Біоенергетика — вибір майбутнього

Сьогодні у світі продовжують розвиватись явища, що порушують цивілізований плин життя: вичерпуються традиційні джерела енергії, зростає вартість їх видобування, інтенсивно забруднюється довкілля, руйнується біосфера, утворюється надмірна кількість органічних відходів промислового, сільськогосподарського та побутового походження. Ліквідація всіх цих негараздів має здійснюватися прискореними темпами, інакше людство неминуче чекає доля вимерлих динозаврів.

Біоенергетика — це вибір, який має глобальну перспективу для подальшого успішного розвитку цивілізації. Подолання сучасних і запобігання ймовірним екологічним кризам неможливі без застосування новітніх екобіотехнологій для очищення стічних вод, біосорбції важких металів зі стоків, знешкодження небезпечних газових викидів, збагачення повітря киснем, використання перспективних засобів знешкодження твердих і рідких промислових відходів, біодеградації нафтових забруднень у грунтах і воді, біодеградації хімічних пестицидів та інсектицидів, підвищення ефективності методів біологічного відновлення забруднених ґрунтів, заміни низки агрохімікатів на біотехнологічні препарати тощо. Важливими напрямами також мають стати розробка екобіотехнологій, спрямованих на виробництво біогазу та водню з органічних відходів, мікробіологічна деструкція ксенобіотиків, застосування біоіндикації та біотестування в системі екологічного моніторингу.

Перша фундаментальна особливість біоенергетики полягає в тому, що будь-які живі об’єкти є термодинамічно відкритими системами, які успішно функціонують лише за умов постійного обміну речовиною та енергією з навколишнім середовищем. Термодинаміка таких систем істотно відрізняється від класичної. Вони стають принципово здатними до самоорганізації та самовдосконалення.

Друга надзвичайно важлива особливість біоенергетики пов’язана з тим, що обмінні процеси у клітинах проходять за умов відсутності значних коливань температури, тиску та об’єму. Природа, на відміну від техніки, не могла собі дозволити високих температур, тиску та інших умов, які є в сучасних двигунах внутрішнього згоряння та аналогічних теплових машинах. Перехід енергії хімічного зв’язку в корисну біологічну роботу в окремій клітині або цілому організмі відбувається без перетворення хімічної енергії в теплову.

І, нарешті, необхідно підкреслити, що в процесах перетворення енергії в живих об’єктах широко присутні електрохімічні стадії. Сукупна потужність електрохімічних процесів, що відбуваються в клітинах усіх живих організмів біосфери, на багато порядків перевищує світові масштаби технічного використання електрохімічної енергії.

Одним із основних результатів розвитку біоенергетики в останні десятиліття є встановлення подібності енергетичних процесів в усьому живому світі — від мікроорганізмів до людини. Однаковими для всього рослинного та тваринного світу виявилися і ті речовини, в яких енергія акумулюється, і процеси, з допомогою яких таке акумулювання здійснюється. Така ж подібність встановлена і в процесах використання акумульованої в цих речовинах енергії. Технічні та біологічні системи перетворення хімічної енергії в електричну також принципово подібні. Відмінності існують лише в деталях. При створенні технічних електрохімічних систем зазвичай не виникає особливих проблем з ізоляцією, оскільки вони оточені діелектричним середовищем — повітрям. Окрім того, в технічних пристроях в ролі електродів і провідників використовуються метали, які мають високу електропровідність. На відміну від цього, жива природа створила свої електрохімічні пристрої в не діелектричному середовищі — розчині електроліту. До того ж у її розпорядженні не було металевих провідників. А тому «біологічна електрохімія» є ніби оберненою стосовно більш звичної нам «технічної електрохімії». У цьому випадку не електронний провідник, а електролітна фаза розподіляється на два об’єми. Ізолюючим прошарком між ними слугує тонка плівка — клітинна мембрана. Різниця потенціалів у такій системі генерується між розділеними мембраною об’ємами електроліту.

Подібним чином організовані мітохондрії та хлоропласти. Саме ці субклітинні елементи і є біологічними електрохімічними генераторами — «енергетичними станціями» клітини. У процесі досліджень біоелектрохіміки встановили, що в живу клітину ніби вмонтовано воднево-кисневий паливний елемент (ПЕ). Так, подібно до того, як у ПЕ хімічна енергія палива перетворюється в електричну, жива природа хімічну енергію спочатку трансформує в електричні форми, а потім, у процесі окисного фосфорилювання, відразу ж консервує їх в енергію хімічних зв’язків. Практичне застосування вже знайшли ПЕ, в яких як паливо використовують водень, а як окисник — кисень, електролітом слугують луг або іонообмінний полімер. Такі ПЕ працюють при невисоких температурах (до 370° К), що забезпечує ресурс їхньої роботи до декількох тисяч годин. Досягнуті на сьогодні в розробці ПЕ успіхи пов’язані головним чином з хімією (зокрема електрохімією), проте необхідно відзначити, що існують і інші, на наш погляд, більш перспективні шляхи вирішення цієї проблеми.

Особливо варто звернути увагу на такі системи енергоустановок, які здатні з допомогою мікроорганізмів перетворювати безпосередньо енергію хімічних зв’язків органічних молекул у електричну. Такі процеси дозволять оминути теплову стадію, трансформувавши вільну енергію одразу в електричну енергію. Таким чином енергія органічних хімічних сполук буде використана найбільш ефективно, і при цьому довкілля не забруднюватиметься зайвим теплом. Такі технології теоретично дозволяють значно знизити рівень споживання органічного палива, не зменшуючи при цьому рівня енергоспоживання. Деякі сучасні експериментальні розробки біопаливних елементів продемонстрували досить високу густину струму на електроді (до 50 мА/см2) і потужність (більше 1кВт), хоча вони ще не доведені до того стану, щоб їх можна було широко впроваджувати у виробництво. Для створення біоенергетичної установки необхідно вирішити ряд взаємопов’язаних технологічних завдань.

По-перше, необхідно розробити технологію одержання стабілізованих мембран зі значними площами та відпрацювати умови формування компактних об’ємних структур. По-друге, навчитися включати в ці мембрани комплекс відповідних біокаталізаторів, щоб забезпечити повне окиснення органічних речовин. Крім того, розробити механізми і пристрої для регулювання інтенсивності процесу окиснення і забезпечення його циклічності з метою регулювання потоку енергії від біоенергетичного джерела в цілому. За таким принципом на основі штучних мембран можна побудувати і сонячні батареї. Якщо вдасться включити в ці стабілізовані мембрани хлорофіл та ряд допоміжних ферментів, то тоді енергію збудження пігменту фотонами світла можна буде безпосередньо приймати на струмопровідну підкладку. Безумовно, сучасні перетворювачі хімічної енергії в електричну у вигляді паливних елементів або інших аналогічних пристроїв ще не в змозі задовольнити потреби ХХІ століття, але можна зазначити, що вони вказують нам принципову можливість вирішення енергетичних проблем людства, а отже і його екологічних проблем. Широке застосування біохімічних та електрохімічних принципів при використанні мікроорганізмів у пристроях прямого перетворення різних видів енергії в електричну, на наш погляд, може бути розглянуто як варіант екобіотехнології. Особливістю таких систем будуть високий ККД та мінімальне забруднення довкілля.

Наступний аспект біоенергетики нерозривно пов’язаний із використанням поновлювальних джерел енергії (ПДЕ). Все живе населення біосфери, крім людини, протягом свого еволюційного розвитку пристосувалося до існування за рахунок поновлювальних енергетичних ресурсів. Така стратегія використання енергії в умовах Землі є єдиним можливим напрямом стійкого розвитку та стабільного існування. Саме тому можливість широкого використання ПДЕ в господарстві протягом останніх кількох років розглядається дуже уважно. Такий підхід має переваги і в контексті охорони навколишнього середовища. Частка ПДЕ у паливно-енергетичних балансах окремих країн до цього часу дуже диференційована, і з метою її збільшення в Європейському Союзі прийнято Білу книгу «Енергія майбутнього у поновлюваних джерелах енергії». Це видання на сьогодні є ключовим документом стратегічного характеру, який визначає напрями довгострокової політики і ставить кількісну мету — збільшення частки ПДЕ з 6% до 10% за період 2000 — 2020 років. Поновлювальні джерела енергії у майбутньому мають становити значну частку і в енергетичному балансі окремих районів та областей України. Щорічно в Україні споживається близько 200 мільйонів тонн умовного палива, при цьому видобуток із природних джерел країни становить лише 80 млн. т. Важливим потенційним ресурсом при такому балансі власної та імпортованої енергетичної сировини може стати біопаливо. Можливості виробництва й використання біомаси в Україні визначаються, в першу чергу, рослинництвом, основу якого становить вирощування зернових. Солома є непоганим джерелом біомаси. Якщо вважати, що для енергетичних потреб можна використовувати близько 20% загальної кількості соломи, то на цій основі може бути заміщено певну частку загального споживання первинних енергоносіїв в Україні.

Форма біомаси для використання її як біопалива може бути досить різноманітною. Біомасу в енергетичних цілях можна використовувати у процесі безпосереднього спалювання деревини, соломи, сапропелю (органічних донних відкладень), а також у переробленому вигляді як рідкі (ефіри ріпакової олії, спирти) або газоподібні (біогаз — газова суміш, основним компонентом якої є метан) палива. Конверсія біомаси у носії енергії може відбуватися фізичними, хімічними та біологічними методами, останні є найбільш перспективними.

Огляд світового досвіду демонструє, що рідкі біопалива стають перспективною і популярною категорією енергетичних ресурсів, яка за своїм значенням для світової енергетики посідає наступну позицію після твердих палив із біомаси. На сьогодні у країнах ЄС частка рідкого біопалива не перевищує 0,5% загального використання моторних масел, мінерального дизелю та бензину. Це пояснюється насамперед високою вартістю виробництва, що робить рідке біопаливо неконкурентоспроможним, порівняно з традиційним пальним, яке виробляється з нафти. Незважаючи на високу собівартість, виробництво рідкого палива з біомаси у країнах ЄС динамічно зростає. Перш за все це стає можливим завдяки екологічно продуманій економічній політиці на державному рівні. Основні шляхи розвитку виробництва рідкого біопалива, призначеного для транспортних засобів із дизельними двигунами та двигунами внутрішнього згоряння, безпосередньо пов’язані з вирощуванням олійних культур та рослин із великим вмістом крохмалю. Залежно від виду сировини і масштабів виробництва, витрати на виготовлення рідких біопалив змінюються в діапазоні від 0,4 дол./дм3 для етанолу з кукурудзи у США до 0,6 дол./дм3 для метилових ефірів вищих жирних кислот із рослинних олій у Європі. Порівняно з ними вартість виробництва рідкого палива з корисних копалин становить близько 0,2 дол./дм3. Хоча сьогодні виробництво рідкого біопалива — процес дорожчий, експерти стверджують, що різниця у вартості біо- та мінерального пального почне зникати приблизно в 2010 році. На основі проведених у США досліджень встановлено, що вартість ліквідації негативних наслідків, які спостерігаються в навколишньому середовищі й викликані виробництвом і застосуванням палива з корисних копалин, коливається в межах від 0,1 до 0,4 дол./дм3. Таким чином, сумарний баланс вартості вказує на те, що пальне, отримане з поновлюваних біологічних джерел, може бути дешевшим у валовому економічному розрахунку.

Ще одним можливим шляхом доповнення та часткової заміни традиційних видів палива є отримання й використання біогазу. Важливий аргумент на користь цього джерела енергії — необхідність вирішення на сучасному рівні екологічних проблем, пов’язаних із утилізацією відходів. Однією з основних тенденцій у розгортанні екологічно безпечної переробки органічних відходів є розвиток комплексних технологій утилізації біомаси за рахунок метанового зброджування, в результаті якого утворюється біогаз. Сировина для виробництва біогазу — насамперед різноманітні органічні відходи агропромислового комплексу, які багаті на целюлозу та інші полісахариди. Перетворення органічних решток на біогаз відбувається внаслідок цілого комплексу складних біохімічних перетворень. Цей процес отримав загальну назву ферментації біомаси. Він відбувається лише завдяки бактеріям і здійснюється у спеціальних технологічних установках — ферментаторах. Необхідність створення та підтримування оптимальних умов для росту й існування культури бактерій у ферментаторі визначає собівартість одержання біогазу. Дехто, на наш погляд, помилково вважає, що головне призначення ферментаційних установок — отримання біогазу, який служить додатковим джерелом місцевого енергопостачання. Оцінюючи з цього погляду економічну ефективність переробки біомаси, вони не враховують, що біогазові установки є також обладнанням для переробки гною та інших органічних відходів. Тому економічні витрати на їх створення й експлуатацію потрібно розглядати комплексно. При підрахунку собівартості біогазу необхідно враховувати вартість заходів із утилізації відходів і захисту навколишнього середовища. У такому разі побудова й експлуатація біогазових установок завжди матиме позитивний економічний ефект. Розрахунки свідчать, що, незважаючи на значні капітальні вкладення, термін окупності промислової біогазової установки становить близько трьох років. Обсяги сучасного виробництва біогазу з агропромислової сировини в Україні спеціалісти Національного аграрного університету оцінюють на рівні 1,6 млн. тонн умовного палива. Враховуючи технологічні можливості використання зеленої маси як вихідної сировини для одержання біогазу, потенційні можливості синтезу біогазу та використання його як палива можна вважати істотно більшими.

Нещодавно з’явилися і повідомлення про можливість переробки органічних сполук рослинного походження з одержання водню, який, із погляду екології, є ідеальним паливом, що має високу теплотворну здатність (12,8 кДж/м3) і згорає без утворення будь-яких шкідливих домішок. Існують фототрофні бактерії, здатні виділяти водень під дією світла. Поки що вони працюють досить повільно. Але в них закладені природою такі біохімічні механізми і містяться такі ферменти, які дозволяють каталізувати утворення водню з води. Деякі ферменти паралельно з воднем утворюють і кисень, тобто відбувається фотоліз води. Прикладом може бути система, що включає хлоропласти або хлорофіл і фермент гідрогенезу. Хоча цей напрям поки що не дав практичних результатів, він досить перспективний для подальшого розвитку біоенергетики.