Зеленая революция

Фюкс Ральф

Бременская стартап-компания Sunfire разработала метод производства синтетического топлива из углекислого газа и воды. При помощи электролиза воду расщепляют на кислород и водород. Водород вступает в реакцию с CO₂ и в несколько этапов преобразуется в бензин, дизель, керосин или метан. Углекислый газ поступает из воздуха через фильтр. При высокотемпературном паровом электролизе КПД процесса достигает 70 %. Эта часть использованной электроэнергии как тепловой эквивалент аккумулируется в топливе. Именно поэтому данный метод наиболее подходит для хранения избыточной ветровой и солнечной энергии. В 2010 г. была введена в строй первая опытная лабораторная установка, а уже к 2016 г. планируется ввести в строй первые допромышленные образцы. Особый интерес этот метод представляет для самолетостроения и грузового автомобильного транспорта, где из-за невысокой энергоемкости электробатарей невозможно использовать электромоторы [184] .

184

См. веб-сайт компании: http://www.sunfire.de.

Американский физик Фриман Дайсон, известный своим нестандартным мышлением, видит ключ к развитию сельских регионов во всем мире в сочетании солнечной энергии, фотосинтеза и Интернета: солнечная энергия дает необходимое электричество, фотосинтез поставляет энергию для транспорта, Интернет призван покончить с изоляцией деревенских общин, открыв им доступ к информации и рынкам [185] .

Второе главное направление исследований в области фотосинтеза касается способности природных организмов преобразовывать солнечный свет и углекислый газ в углеродные соединения. Выращенные

в биореакторах водоросли и бактерии способны впитывать углекислый газ и создавать из него вещества, из которых можно синтезировать биодизель и этанол. Один пример: «Перспективный метод, при помощи которого из углекислого газа… можно производить бутанол, разработали ученые Калифорнийского университета. Джеймс Льяо и его коллеги культивировали генно-модифицированный вариант бактерии ralstonia eutropha, насыщая воду углекислым газом. При подаче электричества из обычной солнечной батареи углекислый газ вступает в реакцию с водой, образуя муравьиную кислоту. Микробы поглощают муравьиную кислоту, преобразовывая ее в бутанол. Для синтеза биотоплива можно использовать алкоголь, имеющий относительно высокую энергетическую плотность. Правда, процесс еще недостаточно эффективен, но движется в нужном направлении, поскольку в будущем таким способом можно будет аккумулировать солнечное электричество в углеводородах» [186] . Подобные методы уже можно применять в промышленных масштабах. Лидируют в производстве топлива при помощи биологических организмов американские военные. И дело вовсе не в заботе о климате, скорее их интересует возможность достижения независимости от импорта нефти и сокращения длинных транспортных цепочек. Уже прошли первые пробные полеты на биокеросине [187] .

185

См. Freeman J. Dyson, «Die Sonne, das Genom und das Internet. Wissenschaftliche Innovation und die Technologien der Zukunft», Frankfurt am Main 2000.

186

Сообщение отдела науки во Frankfurter Allgemeine Zeitung от 18 апреля 2012 г.

187

Charisius, «Das gr"une Wunder».

Третье направление — оптимизация протекающего в растениях фотосинтеза с целью стимуляции их роста и повышения урожайности. Оптимизация природы означает в данном случае более эффективное использование солнечной энергии для производства питательных веществ, поскольку количество солнечной энергии, впитываемой растениями и преобразуемой в углеродные соединения, в значительной степени определяет скорость роста и размеры листьев, корней, плодов и семян. Как правило, зеленые растения используют от силы 3 % поступающего солнечного света. Скорость фотосинтеза зависит от вида растений. Например, у кукурузы, пшена, сахарного тростника, китайского камыша есть специальный клеточный аппарат для преобразования солнечного света в водород и создания сахаристых веществ при участии CO₂, благодаря чему в этих растениях фотосинтез протекает намного быстрее, чем, скажем, в рисе, у которого подобный механизм не развит, хотя и заложен генетически. Если при помощи целенаправленных генетических модификаций его удастся запустить, урожайность риса можно будет значительно повысить. Над этим работает филиппинский международный исследовательский консорциум, координируемый Международным институтом исследования риса (International Rice Research Institute, IRRI) [188] . Финансирует проект Фонд Билла и Мелинды Гейтсов. С немецкой стороны в этом объединении участвует Институт эволюционной и молекулярной биологии растений при Университете Дюссельдорфа. Развитие у риса механизма высокоэффективного фотосинтеза (фотосинтез-С4) не только повысит его урожайность примерно на 50 %, но и позволит существенно понизить потребление воды в процессе выращивания.

188

В общественном Международном институте исследования риса хранится крупнейший в мире банк генетического материала риса, насчитывающий 110 000 сортов со всего мира. Институт на урегулированных договорами условиях бесплатно предоставляет семена ученым и фермерам. Разъяснения см. на сайте института: http://irri.org/index.php?option=com_k2&view=item&id=11 579&Itemid=100 028&lang=en.

Нельзя забывать, что рис служит основой питания примерно половины населения Земли. В настоящее время 1 га рисового поля в Азии кормит около 27 человек. К 2050 г. риса с 1 га предположительно должно хватать на 43 человека. Потребность в земле и воде растет вместе с населением. Рис относится к злакам, требующим интенсивного орошения. Около 30 % всей пресной воды на Земле идет на выращивание риса [189] . Ожидаемые последствия изменения климата повлекут за собой дополнительную нагрузку на сельское хозяйство. Повышение урожайности и засухо- и жароустойчивости риса имеет важнейшее значение для продовольственной безопасности в Азии. Ответ на вопрос, какие методы и пути напрямую ведут к этой цели, должна дать практика. В своей книге «Фактор пять» Эрнст Ульрих фон Вайцзеккер рассказывает о новом сорте риса, который получил название «Закаленный» (Hardy) и, как утверждается, дает высокие урожаи даже в условиях засухи. Ученые из Института биоинформатики в Вирджинии встроили в рис ген кардаминопсиса, который отвечает за высокоэффективное использование воды, вследствие чего у растений активизировался процесс фотосинтеза и сократилась потребность в воде. В итоге новый сорт риса в засуху дал на 50 % больше урожая [190] .

189

Вайцзеккер и др. Фактор пять. Формула устойчивого роста.

190

См. сообщение в Welt от 11 сентября 2007 г.: http://www.welt.de/welt_print/article1174263/Wissenschaft-kompakt.html.

Рост биопроизводства при помощи фотосинтеза повышает и потенциал биомассы в качестве энергоносителя и сырья, дополнительный эффект — очищение атмосферы от CO₂. Шансы и риски, связанные с этими процессами, должны всесторонне обсудить политики, ученые, промышленники и представители гражданского общества.

CO₂: убийца климата как сырье

Двуокись углерода, химическое соединение углерода и кислорода, — это газ, который не горит, не имеет цвета и запаха. Он возникает в процессе клеточного дыхания живых существ и при брожении органической материи. В этом смысле углекислый газ является естественной составной частью воздуха. В атмосфере углекислый газ абсорбирует часть отражаемого Землей солнечного излучения и тем самым способствует созданию знаменитого парникового эффекта, который поднимает среднюю температуру на Земле с –18 до +15 °C, благодаря чему только и возможна органическая жизнь. Свою репутацию убийцы климата он приобрел лишь с момента начала сжигания угля и нефти в промышленных масштабах, в результате чего в атмосфере стало накапливаться дополнительное количество углекислого газа. Если в атмосфере повышается концентрация абсорбентов тепла, то парниковый эффект усиливается. Средняя температура поверхности Земли повышается. Природные явления, такие как циклические колебания солнечного излучения, могут усилить или ослабить этот эффект, тем не менее в долгосрочной перспективе он оказывает влияние на климат Земли. С начала индустриализации концентрация CO₂ в атмосфере повысилась с 280 до 380 ppm, с 1880 по 2010 г. средняя температура поверхности Земли выросла на 0,9 °C, причем скорость увеличения этого показателя растет. 2000–2009-е гг. стали с большим отрывом самым теплым десятилетием с начала измерений, на втором месте — 1990-е гг. Если тенденция продолжится, ситуация может выйти из-под контроля, поскольку глобальное потепление не линейный и не равномерный процесс. Если температура повысится на 2 °C, может начаться экспоненциальный рост. Ученые говорят о переломных моментах в процессе изменения климата. Сюда относится, например, высвобождение гигантских масс метана вследствие таяния вечномерзлых грунтов в Канаде и России или таяние льдов в Заполярье и на Гималаях. Тогда Земля начнет абсорбировать больше солнечного тепла. Кроме того, исчезновение ледяного покрова Гренландии или Антарктиды грозит повышением уровня моря на несколько метров [191] .

191

О переломных моментах в истории климата Земли см. Spiegel Online: http://www.spiegel.de/flash/0,5532,17184,00.html.

Поэтому

стабилизация климата подразумевает сокращение выбросов углекислого газа до объемов, которые в состоянии абсорбировать биосфера. Во избежание хаотизации климатических процессов наш экономический уклад должен стать углеродно нейтральным не позднее 2050 г. Самый перспективный путь — замена ископаемых источников энергии возобновляемыми: солнце, ветер и биоэнергия вместо угля и нефти. Поскольку сейчас уровень выбросов парниковых газов стремительно повышается, мы должны найти возможности уменьшить концентрацию CO₂ в атмосфере. Наиболее эффективным на этом пути будет повышение абсорбирующей способности природных поглотителей углерода, иными словами, необходимо высаживать леса и рекультивировать земли. В последние годы ведутся интенсивные работы в области вторичной переработки CO₂ и его использования в качестве сырья. Если таким способом удастся на стабильной основе вытягивать CO₂ из атмосферы или заменить ископаемые источники энергии углекислым газом, нагрузка на климат уменьшится. Это может послужить интересной альтернативой технологии геологического секвестра углерода (Carbon Capture and Storage, CCS): зачем с таким трудом загонять углекислый газ в подземные накопители, если его можно использовать как полезное вещество? Журнал Wirtschaftswoche поместил публикацию о нескольких проектах, в настоящий момент находящихся в разработке [192] . Это не пустые слова, особенно если принять во внимание «игроков». Министерство энергетики США с 2010 г. инвестировало более 100 млн долларов в исследование и разработку проектов по использованию CO₂. Министерство научных исследований ФРГ вложило 100 млн евро. Среди участников и такие химические и технологические компании, как Bayer, Evonik, Siemens и BASF, энергетические компании RWE и EnBW. Заведующая кафедрой устойчивого развития Лионского университета Алессандра Квадрелли считает, что на этом пути можно сократить выбросы парниковых газов до 10 %. Это серьезные цифры, которые, однако, говорят о том, что вторичная переработка CO₂ не альтернатива отказу от выбросов углерода. Утверждая, что вторичная переработка углекислого газа «может избавить нас от страха перед убийцей климата», авторы журнала безмерно преувеличивают. Отказ от выбросов важнее вторичной переработки. Использование CO₂ в качестве полезного вещества лишь дополнительная мера.

192

См.: Sebastian Matthes, Susanne Donner, «Der Klimakiller als Rohstoff». В: Wirtschaftswoche от 24 мая 2012 г.: http://www.wiwo.de/technologie/forschung/CO2-recycling-der-klimakiller-als-rohstoff-seite-all/6642990-all.html.

Углерод — краеугольный камень химической промышленности. Поэтому двуокись углерода представляет такой интерес в качестве сырья. Уже сегодня она в промышленных масштабах используется для синтеза основного химического сырья. Только на производство мочевины, необходимой для синтеза удобрений и искусственных смол, требуется 50 млн т [193] . Растворитель на основе CO₂ используется также при удалении кофеина из кофе. Более широкому применению пока мешает высокий расход энергии: в двуокиси углерода мало энергии, он неохотно вступает в химические реакции. Их можно проводить лишь при высоких температурах и под высоким давлением. Поэтому важно разрабатывать биохимические катализаторы и процессы, которые ускорят реакцию двуокиси углерода с другими веществами, что позволит понизить энергопотребление и затраты. Углекислый газ может служить исходным веществом для производства извести, соды, строительных материалов, широко распространенных химикатов, лекарственных препаратов, искусственных покрытий, пенопласта и упаковок, пригодных для компоста. При этом углекислый газ заменяет нефть и газ. Некоторые методы уже нашли широкое промышленное применение. Ученые Фрайбургского центра изучения материалов разработали метод, позволяющий при помощи синтеза водорода и двуокиси углерода получать чистый метан. Используя специальные катализаторы, можно повысить реактивность CO₂ и сократить энергопотребление. 10 % сегодняшнего объема выбросов углекислого газа в ФРГ могут удовлетворить годовую потребность страны в топливе [194] .

193

Uta Bilow: «Vom Abgas zum wertvollen Rohstoff». В: Frankfurter Allgemeine Zeitung от 31 октября 2012 г., с. N2.

194

См.: «Gr"unes Benzin aus Kohlenstoffdioxid»: www.energie-und-technik.de/energiequel-len/news/article/89167/0/Gruenes_Benzin_aus_Kohlenstoffdioxid/

Еще одна возможность — использование углекислого газа в качестве удобрений в теплицах. CO₂ необходим для роста растений: при помощи солнечного света и воды растения синтезируют из него молекулы сахара, являющиеся энергоносителями и стройматериалом. В плотно «населенных» теплицах концентрация CO₂ в воздухе часто бывает недостаточной. Его дополнительное количество ускорит рост растений, при условии что в их распоряжении будет достаточно света.

Интерес также вызывает возможность использования углекислого газа в качестве питательного вещества при выращивании водорослей. Таким образом можно получить до 100 т сухой субстанции на 1 га в год. При этом поглощается до 200 т CO₂ — почти в 20 раз больше, чем, например, при выращивании на той же площади рапса. Иными словами, водоросли — эффективные «переработчики» CO₂. Сегодня они уже используются как богатая протеином добавка к кормам, основное сырье в химической и фармацевтической отраслях, а также при производстве биотоплива. Компания по производству оборудования GEA разрабатывает метод, при котором CO₂ можно будет использовать в качестве исходного материала производственной цепочки. Сначала с помощью углекислого газа выращивают крупные партии водорослей. Дрожжевые клетки преобразуют содержащийся в субстрате водорослей сахар в алкоголь, затем алкоголь отделяют и перерабатывают в биотопливо. В дальнейшем дрожжевые клетки, как и водорослевая масса, могут быть использованы в качестве кормов или удобрений. По сути это практически безотходный производственный цикл. В настоящее время идет эксперимент в Испании, в ходе которого утилизуют выбросы CO₂ одного цементного завода. Окажется ли этот метод экономически рентабельным, зависит, во-первых, от стоимости конечного продукта и, во-вторых, от платы за выбросы CO₂. Чем она будет выше, тем выгоднее будут инвестиции во вторичную переработку углерода [195] .

195

См.: http://www.process.vogel.de/anlagen_apparatebau/effizienzsteigerung/verfahrenseffizienz/articles/300140/.

Как это часто бывает, на этом пути нас тоже подстерегает опасность, что новая, многообещающая технология будет использована для того, чтобы прикрыть старую, экологически вредную промышленность зеленым фиговым листком. Если энергетические концерны вроде RWE или Vattenfall устанавливают на угольных ТЭС экспериментальные хранилища, используя лишь мизерную часть выбросов углекислого газа для выращивания водорослей, это еще не есть экологическое преобразование угля в электричество. Вторичная переработка CO₂ может стать выходом для промышленных предприятий, которые пока еще нуждаются в ископаемых источниках энергии. В сочетании с ТЭС, работающими на биомассе, и биогазовыми установками вторичная переработка CO₂ способна даже несколько понизить уровень выбросов углекислого газа, но никак не может служить санкцией на строительство угольных ТЭС.

6. Будущее сельского хозяйства

Если вы ознакомитесь со стилистикой экспертизы Совета по биоэкономике, у вас исчезнут всякие романтические представления о крестьянском сельском хозяйстве и его единении с природой. Несмотря на упоминание многообразия мировых сельскохозяйственных структур и методов, сельское хозяйство последовательно трактуется здесь как агропромышленность, развивающаяся на строго научной основе. Речь идет о поставках максимального количества «биомассы», получаемой благодаря максимально эффективному хозяйствованию в области земледелия, растение- и животноводства и рассматриваемой исключительно как ресурс. Биологический мир считается просто-напросто средством для достижения цели: материя должна приносить максимальную пользу в сфере производства продовольствия, промышленности и энергоснабжения. Самоценность этого мира больше не имеет значения. Правда, в экспертизе вполне разумно говорится о большом потенциале экологического сельского хозяйства, в частности скотоводства, учитывающего особенности животных, но сути дела это не меняет: растения и животные — биомашины, производительность которых по всем правилам современной биотехнологии нужно повысить до предела. Все нацелено на высокие показатели: урожайность почв, растений, надои молока, мясопроизводство.