Ензимите и фотосинтезата - ключът към биомобилност

Добре познатите химични процеси в комбинация с нови суровини се очаква да допринесат за пробив при биогоривата. Мнозинството от хората смятат, че биомасата е един многообещаващ начин за намаляване на въглеродните емисии. Повечето хора също така предполагат, че биомасата ще замени суровия нефт като основа за течните горива, като по този начин ще се намалят емисиите. Въпреки това, проучванията на експерти поставят спирачка на първоначалния ентусиазъм за производство на алкохолни горива като етанол, направен от зърнени култури като царевица. Става все по-ясно, че са необходими технологични алтернативи за бъдещето на биогоривата. Хората възлагат своите надежди на второ и трето поколение горива.

При производството на първото поколение горива, биодизел и етанол се използва една малка част от растението – само масло, захар и нишесте. Освен това, критиците посочват за конкуренция зърнените култури. В допълнение, анализите на жизнения цикъл показват, че тези горива не предлагат никаква полза в сравнение с традиционните горива по отношение на парниковия газ CO2. Производственият процес освобождава точно толкова CO2 в атмосферата, колкото производството и употребата на горива, базирани на суров петрол. Второто поколение горива използва почти цялото растение, което означава, че дървесната целулоза също се превръща в биогориво.

Третото поколение горива се базира на водорасли и бутилов алкохол, които са много далеч от излизане от лабораторията. Докато индустрията за биогорива търси по-ефективни суровини и процеси, критиците казват, че биомасата ще се използва по-добре при генериране на енергия за задвижване на електрически автомобили.

Изследователи от Мичиганския държавен университет, Университета на Минесота и Университета за селскостопански науки в Упсала, Швеция, са показали, че използването на биомаса за генериране на електричество е значително по-ефективно при намаляване на емисиите на парникови газове, отколкото скъпото превръщане на биомасата в течно гориво. Тридесет на сто от енергията, съдържаща се в захарта, се губи в процеса на превръщане на енергията от целулоза в гориво. Около 70% от енергията, съдържаща се в биогоривото, се губи в модифицирани двигатели с вътрешно горене. Освен това, електрическите автомобили са много по-ефективни. Генерирането на енергия от биомаса има потенциала да спести два пъти по-голяма част от суровия петрол, отколкото ако се превръща в биогориво. Изследователите на биогорива, обаче, не позволяват да се наблюдава отклонение от това твърдение. Множество проекти имат за цел да се включи нов потенциал и насърчаване на постижения за ефективно биогориво.

Второ поколение биогорива
Второто поколение биогорива се произвежда от високи треви. Особено подходящи за производството на гориво са просо, бързорастящи дървета и растения с високо съдържание на целулоза. Могат също да се използват органични земеделски отпадъци, отпадъци от горското стопанство, както и отпадъци от промишлени процеси. Учените сега смятат, че биогоривата от целулоза ще създадат много по-малко емисии на парникови газове, в сравнение с първото поколение биогорива. Въпреки това, стойността на емисиите варира в зависимост от вида на използвания растителен материал и процес. Енергийни култури като просо, китайска сребърна трева и сорго са сортове с по-високи добиви, които се отглеждат специално заради тяхното енергийно съдържание. Те могат да живеят с по-малко вода и торове, отколкото други растения. Те дори растат в по-бедни почви, където други растения вече не растат. Съдържанието на целулоза на някои сортове растения може да се подготви за производство на биогориво, с помощта на специален коктейл от ензими. За тази цел Ceres Inc. – американска компания, която отглежда енергийни култури, е провела съвместни изследвания със световния доставчик на ензими Novozymes, Дания. Докато първото поколение етанол по същество се произвежда чрез ферментация, превръщайки захари и нишесте в алкохол, биогоривата от второ поколение са базирани на ензимна технология. Подобно на каталитични конвертори, ензимите би трябвало да насърчат чистото изгаряне на горивото и да съдействат за ефективното преобразуване на компонента дървесна целулоза в етанол. Ензимите превръщат биомасата на енергийните култури в захари, които след това могат да бъдат използвани за производство на биогорива и други биопродукти. Чрез съвместния проект за оптимизация, Ceres и Novozymes искат да увеличат добива на гориво, като същевременно се намалят инвестиционните и оперативните разходи. Мениджърът бизнес развитие в Ceres казва, че компанията Ceres работи по усъвършенстването на енергийни култури чрез използване на модерни методи за отглеждане въз основа на генното инженерство. Работата е насочена към оптимизиране на добивите от целулоза за запазване на горивото. Предвижда се бъдеще, в което ще можем да се обърнем към съоръженията за преобразуване и техните доставчици на суровини с пълен пакет от специално подготвени сортове семена и ензими, заедно с препоръки за отглеждане и прибиране на реколтата. Чрез увеличаване на ефективността само с няколко процентни пункта, този подход ще доведе до значителни спестявания за обработка и до намаляване на инвестиционните и експлоатационните разходи. Изследване, проведено в Sandia National Laboratories през 2009г. на базата на консервативен добив и оценка на преобразуването, стигна до заключението, че в Съединените щати могат да бъдат произведени около 284 милиарда литра етанол от целулоза. General Motors е една от фирмите, която е поръчала проучването. Директорът на института за земеделски технологии и инженеринг на биосистеми изказва мнението, че превръщането на дървесината в алкохол не е икономически приемливо, защото ензимите са прекалено скъпи.

Водораслите - източник на зелено гориво на бъдещето
Учените също срещат затруднения по време на работата по проучване на биогоривата от трето поколение. Докато процесите от второ поколение на базата на целулоза са фокусирани главно върху производството на етанол от нехранителни култури, целта на третото поколение е производството на горива, които са по-добри от етанола. Фокусът е върху водораслите. Чрез добавянето на CO2 и слънчева светлина, едноклетъчните микроорганизми произвеждат кислород и богата на въглерод биомаса. Произведената биомаса с помощта на този метод може да бъде превърната в биогориво. Водораслите се отглеждат в затворени фотобиореактори, където бързо се възпроизвеждат под влиянието на слънчевата светлина. Въпреки това, изследванията в областта на използването на водорасли като източник на биогориво едва сега започва. В лабораторията изследователите са изучавали потенциала за масово производство. Известни са между 360000 и 10 милиона различни вида водорасли. Досега около 100 от тези видове са били тествани за промишлена употреба. Разчетите към момента прогнозират значително по-високи добиви от водорасли като източник на биогориво от всяко друго земно растение. За някои видове водорасли са изчислени добиви от 500 тона на декар годишно. За да се произвежда биогориво всички техни нужди са CO2, вода и слънчева светлина. Всички текущи изследвания все още са фокусирани върху базовите проучвания и работата далеч не е готова за пазара. Европейската технологична платформа за биогорива е създадена през 2006г. в Европа. Организацията насърчава изследванията и развитието на тези горива. През юли 2010г. тя публикува програмата си за изследователска дейност, представяща текущото състояние на технологията. BioEnergy International, глобален лидер в производството на инсталации за биодизел със седалище в Австрия, ръководи демонстрационен проект с подкрепата на ЕС. Проектът се занимава единствено с производство на биодизел от водорасли с високо съдържание на масло. Компанията и нейните партньори по проекта са създали ферма за водорасли в Испания. Бързо възпроизвеждащите се водорасли са избрани въз основа на способността им да живеят както в прясна вода, така и в отпадъчни води. Това е предимство пред повечето видове водорасли, които растат само в солена вода и затова трябва да се отглеждат в близост до морето.

Хайке Фрювирт е ръководител на отдела за разработка и изследва целия процес – от отглеждане на водораслите, оползотворяване на биомасата и извличане на маслото с органични разтворители до производството на биодизел. От особена важност е да се инвестира в изследователска и развойна дейност в тази област. Смята се, че производството на водорасли ще бъде толкова ефективно до 2030г., че ще бъде конкурентоспособно на цената на петрола. Компанията е активна по цялата верига на стойността. Постигнатите резултати в практическите тестове са показали, че микроводораслите произвеждат 15 пъти повече масло на единица площ, отколкото маслодайните семена.

Много компании по света – в САЩ, Австралия, Нова Зеландия, Саудитска Арабия, Израел и Индия, работят върху производството на биодизелово гориво от водорасли. Бил Гейтс е инвестирал $100 милиона в компания за биогориво. Американската петролна компания ExxonMobil е инвестирала около $600млн. в нова изследователска програма за получаване на биоенергия от водорасли, начело с пионера в генетиката Крейг Вентър. DARPA, отдела за научни изследвания и развитие на американското министерство на отбраната, със своя бюджет от $3,2млрд., работи заедно с Боинг за разработване на керосин от водорасли с ниска цена. Били са създадени около 200 американски компании, занимаващи се с извличането на енергия от водораслите. Повечето от тях са финансирани с рисков капитал. За сравнение, такива дейности в Европа са много скромни.

В Университета за приложни науки в Анхалт, Германия, се фокусират върху биотехнологии с водорасли. Тяхната работа е посветена на извличането на биоводород от водорасли. В тази програма учените все още правят базови изследвания. За да бъде успешна тази програма е необходима политическа подкрепа. Политиците трябва да осъзнаят, че водораслите притежават огромен потенциал, който би трябвало да бъде използван.

Съществуват два проблема с отглеждането на водораслите. Фермите за водорасли трябва да се намират в близост до морето, тъй като по-голямата част от водораслите растат най-добре в солена вода. Въпреки това, необходимото обогатяване с CO2 идва от електрическите централи (ТЕЦ), които обикновено са разположени във вътрешността. Освен това, водата във фермите за водорасли се изпарява, оставяйки след себе си високи концентрации сол и все още е неясно как ще бъде решен този проблем.

Друго биогориво от трето поколение е бутиловият алкохол. Това гориво може да бъде извлечено с помощта на микроорганизми, което много прилича на биогоривото от второ поколение етанол. Неговото предимство спрямо етанола е, че не се смесва с водата, което го прави по-подходящ за използване като гориво. Освен това, бутиловият алкохол има по-висока енергийна плътност по обем, отколкото етанола. Това означава, че можете да стигнете по-далеч с резервоар, пълен с бутанол.