Утилизация сточных вод может наконец-то сделать биотопливо разумной альтернативой обычному

Биотопливо пока — скорее головная боль для ФАО, нежели экономически целесообразный продукт. Единственная культура, позволяющая получать биотопливо по разумным ценам, — сахарный тростник. Но, учитывая продуктивность земель, на которых он произрастает, его перегонка на биоэтанол смахивает на экономическое безумие.

Про рапс или сою, казалось бы, не стоит и говорить: они радикально менее эффективны как базовые культуры для производства жидкого моторного топлива (из них делают биодизель). Однако размах этого безумия растёт с каждым днём: 19 млрд литров биодизеля, произведённые в 2010 году, заставили изъять из нормального сельхозпроизводства колоссальные площади. Скажем, в пересчёте на чистый рапс — значительно больше 15 млн га, а ведь рапс — самая эффективная из применяющихся сегодня «биодизельных» культур. Если бы весь биодизель мира делался из сои, из продовольственного оборота пришлось бы вывести 40 млн га земель. При этом нельзя сказать, что все эти жертвы сильно помогли биотопливу заменить нефть: последней мир потребляет примерно 4,8 трлн литров год — в четверть тысячи раз больше, чем производится биодизеля. Замена даже 40% нефти на такое горючее потребует изъять из производства продовольствия миллионы уже не га, а квадратных километров.

Пластиковые трубы фотобиореакторов будут соединены между собой и с берегом пластиковыми же трубопроводами. (Здесь ниже иллюстрации NASA Ames Research Center.)

И всё же выход есть, настаивают сторонники зелёной альтернативы нефти: микроводоросли (в частности хлорелла), многочисленная группа одноклеточных, насчитывающая от 200 000 до 800 000 видов, из которых описано всего 35 000, отличаются от обычных многоклеточных растений — и водных, и сухопутных — не только сверхбыстрым размножением, но и тем, что в них содержится до 70% (по массе без учёта воды) натуральных масел. При помощи переэтерификации полученное отжимом масло становится биодизелем (сухой остаток можно скармливать скоту, ибо богат белком) и может использоваться для заправки автомобилей. При этом, если у высших наземных растений продуктивность по маслу, исходному сырью биодизеля, редко превышает 1 000 л/га (у подсолнечника — 950, у рапса — 1 190), то оценки микроводорослей по производительности (чистое масло) колеблются от 18 700 до 95 000 с гектара водной поверхности. Напомним, что у рапса этот показатель равен менее чем 1 200 литрам. Да и использование водорослями водной среды исключает ту «конкуренцию с продовольствием», которая, по мнению ФАО, является главной причиной нынешних высоких цен на еду.

Конечно, даже при такой огромной производительности для замены нефтетоплива потребуются огромные площади. Так, в ближайшие годы США планируют потреблять 80 млрд л биодизеля. Следовательно, нужно до 4,32 млн га — или 43 тыс км². Для замены же половины используемой человечеством нефти понадобится в 30 раз больше пространств, то есть пара-тройка Франций. Если разводить такие водоросли в открытых местах, это создаст новую экологическую проблему. Микроводоросли из цианобактерий приводят пресные водоёмы к известному итогу — «цветению воды». Запах, гибель высших водорослей и других организмов — всего этого хотелось бы избежать. Можно культивировать микроводоросли в океане — но тогда собирать и транспортировать масло будет дороже, да и загородка для водорослей будет непростой задачей, не говоря уже о её влиянии на экологию Мирового океана.

В связи с этим НАСА, участвующее в проекте OMEGA, который ведётся в Исследовательском центре Эймса (Калифорния, США), планирует использовать для их разведения сточные воды, производимые как канализационными системами, так и пищевой промышленностью и сельскохозяйственной ирригацией. Их объём, по данным ООН, составляет 1 500 км³ в год, причём 80% сейчас никак не очищаются, а на очистку остальных 20% уходит от 2 до 3% электроэнергии, производимой в развитых странах.

Вверху: труба для газообмена с атмосферой. Её планируется исключить из конструкции, однако пока неясно, что именно заменит этот элемент. Внизу: полупроницаемая мембрана из дешёвого пластика.

Система OMEGA — офшорное мембранное огораживание для выращивания водорослей (Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae) — сможет использовать эту воду в фотобиореакторах, применяемых для разведения водорослей. Под громким словом «фотобиореакторы» разработчики, руководимые Джонатаном Трентом из Океанографического института Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего, имеют в виду дешёвые прозрачные пластиковые трубы, запаянные с двух концов и свободно плавающие в шельфовых водах, крупных заливах или хотя бы за линией искусственных волноломов. В них будут закачиваться пресные сточные воды, а отбираться — водоросли. Трубные фотобиореакторы станут массово плавать вокруг крупных городов, где, как считается, проживает до 40% населения мира.

Удаление уже обработанных сточных вод должно проходить через пластиковые стенки, выполненные из полупроницаемых мембран, которые не выпускают лишь цианобактерии и загрязнения, имеющиеся в только что прибывшей сточной воде больших городов. Зацветание при повреждении труб штормом исключено: пресноводные водоросли просто умрут в солёной воде.

В настоящее время такие фотобиореакторы испытываются в Сан-Франциско; на них же отрабатываются попутные технологии — в частности сочетание выращивания водорослей на биодизель с культивированием мидий. Ведутся работы по созданию демонстрационного «поля» (на поверхности залива) очистки сточных вод, площадью в полгектара. Что же, спросите вы, неужели у технологии нет недостатков?

Конечно, есть. Не все смогут воспользоваться описанными способами выращивания — лишь страны типа Австралии, Южной Кореи и, возможно, Англии с Норвегией. Эффективность выращивания будет тем выше, чем выше температура окружающей пресноводные фотобиореакторы морской воды, поэтому Россия вряд ли сможет применить эту технологию, не говоря уже о нашем климате, в котором зимой биодизель будет замерзать. Опять же для переэтерификации потребуется метанол, который получают из газа, то есть полная независимость от ископаемого топлива миру пока не угрожает.

И всё же плюсы у OMEGA налицо. По сути, перед нами повтор неолитической революции в области энергетики: от выкачивания нефти и газа, «охоты и собирательства» в области энергоресурсов, как их называет Джонатан Трент, мы впервые можем перейти к выращиванию жидкого топлива по разумным ценам.

Соответствующее исследование опубликовано в журнале Biofuels.

Подготовлено по материалам NewScientist.