Мифологический герой Прометей, похитивший с Олимпа огонь и передавший его людям, совершил, по представлениям богов, страшное преступление, неизмеримо умножив могущество человека. За это они обрекли титана на вечные муки. Но огонь уже стал достоянием землян…
А самый древний источник энергии, используемый людьми с той поры, как они овладели огнем, — это создаваемая растениями биомасса, в которой с помощью фотосинтеза аккумулирована, запасена опять-таки солнечная энергия. Этот источник справедливо называют возобновляемым — ведь, пока светит Солнце и существуют растения, мы можем черпать отсюда энергию. Действительно, лес — главный «поставщик» биомассы — продуцирует ее за год столько, что, по подсчетам ученых, в ней содержится энергии втрое больше годового потребления во всем мире.
Поставив себе на службу различные энергоносители, человечество тем не менее и по сей день не отказалось от древесного топлива. Более того, в ряде развивающихся стран оно остается основным источником энергии. Многие специалисты считают, что использование древесины в данном качестве и дальше будет расширяться. Однако КПД агрегатов, действующих на таком топливе, еще очень низок. Ученые упорно работают над решением этой проблемы. А тем временем, чтобы удовлетворить будущие потребности в древесине, закладываются все новые лесные массивы из специально выведенных быстрорастущих пород.
Но и самые быстрорастущие деревья растут все-таки довольно медленно, а вот сахарный тростник — действительно быстро. Похоже, он становится чемпионом среди растений, дающих топливную энергию. Из него по одной из древнейшей технологии — брожением сахаров — делают этиловый спирт, который смешивают с обычным горючим и получают состав, обеспечивающий не только отличные технико-экономические, но и экологические характеристики двигателей внутреннего сгорания. В ряду примеров по этому поводу прежде всего называют Бразилию, где уже сегодня значительная часть автомобилей работает на новом горючем, а в недалеком будущем практически весь транспортный парк предполагается перевести на «растительное» топливо. Но и в других странах заметно расширяются плантации культур, идущих на изготовление автомобильного спирта.
Какие только растения не претендуют составить конкуренцию традиционному горючему! Науке известны три десятка видов водорослей, пригодных для производства жидких углеводородов. Ученые Малайзии, например, разработали технологию получения дизельного топлива из пальмового масла. Тракторы и грузовики успешно работали на необычной «солярке». Итоги испытаний выглядят обнадеживающими. Предполагается даже строительство опытного завода по производству нового горючего. До сих пор пальмовое масло использовалось в пищевой и фармацевтической промышленности, в косметике. Но и энергетический голод тоже, как говорится, не тетка и вполне может заставить посмотреть на пальмовое масло как на потенциальное энергетическое сырье.
К подобному выводу пришли ученые ФРГ, которые из растительных ресурсов своей страны выделили прежде всего рапсовое масло как возможный заменитель жидкого топлива. Оказалось, что по своим параметрам это масло близко к дизельному горючему и отопительному мазуту. Многочисленные опыты выявили, что лучшие результаты получаются при использовании смеси масла и дизельного топлива. Исследованиями подтверждена также энергетическая целесообразность данного варианта. При урожае семян рапса 27,3 ц/га можно получить с 1 га 1084 кг сырого рапсового масла или 1029 кг рафинированного. При этом энергетическая затрата на возделывание и доработку рапса составляет 20 тысяч МДж/га, энергия же, содержащаяся в масле, составляет 42 тысячи МДж/га, то есть на 1 МДж совокупно затраченной энергии ископаемого топлива (в удобрениях, семенах, ядохимикатах, нефтепродуктах) приходится биоэнергетический выход 2,1 МДж. Затраты на горючее для мобильных процессов равны 4 тысячам МДж, что в 10 с лишним раз меньше, чем энергосодержание рапсового масла. Плюс 47 ц/га — солома, выход энергии в которой составляет 131 тысячу МДж/га. По расчетам ученых, при доведении доли масличных в структуре пашни до 10% сельское хозяйство ФРГ обеспечит 31,9% потребности отрасли в дизельном топливе, а при 30%— полностью. А ведь рапс — не теплолюбивый сахарный тростник, его широко возделывают во всех странах умеренного климата.
«Энергетические» лесные массивы, плантации сахарного тростника, поля рапса — их нужно закладывать, отводить под них землю, расходовать удобрения и химикаты, за ними надо ухаживать… Однако в сельском хозяйстве есть богатейшие источники биомассы, возникающие как бы сами собой, являющиеся побочными по отношению к основным процессам. Использование этих источников не только дает дополнительную энергию, но в ряде случаев уберегает окружающую среду от опасных загрязнений.
Речь идет об отходах животноводства и растениеводства. А их скапливается очень много. Только в масштабах нашей страны энергия, аккумулированная в отходах ферм и комплексов, оценивается в 730—760 миллиардов МДж. В растениеводстве пожнивные остатки и практически любые отходы переработки урожая годятся для получения энергии.
Подсчитано, что ежегодно в мире свыше полутора миллиардов тонн соломы не вывозится с полей. До недавнего времени сельскохозяйственные отходы в энергетических целях почти не использовались. Не брать же, в самом деле, в расчет сушеный кизяк или сжигаемую в печах солому. Сейчас положение начинает меняться, поскольку потенциальные возможности, заложенные в рассматриваемых ресурсах, весьма велики.
Высвобождать энергию из отходов животноводства и растениеводства лучше всего при помощи микробов, посредством биологической переработки. В сложном процессе биоконверсии принимают участие несколько взаимодействующих групп бактерий. Бактерии первой группы — гидролитические — гидролизуют углеводы, белки и другие компоненты биомассы с образованием водорода, углекислого газа, жирных кислот, спиртов и других продуктов брожения. Бактерии второй группы — ацетогенные — разлагают жирные кислоты и нейтральные продукты до ацетата, водорода и углекислого газа. Бактерии третьей группы — гомоацетатные — синтезируют ацетат из смеси водорода и углекислого газа, метана и других соединений. А уж бактерии четвертой группы — метанобразующие — используют смесь водорода и углекислого газа, ацетат и одноуглеродные соединения для синтеза метана.
Таким образом, в процессе биологической переработки органических отходов применяются микроорганизмы, способные непосредственно или с помощью продуцируемых ими ферментов трансформировать сложные органические вещества в более простые, а затем синтезировать из них новые продукты с высоким энергосодержанием. Иными словами, сообщество микроорганизмов превращает запасенную в биомассе химическую энергию в энергию таких носителей, которые можно затем с успехом использовать в современных двигателях внутреннего сгорания или в тепловых установках.
Процесс биоконверсии происходит при низких (до 30 °С) средних (до 40 °С) и высоких температурах. Ферментация при повышении температуры идет быстрее, полнее выделяется конечный продукт, меньше остается бактериальных и вирусных болезнетворных организмов. Технология производства биогаза довольно капризна. Стабильный рост новых микроорганизмов зависит от количества углерода и азота в отходах. Ведь эти элементы они используют как строительный материал и источник энергии. Оптимальное соотношение углерода и азота находится в пределах 20—30, и, чтобы его обеспечить, обычно приходится использовать добавки к основному сырью. Сырье должно подаваться в гомогенном состоянии при концентрации сухих веществ от 2 до 14%. Если же она ниже 2%, применяют метантенки специального типа — анаэробные фильтры. Так, метантенк на 1000 м3 действующий в оптимальном режиме (непрерывно при 55°С), способен обработать 7300 тонн сухого вещества отходов и выдать до 2,2 миллиона м3 чистого метана, то есть 88 миллионов МДж энергии. Как правило, за пару лет затраты на строительство подобного метантенка полностью окупаются.
Основными продуктами метанового брожения являются метан, углекислый газ и метановая бражка, содержащая клетки бактерий, богатые разнообразными биологически активными веществами и разнообразными минеральными веществами. Все это может быть пущено в дело с большой пользой.
Биогаз обычно сжигают в топках тепловых установок и камерах двигателей внутреннего сгорания.
Но он вполне годится и для получения электроэнергии, если применить газовый двигатель в блоке с генератором. Такое использование биогаза специалисты считают наиболее выгодным. Коэффициент превращения тепловой энергии в механическую равен 38%, механической в электрическую — 94%. Поэтому КПД газоэлектрической системы составит около 33%. Однако общий-то коэффициент переработки газа будет выше — почти 80% — за счет выделенного при этом тепла. При сжигании 1000 м3 метана (или 1400 м3 биогаза) можно получить более 7200 МДж электроэнергии, а дополнительное тепло составит 200 МДж.
Но данный вариант далеко не единственный. Метан служит и для производства бактериального белка — ценного животноводческого корма. Из отделенного от метана углекислого газа можно получать сухой лед, который применяется при консервации сельскохозяйственной продукции. Клетки бактерий, содержащие значительные количества витамина В12 и других витаминов группы В, используются у нас в стране для изготовления эффективного кормового препарата. Производные метановой бражки, в составе которой есть аммонийные соли, окись фосфора, окись калия и другие важные для растений соединения и элементы, служат высокоэффективными органическими удобрениями.
Вот сколько пользы дает биоконверсия! Но все же такая технология переработки органических отходов должна внедряться осторожно. На первый взгляд очень заманчиво пустить как можно больше биомассы на метановое сбраживание. Но нельзя забывать и о поле. Весомая часть растительных отходов должна возвращаться назад в землю, иначе не избежать губительных последствий. Если мы основную часть органических остатков полеводства, солому и навоз переработаем в метантенках, то резко обедним плодородный слой, лишим почвенные микроорганизмы и жилья и пищи. А ведь именно они играют важнейшую роль не только в почвенных, но и в глобальных биосферных процессах.
Таким образом, в каждом отдельном случае надо тщательно взвешивать все «за» и «против» биоконверсии, учитывая и ее энергетическую эффективность, и возможные последствия применения данного метода. Что же до метантенков, то они, как говорится, без работы не останутся. В первую очередь их можно использовать на крупных свиноводческих комплексах для утилизации и обеззараживания большого количества экскрементов животных и фермских стоков. Здесь биотехнологические методы способствуют одновременно решению и энергетических и экологических проблем.
Вообще же перечень отходов совсем не исчерпывается тем, что оказывается лишним в поле и на ферме. Речь должна идти не только о сельскохозяйственных, но и в целом об агропромышленных отходах. Например, из отходов крахмальной и сахароперерабатывающей индустрии, из сточных вод предприятий по переработке плодов и овощей можно получать большое количество моторных спиртов. Недаром в ряде стран для производства подобного горючего создаются специальные установки, которые могут сыграть определенную роль в энергетическом самообеспечении агропромышленной сферы.