КурманбаевА.А., Молдагулова Н.Б. ПЕРЕХОД НА АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ КАК
advertisement
КурманбаевА.А., Молдагулова Н.Б. ПЕРЕХОД НА АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ КАК РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА (Национальный центр биотехнологии КН МОН РК) Перспектива истощения природных видов топлива, таких как нефть и уголь вызвала интенсивные научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки в сфере альтернативной энергетики в целом, и биоэнергетики, в частности. Технологическая биоэнергетика - наука о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах, является одним из интенсивно развивающихся разделов биотехнологии. Это направление основано на использовании биотехнологических процессов превращения биомассы в энергоносители в процессах биометаногенеза и производства спиртов, повышении эффективности процесса фотосинтеза, создании микробных биотопливных элементов, получении фотоводорода и жидких углеводородов. Текущие мировые потребности в энергии оцениваются примерно в 5,3×10 20 Дж/год. Большинство этой энергии (более 80%) получают выделением и сжиганием ископаемого углерода из органических залежей нефти (32%), угля (27%) и природного газа (21%) /1/. При этом эффективность конверсии в электроэнергию составляет примерно 46%, остальное является причиной выбросов парниковых газов в атмосферу, что в свою очередь приводит к глобальным изменениям климата: его потеплению. Население планеты с 50-х годов выросло с 2,5 млрд. до 6 млрд. чел. в 2000 г., за 11 лет прибавился еще один миллион и к 2050 году ожидается рост населения Земли до 9 млрд. человек. Соответственно в 50-х годах выбросы углекислого газа составляли 7 Гт/год, в 80-х – 20 Гт/год. В настоящее время - 30 Гт/год. При сохранении существующей тенденции к 2050 году выбросы могут составить 40 Гт/год углекислого газа, что может привести к повышению температуры на планете до +4°С и более. Последствия такого повышения температуры катастрофические. Неслучайно проблема парниковых газов рассматривается как вызов номер один для выживания человечества. В случае развития данной тенденции увеличится интенсивность штормов, наводнений и засух. Таяние ледников приведет к повышению уровня океана, что оставит без дома 600 млн. чел., вызовет исчезновение многих видов животных. Усилится распространение тропических инфекций, резко снизится урожайность с.х. культур. Исчезнут многие коралловые рифы, что приведет к уменьшению биоразнообразия мирового океана. В этой 1 связи остро стоит задача за текущее десятилетие к 2020 году снизить темпы роста выбросов углекислого газа таким образом, чтобы повышение температуры не превышало + 2°С. Для решения данной проблемы необходимо снизить зависимость энергетики от ископаемого топлива, в первую очередь от угля, повысить эффективность использования энергии, сократить количество выбросов от использования ископаемого топлива. Текущее глобальное потепление в первую очередь обусловлено деятельностью человека и вызвано антропогенным ростом концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, и, как следствие, увеличением парникового эффекта. Около трёх четвертей всех антропогенных выбросов углекислого газа за последние 20 лет являются результатом добычи и сжигания нефти, природного газа и угля. При этом примерно половина объёма антропогенных выбросов углекислоты связываются наземной растительностью и океаном. Однако доля связанного растениями углекислого газа постоянно снижается из-за вырубки лесов, в результате скорость связывания наземной растительностью становится ниже скорости его антропогенного высвобождения. По данным МГЭИК при ООН (Межправительственная группа экспертов по изменению климата), до трети общих антропогенных выбросов CO2 являются результатом обезлесения. Многие аспекты изменения климата и связанных с ним последствий останутся актуальными в течение нескольких веков даже в случае прекращения антропогенных выбросов парниковых газов. Риски возникновения резких и необратимых изменений увеличиваются по мере увеличения степени потепления /2/. Нельзя не отметить, что ценность нефти как химического сырья для химической промышленности гораздо выше, чем энергетическая. Д.Менделеев по поводу сжигания нефти для энергетических нужд, а в наше время это в значительной степени касается и ДВС автомобилей, высказался следующим образом «Использовать нефть в качестве топлива – это все равно, что топить печь ассигнациями!». Общеизвестно, что текущая пластиковая цивилизация строится на продуктах переработки нефти. Из нефти вырабатывается практически все – искусственные волокна, каучук, полимеры, растворители, лаки, краски, спирты, взрывчатые вещества, глицерин, ПАВы и многое другое, без чего трудно представить современную цивилизацию. И здесь возникает острая проблема, связанная с достижением мирового пика добычи нефти – так называемого пика Хабберта. Большинство экспертов сходятся во мнении, что он уже пройден или вот вот наступит, но эта информация скрывается, чтобы избежать паники на биржах. Если это так, то нефть как источник сырья становится важным стратегическим ресурсом номер один. Спешка в развитии возобновляемой энергетики, по мнению А.Н. Голоскокова (2010), 2 является одним из шести косвенных признаков, свидетельствующих о приближении к пику добычи нефти /3/. Все вышесказанное остро ставит проблему использования альтернативных источников энергии для решения глобального изменения климата, которые с одной стороны позволят снизить зависимость энергетики от нефти, а с другой - снизить количество выбросов углекислого газа. Не вдаваясь в подробности солнечной, ветровой и других альтернативных источников энергии в данной публикации мы бы хотели сделать акцент на вкладе биотехнологии, а именно биоэнергетики, в решение проблемы глобального потепления. Прежде всего, нефть возможно и нужно сделать возобновимым источником сырья для нефтехимии и энергетики. Среди всех новомодных прорывов в этом направлении, наиболее перспективным считается применение колониальной зеленой водоросли Botiyococcus braunii, широко распространенной в естественных условиях в различных климатических зонах, как в пресных, так и солоноватых водах. Водоросли образуют большие плавающие колонии, состоящие из миллионов микроскопических округлых клеток с толстыми оболочками. Самой интересной способностью данной водоросли является то, что она может синтезировать разные углеводороды, образующие так называемое "водорослевое масло". Интересно, что данное "масло" по своему химическому составу весьма похоже на нефть. Нужно оно колонии для того, чтобы увеличить ее плавучесть. При этом неоднократные наблюдения показали, что клетки часто выпускают данное "масло" в окружающую их воду, в результате чего вся колония располагается среди тонкой радужной пленки, которая помогает клеткам не тонуть /4/. Botryococcus braunii способны производить большие количества углеводородов, особенно масел в виде тритерпенов, которые, составляют около 30-40 процентов их сухого веса. Из масел водорослей получают бензин, керосин и дизельное топливо. Микроводосли не только уменьшают выбросы парниковых газов (они поглощают до 90% углекислого газа), но и восстанавливают состав атмосферы, путем выделения большого количества молекулярного кислорода в процессе фотосинтеза. Группа исследователей под руководством профессора Джо Чаппела из Университета Кентукки недавно выяснила, что во всех образцах нефти нашей планеты присутствовали фрагменты генома микроскопической водоросли - Botryococcus braunii, которые были доминирующими перед другими микроорганизмами. Этот факт подтверждает биогенную теорию происхождения нефти. Огромные запасы нефти и угля сотни миллионов лет назад начала создавать Botryococcus braunii и процесс этот продолжается в настоящее время. Исследователи считают, что использование генов Botryococcus braunii имеет огромные 3 преимущества, так как этот микроорганизм имеет уникальный молекулярный механизм для производства углеводородного сырья. Перенос уникальных генов водоросли в быстрорастущий неприхотливый организм позволит создавать дешевые и высокоэффективные биореакторы, производящие необходимое топливо. Если удастся полностью "приручить" эту полезную нефтеобразующую водоросль, то энергетический кризис планете не грозит. Каждая страна в таком случае сможет с помощью генетически модифицированных дрожжей производить столько нефти, сколько ей нужно/5, 6, 7/. Большой интерес в этом плане вызывают и анаэробные бактерии, способные осуществлять важнейшие процессы трансформации веществ в анаэробных зонах биосферы. Из всего многообразия анаэробов эффективными продуцентами жидких углеводородов являются клостридии и сульфатредукторы, которые широко распространены в природе, обладают определенной устойчивостью к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды, осуществляют различные процессы брожения, окисления органических веществ, гидролиза растительных остатков и другие реакции. Кроме того, бактерии указанных физиологических групп способны к биологической конверсии С-1 соединений, в частности, СО2. Бактерии рода Clostridium и рода Desulfovibrio способны к синтезу внеклеточных углеводородов; они продуцируют жирные кислоты и альдегиды, которые способны вступать в реакции конденсации с образованием углеводородов, обладают высокой редуктазной активностью, способствующей осуществлению реакций восстановления веществ. Установлено, что внеклеточные углеводороды клостридий и сульфатредукторов синтезируются штаммами в процессе роста популяции и не являются продуктами разрушения клеток. Синтез углеводородов усиливается в условиях стрессового воздействия при культивировании бактерий. Для сульфатредукторов - это снижение в питательной среде сульфатов, для клостридий - удаление мела. Кроме того, введение в среду культивирования штаммов газовой смеси Н2+СО2, ускоряет и активирует процесс образования алканов. Внеклеточные углеводороды представлены, главным образом, алканами нормального и изостроения с длиной углеродной цепи С11-С24, внутриклеточные углеводороды состоят из высокомолекулярных алканов С25-С35 /8, 9, 10, 11/. Заманчивой перспективой явилось бы использование органики морских осадков 5,2 × 1022 и осадков сточных вод 7,4 × 1018 Дж/год. Эффективное извлечение энергии из менее концентрированных источников органического углерода, потенциально может быть достигнуто с помощью микробиологической биотехнологии. Наиболее важным фактором является природа доступных окислителей. В водоемах, богатых донорами электронов, 4 сильный окислитель (О2 в аэробных системах) используется в первую очередь, затем включаются более слабые окислители [NO3-> Mn (IV), минералы > Fe (III) ископаемые> SO42-> СО2]. Самый слабый окислитель - диоксид углерода, используется в последнюю очередь и часто остается единственным окислителем для доноров электронов в анаэробных условиях. Значительная часть удаляемых электронов (~ 90%) передается на метан, который может скапливаться в газовой фазе. Высокая эффективность переноса электрона на метан и легкость извлечения метана из воды в процессе метанового брожения служит полезным ориентиром для восстановления энергии с помощью микробной биотехнологии. Одна из самых быстро развивающихся сегодня технологий в области производства энергии из возобновляемых источников − это производство биометана анаэробной ферментации с последующей подачей его в сети, по которым потребителям доставляется природный газ. В последнее время метаногенез переживает второй бум, т.к. благодаря использованию новых мембранных технологий разделения СН4 и СО2 принципиально решена проблема использования биогаза в качестве автомобильного топлива. Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м3 природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива. В процессе метаногенеза метанообразующие бактерии восстанавливают углекислый газ в метан с поглощением водорода. Очевидно, что развитие возобновляемых источников энергии и использование собственных энергоресурсов повысит конкурентоспособность тех стран, которые найдут силы и средства для подобных инвестиций. Производство биогаза путем метанового «брожения» отходов — одно из возможных решений энергетической проблемы в большинстве сельских районов развивающихся стран. Наиболее перспективной, с точки зрения получения агрохимической, экологической и энергетической эффективности, является получение биогаза из сельскохозяйственных и муниципальных отходов. В результате чего мы получаем не только биометан, используемый впоследствии для хозяйственных нужд, но и органическое удобрение, что позволяет снизить применение химических удобрений, сокращает нагрузку на грунтовые воды, предотвращает выбросы вредных газов в атмосферу. Другим важным источником энергии являются спирты и масла. Вопросы получения биоэтанола и биодизеля широко освещены в научной и популярной литературе, поэтому отметим главное: все развитые страны имеют государственные программы по развитию индустрии биотоплива на основе возобновляемого сырья, в них ведущее место занимают технологии осахаривания лигноцеллюлозного сырья и получения биотоплив второго поколения – этанола и бутанола. В производстве биодизеля в последние годы все больше 5 привлекают внимание микроводоросли-продуценты масел. Так, при выходе 446 л/га масла из зерна сои, необходимая площадь ее возделывания для покрытия 50% потребности в транспортном топливе США составила бы 594 Мга2. Микроводоросли, способные синтезировать до 70% масел к сухому весу, обеспечат получение 136 900 л/га на площади всего в 2 Мга2 /12/. Особый интерес представляет культивирование зеленой микроводоросли Haematococcus pluvialis. Максимальные значения энергопродуктивности её биомассы в отдельные периоды составляли 1836 ГДж/га/год при энергопродуктивности по маслу 1014 ГДж/га/год. Эти величины существенно выше тех, что дают наземные растения (около 50 ГДж/га/год). Топливные элементы, связанные с их особыми свойствами находятся на грани обширных революционных изменений в области генерации электричества. По определению, топливный элемент - это электрохимическое устройство, в котором химическая энергия топлива без его сжигания превращается в электрическую энергию. Одна из первых работ по генерации электроэнергии бактериями опубликована в 1911 году M.Potter /13/. Сегодня микробные топливные элементы (МТЭ) привлекают все больше внимания, за последние 15 лет опубликовано 90% публикаций по этой теме. МТЭ представляют собой потенциальное решение энергетических потребностей за счет возобновляемых и экологически чистых источников энергии. МТЭ с протонпроницаемой мембраной разрабатывался в рамках космической программы НАСА в 60-х годах прошлого столетия. Однако, падение производительности со временем, высокая стоимость, недостаточная долговечность, а также проблемы, касающиеся образования водорода и его хранения, препятствовали крупномасштабной коммерциализации этого устройства. В последние несколько десятилетий была проведена большая работа, чтобы повысить производительность каталитических слоев, мембранных материалов и других компонентов. Примечательно, эти улучшения сопровождались одновременным снижением стоимости и повышенной долговечностью, что способствовало переводу биотопливных элементов из лабораторий на рынок [14]. В МТЭ может быть использован широкий круг бактерий, но предпочтение отдается анаэробам, поскольку примерно 90% их метаболизма представляют собой катаболические процессы, поэтому прирост биомассы минимален по сравнению с аэробными процессами /15/. Особый интерес МТЭ привлекают в связи с возможностью утилизации органических отходов с одновременной наработкой электричества. Отходы сельского хозяйства и деревоперерабатывающей промышленности, пищевые и др. могут обеспечивать энергией потребителей в населённых пунктах, сельскохозяйственных и 6 промышленных зонах за счет небольших установок по переработке. Это позволит решить проблему избыточного накопления органических отходов и снизить зависимость потребителей от традиционных источников энергии. Движущая сила МТЭ - это окислительно-восстановительные реакции обычного клеточного метаболизма. Однако для получения тока на электродах необходимо вынести заряд из клеток. Данная задача решается с помощью медиаторов, которые при входе в клетку окисляют клеточные кофакторы. Выходя из клетки, медиаторы переносят заряд на электрод, а кофактор остается в клетке. В МТЭ, бактерии отделены от конечного акцептора электронов на катоде, так что единственным средством для дыхания является перенос электронов на анод. В качестве медиаторов используются ряд соединений, такие как метиленовый голубой, природный красный, тионин или резорфуин и т.д. /17/. Типичный микробный топливный элемент состоит из анодных и катодных камер. В анодном отсеке топливо (органическое вещество, например мочевина) окисляется микроорганизмами, генерируя электроны и протоны. Электроны передаются в катодное отделение через внешнюю электрическую цепь, а протоны переносятся через протонпроницаемую мембрану в катодную камеру. Электроны и протоны расходуются в катодном отделении, и в сочетании с кислородом образуют воду. Если микроорганизмы потребляют субстрат, такой как сахар в аэробных условиях они производят углекислый газ и воду. Однако, когда кислород отсутствует, они производят двуокись углерода, протоны и электроны [16]. C12H22O11 + 13H2O 12CO2 + 48+ + 48e– Таким образом, МТЭ дают возможность генерировать энергию нефть независимым и экологически дружественным способом с минимальным или нулевым выбросом загрязнителей и так долго, сколько носители энергии будут производиться из возобновляемых источников, солнца и биомассы. Преимущества топливных элементов по сравнению с другими типами устройств, которые производят энергию, заключаются в следующем: - более высокая эффективность; - отсутствие подвижных частей и как следствие, отсутствие звукового загрязнения; - нет выбросов экологически загрязняющих газов, таких как SOx, NOx, CO2, CO, и т.д. В противовес преимуществам, имеется только один недостаток топливных элементов - это их высокая стоимость, но эта проблема решается путем применения новых технологий, а также массовым производством этих топливных элементов. 7 Необходимо отметить, что МТЭ могут быть использованы также для проведения обессоливания соленых вод и проведения электролиза. Огромные перспективы для решения энергетических проблем имеет биоводород, который также можно получать в МТЭ. Биоводород рассматривается специалистами как ближайшая из возможных альтернатив углеводородам нефти, поэтому во всем мире ведутся интенсивные исследования по получению водорода как химическими методами с помощью катализаторов и биокатализаторов – гидрогеназ, так и биотехнологическими. Зеленые микроводоросли и цианобактерии в анаэробных условиях могут в процессе фотосинтеза выделять водород. Проблема инактивации гидрогеназы кислородом решается получением мутантов с нечувствительной к кислороду гидрогеназой. Наиболее изученная водоросль Chlamidomonas reinhardii выделяет до 5 мл водорода в час. Пурпурные фотосинтезирующие бактерии используют воду и угарный газ с образованием углекислоты и водорода. Процесс идет в темноте и катализируется двумя ферментами гидрогеназой и СО-гидрогеназой. Скорость выделения водорода составляет до 700 мл/час на г сухой биомассы. Многие бактерии, примерно 25% из известных, способны к образованию водорода в процессах брожения. Среди них, всем известные кишечные палочки и сальмонеллы. В процессе метаногенеза при деструкции органики сточных вод образование метана у архебактерий идет через стадию образования водорода. Биологическое производство водорода энергетически низкозатратно, потенциально конверсия солнечной энергии в энергию водорода может составить 30-40% /19/. Таким образом, водород, как носитель экологически чистой энергии, является в краткосрочной перспективе одним из наиболее рациональных решений самых актуальных проблем экологии: уменьшение количества парниковых газов, снижение загрязнения наших городов и зависимости от топлива на базе нефти. По мнению экспертов, потребности в водородном сырье до 2030 года вырастут более чем на 60 %!!! О важности проблемы говорит тот факт, в Японии было выделено огромное количество средств на покупку абсолютно ВСЕХ энергетических водородных технологий аж до 2020 года!!! Европа также планирует в настоящее время потратить средства не менее чем 5 млрд. долларов, для решения проблем, которые выставляет водородная энергетика /20/. Данной статьей авторы попытались привлечь внимание научной общественности к проблемам биоэнергетики как способу решения глобальных экологических и энергетических проблем, поскольку призрак пика Хабберта давно уже бродит по миру. По прогнозу Института энергетических исследований Российской академии наук (ИНЭИ 8 РАН) наибольший рост спроса на энергоносители к 2040 году придется на возобновляемые источники 92%, атомную энергетику 72% и газ 64% /21/. В Казахстане на уровне государственных программ крайне важно простимулировать исследования по изучению альтернативных видов источников топлив и углеводородов и профинансировать строительство промышленных объектов по производству альтернативных видов топлива и альтернативной энергетики в целом. Это обеспечит условия по снижению парниковых газов в атмосфере и послужит «подушкой безопасности» при прохождении пика Хабберта Казахстаном. В связи с принятой концепцией перехода Республики Казахстан к «зеленой экономике», данная задача становится тем более актуальной, поскольку в основе этой концепции лежат чистые технологии, каковыми и являются технологии получения биоэнергии из возобновляемых сырьевых источников. Литература 1 Key world energy statistics 2012 /IEA, Paris/ http://www.teagasc.ie/energy/Policies/docs/IEA%20Key%20World%20Energy%20Statistics%2 02012.pdf 2 Изменение климата 2014 г. Обобщающий доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) http://ipcc.ch/news_and_events/docs/ar5/ar5_syr_headlines_ru.pdf 3 Голоскоков А.Н. Пик добычи нефти и начало мирового энергетического кризиса //Нефтегазовое дело, 2010/ http://ogbus.ru /authors/Goloskokov/Goloskokov_4.pdf 4 Texas A&M AgriLife Communications. Ancient algae: Genetically engineering a path to new energy sources?. ScienceDaily [Internet]. 2011 Jul 13 [cited 2011 Sep 6]; Science News. Available from:http://www.sciencedaily.com/releases/2011/07/110711164533.htm 5 http://www.uky.edu/Ag/Agronomy/Chappell/Research_Areas.html 6 An Insight into a New Form of Alternative Energy http://biol1020-20112.blogspot.com/2011/09/insight-into-new-form-of-alternative.html 7 Ancient algae: Genetically engineering a path to new energy sources? http://www.sciencedaily.com/releases/2011/07/110711164533.htm 8 Багаева Т.В., Чернова Т.Г. Сравнительная характеристика внутри- и внеклеточных углеводородов Desulfovibrio desulfuricans //Биохимия.-1994.-Т.59.-Вып.1.-С.31-35. 9 Багаева Т.В. Продукты биотехнологии, применяемые для нужд энергетики. Микробная биотехнология. Казань Унипресс.: ДАС, 2000,-С.229-253. 10 Зинурова Е.Е. Синтез внеклеточных углеводородов бактериями рода Clostridium и рода Desulfovibrio. – Дисс. на соискание уч. ст. к.б.н. – Казань. – 2003. - 165 с. 11 Багаева Т.В. Микроорганизмы – продуценты углеводородов (монография), Казань: КГУ, 2007, 226 с. 12 Кирюшин П.А., Аблаев А.Р. Биотопливо как фактор развития аграрного и топливного рынков России // Биоэнергетика. 2008. № 1(10). С. 31–33. 13 Potter M. Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds //Proc. R. Soc. Lond. - 1911. -V.84. - P.260—276. 9 14 FuelCell Today, The fuel cell Industry review 2012, Available online: http://www.fuelcelltoday.com/analysis/industry-review/2012/the-industry-review-2012, accessed: 08-10-2013. 15 Федорович В.В., Мажитов Т.О., Калюжный С.В. Биотопливные элементы - новые возможности для энергетики //Катализ в промышленности. – 2004. - №1. – С. 29- 34. 16 Bennetto, H.P. Electricity Generation by Microorganisms. //Biotechnology Education. – 1990. - Vol. 1, No.4. – P.163-168. 17 Bennetto, H. P., Stirling, J. L., Tanaka, K. and Vega C. A., Anodic Reaction in Microbial Fuel Cells, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 25, 1983, 559-568. 18 Разворот на водород http://nanohudrogen.blogspot.com/ 19 Цит. По Маркову С.А. Виоводород: возможное использование водорослей и бактерий для получения молекулярного водорода //Альтернативная энергетика и экология -2007.№1. С.30-35. 20 Водородная энергетика //http://venergetika.narod.ru/. 21 Спрос ломает старые устои //Российская газета. N6403 от 16 июня 2014 г. http://www.rg.ru/2014/06/16/neftanka.html 10
