Топливо из биомассы

Масштабы мирового производства биомассы колоссальны. Первичным источником биомассы является фотосинтез. В целом земной фотосинтез конвертирует 3⋅10²⁴ Дж солнечной радиации, падающей на поверхность Земли в течение года, превращая ее в химическую энергию различного рода соединений; при этом ассимилируется 2⋅10¹¹ т углерода [73, 121]. Данные по первичной глобальной продуктивности биомассы и распределению биомассы по различным регионам представлены в табл. 5.

Таблица. 5. Биопродуктивность различных систем [121]

Из таблицы 5 видно, что основным производителем биомассы являются континентальные леса. Морской фотосинтез обеспечивает 31,8% биомассы по производительности и всего лишь 0,21% по содержанию. Культивируемые в настоящее время земли вкладывают 5,3% в производство биомассы и дают по содержанию 0,76% от общего объема биоматериалов на Земле.

Для сравнения следует указать, что наиболее объемное активное производство, осуществляемое человеком на Земле - добыча и использование ископаемых топлив (газ, нефть, уголь) составляет 1,8⋅10⁹ т/год [122], или 1,05% от мирового ежегодного производства биомассы. Таким образом, ресурсы технологических процессов, основанных на переработке биомассы, весьма велики. Кроме того, эффективность преобразования энергии фотосинтезирующими системами может быть увеличена (см. ниже).

В целом глобальный фотосинтез протекает весьма неэффективно с КПД 0,1-0,3% [73]. Это определяется тем, что в большинстве случаев производительность фотосинтеза лимитируется не световыми потоками, а такими физиологическими факторами, как влажность, концентрация углекислоты, минеральных солей и т. п.

В оптимальных условиях проведения процесса эффективность фотосинтеза может быть значительно увеличена. Теоретически предел в эффективности фотосинтеза достигает 35% по фотосинтетически активной радиации [121]. В табл. 6 приведены данные по эффективности фотосинтеза различными системами (в основном данные работы [121]).

Таблица 6. Энергетический КПД различных фотосинтезирующих биосистем [4]

^* (Фотосинтетически активная радиация составляет около половины светового потока у поверхности Земли.)

Основным биоматериалом, составляющим большую часть биомассы, является продукт полимеризации глюкозы - целлюлоза. В исходном состоянии непосредственное использование целлюлозы в качестве топлива в настоящее время весьма ограничено. Например, для США, энергетические затраты которых в 1975 г. составляли 73 квада (1 квад = 10¹⁵ британских термических единиц), на долю древесины приходится около 1 квада. Это определяется невысокими характеристиками целлюлозы как топлива. Древесина является малоэнергоемким материалом, достаточно неудобно транспортируемым, при сгорании загрязняет окружающую среду продуктами пиролиза.

Принципиальным шагом вперед в энергетическом и химическом использовании целлюлозы является разработка способов конверсии целлюлозы в энергоемкие, транспортабельные и экологически чистые топлива. Ряд способов конверсии в настоящее время уже имеет экономическое значение и используется в некоторых странах при создании новых энергетических технологий. Примерами могут служить бразильский проект, основанный на конверсии целлюлозы в спирт [124], разработки, проводимые в Индии, ФРГ и Японии по получению газообразного топлива [125]. С другой стороны, ряд проблем в создании систем конверсии энергии в настоящее время находится в стадии лабораторных разработок и фундаментальных исследований [126-130].

Основой почти всех существующих способов конверсии целлюлозы в энергетических целях является использование биокаталитических систем на основе микроорганизмов и ферментов.

Микробиологические и биокаталитические системы в большинстве случаев имеют принципиальные преимущества по сравнению с другими системами с точки зрения эффективности преобразования энергии. Например, КПД преобразования световой энергии клетками хлореллы в оптимальных условиях культивирования существенно выше, чем высшими растениями (см. табл. 6).

В последние десятилетия сформировалось новое научно-техническое направление - разработка систем биоконверсии энергии. Под биоконверсией понимают способы трансформации различных форм энергии одна в другую на основе биологических принципов и биоматериалов. В 1972-1977 гг. был проведен ряд международных симпозиумов и конференций, посвященных этим проблемам.

В настоящее время активно развивается несколько направлений в исследовании разработке систем преобразования энергии на биологических принципах.

1. Преобразование солнечной энергии в энергию транспортабельного и экологически чистого топлива. Наиболее заманчивой в этом плане представляется идея использования механизма фотосинтеза разложения воды на водород и кислород (биофотолиз воды).

2. Получение высококалорийных топлив из целлюлозсодержащего сырья. Речь идет о трансформации целлюлозы в спирт, метан, водород, углеводороды.

3.Трансформация химической энергии топливных материалов непосредственно в электрическую. В биологических клетках в ряде случаев происходит весьма эффективная конверсия стабильных молекул в поток электронов и ионов. Примером может служить электронотранспортная цепь аэробного дыхания.