Неопределенность обусловлена характером проблемы. Исследователи бросают вызов анатомии самого растения. Они пытаются извлечь из растений и других материалов то, что эти органические материалы просто так не отдают.
Основная проблема для этанола – как извлечь сахар, который можно подвергнуть брожению и затем путем перегонки преобразовать в спиртовое топливо. Из сахарного тростника его получить несложно. Кукурузу необходимо размолоть и подвергнуть соответствующей обработке. С целлюлозным этанолом все сложнее. Его получают из сахаров, которые являются составной частью длинной сложной цепочки углеводов, включающей целлюлозу и гемицеллюлозу. Но до топлива им далеко. Они слишком жестки, поскольку составляют «стены» растения. Целлюлоза и гемицеллюлоза наряду с лигнином придают растению структурную целостность. Именно благодаря им дерево стоит.
Эту «броню», которая защищает сахар, нужно разбить. Необходимо отделить целлюлозу и гемицеллюлозу от лигнина и извлечь из них сахара, пригодные для преобразования путем брожения в этанол (этиловый спирт). Это преобразование можно осуществить с помощью специальных ферментов.
Сырье для целлюлозного этанола недорогое. Это могут быть остатки сельскохозяйственных культур или сельскохозяйственные отходы, например остатки зеленой массы, солома, оставшаяся после сбора пшеницы, или багасса, волокнистые отходы сахарного тростника. Это могут быть другие сельскохозяйственные остатки, древесные отходы и даже некоторые виды мусора. Также целлюлозный этанол можно получать из разных видов трав, которые выращиваются на малоплодородной земле, например вышеупомянутое просо прутьевидное, мискант или сорго, двоюродный брат сахарного тростника.
Но стоимость переработки по-прежнему велика. Ее необходимо резко снизить, чтобы эта технология стала конкурентоспособной.
Существует и «забытая проблема» – логистика. По сравнению с нефтью биомасса имеет очень низкую плотность энергии. Соответственно, ее необходимо собирать в больших количествах, и затраты на ее сбор, транспортировку и хранение велики. У нефти плотность энергии такова, что транспортировать ее даже на другой конец земного шара экономически выгодно. Биомасса имеет «местный характер», из-за чего ее транспортировка ограничивается радиусом 80 км. Рассмотрим завод по производству целлюлозного этанола производительностью 6000 баррелей в день. Для обеспечения его сырьем может понадобиться до 50 000 рейсов грузовиков с полуприцепом в год.
Заводу также необходим стабильный источник поставок. Если сырье собирают раз или два в год, то его необходимо где-то хранить, что является еще одной логистической проблемой. Сырье также портится и гниет. Все это повышает стоимость. И к тому же само сырье не бесплатно17.
Индустрия не выйдет на приемлемые масштабы, если эти логистические проблемы не будут решены. Один из способов сделать это – сменить сырье, т. е. растение.
Более крепкий орешек, чем думали многие
Став кандидатом наук по молекулярной биологии, Ричард Хамилтон год проработал в Гарварде, где опробовал свои идеи по созданию при помощи биотехнологий и генной инженерии новых растений. В 1997 г. он инициировал учреждение компании под названием Ceres, которая занималась генами растений. И только в 2004 г., когда этанольный бум уже набирал обороты, он сосредоточился на создании при помощи биотехнологий растений, которые можно использовать в качестве сырья, решающего проблемы снабжения целлюлозной индустрии. Хамилтон и другие ученые, работавшие в этой сфере, открыли новые возможности для биотоплива.
«Многие сосредоточены на технологиях переработки и почти не думают о сырье, – сказал он. – Но эта ситуация изменится с ростом масштаба. Одним из ключевых факторов, принимая во внимание логистику, является высокая урожайность. В целом целлюлозный этанол оказался более крепким орешком, чем думали многие. Самая большая проблема здесь заключается в том, что сроки определяются жизненным циклом живых организмов. Чтобы увидеть результаты своей работы, нам нужно ждать наступления определенного времени года».
«Наши культуры – не из мифического райского сада, – добавил Хамилтон. – Они выращиваются и совершенствуются человеком». Он показал ноготь на пальце. «Вот такими были первые кукурузные початки. Мы занимаемся сельским хозяйством уже 10 000 лет. До 1946 г. мы не знали, что ДНК – генетический материал. Зеленая революция в конце 1960-х гг. положила начало применению современной биологии в целях усовершенствования растений»18.
Многие из работающих в этой сфере применяют ноу-хау, появившиеся благодаря созданию карты генома человека. Обращаясь к таким новым направлениям, как биоинформатика и вычислительная биология, и занимаясь так называемым высокопроизводительным экспериментированием, они стремятся выделить конкретные гены и установить их функции. Цель – ускорить процесс эволюции, отбирая характеристики, которые позволят высоким травам вроде мисканта и проса прутьевидного расти на малоплодородных землях. Главная задача заключается в том, чтобы существенно увеличить количество «галлонов на акр».
Есть и другие подходы. Один из них предполагает нагрев биомассы до очень высокой температуры с целью получения синтетического газа, который, подобно тому, как уголь превращают в жидкость, можно трансформировать в жидкое топливо. Другой предполагает гидролизное разложение биомассы под давлением и при высокой температуре с целью превращения ее в этанол.
Технологии переработки сосредоточены в основном на «заменимых молекулах» или «зеленых молекулах». Их целью является превращение сахара с помощью катализаторов в углеводороды, которые по своим характеристикам и составу идентичны традиционному углеводородному топливу – бензину, дизельному топливу и авиационному керосину. При больших масштабах это будет означать появление продуктов, которые можно ввести в существующую систему топливоснабжения без изменения инфраструктуры. Пока же этанол необходимо транспортировать и хранить отдельно от бензина, поскольку он легко смешивается с малыми количествами воды, присутствующими в бензопроводах и резервуарах для хранения.
Водоросли: маленькие перерабатывающие установки
Еще одним потенциальным источником биотоплива являются водоросли, одноклеточные создания, находящиеся в самом низу пищевой цепочки и встречающиеся в океанах, озерах и прудах. Водоросли являются маленькими перерабатывающими установками: они поглощают солнечный свет и углекислый газ и выделяют кислород и биомасла. Эти масла по молекулярной структуре очень подходят для производства бензина, дизельного топлива и авиационного топлива. Водоросли теоретически очень эффективны. Они могут размножаться на почве, в прудах с солоноватой водой и в биореакторах и давать примерно втрое больше топлива на единицу площади, чем пальмовая плантация, и примерно в шесть раз больше, чем кукурузная ферма.
