Применение методов биотехнологии в производстве энергии.

Неиссякаемым источником энергии является солнце. Каждый год на поверхность Земли поступает 3•10²⁴ Дж энергии, в то время как запасы нефти, природного газа, угля, урана по оценкам эквивалентны 2,5•10²² Дж. Т.е. менее чем за неделю Земля получает от Солнца такое же количество энергии, какое содержится во всех невозобновляемых ее запасах.

Если бы только 0,1% поверхности Земли занимали накопители, использующие солнечную энергию с коэффициентом полезного действия около 10%, то были бы удовлетворены все текущие потребности в энергии в мире за год (3•10²⁰ Дж).

Однако у солнечной энергии есть два недостатка: она поступает неравномерно и диффузно. Поэтому необходимо, во-первых, разработать какие-то системы накопления, так чтобы энергия была доступна по потребности, а во-вторых, создать накопители большой площади. Оба этих фактора накладывают определенные ограничения на использование систем на основе солнечной энергии.

Обе эти проблемы решает производство биомассы путем фотосинтеза:

Во-первых, в роли накопителей могут выступать растения, и во-вторых, получаемый продукт стабилен и может храниться.

Впрочем, при получении и использовании биомассы для выработки энергии возникают свои проблемы, которые, однако, уравновешиваются преимуществами: ее можно получать во всем мире, она возобновляется в согласии с окружающей средой. Кроме этого, солнечная энергия запасается в биомассе в форме органических веществ, поэтому ее можно хранить и перемещать во времени и пространстве.

К недостаткам относится малая эффективность (обычно менее 1% и редко более 2%) использования солнечной энергии при фотосинтезе; при образовании продукции растениеводства диффузный, а часто и сезонный характер продукции и высокое весовое содержание влаги. По этим причинам для получения высококачественного, богатого энергией сырья необходимо осуществить его сбор, перевозку, удаление воды, концентрирование или же химическую или биологическую переработку и упаковку. Если же задачей является превращение биомассы в ценные виды топлива, то думать приходится не только об удалении воды и увеличении удельного содержания энергии, но и о том, как получить продукт, совместимый с технологией, для которой он предназначен.

Ранее основным путем использования растительного сырья в качестве топлива во всем мире было прямое сжигание главным образом древесины и в меньших масштабах – остатков урожая и навоза. В настоящее время на разных стадиях разработки находится ряд систем термической модификации такого сырья. Среди них – установки на основе пиролиза, газификации и гидрогенизации.

Для этой цели применяют главным образом сахарный тростник, кукурузу, древесину, навоз, бытовой мусор, а также отходы сельского хозяйства и промышленности.

Основным поставщиком биомассы, идущей на топливо, служит сельское и лесное хозяйство. Оценивая нынешние возможности, следует исходить из наличных земельных площадей, урожайности современных культур, продуцирующих сахар и крахмал, и числа работников, занятых в сельском хозяйстве.

Ежегодный прирост биомассы во всем мире составляет около 2•10¹¹ т. Из них приблизительно 1,2•10¹¹ т составляет древесина (в пересчете на сухое вещество). Примерно 60% вырубаемой древесины используется как топливо.

Древесина, используемая в качестве биотоплива, обладает рядом достоинств: выход продукции в пересчете на гектар очень высок; из древесины получают значительно больше биомассы, чем из любого другого источника; разведение лесов требует гораздо меньших вложений, чем выращивание других культур. К числу недостатков нужно отнести длительность роста до зрелости, а также тот факт, что главный компонент древесины, лигноцеллюлоза, очень сложна для переработки. В ближайшем будущем наиболее удобным и доступным источником сырья будут отходы деревообрабатывающей промышленности, но впоследствии все возрастающее значение будет приобретать «выращивание» топлива.

Поскольку основные затраты связаны с очисткой земли и посадкой, основное внимание уделяется сегодня выращиванию твердодревесного быстрорастущего порослевого леса.

Большой биомассой отличаются пресноводные и морские водоросли, но чрезвычайно большое содержание воды в этих растениях и сложность сушки на солнце препятствуют использованию их как топлива путем прямого сжигания.

Наиболее подходящей технологией переработки водных растений и сырых отходов земледелия в топливо, корма и удобрения является анаэробная ферментация. Эти растения просто процветают в сточных водах. Они успешно очищают воду и хорошо при этом растут. Таким образом, они могут играть двойную роль: улучшать состояние окружающей среды и служить важным источником энергии. В ряде стран из водных растений получают биогаз. Их стали использовать для этой цели, поскольку растения исключительно быстро растут, причем на поверхности воды, и их легко собирать. Можно использовать и водоросли, растущие в прудах, в которых перерабатываются сточные воды, содержащие органические вещества. Такая технология особенно пригодна для стран, где много солнца, и к тому же нередко возникают проблемы переработки жидких отходов.

Многие жидкие и полутвердые отходы – идеальная среда для роста фотосинтезирующих водорослей и бактерий. При хороших условиях они быстро наращивают биомассу и осуществляют эффективное превращение солнечной энергии (3,5%); выход продукции составляет 50-80 т с гектара в год. Собранные водоросли можно прямо скармливать животным, получать из них метан или сжигать для получения электроэнергии. При этом одновременно происходит переработка отходов и очистка воды. По существующим оценкам затраты на такие системы в условиях Калифорнии составляют около 50% от затрат на обычные системы переработки сточных вод. Главная хозяйственная проблема здесь – затраты на сбор продукции. Ее можно решить, используя иные виды водорослей, которые легче собирать, и новые технические приемы сбора.