2006 року американці щодня витрачали 20,6 мільйона барелів нафти. Це понад 865 мільйонів галонів палива. Воно забезпечує вашу щоденну подорож на роботу. Воно живить заводи. Воно підтримує глобальну економіку. Але запаси сирої нафти є кінцевими. На її освіту з давніх морських організмів йде десять мільйонів років. Ми використовуємо його набагато швидше, ніж природа створює нові запаси.
Видобуток досягне піку. Запаси скоротяться. Експерти розходяться у думках щодо термінів. Дехто стверджує, що це вже сталося. Інші кажуть, що це станеться незабаром. Результат той самий. Ми стоїмо на порозі енергетичної кризи. Що станеться, коли бак спорожніє?
Енергетичний сектор витрачає мільярди доларів на пошук альтернатив бензину. Нове паливо повинне робити більше, ніж просто забезпечувати енергією. Нам потрібні чисті варіанти, щоби зупинити викиди парникових газів. Нам потрібна доступність. Нам потрібна економічна стабільність. Перехід має бути швидким. Ми не можемо дозволити собі десятиліття чи два застої.
Для цього потрібно чудо-паливо. І воно з’являється. За кілька років досліджень з’явився претендент. Він відповідає всім вимогам.
Етанол – це ключ. Це етиловий спирт. Він виготовляється з рослинних вуглеводів. Вчені знали про його потенціал протягом десятиліть. Проблема полягала в тому, щоб зробити його виробництво дешевим та ефективним. Нещодавно ситуація змінилася.
На сцену виходить світчграсс (перловник). Ця трава росте швидко. Вона процвітає у США. Вона росте у Канаді. Вона поширюється Центральною та Південною Америкою. Підходять для неї деякі регіони Африки. Якщо поточні тенденції збережуться, світчграс може стати паливом для вашого автомобіля вже за двадцять років. Як трава перетворюється на паливо?
Відповідь криється у сонячному прогнозі для світчграсу.
Більшість досліджень в галузі біоfuel привели в глухий кут. Ми розглядали курячий жир. Ми пильно вдивлялися в тріску. Результат? Жахливе співвідношення чистої енергії. Ви витрачаєте більше енергії, ніж отримуєте назад. А ціна? Хмарно. Вилучення з рослинних та тваринних джерел в даний час надто дорого, щоб конкурувати на заправках.
Потім є світчграс.
Дані змінюються. Цифри продовжують покращуватись. Це схоже на реальне рішення.
Трава, яка росте сама по собі
Світчграсс не екзотичний. Це багаторічна рослина, ендемічна для Америки. Він процвітає на відкритих рівнинах. Він витривав. Міцний. У деяких регіонах він практично інвазивний.
Трирічне дослідження у Північній Дакоті (опубліковане у 2005 році) дало нам тверді цифри. Якщо його дати спокій, деякі сорти давали більше семи тонн біомаси з акра. Біомаса – це просто зібрана рослинна сировина. Опади та тип ґрунту впливали на точну тоннаж. Але ж сім тонн? Це суттєво.
Йому не потрібна велика допомога. Стійкий до посухи. Мінімальна кількість добрив.
Подумайте про те, що це означає витрати пального. Трактори спалюють дизельне паливо. Насоси для зрошення споживають енергію. Виробництво добрив енерговитратне. Найменше використання всіх трьох факторів означає меншу витрату викопного палива. Менше витрат. Найменше викидів парникових газів.
Прихильники стверджують, що це також підвищує енергетичну безпеку США. Навіщо імпортувати паливо, якщо ви можете вирощувати його в Америці?
Від целюлози до етанолу
Паливо тут – целюлозний етанол. Він починається із сировини свитчграсу — необробленого рослинного матеріалу.
Процес розщеплює целюлозу. Це структурний компонент клітинних стінок рослин. Як тільки ви розкладаєте целюлозу на основні компоненти, ви додаєте дріжджі. Відбувається ферментація. Ви отримуєте спирт. Очищаєте його. У вас є етанолове паливо.
Ціннісна пропозиція проста: більше целюлози означає більше етанолу. Світчграсс приблизно на 70% складається із складних вуглеводів. Целюлози.
Є бонус. Лігнін. Цей побічний продукт утворюється, коли вода видаляється із целюлози. Це багатообіцяюче. Якщо лігнін може живити заводи з виробництва етанолу, процес стає самодостатнім. Паливо виготовляє паливо.
Енергетична математика
Майкл Ванг із Національної лабораторії Аргони прорахував цифри. Він відстежував усе, від виробництва добрив до розподілу етанолу.
Його висновок був різким. Одна одиниця вхідної енергії створювала десять одиниць вихідний.
Порівняйте це з етанолом з кукурудзи. Світчграсс легко перемагає.
Порівняйте це із бензином. Бензин має енергетичне співвідношення 0,81. Ви вкладаєте більше енергії, ніж отримуєте. Це – чисті втрати.
Ванг також розглянув викиди. Етанол зі свитчграсу може вимагати на 70% менше копалин для виробництва, ніж бензин. І етанол E85 – суміш 85% етанолу та 15% бензину – викидає на 86% менше парникових газів, ніж чистий бензин.
Звучить ідеально. Все сходиться.
То чому його немає у вашому баку?
Процес переробки теоретично простий. Щодо. Але реальність складніша. Виробництво етанолу зі свитчграсу стикається з конкретними, наполегливими проблемами. Дистиляція не є проблемою. Проблема полягає в іншому.
Ми заглибимося в причини, чому дистиляція етанолу з цієї трави така складна, на наступній сторінці.
Обіцянки світчграсу як майбутнього рятівника енергетики зростають, але слово «майбутнє» виконує тут важку роботу. В даний час вилучення целюлози з рослини є логістичний та фінансовий кошмар.
Розщеплення здійснюють ферменти. Ці біологічні каталізатори перетравлюють складні вуглеводи та виділяють целюлозу та вуглекислий газ. Але є каверза: вони дорогі. На ферменти витрачається приблизно 20 центів за галон очищеного етанолу. Бродіння додає ще одну складність. Дріжджам потрібний свій специфічний коктейль ферментів, що ще більше збільшує витрати.
Альберт Кауш, генетик рослин, оцінив цю реальність ще 2006 року. За його даними, сучасні методи роблять целюлозний етанол вартістю 2,70 долара за галон. Дешевше за бензин, безумовно. Але Кауш вважає, що ціна повинна бути ближче до 1,00 долара. Як? Розробляючи дешевші ферменти. В ідеалі нам потрібний один єдиний фермент, який міг би одночасно розщеплювати целюлозу та зброджувати етанол. Один інструмент. Два завдання. Нуль відходів.
Логістика корозійного палива
Доставка палива від нафтопереробного заводу до заправної колонки так само складна. Етанол роз’їдає метали. Він корозійно активний. Його не можна перекачувати тими самими трубопроводами, які використовуються для нафти та нафтопродуктів.
Тому його перевозять вантажівками. Великі бензовози. Це вбиває енергетичний баланс. Ви спалюєте викопне паливо, щоб перемістити саме паливо. Чистий енергетичний зиск скорочується.
Майкл Ванг із Національної лабораторії Аргонн бачить рішення. Залізнична система. “Коли ви переробляєте його в Середньому Заході і транспортуєте на Захід, транспорт стає проблемою”, – зазначає Ванг. Використовуйте поїзди для далеких перевезень. На короткі відстані вантажівки цілком підходять. Втрати енергії там незначні. Але ж через усю країну? Залізниця – єдиний спосіб не допустити колапсу енергетичного балансу.
Обмеження землі та цілі врожайності
Землі замало повного захоплення свитчграссом. Аналіз Університету Теннессі розглянув жорсткі цифри. Вони також врахували залишки врожаю свитчграсу — стебла, насіння та залишки після збирання врожаю.
Результат? 153 мільйони сухих тонн щорічно. Це максимум. Що нам це дає? Зниження річного споживання бензину США на 5,3 відсотка. Ось і все.
Президент Джордж У. Буш хотів отримати 35 мільярдів галонів відновлюваного палива до 2017 року. Цей обсяг далеко не досягає цієї мети. Це крапля у морі порівняно з національним споживанням.
Джейсон Гремет із Національної комісії з енергетичної політики (NCEP) пропонує інший підхід. Технологія. Він пропонує виводити сорти свитчграсу з більш високою врожайністю в тоннах на акр. Якщо ми зможемо збільшити врожайність, ефективність виробництва етанолу зросте на третину. А якщо це доповнити подвоєнням паливної ефективності автомобілів? Математика починає працювати.
Хто платить за мрію?
Гроші є. Великі гравці роблять великі ставки.
BP Amoco виділила 500 мільйонів доларів Університету Каліфорнії – Берклі та Університету Іллінойсу – Шампейн на спільний дослідницький центр. Chevron виділила Університету Каліфорнії – Девіс 25 мільйонів доларів, а Технологічному інституту Джорджії – 12 мільйонів доларів. Міністерство енергетики США виділило 125 мільйонів доларів Національній лабораторії Оук-Рідж.
Це не просто корпоративна благодійність. Ці компанії хочуть державної допомоги. Вони просять гарантій інвестицій та податкових пільг. Їм потрібно, щоб фінансисти відчували себе у безпеці, вкладаючи гроші у целюлозну технологію.
Натхнення відчутно. Громадська підтримка є високою. Гроші течуть рікою. Легко уявити світ, де свитчграсс наповнить ваш бак за кілька десятиліть.
Але скептики залишаються. Дехто сумнівається, що трава зможе забезпечити потреби. Інші турбуються про наслідки, якщо вона зможе.
Критика біопалива
Сутичка: свитчграсс проти кукурудзяного етанолу
Битва за майбутню сировину для біопалива набирає обертів. Це протистояння кукурудзи та свитчграсу, і ставки мають регіональний характер. Оскільки географія визначає, де росте, багато регіонів мають пряму зацікавленість у тому, який урожай здобуде перемогу. Якщо подивитися на тверді цифри — виробничі витрати, енергетичний баланс і викиди парникових газів — етанол на основі кукурудзи не може конкурувати з етанолом, отриманим зі світчграсу.
Процеси різняться. Кукурудзяний етанол використовує лише зерно. Ви знаєте ту частину, яку їдять люди. Решта – відходи. Іронічно, але ці відходи теоретично можна було б використовувати для целюлозного етанолу, але в комерційних масштабах вони просто утилізуються. Світчграсс йде іншим шляхом. Він переробляє всю рослину або принаймні її значні волокнисті частини, які ігнорує кукурудза.
Використання землі та ефективність врожайності
Вимоги до землі сприяють багаторічним травам. В Айові, де ґрунти вищі за середню якість, кукурудза дає близько 4,8 тонни з акра. Це непогано. Але дослідження 2005 року в Північній Дакоті показало, що врожайність свитчграсу складає близько семи тонн з акра. Що ще важливіше, свитчграсу не потрібна родюча орна земля. Він процвітає на маргінальних (малопридатних) землях.
Ок-Ріджська національна лабораторія зробила розрахунки щодо масштабування цього процесу. Їхній звіт дійшов висновку, що для забезпечення етанолом 50% транспортних засобів США потрібно 180 мільйонів акрів світчграсу. Це 40% всіх сільськогосподарських угідь США. Звучить як величезний шмат землі.
Джейсон Грумет із Національної коаліції «Від кукурудзи до етанолу» (National Corn to Ethanol Progress Coalition) наводить контраргумент. Він вважає, що постійний прогрес у дослідженнях та розробках (НДДКР) може скоротити потребу у землі до 30 мільйонів акрів протягом 20–30 років. Ця цифра є значущою, оскільки вона приблизно збігається з площею земель у рамках Програми збереження резервів (Conservation Reserve Program, CRP).
Спори навколо Програми збереження резервів
CRP виплачує фермерам гроші за те, щоб вони залишали землю під пором. Це знижує екологічну дію сільського господарства. Аргумент Грумета має на увазі, що ми могли б вирощувати паливо на цій існуючій землі. Критики дивляться це інакше.
Скептики вказують на те, що землі CRP виділяються саме тому, що вони не можуть виготовляти високоякісні сільськогосподарські культури. Якщо великі енергетичні компанії почнуть вкладати гроші у виробництво свитчграсу, їхньою метою буде максимальна врожайність. Висока врожайність вимагає хорошого ґрунту. Отже, компанії в кінцевому підсумку можуть віддати перевагу орним землям маргінальним.
Це створює прямий конфлікт. Виробництво енергії може почати поглинати ресурси, необхідних виробництва продовольства.
Динаміка: продовольство проти палива
Ми вже використовуємо невелику частину продовольчих культур для палива. Якщо біопаливо стане нашим основним джерелом енергії, то конкуренція за землю посилиться. Доктор Ерік Холт-Гіменез з Інституту продовольства та політики в галузі розвитку (Institute for Food and Development Policy) попереджає про каскадні економічні ефекти.
Коли ціни на паливо зростають, за ними йдуть ціни на продовольство. Йдеться про виробничі та транспортні витрати. Холт-Гіменез стверджує, що якщо продовольство та енергія конкурують за ту саму землю, цей зв’язок стає взаємним. Ціни на продовольство можуть збільшити витрати на енергію, як і витрати на енергію збільшують ціни на продовольство.
Існує також гуманітарна проблема. Програми щодо розподілу надлишків продовольства для голодуючих країн можуть закінчитися. Чому? Тому що надлишки продовольства легше перетворити на біомасу для етанолу, ніж транспортувати їх як допомогу.
Скептицизм та імпульс
Не всі переконані. Деякі дослідники вважають, що хайп навколо целюлозного етанолу надто оптимістичний. Вони посилаються на дослідження, які б нижчий енергетичний баланс, ніж рекламується. Таких досліджень менше за кількістю. Вони отримують набагато менше уваги.
Переважний наратив більш оптимістичний. Якщо судити з фінансування та громадської думки, етанол зі свитчграсу рухається вперед. Технологія ще ідеальна. Ланцюжок поставок не доведений у промислових масштабах. Але напрямок зрозумілий.
Ми переходимо від моделі “спочатку продовольство” до моделі “спочатку енергія”. Ґрунт вирішить, які культури зростатимуть. Ринок вирішить, які ціни закріпляться. Вихід залишається невизначеним.
Реальна вартість «зеленого» бензину
Цифри на сторінці легко тлумачити неправильно. Ви бачите результат лабораторного випробування та думаєте, що революція вже тут. Це негаразд.
Етанол із кукурудзи є чистим енергоспоживачем, якщо враховувати кожну краплю дизельного палива, що використовується трактором, і кожну кіловат-годину, що висвітлює дистиляційний завод. Повернення інвестицій в енергію вкрай невелике. Незначний. Switchgrass змінює математику.
Він зростає на землях, недоступних для кукурудзи. Його не потрібно висаджувати щороку. Ви збираєте врожай один раз, чекаєте на два роки і збираєте знову. Коренева система залишається дома. Вона утримує ґрунт. Вона секвеструє вуглець таким чином, що не можуть забезпечити пересічні культури.
Чому свитчграсс перевершує кукурудзу
Більшість людей вважають, що все біопаливо однаково. Це негаразд.
Кукурудза потребує великих обсягів азотних добрив. Ці добрива виділяють закис азоту – парниковий газ, набагато потужніший, ніж CO2. Світчграс? Він фіксує власний азот із повітря. Після другого року добрива не потрібні.
Урожайність з акра нижча, ніж вміст крохмалю в кукурудзі, так. Але витрати на вхідні ресурси близькі до нуля. Вам не потрібно купувати насіння щовесни. Вам не потрібно орати землю щоосені. Ви просто косите.
«Дослідження світчграсу спрямовані на створення етанолу для заправки автомобілів за ціною 1 долар за галон». – Newswise, грудень 2006 року
Ця цінова позначка – не магія. Це агрономія. Це – біологія. Це різниця між тим, щоб годувати машину і тим, щоб годувати газон.
Розрив в інфраструктурі
Знати, що це працює — одне. Доставити це у ваш бак – інше.
Ми не маємо насосів. Ми не маємо силосів для зберігання целюлозного етанолу в промислових масштабах. На сьогодні нафтопереробні заводи побудовані для кукурудзи. Вони гарячі, кислі та тендітні. Світчграс більш стійкий. Він багатий на лігнін. Потрібні інші ферменти. Інші температурні режими.
Міністерство енергетики США вкладає величезні кошти у дослідження та розробки. Національна лабораторія Оук-Рідж зламує код ферментативного гідролізу. Вони хочуть розщеплювати целюлозу без її спалювання. Без відходів.
Але політика рухається повільніше, ніж наука. Податкові пільги favorize established crops. Кукурудзяне лобі має глибокі кишені. Світчграсс – це багаторічник у світі однорічних культур.
Де він росте?
Чи не скрізь.
Він процвітає на маргінальних землях. Західна Північна Дакота. Дакоти. Частини Середнього Заходу, де врожайність кукурудзи знижується через якість ґрунту. Він не конкурує із виробництвом продовольства, тому що не призначений для їжі.
У Бразилії етанол із цукрової тростини працює завдяки клімату. У США ми маємо орні землі. Нам просто не вистачає ланцюжка, що переробляє.
Стратегічний нафтовий резерв простоює заповнений сирою нафтою з геополітично нестабільних регіонів. Уявіть собі заповнення цих резервуарів етанолом із місцевого світчграсу. Енергетична безпека полягає не в пошуку більшої нафти. Вона полягає у відриві від світових спотових цін.
Підсумок
Чи це краще для навколишнього середовища?
Так. Але не тому, що це зелене. Тому що це ефективно.
Кукурудзяний етанол заощаджує близько 20% чистої енергії. Світчграс? Оцінки варіюються від 200% до 900% залежно від дослідження та методу переробки. Ванг із Національної лабораторії Аргону показує значне скорочення викидів парникових газів. Ленг з університету Корнелл скептично ставився до кукурудзи. Він не був такий суворий до трави.
Технологія існує. Культура існує. Земля існує.
Нам просто потрібно перестати намагатися переганяти зерно та почати переганяти відходи.
