В 2006 году американцы ежедневно расходовали 20,6 миллиона баррелей нефти. Это более 865 миллионов галлонов топлива. Оно обеспечивает вашу ежедневную поездку на работу. Оно питает заводы. Оно поддерживает глобальную экономику. Но запасы сырой нефти конечны. На её образование из древних морских организмов уходит десять миллионов лет. Мы используем её гораздо быстрее, чем природа создаёт новые запасы.
Добыча достигнет пика. Запасы сократятся. Эксперты расходятся во мнениях относительно сроков. Некоторые утверждают, что это уже произошло. Другие говорят, что это случится скоро. Результат один и тот же. Мы стоим на пороге энергетического кризиса. Что произойдёт, когда бак опустеет?
Энергетический сектор тратит миллиарды долларов на поиск альтернатив бензину. Новое топливо должно делать больше, чем просто обеспечивать энергией. Нам нужны чистые варианты, чтобы остановить выбросы парниковых газов. Нам нужна доступность. Нам нужна экономическая стабильность. Переход должен быть быстрым. Мы не можем позволить себе десятилетие или два застоя.
Для этого требуется чудо-топливо. И оно появляется. Всего за несколько лет исследований появился претендент. Он удовлетворяет всем требованиям.
Этанол — это ключ. Это этиловый спирт. Он производится из растительных углеводов. Учёные знали о его потенциале на протяжении десятилетий. Проблема заключалась в том, чтобы сделать его производство дешёвым и эффективным. Недавно ситуация изменилась.
На сцену выходит свитчграсс (перловник). Эта трава растёт быстро. Она процветает в США. Она растёт в Канаде. Она распространяется по Центральной и Южной Америке. Подходят для неё и некоторые регионы Африки. Если текущие тенденции сохранятся, свитчграсс может стать топливом для вашего автомобиля уже через двадцать лет. Как трава превращается в топливо?
Ответ кроется в солнечном прогнозе для свитчграсса.
Большинство исследований в области биоfuel привели в тупик. Мы рассматривали куриный жир. Мы пристально вглядывались в древесную щепу. Результат? Ужасное соотношение чистой энергии. Вы затрачиваете больше энергии, чем получаете обратно. А цена? Заоблачная. Извлечение из растительных и животных источников в настоящее время слишком дорого, чтобы конкурировать на заправках.
Затем есть свитчграсс.
Данные меняются. Цифры продолжают улучшаться. Это выглядит как реальное решение.
Трава, которая растет сама по себе
Свитчграсс не экзотичен. Это многолетнее растение, эндемичное для Америки. Он процветает на открытых равнинах. Он вынослив. Крепок. В некоторых регионах он практически инвазивен.
Трехлетнее исследование в Северной Дакоте (опубликованное в 2005 году) дало нам твердые цифры. Если его оставить в покое, некоторые сорта давали более семи тонн биомассы с акра. Биомасса — это просто собранное растительное сырье. Осадки и тип почвы влияли на точную тоннаж. Но семь тонн? Это существенно.
Ему не нужна большая помощь. Устойчив к засухе. Минимальное количество удобрений.
Подумайте о том, что это означает для расхода ископаемого топлива. Тракторы сжигают дизельное топливо. Насосы для орошения потребляют энергию. Производство удобрений энергозатратно. Меньшее использование всех трех факторов означает меньшее расходование ископаемого топлива. Меньше затрат. Меньше выбросов парниковых газов.
Сторонники утверждают, что это также повышает энергетическую безопасность США. Зачем импортировать топливо, если вы можете выращивать его в Америке?
От целлюлозы к этанолу
Топливо здесь — целлюлозный этанол. Он начинается с сырья свитчграсса — необработанного растительного материала.
Процесс расщепляет целлюлозу. Это структурный компонент клеточных стенок растений. Как только вы разлагаете целлюлозу на основные компоненты, вы добавляете дрожжи. Происходит ферментация. Вы получаете спирт. Очищаете его. У вас есть этаноловое топливо.
Ценностное предложение простое: больше целлюлозы означает больше этанола. Свитчграсс примерно на 70% состоит из сложных углеводов. Целлюлозы.
Есть бонус. Лигнин. Этот побочный продукт образуется, когда вода удаляется из целлюлозы. Это многообещающе. Если лигнин может питать заводы по производству этанола, процесс становится самодостаточным. Топливо производит топливо.
Энергетическая математика
Майкл Ванг из Национальной лаборатории Аргонны просчитал цифры. Он отслеживал все, от производства удобрений до распределения этанола.
Его вывод был резким. Одна единица входной энергии создавала десять единиц выходной.
Сравните это с этанолом из кукурузы. Свитчграсс легко побеждает.
Сравните это с бензином. Бензин имеет энергетическое соотношение 0,81. Вы вкладываете больше энергии, чем получаете обратно. Это чистые потери.
Ванг также рассмотрел выбросы. Этанол из свитчграсса может требовать на 70% меньше ископаемого топлива для производства, чем бензин. И этанол E85 — смесь 85% этанола и 15% бензина — выбрасывает на 86% меньше парниковых газов, чем чистый бензин.
Звучит идеально. Все сходится.
Так почему же его нет в вашем баке?
Процесс переработки теоретически прост. Относительно. Но реальность более сложная. Производство этанола из свитчграсса сталкивается с конкретными, упрямыми проблемами. Дистилляция не является проблемой. Трудность заключается в другом.
Мы углубимся в причины, почему дистилляция этанола из этой травы так сложна, на следующей странице.
Обещания свитчграсса как будущего спасителя энергетики растут, но слово «будущее» здесь выполняет тяжелую работу. В настоящее время извлечение целлюлозы из растения представляет собой логистический и финансовый кошмар.
Расщепление осуществляют ферменты. Эти биологические катализаторы переваривают сложные углеводы и выделяют целлюлозу и углекислый газ. Но есть подвох: они дорогие. На ферменты уходит примерно 20 центов за галлон очищенного этанола. Брожение добавляет еще одну сложность. Дрожжам требуется свой специфический коктейль ферментов, что еще больше увеличивает расходы.
Альберт Кауш, генетик растений, оценил эту реальность еще в 2006 году. По его данным, современные методы делают целлюлозный этанол стоимостью 2,70 доллара за галлон. Дешевле бензина, безусловно. Но Кауш считает, что цена должна быть ближе к 1,00 доллару. Как? Разрабатывая более дешевые ферменты. В идеале нам нужен один единственный фермент, который мог бы одновременно расщеплять целлюлозу и сбраживать этанол. Один инструмент. Две задачи. Ноль отходов.
Логистика коррозионного топлива
Доставка топлива от нефтеперерабатывающего завода до заправочной колонки столь же сложна. Этанол разъедает металлы. Он коррозионно-активен. Его нельзя перекачивать по тем же трубопроводам, которые используются для нефти и нефтепродуктов.
Поэтому его перевозят на грузовиках. Крупные бензовозы. Это убивает энергетический баланс. Вы сжигаете ископаемое топливо, чтобы переместить само топливо. Чистая энергетическая выгода сокращается.
Майкл Ванг из Национальной лаборатории Аргонн видит решение. Железнодорожные системы. «Когда вы перерабатываете его в Среднем Западе и транспортируете на Запад, транспорт становится проблемой», — отмечает Ванг. Используйте поезда для дальних перевозок. На короткие расстояния грузовики вполне подходят. Потери энергии там незначительны. Но через всю страну? Железная дорога — единственный способ не допустить коллапса энергетического баланса.
Ограничения земли и цели урожайности
Земли недостаточно для полного захвата свитчграссом. Анализ Университета Теннесси рассмотрел жесткие цифры. Они также учли остатки урожая свитчграсса — стебли, семена и остатки после сбора урожая.
Результат? 153 миллиона сухих тонн ежегодно. Это максимум. Что это нам дает? Снижение годового потребления бензина в США на 5,3 процента. Вот и все.
Президент Джордж У. Буш хотел получить 35 миллиардов галлонов возобновляемого топлива к 2017 году. Этот объем далеко не достигает этой цели. Это капля в море по сравнению с национальным потреблением.
Джейсон Грэмет из Национальной комиссии по энергетической политике (NCEP) предлагает другой подход. Технология. Он предлагает выводить сорта свитчграсса с более высокой урожайностью в тоннах на акр. Если мы сможем повысить урожайность, эффективность производства этанола возрастет на треть. А если дополнить это удвоением топливной эффективности автомобилей? Математика начинает работать.
Кто платит за мечту?
Деньги есть. Крупные игроки делают большие ставки.
BP Amoco выделила 500 миллионов долларов Университету Калифорнии — Беркли и Университету Иллинойса — Шампейн на совместный исследовательский центр. Chevron выделила Университету Калифорнии — Дэвис 25 миллионов долларов, а Технологическому институту Джорджии — 12 миллионов долларов. Министерство энергетики США выделило 125 миллионов долларов Национальной лаборатории Оук-Ридж.
Это не просто корпоративная благотворительность. Эти компании хотят государственной помощи. Они просят гарантий инвестиций и налоговых льгот. Им нужно, чтобы финансисты чувствовали себя в безопасности, вкладывая деньги в целлюлозную технологию.
Воодушевление ощутимо. Общественная поддержка высока. Деньги текут рекой. Легко представить мир, где свитчграсс наполнит ваш бак через несколько десятилетий.
Но скептики остаются. Некоторые сомневаются, что трава сможет обеспечить потребности. Другие беспокоятся о последствиях, если она сможет.
Критика биотоплива
Схватка: свитчграсс против кукурузного этанола
Битва за будущее сырья для биотоплива набирает обороты. Это противостояние кукурузы и свитчграсса, и ставки носят региональный характер. Поскольку география определяет, что где растет, многие регионы имеют прямую заинтересованность в том, какой урожай одержит победу. Если посмотреть на твердые цифры — производственные затраты, энергетический баланс и выбросы парниковых газов — этанол на основе кукурузы просто не может конкурировать с этанолом, полученным из свитчграсса.
Процессы различаются. Кукурузный этанол использует только зерно. Вы знаете, ту часть, которую едят люди. Остальное — отходы. Иронично, но эти отходы теоретически можно было бы использовать для производства целлюлозного этанола, но в коммерческих масштабах они просто утилизируются. Свитчграсс идет другим путем. Он перерабатывает все растение или, по крайней мере, его значительные волокнистые части, которые кукуруза игнорирует.
Использование земли и эффективность урожайности
Требования к земле благоприятствуют многолетним травам. В Айове, где почвы выше среднего качества, кукуруза дает около 4,8 тонны с акра. Это неплохо. Но исследование 2005 года в Северной Дакоте показало, что урожайность свитчграсса составляет около семи тонн с акра. Что еще более важно, свитчграссу не нужна плодородная пахотная земля. Он процветает на маргинальных (малопригодных) землях.
Ок-Риджская национальная лаборатория произвела расчеты по масштабированию этого процесса. Их отчет пришел к выводу, что для обеспечения этанолом 50% транспортных средств США потребуется 180 миллионов акров свитчграсса. Это составляет 40% всех сельскохозяйственных угодий США. Звучит как огромный кусок земли.
Джейсон Грумет из Национальной коалиции «От кукурузы к этанолу» (National Corn to Ethanol Progress Coalition) приводит контраргумент. Он считает, что постоянный прогресс в исследованиях и разработках (НИОКР) может сократить потребность в земле до 30 миллионов акров в течение 20–30 лет. Эта цифра значима, поскольку она примерно совпадает с площадью земель в рамках Программы сохранения резервов (Conservation Reserve Program, CRP).
Споры вокруг Программы сохранения резервов
CRP выплачивает фермерам деньги за то, чтобы они оставляли землю под паром. Это снижает экологическое воздействие сельского хозяйства. Аргумент Грумета подразумевает, что мы могли бы выращивать топливо на этой существующей неиспользуемой земле. Критики смотрят на это иначе.
Скептики указывают на то, что земли CRP выделяются именно потому, что они не могут производить высококачественные сельскохозяйственные культуры. Если крупные энергетические компании начнут вкладывать деньги в производство свитчграсса, их целью будет максимальная урожайность. Высокая урожайность требует хорошей почвы. Следовательно, компании в конечном итоге могут предпочесть пахотные земли маргинальным.
Это создает прямой конфликт. Производство энергии может начать поглощать ресурсы, необходимые для производства продовольствия.
Динамика: продовольствие против топлива
Мы уже используем небольшую часть продовольственных культур для производства топлива. Если биотопливо станет нашим основным источником энергии, конкуренция за землю усилится. Доктор Эрик Холт-Гименез из Института продовольствия и политики в области развития (Institute for Food and Development Policy) предупреждает о каскадных экономических эффектах.
Когда цены на топливо растут, за ними следуют цены на продовольствие. Речь идет о производственных и транспортных расходах. Холт-Гименез утверждает, что если продовольствие и энергия конкурируют за одну и ту же землю, эта связь становится взаимной. Цены на продовольствие могут увеличить затраты на энергию так же, как затраты на энергию увеличивают цены на продовольствие.
Существует также гуманитарная проблема. Программы по распределению излишков продовольствия для голодающих стран могут иссякнуть. Почему? Потому что излишки продовольствия легче превратить в биомассу для этанола, чем транспортировать их в качестве помощи.
Скептицизм и импульс
Не все убеждены. Некоторые исследователи считают, что хайп вокруг целлюлозного этанола слишком оптимистичен. Они ссылаются на исследования, показывающие более низкий энергетический баланс, чем рекламируется. Таких исследований меньше по количеству. Они получают гораздо меньше внимания.
Преобладающий нарратив более оптимистичен. Если судить по финансированию и общественному мнению, этанол из свитчграсса движется вперед. Технология еще не идеальна. Цепочка поставок не доказана в промышленных масштабах. Но направление ясно.
Мы переходим от модели «сначала продовольствие» к модели «сначала энергия». Почва решит, какие культуры будут расти. Рынок решит, какие цены закрепятся. Исход остается неопределенным.
Реальная стоимость «зеленого» бензина
Цифры на странице легко интерпретировать неправильно. Вы видите результат лабораторного испытания и думаете, что революция уже здесь. Это не так.
Этанол из кукурузы является чистым энергопотребителем, если учитывать каждую каплю дизельного топлива, используемого трактором, и каждый киловатт-час, освещающий дистилляционный завод. Возврат инвестиций в энергию крайне невелик. Незначителен.Switchgrass меняет математику.
Он растет на землях, недоступных для кукурузы. Его не нужно высаживать ежегодно. Вы собираете урожай один раз, ждете два года и собираете снова. Корневая система остается на месте. Она удерживает почву. Она секвестрирует углерод таким образом, который не могут обеспечить рядовые культуры.
Почему свитчграсс превосходит кукурузу
Большинство людей считают, что все биотопливо одинаково. Это не так.
Кукуруза требует больших объемов азотных удобрений. Эти удобрения выделяют закись азота — парниковый газ, гораздо более мощный, чем CO2. Свитчграсс? Он фиксирует собственный азот из воздуха. После второго года удобрения не требуются.
Урожайность с акра ниже, чем содержание крахмала в кукурузе, да. Но затраты на входные ресурсы близки к нулю. Вам не нужно покупать семена каждую весну. Вам не нужно вспахивать землю каждую осень. Вы просто косите.
«Исследования свитчграсса направлены на создание этанола для заправки автомобилей по цене 1 доллар за галлон». — Newswise, декабрь 2006 года
Эта ценовая отметка — не магия. Это агрономия. Это биология. Это разница между тем, чтобы кормить машину, и тем, чтобы кормить газон.
Разрыв в инфраструктуре
Знать, что это работает, — одно. Доставить это в ваш бак — другое.
У нас нет насосов. У нас нет силосов для хранения целлюлозного этанола в промышленных масштабах. Существующие сегодня нефтеперерабатывающие заводы построены для кукурузы. Они горячие, кислые и хрупкие. Свитчграсс более устойчив. Он богат лигнином. Требуются другие ферменты. Другие температурные режимы.
Министерство энергетики США вкладывает огромные средства в исследования и разработки. Национальная лаборатория Оук-Ридж взламывает код ферментативного гидролиза. Они хотят расщеплять целлюлозу без ее сжигания. Без отходов.
Но политика движется медленнее, чем наука. Налоговые льготы favorize established crops. Кукурузный лобби имеет глубокие карманы. Свитчграсс — это многолетник в мире однолетних культур.
Где он растет?
Не везде.
Он процветает на маргинальных землях. Западная Северная Дакота. Дакоты. Части Среднего Запада, где урожайность кукурузы снижается из-за качества почвы. Он не конкурирует с производством продовольствия, потому что не предназначен для еды.
В Бразилии этанол из сахарного тростника работает благодаря климату. В США у нас есть пахотные земли. Нам просто не хватает перерабатывающей цепочки.
Стратегический нефтяной резерв простаивает, заполненный сырой нефтью из геополитически нестабильных регионов. Представьте себе заполнение этих резервуаров этанолом из местного свитчграсса. Энергетическая безопасность заключается не в поиске большей нефти. Она заключается в отрыве от мировых спотовых цен.
Итог
Лучше ли это для окружающей среды?
Да. Но не потому, что это «зеленое». Потому что это эффективно.
Кукурузный этанол экономит около 20% чистой энергии. Свитчграсс? Оценки варьируются от 200% до 900% в зависимости от исследования и метода переработки. Ванг из Национальной лаборатории Аргона показывает значительное сокращение выбросов парниковых газов. Лэнг из Корнеллского университета скептически относился к кукурузе. Он не был так суров к траве.
Технология существует. Культура существует. Земля существует.
Нам просто нужно перестать пытаться перегонять зерно и начать перегонять отходы.
