Атмосфера Земли содержит огромное количество углерода. Живые организмы способны переводить углерод из углекислого газа воздуха в органические молекулы, которые на следующем этапе перерабатываются в биотопливо. Сейчас в мире идет настоящая гонка по созданию наиболее эффективных технологий получения биотоплива. В идеальном варианте эта технология должна позволять максимально быстро синтезировать любой вид биотоплива или других органических молекул из любого типа исходного сырья и энергии. Такая технология могла бы обеспечить не только независимость от запасов ископаемой нефти, но и радикально изменить ситуацию в широком диапазоне областей: от транспорта и сельского хозяйства до способов ведения военных действий.
Неслучайно одними из наиболее последовательных сторонников развития биотопливных технологий являются военные.
Анализ военных действий в Афганистане и Ираке показал, что наибольшие потери американская армия несла из-за подрывов на минах, многие из которых были установлены на путях следования конвоев. При этом до 90% грузов конвоев составляли вода и топливо. Из-за трудностей перевозки себестоимость дизельного и авиационного топлива с учетом доставки до военных баз взлетела до $400 за галлон (примерно $100 за литр). По оценкам Пентагона, если бы существовала технология, которая позволила бы снизить потребление топлива всего лишь на 1%, то это сэкономило бы армейскому бюджету $6 млрд в год.
Одним из вариантов такой технологии может стать электробиосинтез. Существуют особые электротрофные микроорганизмы способные использовать электрический ток для конверсии углекислого газа из воздуха или морской воды в органические молекулы. Эти микроорганизмы могут комбинироваться с любым источником энергии: атомными и тепловыми электростанциями, возобновляемой энергетикой. Технология электробиосинтеза находится на самом раннем этапе развития, тем не менее, биотопливная индустрия уже стала заметным явлением в экономике.
Сейчас в мире производится около 90 млн тонн биотоплива, что обеспечивает порядка 3% мирового потребления топлива на транспорте. В основном это биотопливо так называемого «первого поколения», полученное с помощью сельскохозяйственных культур растений фиксирующих углекислый газ из воздуха за счет энергии света в ходе фотосинтеза.
Под производство биотоплива задействовано около 1,5% мировой пашни.
Основным видом сырья является кукуруза в США, сахарный тростник в Бразилии и масличные культуры (рапс) в Европе. Комплексная переработка сырья позволяет получать не только биотопливо, но и широкий спектр ценных продуктов: аминокислот для птицеводства, пищевых добавок и т.д. В российских условиях такая технология особенно актуальна в регионах Урала и Южной Сибири. Удаленность от морских портов делает экспорт зерна не выгодным, но переработка и получение более ценных продуктов позволяет дать стимул для развития местного сельского хозяйства.
Несмотря на всю важность для развития сельского хозяйства, производство биотоплива «первого поколения» не может решить глобальную задачу создания технологии позволяющей полностью заместить потребности человечества в авиационном и автомобильном топливе.
Производство биотоплива из сельскохозяйственных культур вступит в конкуренцию с производством продуктов питания.
Для того, чтобы избежать такой конкуренции сейчас активно разворачивается производство биотоплива «второго поколения» из растительного сырья непригодного для производства продуктов питания: соломы, древесных опилок, щепы и т.д. Современные технологии позволяют получать из такого сырья не только этиловый спирт, который можно добавлять в топливо, но и с помощью специальных катализаторов углеводороды пригодные для использования в качестве авиационного и автомобильного топлива в чистом виде. В России производство этилового спирта из древесины налажено на Кировском биохимическом заводе в Кировской области. Перспективным направлением для экспорта гидролизного этанола может стать Китай. В этой стране расширяется использование биотоплива, но местных ресурсов недостаточно для удовлетворения спроса. Сейчас на китайский рынок активно пытаются выходить американские компании.
Более простые виды древесного биотоплива в виде непереработанных древесных опилок (пеллет) активно производятся в России. Порядка 90% пеллет экспортируется зарубеж, в основном в Европу. В России использование пеллет также увеличивается, практически каждый месяц в разных регионах появляются котельные приспособленные к использованию пеллет. Преимущества пеллет – это экологичность, возможность использования местных возобновляемых ресурсов вместо привозного угля, возможность утилизации отходов лесопереработки и леса низкого качества.
В отличие от первого и второго поколения биотоплива, которые ориентируются в основном на существующую инфраструктуру сельского и лесного хозяйства, третье и четвертое поколения биотоплива требуют значительных капитальных вложений. Тем не менее, это компенсируется эффективностью на 1-3 порядка выше, чем у более ранних технологий. Это связано с использованием фотосинтезирующих микроорганизмов, которые очень быстро растут по сравнению с растениями и с одной площади можно получать несколько урожаев за сезон. В технологиях «третьего поколения» полученная биомасса микроорганизмов собирается и химически перерабатывается в топливо.
В технологиях «четвертого поколения» микроорганизмы напрямую производят топливо из углекислого газа.
Клетка фотосинтезирующего микроорганизма поглощает углекислый газ и превращает ее в органическое соединение. Ученые добавляют в клетку несколько генов, которые кодируют специальные ферменты, перерабатывающие органические соединения в биотопливо, которое затем выходит наружу клетки. Биотопливо собирается с поверхности, а сами клетки продолжают фотосинтезировать и вырабатывать топливо. Такой способ очень сильно повышает производительность технологии, она позволяет избежать всех промежуточных этапов сбора и переработки биомассы. Большинство крупнейших нефтедобывающих компаний занимаются исследованиями в этой области либо кооперируются с венчурными компаниями разработчиками. В России разработкой технологий «третьего и четвертого поколений» занимаются организации входящие в Технологическую платформу «Биоэнергетика».
Биомасса микроорганизмов часто содержит и другие полезные вещества, кроме биотоплива. Это могут быть вещества, которые используются как пищевые добавки и красители, витамины, сырье для производства биопластиков, смазочные материалы и т.д. Цель интегрированной биопереработки – это получить максимальное количество полезных веществ из биомассы и разработать технологии, которые могли бы заменить весь спектр продуктов, получаемый с помощью переработки нефти. Ведь нефть, в большинстве своем, тоже когда-то была биомассой образовавшейся из углекислого газа в ходе фотосинтеза.