Сейчас в России меняется отношение к энергии как к чему- то всегда существующему и не вызывающему особых проблем – включить свет или нагревательный прибор в сеть, заполнить бак бензином и тому подобные простые вещи. Как-то вдруг оказалось, что энергия имеет свою ценность, вполне соизмеримую с ценностью пищи и жилища. А ведь мы все еще не платим за энергию ее настоящую стоимость, пользуясь запасами нево- зобновляемого энергетического сырья – нефти, газа, каменного угля. Но уже сейчас видно, что эти запасы тают и нужно думать, чем бы их восполнить. Чернобыльская авария подкрепила давние опасения экологов и сделала практически нереальными расчеты на всемерное развитие атомной энергетики. Что же взамен?

Потребности энергии в мире в год составляют цифру порядка 3•10²⁰ Дж. Все запасы нефти, природного газа, угля и урана оценивают как 2,5•10²² Дж. Между тем с солнечной энергией каждый год на поверхность Земли поступает 3•10²⁴ Дж энергии. Таким образом, достаточно было бы, чтобы 0,1% поверхности Земли собирали солнечную энергию и утилизировали ее с коэффициентом полезного· действия около 10%. Тогда можно было бы удовлетворить все потребности в энергии.

Однако солнечная энергия поступает неравномерно по времени и по поверхности Земли. Именно растения путем фотосинтеза запасают энергию в форме различных органических веществ, ее можно хранить и перемещать во времени и пространстве. Недостатком является малая эффективность запасания энергии растениями (1–2%), высокое содержание в них влаги и сезонный характер аккумуляции энергии.

Наряду с прямым сжиганием древесины, соломы, навоза и других отходов животноводства, биотехнология позволяет получать более удобные для использования виды энергии различными способами. Рассмотрим эти способы.

Получение биогаза из органических отходов. В разд. 2.4 мы уже рассматривали процесс метанового брожения с получением содержащего метан биогаза. Надо отметить, что при метановом брожении перерабатывается в биогаз не вся содержащаяся в навозе органика. Например, при сбраживании коровьего навоза в биогаз превращается лишь около четверти всей органики. Но если этот навоз просто сжечь, то получается энергии на 20% меньше, чем от полученного биогаза. К тому же сжигание навоза часто неприемлемо по экологическим соображениям.

Большие успехи в лолучении энергии путем метанового брожения отходов достигнуты в Китае. Там очень многие сельскохозяйственные фермы имеют установки для переработки отходов и навоза, и получаемый газ используют для отопления и приготовления пищи. Большинство установок (а их более 20 миллионов!) имеют относительно небольшие размеры – в пределах от 1 до 10 м³.

Сельскохозяйственные отходы – не единственный источник сырья для производства биогаза. В последнее время ставятся вопросы специального выращивания сырья для получения биогаза. Таким сырьем могут быть зеленая масса быстрорастущих растений и деревьев, водоросли и даже микроводоросли, которые, как мы знаем, растут быстрее.

Существовал даже специальный проект «Биосоляр» для выращивания на поверхности моря в плавучих установках хлореллы, которая затем сразу же перерабатывается в биогаз, служащий энергетическим сырьем для снабжения прибрежных городов.

Получение водорода биофотолизом воды. Водород с точки зрения экологии – идеальное топливо, имеющее высокую теплотворную способность (12,8 кДж/м³) и сгорающее без образования каких-либо вредных примесей. Однако получение водорода электролизом или химическим путем неэкономично.

Существуют фототрофные бактерии, способные выделять водород под действием света. Пока что они работают довольно медленно. Но в них заложены биохимические механизмы, содержатся ферменты, которые позволяют катализировать образование водорода из воды. Некоторые ферменты наряду с водородом образуют и кислород, т. е. происходит биофотолиз воды. Примером является система, включающая хлоропласты или хлорофилл и фермент гидрогеназу.

Хотя это направление пока еще не дало практических результатов, оно является весьма перспективным в развитии биоэнергетики.

Биосинтез углеводородов микроорганизмами. Один из углеводородов – метан мы уже рассматривали при получении биогаза. Более интересно получение жидких и твердых углеводородов с помощью микроводорослей. Например, микроводоросль Botriococcus braunii (имеющая разновидности зеленого и красного цвета) под действием света накапливает до 75% углеводородов от сухой массы клеток. В США даже есть ферма, где на площади водоемов 52 тыс. га выращивают микроводоросли, дающие около 4800 м3 жидких углеводородов в сутки. Есть и другие виды микроорганизмов такого же типа. Например, в Израиле показана возможность культивирования микроводорослей Dunaliela bardause в пресных и соленых водах (вплоть до воды Мертвого моря) с получением глицерина в количестве до 85% от сухой массы клеток. Клеточные остатки после выделения глицерина могут быть использованы как корм, содержащий к тому же биологически активный провитамин бета-каротин.

Моторное топливо. Кроме получения энергии как таковой, используемой в основном для отопления, важной задачей является получение моторного топлива для автомобилей и других двигателей внутреннего сгорания. Здесь, конечно, идеальным был бы водород как абсолютно экологически чистое топливо. Однако на современном уровне развития техники он и дорог, и небезопасен в обращении. Поэтому продолжаются поиски альтернативы жидким углеводородам. Такой альтернативой может стать, например, этанол – продукт, более известный как пищевой или околопищевой. Однако если не ставить целью получать «кристально чистый» спирт, то оказывается, что технический спирт вполне может служить такой заменой – либо безводный спирт (почти 100%-й), либо в смеси с бензином, где спирт составляет около 10% (такая смесь называется газохол).

При этом, конечно, важно обеспечить экономичное производство спирта. В Бразилии для этой цели используют сахарный тростник, в США упор делался на крахмалосодержащие продукты, в основном кукурузу и маниок. В России разрабатывается технология биоконверсии древесины в этанол, предпочтительно без предварительного гидролиза древесины.

В настоящее время углеводородное моторное топливо при любых вариантах замены получается дешевле, но вполне возможно, что цены на нефть будут расти, а возобновляемое сырье для производства спирта станет относительно дешевле.