Енергиен резервоар срещу плоча - спектър на науката
Енергия: резервоар срещу плоча
Когато пилотите на Формула 1 на Ферари заеха първо и второ място в Гран При на Бахрейн преди две години, те имаха необикновена смес в резервоарите си: горивото съдържаше малко количество биогориво от второ поколение, направено от лигноцелулоза . Дори октановият свят на Формула 1 бавно се изправя пред реалността на изменението на климата и намаляващите запаси от нефт. От 2008 г. наредбите на Формула 1 предвиждат, че поне 5,75% от горивото трябва да идва от растителни източници. Добавеното биогориво в резервоарите на Ferraris изпълни това примерно, тъй като беше получено от негодни за консумация части от растения.
Известният състезателен екип демонстрира как биогоривата могат да задоволят глада ни за енергия, без да застрашават производството на храни. Според Световната организация за прехрана (FAO) цените на хранителните продукти са се повишили изключително бързо в близкото минало. Критиците обвиняват това във все по-широкото използване на биогорива от първо поколение. Те са направени от годни за консумация части от хранителни култури - като захарна тръстика или царевица - и след това се добавят към обикновения бензин или дизел. В много развиващи се страни има социални вълнения поради високите цени на храните. Оправдано ли е изобщо етично, че западните правителства все повече насърчават използването на биогорива? Може ли защитата на климата и снабдяването с храни да бъдат под един покрив?
За Ferrari отговорът е категорично да. Екипът избра етанол, направен от слама, който е остатъчен продукт в селското стопанство - пример за това как текущите проблеми на биогоривата могат да бъдат преодолени. Новите химически процеси, по-добрите стратегии за използване на земята и по-високите земеделски добиви могат да ни покажат изхода от дилемата „резервоар или чиния“. Идеята за получаване на гориво от култури не е нова. Двигателите на Рудолф Дизел работят на растителни масла още през 19 век. А бразилците добавят етанол към бензина си от 1929 г., който идва от захарна тръстика. Но биогоривата играят важна роля в глобалната енергийна и климатична политика само за добри десет години.
Изчистена дъждовна гора, скачащо цените на царевицата
Това се основава на нарастващия страх от сигурни доставки на суров нефт, страховете по отношение на изменението на климата и неуморно нарастващия глад за енергия. Бързината, с която биогоривата бяха въведени по света, обаче доведе до осезаеми конфликти за земеползването. Например в малайската част на Борнео фермери и големи предприемачи разчистиха огромни площи от джунглата, за да ги заменят с плантации с палмово масло. На други места огромни количества събрани хранителни култури - като царевица - се транспортират до биорафинериите, за да се превърнат в гориво. През 2007 г. американските фермери засадиха царевица върху рекордните 375 000 квадратни километра. Не по-малко от една трета от него влезе в производството на етанол. Според някои експерти това е причината цените на царевицата да се повишат с повече от 70 процента към края на 2010 г. В началото на 2011 г. Световната организация по храните отбеляза пик в своя индекс на цените на храните.
При по-внимателна проверка обаче става ясно, че биогоривата са само част от проблема. Според доклада на Световната банка от 2008 г. "Бележка за повишаването на цените на храните", въпреки че те са отговорни главно за покачването на цените на храните през последните години, спекулациите на фондовия пазар и екстремните климатични събития също допринасят. Нарастващите разходи за суров петрол също не трябва да бъдат пренебрегвани. Те имат пряко влияние върху цените на храните, казва Отолайн Лейзер. Растителният генетик от университета в Кеймбридж (Великобритания) е съавтор на становище за биогоривата, публикувано наскоро от Съвета за биоетика на Nuffield - британска организация с нестопанска цел, която се занимава с биоетични проблеми. Според Leyser се изисква много енергия, главно под формата на изкопаеми горива, за прибиране на реколтата, транспортиране и обработка на реколтата.
Но цените на храните не са единствените критики. Въпреки че повечето биогорива не са специално проектирани за намаляване на емисиите на парникови газове, се очаква те да бъдат. Найджъл Мортимър от британската енергийна консултантска компания North Energy показа в анализ, че биогоривата често са малко по-добре от изкопаемите горива по отношение на емисиите на парникови газове. И според Анджела Карп, научен директор в Центъра за селскостопански изследвания Rothampsted в Харпенден, Великобритания, биогоривата от първо поколение често изискват големи количества вода и азот, за да растат достатъчно растителна маса. Това също има отрицателен ефект върху техния въглероден отпечатък. Кенет Стоун, селскостопански инженер от Службата за земеделски изследвания във Флоренция (Южна Каролина, САЩ), стига до заключението, че потреблението на вода в земеделието ще се увеличи шест пъти, ако в съответствие с целите на Министерството на енергетиката на САЩ в бъдеще от царевица се произвежда повече биоетанол.
И все пак битката за площите остава един от най-трудните проблеми. В идеалния случай производството на биогорива трябва да използва само нискокачествени нисковъглеродни полета, казва Ян Круте, главен учен в Съвета за развитие на земеделието и градинарството в Кенилуърт, Англия. Всъщност обаче все повече фермери отглеждат енергийни култури на висококачествени почви, които всъщност са предназначени за производство на храни, защото могат да генерират високи приходи. Това подчертава Оливие Дюбоа, координатор на групата по биоенергия на ФАО в Рим. За да се разреши този конфликт, трябва да се възстанови допълнителна земя.
Състезание в областта
Има подобно съревнование в животновъдството. Брус Дейл, инженер-химик в Мичиганския държавен университет в Източен Лансинг, установи, че повече от 80 процента от селскостопанската продукция в САЩ се използва като фураж. "Невероятна загуба", коментира Лейзър. По този начин увеличаването на консумацията на месо по света е друга важна причина, поради която цените на храните рязко растат. В същото време, когато световното население се увеличава, става все по-трудно да се разработят достатъчно нови площи за обработка. След 40 години се очаква светът да има девет милиарда души, с 2,3 милиарда повече от днес, които ще трябва да бъдат хранени, както отбелязва докладът на ФАО „Как да храним света през 2050 г.“. Още по-лошо: Тъй като консумацията на месо и консумацията на калории на глава от населението непрекъснато се увеличават, нуждата от храна се увеличава непропорционално. „През 2050 г. ще ни трябват 70 процента повече храна“, изчислява Дюбоа.
Използването на растения за производство на енергия влошава ситуацията. През следващите 25 години се очаква потреблението на енергия на развиващите се пазари да нарасне с 84 процента. Почти една трета от това вероятно ще дойде от биогорива. Ако селското стопанство по света скоро не претърпи значителен тласък на развитието, това развитие ще доведе до драстичен недостиг на обработваема земя - както за храна, така и за биогорива. Вярно е, че обработваемата земя теоретично може да се удвои през следващите четири десетилетия. ФАО обаче очаква увеличение само с около пет процента през този период, защото много обработваеми площи вероятно ще станат жертва на градския растеж. За да се увеличи производителността на селското стопанство, реколтата трябва да се увеличи значително, казва Дюбоа.
За съжаление разработките до момента говорят на различен език. През последните 50 години добивите в световен мащаб са нараснали, но със забавящи се темпове: темпът на нарастване е спаднал от 3,2% през 1960 г. на 1,5% през 2000 г. И все пак Ян Крут се надява. Въпреки всичко това, казва той, все още има растеж и има достатъчно място за подобрение. Все още имаше огромни разлики в добивите между страните и все още имаше много място за подобрение. Например, големи райони в Африка лежат на угар, главно защото са неадекватно свързани с инфраструктурата. Там фермерите нямат начин да предлагат продуктите си на пазара, така че те засаждат само това, от което се нуждаят техните семейства, обяснява Крут. Отглеждането на енергийни култури в тези региони може да има положително въздействие както върху инфраструктурата, така и върху производството на храни.
Генното инженерство като изход?
Генното инженерство също може да стимулира селското стопанство. Вече помага да се направят растенията по-устойчиви на вредители. „Скоро ще произвеждаме и сортове царевица, които изискват по-малко вода и издържат по-добре на сухи периоди“, прогнозира Круте. Изследователите работят и върху устойчиви на сол растения. Например те трябва да бъдат засадени в региони, където повишаването на морското равнище води до засоляване на подпочвените води. Царевицата и някои други растения също имат много по-ефективни механизми за фотосинтеза от пшеницата или ориза, както подчертава Крут. Те могат да бъдат прехвърлени от един растителен вид в друг с помощта на генно инженерство.
Не само подобренията в селското стопанство и генното инженерство, но и новите производствени процеси за биогорива трябва да намалят конкуренцията между резервоара и плочата. Ако беше възможно да се използва цялото растение, а не само годни за консумация части, биха могли да се използват много повече видове биомаса. В кълновете, листата и корените се съхранява значително повече енергия, отколкото в плодовете - но тази енергия е по-трудна за получаване, казва Крис Сомървил, директор на Института за енергийни биологични науки към Калифорнийския университет в Бъркли. Следователно използването на цели растения е по-скъпо от сегашното производство на етанол от царевица.
Например канадската компания за биотехнологии Iogen използва ензим от вида гъби Trichoderma reesei за производство на биогориво от слама за екипа на Ferrari. С негова помощ гъбата усвоява лигнин - основен компонент на дървесните части на растенията - и по този начин достига до хранителните вещества в дърветата. Има и други ензими за смилане на лигнин, но нито един от наличните в момента не работи много ефективно и струва между 10 и 20 цента на литър произведено гориво. В пълен контраст с ензимите за мащабно производство на етанол от царевица: Те струват около половин цент на литър.
Целият завод е в търсенето
Така че не е изненадващо, че биотехнологичната компания Iogen очевидно има проблеми с изкопаването на достатъчно от този остатък: демонстрационната му инсталация произвежда средно само 256 000 литра етанол годишно, въпреки че е проектирана за 1,9 милиона литра. Компанията обяснява разликата, като заявява, че това е изпитателно съоръжение, което не работи непрекъснато. Но ако петролната компания Shell, един от основните инвеститори в Йоген, ще управлява производството на биоетанол в търговски мащаб, търсенето ще бъде от 20 до 30 тона слама на ден, което може да доведе до тесни места.
Растителният генетик Ottoline Leyser прогнозира, че за да се получат такива количества биомаса, няма да е достатъчно рециклирането на реколтата няколко пъти. По-скоро ще е необходимо да се отглеждат бързо растящи растения, които са предназначени само за производството на биогорива. Те обаче не трябва да се конкурират с хранителни култури за площи. Бързо растящите тополи или върби например биха могли да растат върху замърсена почва и да ги почистват едновременно. Дърветата превръщат въглеродния диоксид в биомаса по-бързо от повечето други растения.
Голямо бъдеще
Многогодишните треви като мискантус или тревата Panicum virgatum са може би дори по-добри кандидати. Те не се нуждаят от много вода и съхраняват хранителни вещества в корените си. „При прибирането на реколтата събирате само надземни части от растението, които съдържат много малко хранителни вещества - казва Лейзер, - в резултат почвата почти не се изчерпва и в резултат на това не се изисква почти никакъв тор.“ Многогодишните треви растат и върху почви, които са неизползваеми за обработваеми култури. Съмървил смята, че последната точка е от решаващо значение: някои пустини могат да се превърнат в плантации за енергийни култури, например чрез отглеждане на устойчиви на суша култури като агавата.
Координаторът на ФАО Оливие Дюбоа обаче смята, че биогоривата от второ поколение също имат недостатъци. Те също се нуждаеха от площи и дори най-пестеливите култури биха се конкурирали с хранителните култури за ресурси. Освен това технологията за производство на биоетанол от първо поколение вече се разработва от половин век. "Ще са необходими още пет до десет години за производство на биогорива от второ поколение в голям мащаб", каза той. Вече се случва много. Например енергийната компания BP изгражда фабрика за 400 милиона долара в окръг Хайлендс (САЩ), която ще преработва целулоза от високоенергийна захарна тръстика, превръзка трева или мискантус в етанол. Заводът е проектиран да произвежда 136 милиона литра гориво годишно, което би го превърнало в търговска биорафинерия според критериите на Министерството на енергетиката на САЩ. Въпреки че количеството звучи огромно, то е малко в сравнение с милионите литри бензин на ден, които конвенционалните рафинерии отделят.
Но дори и да отнеме известно време, за да се утвърди: новите биогорива ще дойдат. Остава да видим дали в крайна сметка течности от второ поколение ще напълнят нашите резервоари - и тези на болидите от Формула 1 - или ще има трето и четвърто поколение. Така или иначе, те ще играят важна роля в бъдеще за задоволяване на глобалния глад за енергия. И с модерни технологии, разумно използване на земята и внимателно използване на ресурсите, все още трябва да има достатъчно обработваема земя за хранителни култури.