Biopaliva druhé a třetí generace

Biopaliva jsou na energetické scéně teprve krátkou dobu. Jejich první generace ztrácí na atraktivnosti, protože konkuruje výrobě potravinářských plodin. Základní surovinou je zde směs cukrů, škrobu a olejů, pocházející zejména z cukrové třtiny a kukuřice. Druhá generace biopaliv je založena na nepotravinářských plodinách, případně na nepoživatelných částech potravinářských plodin, jejichž celulóza se ale těžko štěpí na jednoduché molekuly. A existuje ještě třetí generace využívající mikroby, které mohou žít na plochách nevhodných pro pěstování potravinářských plodin a mohou produkovat chemikálie téměř přímo využitelné v motorech.

Během několika příštích let se ukáže, zda vývoj biopaliv zkolabuje nebo díky rozvoji biopaliv druhé a třetí generace uspěje. Geneticky upravené enzymy nebo chemické katalyzátory mohou být v krátké době schopny laciným způsobem rozbít celulózu v dřevnatých zemědělských odpadech na cukry vhodné ke zkvašení (fermentaci). Velký pokrok by mohl být zaznamenán i v oblasti pěstování a zpracování řas v umělých nebo přirozených nádržích a v oceánech na etanol nebo butanol. Pokud elektrárny využívající obnovitelné zdroje energie (OZE) nebo jadernou energii budou hlavními zdroji elektřiny a pokud budoucí auta budou moci být napájena přímo ze sítě, pak by se biopaliva mohla využít v námořní dopravě nebo v aplikacích nevhodných pro síťové napájení.

Biopaliva druhé generace

Biopalivový průmysl se učí využívat chudší stravu, tj. nepoživatelné zbytky. Dlouhodobým cílem bude efektivně přeměnit zdroje druhé generace biopaliv – trávy, odpadního dřeva, papíru a jiných nepoživatelných odpadů potravinářských plodin – na biopaliva, která by se tak dala získávat na dosud nevyužitelných půdách nebo zcela mimo půdu.

Mezi hlavní druhy biopaliv patří bioetanol, který může být použit buď jako příměs do benzínu nebo může benzín zcela nahradit. Získávání velkého množství bioetanolu z odpadních materiálů představuje velkou výzvu. O významu biopaliv druhé generace svědčí některé údaje z USA. V roce 2009 uveřejnila Biotechnology Industry Organisation se sídlem ve Washingtonu, D. C., studii, v níž dochází k závěru, že by tato biopaliva mohla do roku 2022 snížit dovoz benzínu do USA za téměř 70 miliard dolarů. Bruce Dale z Office of Biobased Technology z Michigan State University je ještě optimističtější a domnívá se, že biomasa druhé generace by mohla být zdrojem až 350 milionů litrů biopaliv ročně, což představuje roční dovoz ropy do USA.

Optimalizace získávání bioetanolu

V současné době lze na energii přeměnit asi jen jednu třetinu biomasy cukrové třtiny. Jde tedy o velmi neefektivní proces. Ke zvýšení efektivnosti na dvojnásobek by bylo třeba získávat bioetanol i z nepoživatelných částí rostliny. K tomu musíme vědět víc o struktuře rostliny. Tímto problémem se zabývá biolog Marcus Buckenridge z University of Sao Paulo, kde koordinuje program Biogen v rámci státního výzkumného střediska. Tento biolog, který se biologii buněčných stěn věnuje již 20 let, se domnívá, že se technologii výroby fermentačních cukrů z nepoživatelných částí rostlin podaří vyvinout během krátké doby. Tento výzkumný program je v odborných kruzích označován jako „Projekt Manhattan“ v oblasti výroby „etanolové bomby“.

Velké prostředky se dnes vynakládají na výrobu celulózového etanolu. Většina biomasy je tvořena dřevnatou nepoživatelnou směsí ligninu a celulózy. Lignin sice hoří, ale jeho přeměna na kapalné palivo je problematická. Dobrou zprávou je, že celulóza, podobně jako škrob, je tvořena dlouhými řetězci glukózy, kterou lze fermentovat a tak vyrábět etanol. Špatnou zprávou je, že oddělení celulózy od ligninu je obtížné a nákladné. Náklady na výrobu celulózového etanolu z kukuřice jsou například o 50 % vyšší než při výrobě etanolu ze škrobu. Prioritou je proto hledání cest ke snižování nákladů. Na tyto účely se jen v USA vynakládají stovky milionů dolarů a existuje zde na 30 projektů zaměřených na výrobu celulózového etanolu. Vláda USA poskytla pro tyto účely 385 milionů dolarů.

Technologie výroby biopaliv druhé generace

Problémem biopaliv druhé generace je způsob rozkladu celulózy, která tvoří nepoživatelné buněčné stěny zelených rostlin. Po rozložení celulózy následuje přeměna na cukry s využitím enzymů. Zkvašením je pak možné z cukrů získat bioetanol.

Jednou z možných technologií je proces AFEX (Ammonia Fibre Expansion), kterou vyvinul Bruce Dale z Office of Biobased Technologies při Michigan State University. Technologie AFEX spočívá v dodávání biomasy do komory zaplněné čpavkem o teplotě 100 stupňů Celsia a tlaku 20 atmosfér. Po pěti minutách je tlak rychle snížen. Díky tomu se poruší buněčná stěna a odloupnou celulózová mikrovlákna, což umožní přístup enzymů k molekulám celulózy. Výsledkem je přeměna většího množství celulózy na cukry. Získané cukry budou fermentovány kvasinkami nebo bakteriemi na bioetanol nebo jinou formu biopaliv. Pomocí této technologie bude údajně možné přeměnit až 90 % celulózy na biopaliva. Z jedné tuny rostlinného materiálu by tak bylo možné získat 300 litrů biopaliva ve srovnání se 160 litry u existujících komerčních technologií.

Australská firma Microbiogen se sídlem v Lane Cove ve státě Nový Jižní Wales používá zředěnou kyselinu sírovou k rozbití jiné složky buněčné stěny rostliny, kterou je složitý polymer označovaný jako hemicelulóza. Ta váže dohromady celulózová mikrovlákna. Hlavní složku hemicelulózy tvoří cukr xylóza. Proces vyvinula National Renewable Energy Laboratory se sídlem v Golden ve státě Colorado.

Rovněž společnost Mascoma se sídlem v Bostonu (ve spolupráci s General Motors) plánuje postavit v Rome ve státě New York pilotní závod, který má využívat mikroorganismy jak k přeměně celulózy na cukry, tak ke kvašení, a to v jediném lacinějším procesu. Do hry zde vstupují mikroorganismy, například bakterie Clostridium thermocellum.

Biopaliva třetí generace – řasy

Když se řekne řasy, většina lidí si představí nepříjemné organismy v bazénech a rybnících. Pro vědce v laboratořích společnosti Exxon Mobil ale znamenají velkou příležitost. Řasy totiž mohou produkovat obnovitelnou energii a současně absorbovat oxid uhličitý. Energie z řas by mohla v budoucnu produkovat biopaliva srovnatelná s palivy na bázi konvenční surové ropy. Výzkumný program řídí Craig Venter, pionýr v oblasti výzkumu lidského genomu.

V první etapě celého procesu se mění struktura řas tak, aby produkovaly uhlovodíky. Zatímco jiné skupiny vědců se snaží CO₂ ukládat, zde je snahou CO₂ využít k přeměně řas na ropu. Další etapa spočívá ve zpracování surové ropy z řas v existujících rafinériích a ve výrobě stejných produktů získávaných z konvenční ropy, tj. benzínu, nafty a leteckého paliva. Realizace záměru si vyžádá asi 10 let a jeho reálnost spočívá v tom, že jsou k dispozici nejen velké finanční prostředky společnosti Exxon Mobil, ale také její technické a technologické zázemí.

Vývojem přeměny řas na biobutanol se zabývají i společnosti Du Pont a Bio Architecture Lab of Seattle, které získaly od amerického ministerstva energetiky (US DOE) grant ve výši 9 milionů dolarů. Prvním cílem je výroba suroviny na bázi celulózy, která by měla mít vyšší výnosy než například kukuřice. Navíc, vyrobený biobutanol má oproti bioetanolu větší energetickou hustotu a může být proto přidáván do benzínu ve větší koncentraci. Problém je zatím v tom, že se nepodařila přeměna řas na základní cukry, ani jejich následné zpracování na biobutanol s použitím biokatalyzátoru. Pokud se ale podaří pěstovat řasy na 12,5 % příbřežních vod v USA, mohl by vyrobený biobutanol ročně nahradit 26 miliard litrů benzínu.

Po dodání CO2 rostou zelené řasy velmi rychle a pokud se je podaří přeměnit na biopalivo, jsou stonásobně výnosnější na hektar než kukuřice, soja nebo cukrová třtina. Porovnání vyrobeného biopaliva z některých plodin ukazuje srovnání: Sojové boby – 470 l/ha; řepka olejka – 1 200 l/ha; řasy – 66 000 až 94 000 l/ha.

Řasy mohou sloužit nejen jako zdroj pro výrobu biopaliva, ale mohou pomoci i čistit odpadní městskou vodu.

Kyanobakterie a biopaliva

Kyanobakterie daly svým odpadním produktem Zemi životodárný kyslík. Díky genetickému inženýrství jsou nyní „předsvědčovány“, aby přeměňovaly sluneční záření a CO₂ na palivo. Těmto bakteriím se nyní můžeme odvděčit tím, že je budeme krmit naším odpadem, tj oxidem uhličitým.

Biotechnologická společnost Joule Unlimited se sídlem v Cambridge ve státě Massachussetts nedávno získala patenty na novou technologii výroby biopaliva, která umožňuje přímo získávat alkany, které jsou hlavní součástí nafty. V nádrži zaplněné bublající kapalinou špenátové barvy plavou fotosyntetizující kyanobakterie. Od svých běžných druhů se liší tím, že jejich DNA byla vylepšena, takže v případě dostupnosti světla, vody a uhlíku přímo produkují alkany.

Většina konkurentů v dané oblasti využívá řasy, které ve svých buňkách olej hromadí, zatímco kyanobakterie alkany rovnou vyměšují. Ty pak plavou k povrchu, kde mohou být snadno odebírány. Velkou výhodou alkanů je i to, že mají dlouhé řetězce uhlíku 13 – 19, což je ideální délka pro naftu. Předcházející vědecké studie podpořily důkazy, že některé mikroby, včetně určitého počtu kyanobakterií, mohou alkany syntetizovat.

Využít schopnosti kyanobakterií k přeměně sluneční energie a CO₂ na olej se snaží také firma LS 9. Firma se rozhodla transferovat geny do bakterie Escherichia Coli (E.Coli). Její výhodou je ale to, že se jedná o nejrychleji rostoucí dosud známý organismus.

Alternativní cestu ke třetí generaci biopaliv by mohly poskytnout bakterie žijící v oceánských sedimentech s malým obsahem kyslíku. Touto problematikou se zabývá Derek Lovley z University of Massachussetts, Amherst. Lovley a společníci vyrábějí elektřinu s pomocí geobakterií. K výrobě elektřiny s využitím buněčného dýchání geobakterie transferují elektrony do kovů ve svém prostředí chudém na kyslík. Jestliže se do tohoto prostředí vloží dvě elektrody, je možné je využít k výrobě elektrického proudu. Lovely objevil, že snížením potenciálu elektrod lze změnit tok elektronů a přinutit bakterie vytvářet acetát. Díky modifikacím by bakterie mohly potom přeměňovat acetát na biopalivo.

Čištění půdy od radioaktivity

Kontaminovaná půda zasažená radioaktivním spadem po havárii v Černobylské jaderné elektrárně by mohla být vyčištěna pěstováním biomasy. Toto opatření plánovalo Bělorusko. Minsk v roce 2009 navštívili irští odborníci na pěstování biopaliv a snažili se dohodnout s úřady nákup radioaktivní cukrové řepy a jiných plodin pěstovaných na uvedených plochách. Z plodin by se vyráběla biopaliva a prodávala po celé Evropě. Společnost Greenfield Project Management tvrdí, že by se žádný radioaktivní materiál nedostal do biopaliva, protože při destilaci stoupá vzhůru pouze etanol, kdežto těžké radioaktivní zbytky by byly spáleny v elektrárně a vytvořily by koncentrovaný radioaktivní odpad. Ten by údajně mohl být zpracován v existujících úpravnách jaderného odpadu. Díky přirozenému rozpadu radionuklidů by se proces vyčištění půdy mohl zkrátit na 20 až 40 let, místo několika staletí. Společnost Greenfield plánovala vybudovat první destilační závod biopaliv v Mozyru, který se nachází v nejvíce kontaminované oblasti. Závod za 500 milionů EUR by měl přeměňovat na 500 000 m³ rostlin a vyrábět 700 milionů litrů biopaliva.

Čisté palivo ze skleníkového plynu

V singapurském institutu inženýrství a nanotechnologií byl vyvinut nový proces přeměny CO₂ na metanol za pokojové teploty při použití netoxického katalyzátoru. Katalyzátorem má být chemikálie označovaná jako N‑heterocyklický karben (NHC). Mechanismus, kterým NHC urychluje konverzi, je neurčitý, ale zdá se, že mění tvar molekuly CO₂ takovým způsobem, který umožňuje vodíku snáze se slučovat s atomem uhlíku. Nový proces umožňuje odebírat CO₂ z atmosféry a přeměňovat ho na metanol, který může být využit nejen jako palivo, ale i jako surovina v chemickém průmyslu.

Potulný býložravý robot – hudba budoucnosti?

Brzy by mohl přijít den, kdy se po naší planetě budou potulovat roboti a budou hledat surovou biomasu, na níž si pochutnají a vyrobí z ní elektřinu. Takovou vizi nabízí systém energeticky autonomních taktických robotů (EATR), který je vyvíjen v Laboratoři inteligentních systémů na Clarkově inženýrské škole Marylandské univerzity. Robot využívá inteligentní systém, aby vizuálně rozpoznal svou „oblíbenou“ potravu, například dřevěné štěpky, suché listí a další rostlinnou biomasu, od neužitečných materiálů, jako jsou horniny, živočišný odpad a kov. Robot odebere vegetaci a umístí ji do externího spalovacího spoje, který nabíjí palubní baterie. Podle ředitele laboratoře Roberta Finkelsteina bude během několika let každý americký voják denně využívat ekvivalent 120 baterií typu AA, aby napájel svá komunikační a další zařízení. Využití EATR by snížilo logistické zatížení spojené s dodáváním energie na velké vzdálenosti, neboť robot by mohl spásat vegetaci, zatímco by vojáci odpočívali. Projekt financuje DARPA, Agentura pokročilých výzkumných projektů amerického ministerstva obrany. Býložraví roboti by také mohli sloužit při ochraně životního prostředí. Lesní služba USA chce roboty umístit spíše na nohy než na automobil Humwee. V takovém případě by robot mohl procházet krajinou a pátrat po invazivních druzích, aniž by zanechal stopy jako automobil. EATR je nyní upoután na stacionární testovací stanici na Marylandské univerzitě.

Zdroje:

Helen Knigt: Biofuel turns to a healthier diet. New Scientist, 2010, č. 2762, s. 22‑23

Ferris Jabr: The rush towards renewable oil. New Scientist, 2011, č. 2813, s. 6‑7

Alexandet Shirn: Electricity from bits od wood. Max Planck Research, 2010, č. 3, s. 24‑29

Fred Pearce: Time to bring in plan B for biofuel. New Scientist, 2008, č. 2661, s. 30–31

Jan Rocha: Biofuelling the future. New Scientist, 2009, č. 2709, s. 26

New Scientist, 2009, č. 2730, s. 29; 2011, č. 2813, s. 7; 2009, č. 2735, s. 24–25; 2009, č. 2728, s. 36–39; 2009, č. 2738, s. 9; 2009; č. 2705, s. 8; 2010, č. 2781, s. 40 

Renewable oilman. New Scientist, 2009, č. 2718, s. 25

21. Století, 2010, č. 4, s. 59

Modern Power Systems, 2007, č. 5, s. 5

Claudia Deutsch: Algal alchemists turn waste water into fuel. New Scientist, 2011, č. 2807, s. 26

Could clean Chernobyl badlands. New Scientist, 2009, č. 2714, s. 14

Scientific American, české vydání, únor 2011, s. 77