3 для метиловых эфиров высших жирных кислот из растительных масел в Европе. По сравнению с ними, стоимость производства жидкого топлива из полезных ископаемых составляет около 0,2 долл. /дм3. Хотя сегодня производство такого биотоплива — процесс более дорогостоящий, эксперты утверждают, что различие в стоимости био- и минерального горючего начнет исчезать примерно в 2010 году. На основе проведенных в США исследований установлено: стоимость ликвидации негативных последствий, наблюдаемых в окружающей среде и вызванных производством и применением топлива из полезных ископаемых, колеблется в пределах от 0,1 до 0,4 долл. /дм3. Таким образом, суммарный баланс стоимости указывает на то, что горючее, полученное из возобновляемых биологических источников, может быть дешевле в валовом экономическом расчете.

Еще одним возможным путем дополнения и частичной замены традиционных видов топлива является получение и использование биогаза. Важный аргумент в пользу этого источника энергии — необходимость решения на современном уровне экологических проблем, связанных с утилизацией отходов. Одна из основных тенденций при экологически безопасной переработке органических отходов — развитие комплексных технологий утилизации биомассы за счет метанового сбраживания, в результате которого образовуется биогаз. Сырье для производства биогаза — это, прежде всего, разнообразные органические отходы агропромышленного комплекса, которые богаты целлюлозой и прочими полисахаридами. Преобразование органических отходов в биогаз происходит в результате целого комплекса сложных биохимических превращений. Этот процесс получил название ферментации биомассы. Он происходит только благодаря бактериям и осуществляется в специальных технологических установках — ферментаторах. Необходимость создания и поддерживания оптимальных условий для роста и существования культуры бактерий в ферментаторе определяет себестоимость получения биогаза. Существует ошибочное представление, будто главное назначение ферментационных установок — получения биогаза, служащего дополнительным источником местного энергоснабжения. Оценивая с этой точки зрения экономическую эффективность переработки биомассы, сторонники этого подхода не учитывают, что биогазовые установки являются также оборудованием для переработки навоза и прочих органических отходов. Поэтому экономические затраты на их создание и эксплуатацию нужно рассматривать комплексно. При подсчете себестоимости биогаза необходимо учитывать стоимость мероприятий по утилизации отходов и защиты окружающей среды. В таком случае построение и эксплуатация биогазовых установок всегда будет иметь положительный экономический эффект. Расчеты свидетельствуют: несмотря на значительные капитальные вложения, срок окупаемости промышленной биогазовой установки равняется приблизительно трем годам. Объемы современного производства биогаза из агропромышленного сырья в Украине специалисты Национального аграрного университета оценивают на уровне 1,6 млн. тонн условного топлива. Учитывая технологические возможности использования зеленой массы как исходного сырья для получения биогаза, потенциальные возможности синтеза биогаза и использование его как топлива можно считать достаточно большими.

Недавно появились сообщения о возможности переработки органических соединений растительного происхождения для получения водорода, что, с точки зрения экологии, является идеальным топливом, имеющим высокую теплообразовательную способность (12,8 кДж/м3) и сгорающим без образования каких-либо вредных примесей. Существуют фототрофные бактерии, способные выделять водород под действием света. Пока они работают достаточно медленно. Но в них заложены природой такие биохимические механизмы и содержатся такие ферменты, которые позволяют катализировать образование водорода из воды. Некоторые ферменты параллельно с водородом образовывают и кислород, то есть происходит фотолиз воды. Примером может служить система, включающая хлоропласты или хлорофилл и фермент гидрогенеза. Хотя это направление пока не дало практических результатов, оно довольно перспективно для дальнейшего развития биоэнергетики.