Фотосинтез на службе энергетики

Фотосинтез — древнейшая и наиболее известная биохимическая реакции на планете. Нынешний интерес к овладению фотосинтезом для нужд прогресса и развития является существенным показателем давления — экономического, экологического, энергетического, технологического. В результате фотосинтеза растения ежегодно ассимилируют приблизительно 2∙10¹¹ т (тонн) углерода с энергосодержанием 3∙10²¹ Дж, что в 10 раз больше годового потребления энергии в мире и в 200 раз больше того количества энергии, которое содержится в используемых человечеством за год продуктах питания. Фотосинтез — это превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии в энергию химических связей органических веществ. Фотосинтез является ключевым процессом жизни на Земле. Можно упрощенно представить его следующим образом:

                         растения

Н₂О + СО₂  ____________________ органические вещества + О₂

               солнечная энергия

Растения являются средоточием двух реакций, от которых зависит жизнь на Земле: расщепления воды видимым светом на кислород и водород и ассимиляция С0₂ в органические соединения. Растения отличает очень высокая приспособляемость и огромное разнообразие видов; поэтому они неопределенно долго на возобновляемой основе могут снабжать нас продовольствием, волокном, топливом и химическими продуктами. В настоящее время многие лаборатории изучают принципиальную возможность выращивать и использовать растения для выработки энергии. В первую очередь речь идет о таких сельскохозяйственных культурах, как сахарная свекла. При использовании сахарной свеклы для получения этанола на топливо его выход составляет около 79 кг с 1 т свеклы. Энергосодержание этанола около 34 МДж/кг. При урожайности сахарной свеклы около 500 ц/га можно получить до 4 т этанола. Эквивалентный выход энергии с 1 га пашни составит около 135 ГДж/га. Наиболее значимым возобновляемым энергетическим ресурсом, как разновидностью фитомассы, является древесина. Ее сжигание — традиционный для сельской местности способ получения тепловой энергии. Как вид топлива она имеет ряд положительных качеств. Прежде всего, древесина — "чистое" топливо (серы менее 0,02 %, азота — около 0,12 %, что обуславливает низкий уровень содержания в продуктах сгорания сернистых и азотистых соединений). Зольность древесины составляет 0,5±0,1 % сухого вещества. В коре деревьев содержится 3±2 % золы, в листьях около 6 %. Древесная зола — хорошее минеральное удобрение. Теплота сгорания древесины зависит как от ее сорта (сосна, береза, ива и др.), так и от влажности.

QA= - 0,196σ + 19,7,

где Q_д — удельная теплота сгорания древесины, МДж/кг; σ — относительная влажность, % [7]. Сразу после заготовки древесины ее влажность составляет около 50 %. При этом Q_д = 8... 12 МДж/кг. В процессе хранения под навесом или в хорошо проветриваемом сарае в течении года влажность древесины снижается до 20...25 %, что обеспечивает повышение удельной теплоты сгорания до 10... 15 МДж/кг. Коэффициент полезного действия современных котлов для сжигания древесины находится в пределах от 80 % (при сжигании опилок, щепы и других отходов) до 90 % и выше при сжигании древесных чурок и брикетов. Для сравнения — у газовых котлов КПД равен 90...95 %, а при наличии теплоутилизатора — до 98 %. В Беларуси изучается финский опыт, где в 2004 г. на древесной щепе работали 485 котельных и ТЭЦ. В общем энергетическом балансе Финляндии древесина составила 20 %. Наша страна обладает большими запасами леса — около 40 % территории. Наряду с этим здесь требуется решить целый ряд проблем, таких как заготовка, транспортирование, хранение и подготовка к использованию древесных материалов в виде топлива. Альтернативными традиционному топливу из нефти могут стать биодизельное топливо и этанол. Наша республика имеет хорошие возможности для освоения и широкого использования технологий производства этих энергоносителей. Общий потенциал производства биодизельного топлива и этанола на топливо оценивается в 1 млн. т у. т. в год, а при активном инвестировании и внедрении данного направления к 2010 г. объем замещения традиционных видов топлива может составить около 20 тыс. т у. т. в год [10]. В качестве исходного материала для получения биодизельного топлива хорошо подходит рапсовое масло. При его дальнейшей переработке можно получать с 1 га пашни около 1 т топлива, что при удельном энергосодержании 39...40 МДж/кг будет соответствовать выходу энергии около 39 ГДж/га. Главный недостаток процесса фотосинтеза — низкий КПД преобразования энергии солнечного излучения, всего 1—2%. Другими словами, при урожайности пшеницы, например, 4 т/га каждый гектар посевов должен получить дозу солнечного излучения с энергией около 19 ТДж. Эта величина сравнима с суточной выработкой не очень большой электростанции. Поэтому широкое использование фотосинтеза для выработки энергии потребует огромных площадей земельных угодий.  Кроме солнечного излучения, на КПД фотосинтеза влияет температура воздуха, осадки, поступление питательных веществ (особенно, азота), наличие «сточных колодцев» для продуктов фотосинтеза. Весьма важно знать, как действуют эти факторы в отдельности, однако гораздо более важно, попытаться понять, как они взаимодействуют между собой. Следует подчеркнуть, что фотосинтез является важнейшим процессом в живом мире и это положение сохранится, пока продолжается жизнь на Земле. Создавая систему переработки фитомассы, Беларусь, страна с умеренным климатом, может помочь себе, достигнув большего самообеспечения. И так, в процессе переработки фитомассы можно получать горючие газы, масла, древесный уголь. Здесь можно использовать пиролиз, который реализуется путем нагревания фитомассы без доступа воздуха либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе кислорода. Таким образом, задача нашей страны в области фотосинтеза состоит в том, чтобы попытаться путем селекции отобрать такие растения, которые будут давать наиболее высокие урожаи при приемлемых энергетических КПД. Необходимо сосредоточить гораздо больше усилий на изучении физиологии и биохимии растений и их взаимодействия с окружающей средой. Исследованиям такого рода оказывают все большую финансовую поддержку как промышленные, так и правительственные организации, считающие, что системы, основанные на использовании биомассы, имеют хорошие перспективы.