Биотопливо второго поколения на основе бутилового спирта: особенности, преимущества и перспективы использования в яхтенной индустрии.
На волне ажиотажа вокруг электрификации транспорта разговоры о биотопливе зачастую наводят скуку: вроде бы уже давно известно, что из растительной и животной биомассы можно получать пригодные для использования в качестве горючего спирты, выхлоп от которых не содержит вредных соединений азота и серы. Однако если оценивать интегральное воздействие биотоплива первого поколения на окружающую среду, нередко получается, что его преимущества сводятся к нулю, потому что земли для выращивания сырья возделываются традиционными способами, а технологический процесс не идеален. Прогресс не стоит на месте, и, похоже, ситуация может в корне измениться с появлением биотоплива нового поколения, для производства которого подходят, по сути, любые углеводы. Одним из пионеров этого направления стала американская компания Gevo, возглавляемая известным изобретателем Патриком Грубером. Его имя значится в полусотне патентов, на его счету такие успешные проекты, как разработка и вывод в промышленное производство биоразлагаемого пластика.
«По своим ключевым свойствам наше биотопливо превосходит все, что делали прежде, — сказал Патрик, как только мы встретились на выставке boot Düsseldorf. — Оно уже сейчас способно заменить бензин и горючее для реактивных двигателей, а скоро мы сделаем замену и солярке. Биотопливo Gevo содержит те же углеводороды, что и производные нефти, в нем нет азота и серы, а при сгорании не образуются частицы сажи. Кроме того, у него минимальный углеродный след, который может доходить до нуля или быть даже отрицательным. Наше биотопливо подходит для любых двигателей внутреннего сгорания, и его можно распространять через существующую инфраструктуру. Это совершенно иная парадигма и вполне реальная альтернатива тотальной электрификации, поскольку не нужно переоборудовать имеющуюся технику».
Звучит обнадеживающе, но чтобы поверить в это, необходимо разобраться в деталях: из чего и как производят топливо Gevo, и что оно собой представляет.
«Углерод для биотоплива мы берем из атмосферы, — рассказывает Патрик Грубер. — Растения захватывают углекислый газ и в процессе фотосинтеза переводят его углерод в пригодные для последующего ферментирования углеводы, которое мы используем в качестве сырья. По сути, неважно, из каких растений они взяты, однако в первую очередь мы используем те, что экономически выгодно выращивать с наименьшей нагрузкой на окружающую среду. Сейчас наш основной источник — обычная кормовая кукуруза, которую повсеместно культивируют в США. Там, где кукуруза не растет, можно брать древесину: извлекать из целлюлозы углеводы, а лигнин использовать для производства тепла. Вообще подойдут любые растительные сахара, например, из пшеничной или рисовой соломы, сахарного тростника или свеклы. Нашим дрожжам подойдет и меласса».
Дрожжи? Да, именно в них суть ноу-хау Патрика Грубера. Производство биотоплива чем-то похоже на самогоноварение, где из сахарного сиропа через спиртовое брожение получаются этиловый спирт (C2H5OH) и сивушные масла со следами бутанола. Однако Gevo использует не обычные дрожжи, а генетически модифицированные, которые в процессе жизнедеятельности преимущественно производят бутиловый спирт (C4H9OH), причем в анаэробных условиях.
Большую часть исследований по разработке технологий промышленной ферментации растительного сырья в Gevo провели самостоятельно, а с дрожжами помогла Франсес Арнольд, получившая в 2018 году Нобелевскую премию по химии за исследования в области направленного развития ферментов. Примечательно, что разработки финансировало не государство (любые разговоры о кукурузе в США давно непопулярны!), и работа компании не зависит от правительственных грантов. По словам Грубера, пока никто в мире не умеет производить биотопливо таким способом в промышленном масштабе, и его технология защищена патентами.
Получается, можно заставить дрожжи «набродить» из сахара горючее? В целом примерно так, но исходный спирт (изобутанол) с четырьмя атомами углерода служит лишь строительным блоком для получения различных видов топлива.
«Изобутанол гораздо более интересен с энергетической точки зрения, чем этанол, — поясняет Патрик Грубер. — Если соединить две его молекулы, то получится октан с восьмью атомами углерода (С8, бензин), три молекулы (С12) дадут авиационное топливо, четыре (С16) — дизельное, а шесть (С24) — бункерное. Это довольно простая химия, и поскольку на выходе после ферментации сырья изобутанол получается очень чистым, при производстве топлива нет побочных продуктов. Кроме того, очень важно, что все это энергетически выгодно, поскольку самую сложную часть работы в процессе фотосинтеза делают растения».
В отношении безопасности биотопливо на основе изобутанола практически не уступает традиционному высокооктановому топливу: оно горюче, но у него очень низкое давление паров, поэтому вероятность взрыва меньше. Кроме того, в отличие от этанола, топливо на основе бутанола плохо смешивается c водой, а значит двигатели не выходят из строя, и баки не корродируют, если в топливе окажется немного воды. Это очень актуально для яхтенной отрасли, где лодки используют редко, подолгу простаивая у причалов. При том, что пока основными заказчиками Gevo выступают авиакомпании, Патрик Грубер серьезно рассчитывает на яхтенную индустрию США, и многие производители морских двигателей, включая Honda, Evinrude, Tohatsu, Yamaha, Indmar и Volvo Penta, уже одобрили использование этого биотоплива без какой-либо модификации двигателей, а Mercury даже рекомендует применять его. Испытания показали, что оно не влияет на эксплуатационные качества, исправность и долговечность моторов; облегчается их запуск, снижается трение и образование задиров по сравнению с чистым бензином.
Но как вообще можно загнать в минус углеродный след биотоплива? Если не модернизировать сельское хозяйство, то никак. Чтобы перевести как можно больше углерода из атмосферы в почву, необходимо иначе возделывать и удобрять землю.
«Углеродный след ископаемого топлива равен 94 г СО2 на мегаджоуль углеводородов, — рассказывает Патрик Грубер. — Для биотоплива Gevo, изготовленного из выращенной на обычных фермах кукурузы, он составляет 23 г СО2 на мегаджоуль, и это уже существенное снижение. Если брать сырье с ферм, где применяется неглубокая вспашка (плуг переворачивает лишь тонкий слой почвы), то углеродный след становится отрицательным (-8 г СО2 на мегаджоуль), а если землю вообще не пашут и сажают кукурузу в индивидуально пробуренные лунки, то углеродный след падает до -36. И это не предел: потенциал здесь очень велик. Да, фермерам приходится закупать оборудование для неглубокой вспашки и высадки в лунки, но в конечном счете их бизнес становится прибыльнее, так как такая почва удерживает больше воды и минеральных веществ. Уже сейчас на современных фермах используются сложные высокоточные системы с GPS, позволяющие вносить на каждый участок пашни столько удобрений, сколько нужно. А если взять генетически модифицированную кукурузу, то можно еще больше сократить углеродный след. Но мы не можем диктовать фермерам, что выращивать, ведь у них свои цели».
Тщательное построение и строгий контроль всей цепочки: от посадки растений до сжигания биотоплива — главное условие успеха идей Патрика Грубера. Gevo учла ошибки производителей биотоплива первого поколения и делает упор на то, каким будет интегральный углеродный след ее биотоплива, поэтому все этапы производства тщательно документируют и сертифицируют. Аудиторы компании посещают фермы, проверяют их сертификаты (RED II, ISCC или RSP) и учитывают «чистоту» энергии (электричество, ископаемое топливо), использованной при производстве. Gevo даже сотрудничает с франкфуртской Blocksize Capital, чтобы задействовать блокчейн-технологии, исключающие мошенничество со стороны контрагентов.
«В США сейчас 950 тысяч гектаров кормовой кукурузы, и ряд компаний заявляет, что это растение способно извлекать из атмосферы до 600 тонн углекислого газа на гектар в год, — говорит Патрик Грубер. — Мы не проверяли их отчеты, но если они верны, вдумайтесь, что это значит в мировых масштабах! Сколько углерода можно перевести в кукурузу! Но прежде чем это делать, нужно иметь соответствующий рынок сбыта, чтобы не скармливать кукурузу коровам, которые отправят углерод обратно в атмосферу в виде метана. Подход должен быть системным, иначе не сработает».
Кстати, о коровах. По оценкам ученых, 4% общего количества парниковых газов производят животные, и в дискуссиях на эту тему часто упоминают жвачных, в частности — коров, которые из-за особенностей пищеварения выделяют метан.
«Это можно остановить, если не давать коровам углеводы, которые бродят в их пищеварительной системе, — поясняет Патрик Грубер. — Достаточно кормить их растительным белком, и выработка метана упадет. С помощью ферментирования мы извлекаем большую часть углеводов из кормовой кукурузы (это не естественная пища для коров!), а коровам достается белковый остаток, поэтому их углеродный след уменьшается. При производстве галлона (около 4 л) авиационного биотоплива на выходе остается 5 кг белка, тогда как неиспользованные отходы возвращаются обратно в землю в качестве удобрения, и в этом еще одно важное преимущество наших технологий».
Можно ли в качестве сырья использовать водоросли или цианобактерии там, где плохо с лесами и сельским хозяйством? «Люди любят обсуждать тему водорослей, но технически и экономически получать из них биотопливо очень сложно, к тому же существует риск навредить морским экосистемам, — отвечает Патрик Грубер. — То же касается и цианобактерий; я не верю в их потенциал, поскольку не знаю ни одного промышленного и экономически обоснованного примера ферментации цианобактерий — одни только разговоры. Я не утверждаю, что это невозможно, но вместо того чтобы фантазировать, мы предпочитаем иметь дело с реально работающими отраслями сельского и лесного хозяйства и хорошо понимаем, как выглядит наш продукт, какими свойствами обладает и каковы требования к двигателям».
Gevo производит биотопливо в небольшом объеме на заводе в Миннесоте с 2011 года, и сейчас ее главная задача — вырасти. Недавно компания подписала контракт с Delta Airlines (10 млн галлонов в год); уже действуют соглашения с SAS, Air Total, Virgin, Alaska Airlines, военными и другими организациями, которые решили закупать биотопливо. Пока это фьючерсы, но именно они должны помочь Gevo вырасти из нишевого производителя в нечто большее и, быть может, решить проблему парниковых газов на мировом уровне. Стоимость завода с выходом 40 млн литров в год, работающего на углеводах из кормовой кукурузы, составляет порядка 125 млн долларов. Если в качестве сырья используется целлюлоза, то производство будет стоить на 100 млн долларов больше, и теперь главная задача Патрика Грубера — найти инвесторов.
«Если бы я хотел создать нишевый бизнес и просто заработать, мне бы хватило объема 50−100 млн литров в год, — говорит он. — Но у меня другая цель. Я хочу изменить мир». Одновременно с поиском инвесторов Gevo рассматривает схемы лицензирования производства, но пока относится к этому осторожно, чтобы не загубить бизнес и правильно выстроить ценовую политику.
А вопрос цены для биотоплива далеко не последний. Менее совершенные продукты первого поколения на основе этанола подчас в два-три раза дороже ископаемого топлива, тогда как Gevo готова отпускать свое топливо по оптовой цене 1−1,2 доллара за литр. Конечная стоимость будет зависеть от региональных наценок (налоги, дистрибуция и т. д.), но выглядит она достаточно конкурентно. В будущем цена ископаемого топлива неизменно станет расти, а стоимость биотоплива — падать, и момент, когда они сравняются, может стать переломным.
«Интересно, что нефтяное лобби, похоже, симпатизирует Gevo, — говорит Патрик Грубер. — Они понимают наш продукт, ведь углеводороды — это их бизнес, и они прекрасно умеют их продавать. Не могу сказать, что мы уже стали друзьями; пока они за нами внимательно наблюдают и, думаю, желают успеха, поскольку мы научились делать что-то такое, чего они не умеют».
