Биотопливо: призрачные надежды

Создание компании «Range Fuels» было рискованным, но чрезвычайно соблазнительным делом. Эту высокотехнологичную компанию основал бывший руководитель «Apple» Митч Мандич (Mitch Mandich), который привлек миллионы долларов инвесторов и получил гранты и займы на $156 млн. от правительства США. Предполагалось построить в Сопертоне (штат Джорджия) завод по производству биотоплива. Он должен был ежесуточно перерабатывать 1 тыс. т древесной стружки, получаемой от огромного целлюлозно-бумажного комплекса штата, в 274 тыс. галлонов (около 1,8 тыс. т) этанола. “Мы выбрали компанию «Range Fuels» в качестве одного из партнеров, поскольку уверены, что она лучшая из лучших”, — сказал на церемонии закладки завода в ноябре 2007 г. занимавший тогда пост министра энергетики США Сэмюел Бодмэн (Samuel Bodman).

Компания не оправдала его оптимизма. В начале текущего года она закрыла только что созданное производство биотоплива, не продав ни капли этанола. Превращение биомассы в конкурентоспособное жидкое топливо оказалось более трудным делом, чем ожидалось. Дорогое оборудование простаивает, а компания пытается изыскать средства для решения проблемы.

«Range Fuels» — не единственная компания, потерпевшая неудачу. От производства биотоплива из растительной массы, оказавшегося слишком дорогим, отказались также компании “Cilion” в Гошене (штат Калифорния), «Ethanex Energy» в Бейсхорне (штат Канзас) и другие. Несмотря на десятилетия сосредоточенной работы, а также выделение сотен миллионов долларов бюджетных средств и существование двух десятков компаний, созданных венчурным капиталом, надежды ученых, руководителей предприятий и правительственных чиновников на создание биотоплива, способного конкурировать с бензином по цене и характеристикам, пока не оправдались.

Это обстоятельство особенно прискорбно еще и потому, что всего несколько лет назад казалось, что биотопливо будет идеальным решением двух большим проблем США — изменения климата и зависимости от нефти. Терроризм, стремительный рост цен и глобальное потепление заставили заняться поиском альтернативных видов топлива для автомобилей и самолетов.

Производство биотоплива не оправдало возложенных на него надежд. И это может показаться странным в свете стремительного увеличения объемов производства этанола из зерна кукурузы в последние годы (с 50 млн. галлонов (150 тыс. т) в 1979 г. до 13 млрд. галлонов (40 млн. т) в 2010 г). Однако причиной этого было поручение правительства США обеспечить биотопливом 10 % потребности пассажирского транспорта, и данный вид топлива был доступным по цене только благодаря масштабным правительственным субсидиям. Кроме того, использование этанола если и позволяет уменьшить выбросы углекислого газа, то очень ненамного. Что еще важнее, на производство 40 млн. т этанола было потрачено около 40 % всего урожая кукурузы. Под выращивание этих 40 % было выделено 13 млн. га земельных площадей, что вызвало повышение цен на продукты питания и создало «мертвую зону» в Мексиканском заливе, куда Миссисипи выносила все удобрения, смываемые с кукурузных полей Среднего Запада.

Чтобы решить проблему, необходимы новые технологии производства биотоплива. Этанол можно получать путем сбраживания сахара, добываемого из листовых оберток початков и из стеблей, а не из кукурузного зерна, а также из других волокнистых материалов, например травы и даже древесины (как планировала компания «Range Fuels»). Эти части растений состоят в основном из целлюлозы, не употребляются в пищу человеком и не идут на корм скоту, так что их переработка никак не скажется на ценах на продукты питания. Наконец, жидкое топливо можно получать из водорослей, более эффективно превращающих CO₂ с помощью солнечного света в жиры, которые можно затем переработать в углеводороды. Эффективным может быть использование генетически модифицированных микроорганизмов, непосредственно выделяющих углеводороды.

Однако на сегодня ни один из многообещающих процессов получения биотоплива не реализован в промышленных масштабах. Согласно стандарту возобновляемых видов топлива Управления охраны окружающей среды США (ЕРА) планировалось, что к 2011 г. годовое производство этанола из целлюлозы в США должно достичь 300 тыс. т. Однако в 2010 г. ЕРА снизило задание до 19,5 тыс. т, но будет ли достигнут хотя бы этот уровень, пока не ясно.

Недавний опыт подсказывает, что решение научных и технических задач, которое позволило бы сделать производство биотоплива рентабельным, может оказаться очень трудным. Цель доведения годового производства биотоплива в США к 2022 г. до 108 млн. т, поставленная правительством страны в качестве существенного вклада в повышение энергетической независимости государства и в борьбу с изменением климата, выглядит сегодня еще более далекой. “Это непростая задача. Она не уступает по сложности другим масштабным проблемам, стоящим сейчас перед страной”, — считает микробиолог Тимоти Донохью (Timothy Donohue), директор Научно-исследовательского центра биоэнергетики Грей-Лейкс в Мадисоне (штат Висконсин), одной из трех лабораторий Министерства энергетики, занимающихся проблемами современных видов биотоплива.

Зернового этанола попросту не хватит

В настоящее время этанол в промышленных мас-штабах производится в США только из кукурузного зерна, что стало возможным лишь благодаря субсидиям, объем которых, по данным Правительственного управления менеджмента и финансов, в одном только 2010 г. составил $5,68 млрд. В основе технологии получения этилового спирта из кукурузного зерна лежит сбраживание. Использование ферментов и дрожжей для переработки сахара из зерна, сахарного тростника и других растений в этанол человечество совершенствовало 9 тыс. лет. Для развития производства этилового спирта в США в последние десятилетия была создана широкая инфраструктура.

К сожалению, энергетическая эффективность производства этанола не слишком высока: для его дистилляции из смеси воды и дрожжей требуется много энергии. А получают ее обычно в результате сжигания ископаемого топлива, например природного газа или каменного угля, поэтому в отношении выбросов CO₂ этанол не нейтрален. Ко всем этим бедам сжигание литра этанола дает транспортному средству лишь две трети той энергии, которая выделилась бы при сжигании литра бензина.

Затраты энергии на производство этанола из кукурузного зерна (зернового этанола), достаточно велики, поэтому вполне вероятно, что без субсидий он никогда не сможет конкурировать по цене с бензином. Возможный масштаб производства зернового этанола ограничивается доступной площадью плодородных земель. В октябре 2010 г. Исследовательская служба Конгресса США сообщила, что если бы на производство этилового спирта был пущен весь урожай кукурузы 2009 г., им можно было бы заменить всего 18 % потребляемого в стране бензина. Исследователи пришли к выводу, что “расширение производства этанола <...> для существенного повышения энергетической независимости США <...> едва ли осуществимо”.

Еще нагляднее это показал Крейг Вентер (J. Craig Venter), соучредитель компании «Synthetic Genomics», которая будет заниматься выращиванием водорослей. По его расчетам, площадь полей, требуемая для замены всех видов топлива для транспорта США этанолом, втрое превышает территорию всей континентальной части страны.

Целлюлоза: прорыв будет трудным

Разумеется, если использовать для производства биотоплива весь урожай кукурузного зерна, то ни для людей, ни на корм скоту ничего не останется. Это одна из причин того, что и исследователи, и руководство страны предпочли получение этанола из других частей растения кукурузы, которые не идут в пищу.

В богатых целлюлозой стеблях и листьях кукурузы скрыты огромные запасы энергии. По данным Ок-Риджской национальной лаборатории, США могут производить 1,4 млрд. т таких богатых целлюлозой материалов, как стебли кукурузы, 80 % которых может быть превращено в биотопливо, что позволит заместить 30 % топлива, потребляемого транспортом в США.

Главная трудность — найти способ эффективного разрушения стенок клеток растения. Во-первых, в них содержится лигнин, придающий им прочность, делая древесину несъедобной для животных. Затем есть гемицеллюлоза — полисахариды, связанные с лигнином и защищающие его от воздействия ферментов. А внутри стенок содержится волокнистая основа из целлюлозы — длинные цепи молекул глюкозы, моносахарида, содержащие энергию для биотоплива.

Возможно, какое-то решение подскажут муравьи-листорезы, которые трудятся в пластмассовых ящиках, выращивая грибы, превращающие вещество листьев в жиры и аминокислоты, которыми они и питаются. В пищеварительном тракте этих насекомых живут бактерии, перерабатывающие измельченную листовую массу в отходы, которые рабочие муравьи перетаскивают в компостные камеры. Другие бактерии, вносимые этими тружениками, преобразуют данные отходы в жирные кислоты, В сущности, насекомые создают «внешний пищеварительный тракт» для переработки целлюлозы в топливо. Не исключено, что это и есть модель завода по производству биотоплива в миниатюре.

Задача лаборатории состоит в том, чтобы “либо использовать сами эти бактерии, либо выделить генетический материал, который кодирует ферменты, и использовать его в промышленном процессе для разрушения стенок клеток”, — говорит Донохью.

Коровы также могут стать источником идей. Они способны разрушать клетки, размалывая их своими мощными зубами и смачивая слюной. В пищеварительном тракте коровы множество бактерий сбраживают волокнистую жвачку, превращая ее в липиды — жирные «кирпичики» топлива. Чтобы воспроизвести этот процесс, ученые пытаются разрушать стенки клеток паром или раствором, содержащим поляризованные молекулы. Компания «HCL Cleantech» из Оксфорда (штат Северная Каролина) растворяет растения в концентрированной соляной кислоте, чтобы добраться до целлюлозы, а потом возвращает кислоту в оборот, чтобы снизить затраты.

Другой подход состоит в использовании семейства ферментов, называемых целлюлазами, например таких, которые превращают древесину в пищу в пищеварительном тракте муравьев. В промышленном масштабе производится только один такой фермент. Выпускает его датская компания «Novozymes», и стоит он около 50 центов за галлон (13,2 цента за литр) — в десять с лишним раз дороже ферментов, применяемых в традиционном сбраживании при производстве этанола. “Цены на эти вещества должны снизиться, иначе никакого промышленного производства не будет”, — говорит Синтия Брайант (Cynthia Bryant), менеджер компании «Novozymes» по глобальному развитию производства.

А компания «Codexis» из Редвуда пытается создать менее дорогой фермент, рассматривая тысячи природных вариантов и комбинируя их части для получения «гибрида», который в промышленных условиях работал бы лучше, чем в природе. Кроме того, она экспериментирует с генами, которые заставляют живые клетки вырабатывать ферменты, надеясь создать некий суперфермент.

Однако даже суперфермент имеет существенный недостаток — он будет разрушать целлюлозу медленно, поскольку все биологические процессы требуют времени, и это затруднит крупномасштабное производство. А что если богатые энергией растения смогут сами вырабатывать ферменты, разрушающие целлюлозу? Эти ферменты могут таиться внутри клеток растения в ожидании нагрева или иного внешнего воздействия для запуска их в работу, чтобы быстро и легко разлагать целлюлозу на составляющие ее сахара.

Швейцарский сельскохозяйственный гигант «Syngenta» уже разработал способ встраивания возможности синтеза ферментов в кукурузу, в результате чего зерно получило способность в определенных промышленных условиях (температура, влажность, кислотность) самостоятельно перерабатывать крахмал в сахар. Министерство сельского хозяйства США одобрило этот процесс, несмотря на возражения защитников окружающей среды и таких производителей продовольствия, как «North American Millers' Association». Семена от «Syngenta» уже в текущем году поступят в продажу.

Это достижение, тем не менее, не решает проблему использования зерна для производства топлива. В качестве альтернативы компания «Agrivida» из Медфорда (штат Массачусетс) надеется применить свой вариант технологии к целлюлозе из стеблей кукурузы или специальных «энергетических» культур вроде проса прутьевидного (Panicum virgatum).

Одних инбредных ферментов может быть недостаточно для того, чтобы сделать цены на «целлюлозный» этанол доступными. Учитывая затраты на последующую переработку выделяемых сахаров в жидкое топливо, желательно, чтобы их себестоимость была втрое ниже цены барреля нефти, говорит химик Патрик Грубер (Patrick R. Gruber), генеральный директор биотехнологической компании «Gevo» из Энглвуда (штат Колорадо). И действительно, «Gevo» и другие компании, в частности «Virent» из Мадисона (штат Висконсин), пришли к выводу, что даже при исторически максимальной цене бензина самые дешевые виды биотоплива не смогут конкурировать с ним по цене. Эти компании отказались от производства биотоплива и видоизменили технологические процессы, чтобы вместо сахара производить из целлюлозы или из сахарного тростника промышленное сырье для производства пластмасс, поскольку цены на эти продукты в десять раз выше, чем на ископаемое топливо.

И даже если сахар из целлюлозы как-то удастся сделать конкурентоспособным, его использование столкнется с серьезными экологическими и сельскохозяйственными трудностями. Стебли кукурузы после уборки урожая обычно оставляют на поле, где продукты их разложения удобряют почву. Вывоз их с полей может ускорить деградацию почвы, губя ее плодородие. “Я не уверен, что мы до конца осознаем все последствия вывода всей этой биомассы из системы”, — говорит Джеффри Джейкобс (Jeffrey Jacobs), вице-президент отдела биотоплива и водорода компании «Chevron Technology Ventures» из Сан-Рамона (штат Калифорния). По оценкам некоторых ученых, вывозить с полей США без ущерба для плодородия почвы можно не более 80 млн. т целлюлозосодержащих материалов, а производимое из них топливо сможет удовлетворить всего 3 % потребности в бензине.

В поисках более дешевого сырья некоторые нефтедобывающие компании, в частности голландская «Royal Dutch Shell», вкладывают средства в производство сахарного тростника, а не в кукурузные стебли. В нем запасено больше энергии, его легче выращивать, и в Бразилии благодаря 40-летним усилиям правительства создана необходимая инфраструктура. Сегодня годовое производство этанола из сахарного тростника в Бразилии составляет около 21 тыс. т. «Shell», как сообщил ее глобальный менеджер по инновациям Джереми Шире (Jeremy Shears), создала совместное предприятие «Raizen» с бразильским производителем этанола «Cosan», рассчитанное на производство 1,74 млн. т тростникового этанола в год. Это может ухудшить положение коренного населения Бразилии, что, в свою очередь, станет причиной более интенсивной вырубки тропических лесов Амазонии. “Погубить планету может биотопливо не из кукурузного зерна, а из целлюлозы, — указывает Тимоти Серчинджер (Timothy D. Searchinger), специалист по сельскому хозяйству из Принстонского университета. — Речь идет о масштабном воздействии на мировое землепользование и биоразнообразие”.

Водоросли: умереть или быть убитыми

В качестве альтернативы некоторые ученые предлагают присмотреться к фотосинтезирующим организмам, которые преобразуют энергию поглощаемых фотонов в запасенную энергию гораздо эффективнее, чем растения, имеющие корни, — микроскопическим водорослям, образующим тину.

Эти организмы — гиганты фотосинтеза. Некоторые их штаммы способны использовать для формирования своего вещества до 3 % энергии падающего света, тогда как кукуруза или сахарный тростник — не более 1 % . Их зеленый цвет обусловлен пигментом хлорофиллом, который поглощает свет для разложения воды на водород и кислород. Организмы соединяют водород с углекислым газом для построения стенок клеток и формирования пищевых и запасаемых жиров — растительных масел.

Водоросли можно выращивать не на пахотных землях, а в пустынях, питая непригодной для питья соленой водой и даже сточными водами, так что отбирать землю у пищевых культур и расходовать драгоценную пресную воду не понадобится. Этот эффективный процесс сулит в зависимости от условий давать до 32 т масла с гектара. Для замещения всего потребляемого транспортом США топлива «водорослевым» маслом “потребуется площадь, близкая к площади штата Мэриленд, — говорит Вентер из «Synthetic Genomics». — Это несравнимо меньше троекратной площади всей континентальной части США, которая потребовалась бы для получения эквивалентного количества этанола из кукурузного зерна”.

Компания «Sapphire Energy» из Сан-Диего занимается разведением водорослей в овальных прудах, размещенных на 9 га пустыни вблизи Лас-Крусеса (штат Нью-Мексико) и планирует создать еще 300 прудов около Колумбуса (штат Нью-Мексико). Эта система станет первым в США заводом по выращиванию водорослей, на создание которого компания получила грант в $50 млн. от Министерства сельского хозяйства США и гарантированный заем в $54,5 млн. от Министерства энергетики.

Однако перед производителями биотоплива из водорослей стоит множество проблем. Если выращивать в открытых прудах, как уберечь их от болезней и загрязнения природными штаммами? Если производить в биореакторах, как окупить затраты на оборудование и предотвратить налипание водорослей на внутренние поверхности оборудования? Как подавать азот, фосфор и другие необходимые питательные вещества? Наконец, когда водоросли будут выращены, как отделять зрелые клетки и разрушать их без затрат энергии, равных тому ее объему, который планируется получить, или даже превышающих его? Лишь немногие компании сумели произвести практически полезные количества масел, прибыль получило еще меньшее число.

Возможно, самые большие трудности создаст то обстоятельство, что водоросли вырабатывают углеводороды для создания запасов на случай длительного отсутствия солнечного света или питательных веществ. Однако в этих неблагоприятных условиях они растут очень медленно. Биологам придется пойти против основных биологических механизмов этих клеток, чтобы заставить их реагировать на неблагоприятные условия, но при этом расти быстро.

Компания «Sapphire» обследовала 4 тыс. штаммов водорослей и отобрала для совершенствования 20 из них. Если все пойдет успешно, система в Колумбусе сможет производить в год до 7,5 тыс. т масла, которое можно будет перерабатывать в дизельное или ракетное топливо. Мертвые клетки предполагается не продавать на корм скоту или для других целей, а возвращать в процесс в качестве питательного вещества. “Эта биомасса стоит дорого, и нам она нужна”, — отмечает вице-президент «Sapphire» по корпоративным делам Тим Зенк (Tim Zenk). — “Невозможно подавать в систему большое количество питательных веществ и при этом получать прибыль”.

Именно это обстоятельство вынудило Национальную лабораторию возобновляемых источников энергии в 1996 г. закрыть после 18 лет работы программу получения масла из водорослей, на которую было потрачено $25 млн. из фонда научных исследований. Ученые пришли к выводу, что их масло из водорослей никогда не сможет конкурировать с топливом из нефти. При этом, закрыв программу, они потеряли тысячи исследованных штаммов. Компании, зарабатывающие сегодня на водорослях, получают прибыль, производя жирные омега-3-кислоты, используемые в качестве питательной добавки, которые стоят гораздо дороже сырой нефти.

Единственная компания, производившая топливо из водорослей в промышленных масштабах и продавшая ВМФ США больше 60 т масла по цене $424 за галлон ($141 за кг), «Solazyme» из Сан-Франциско, вообще не использует фотосинтез. Она выращивает водоросли в чанах вроде тех, что применяются в производстве инсулина, принудительно питая их сахаром вместо воды и солнечного света. Как и другие передовые компании, занимающиеся биотопливом, она остается на плаву за счет производства более дорогих продуктов. Она продает масло для применения в косметике и совместно с «Dow Chemical» производит специальные химикаты для использования в качестве электроизолирующих жидкостей.

Искусственные организмы: генетика неясна

Компании, работающие с водорослями, пытаются преодолеть трудности путем изменения генетического кода микроорганизмов с помощью химических веществ или радиации, но пока не нашли надежной комбинации. Вентер целый год плавал по морям всего мира на своей яхте «Sorcerer II», отбирая пробы в поисках перспективных штаммов, но явного лидера не выявил. “Вот почему мало надежды найти того единственного «волшебного жучка», который делал бы всю работу”, — сказал он.

Возможно, пора создать этого «волшебного жучка».

Исследователи начали комбинировать гены микроорганизмов, в том числе кишечной палочки Escherichia coli способной в частности отравлять пищу. Джей Кислинг (Jay D. Keasling), который руководит Объединенным институтом биоэнергетики Министерства энергетики США, сумел превратить Е. coli в эффективную биологическую фабрику, преобразующую солнечный свет, CO₂ и воду в различные углеводороды, включая биологическое дизельное топливо. Причем, что удобно, он заставил эти бактерии выделять масло, так что для получения масла их не нужно убивать. Масло всплывает на поверхность, где его можно собирать. Растут бактерии втрое быстрее дрожжей, прекрасно чувствуют себя при тропических температурах и живучи, т. к. унаследовали стойкость к отсутствию кислорода в пищеварительном тракте человека и частой токсичности в нем.

Но если с этих биологических фабрик что-нибудь и поступит на рынок, то первыми все равно будут более дорогие углеводороды. Компания «Amyris» из Эмеривилла сумела заставить дрожжи перерабатывать сахар в фарнезен, который можно продавать или преобразовывать в такие специфические химические соединения, как сквалан — косметический умягчитель.

Компания начинает с продуктов, имеющих более высокую среднюю цену, и постепенно будет переходить к более дешевым. “Недорогими будут дизельное топливо и другие топливные продукты”, — объясняет главный финансовый директор компании Джерил Хиллмен (Jeryl L. Hilleman). «Amyris» только что открыла свое первое такое производство в Бразилии как дополнение к имевшемуся заводу по сбраживанию сахарного тростника.

Даже для хорошо сконструированных микроорганизмов задача получения углеводородов в таких объемах и/или по такой себестоимости, чтобы они могли конкурировать с нефтью, может оказаться непростой. Долгосрочная задача состоит в том, чтобы “создать весь генетический код с нуля, контролируя все параметры”, — говорит Вентер. Его компания уже создала искусственную бактериальную клетку, выделяющую масло, и первый организм, живущий с полностью синтезированным генетическим кодом. “Мы провели оценку тысяч штаммов и множества генетических изменений”, — сообщил Вентер.

Этот подход представляется настолько перспективным, что нефтедобывающий гигант «ExxonMobil» вложил в компанию Вентера $600 млн. Однако трудности возникают на уровне самых основ биологии: даже самые малые геномы содержат сотни таинственных генов, о функциях которых ученые не имеют представления. Биологические «архитекторы» вроде Вентера могут создавать геномы, но они не знают, какие гены нужны для того, чтобы сделать искусственные микроорганизмы живучими, не требующими больших затрат на свое жизнеобеспечение и способными производить масла в больших количествах. Вентер сказал, что эта задача труднее секвенирования генома человека.

Даже если удастся создать «волшебного жучка», возможность его использования будет зависеть от стоимости его питания. Сегодня самый дешевый «корм» — бразильский сахарный тростник, который используют и «Amyris LS9» в Сан-Франциско, и другие компании, хотя он все-таки слишком дорог в качестве сырья для производства высококачественного биотоплива. Как и в случае с водорослями, остановить работу ферментационных чанов могут инфекции и другие биологические нарушения, причем в случае искусственных микроорганизмов, менее приспособленных к выживанию без помощи человека, эта проблема может быть более острой. И в любом случае микробы будут вырабатывать биотопливо медленнее, чем идет переработка сырой нефти на заводах.

Главный технолог «Amyris» Нил Реннинджер (Neil Renninger) признает: “Мы не делаем ставку на полную замену нефти биотопливом. Будет огромным достижением, если мы сможем справиться хотя бы с ростом спроса на нее. Эта цель ставит во главу угла задачу создания молекул углеводородов, которые можно будет передавать по существующим трубопроводам, перерабатывать на существующих нефтеперерабатывающих заводах и сжигать в существующих двигателях.

Пустая затея?

С точкой зрения Реннинджера согласны и другие специалисты, считающие, что ставку нужно понизить. Все энергосодержание собираемой сегодня растительной массы, включая ту, что используется в пищевой промышленности и идет на корм скоту, а также на древесину, перерабатываемую в бумагу и другую продукцию, составляет около 180 эксаджоулей, а это всего около трети мирового энергопотребления. Серьезное увеличение объема этой биомассы в ближайшем будущем может оказаться неосуществимым, а попытки добиться его роста повлекут весомые экологические и социальные последствия.

Прорыв возможен, и ученые продолжают поиски лучшего биотоплива, но инвесторам и политикам может хватить здравого смысла не вкладывать средства в столь рискованное дело. В качестве варианта страны могут инвестировать в разработку электрического транспорта, чтобы уменьшить потребление ископаемого топлива. Пока они этого не сделают, на производство любого альтернативного топлива будут расходоваться кукуруза и сахарный тростник, что создаст еще большее напряжение в мировой сельскохозяйственной сфере, которая и так с трудом справляется с обеспечением 7 млрд человек пищей, а скота — кормом.

“Мы все можем пользоваться разными видами транспорта, — говорит эколог Дэвид Тилмен (G. David Tilman) из Миннесотского университета. — Но мы не можем жить без пищи”.