Biopaliva pohledem generací.

Je to vlastně docela zvláštní. Jakoby se zrychloval čas - kdy že jsme to objevili fosilní uhlí? Třeba na Ostravsku roku 1763, ikdyž Číňané ho prý objevili už před třemi tisíciletími. Na uhlí byla založena průmyslová revoluce v Evropě. Před tím se, chtělo by se říci, hospodařilo s energií „udržitelně“, protože se masivně nevyužívaly  fosilní zdroje nashromážděné biologickými a geologickými procesy po miliony let. S tou udržitelností to ale nebude tak žhavé, protože lidské potřebě a touze po životním prostoru padly za oběť lesy v celém tehdy civilizovaném světě.

Průmyslová revoluce svým způsobem přešla v Trockého revoluci permanentní. Stejně jako peníze dělají peníze, i vědecko-technický pokrok urychluje sám sebe, zkracuje poločasy vzniku nových technologií ve všech odvětvích a nehledí na důsledky. Těch pár generací od století páry, či jak se v hodinách jazyka českého přidržíme zavedeného označení devatenáctého století, bylo svědky převratných objevů i na poli energetiky. Ta fosilní paliva nám ale jaksi dominují pořád.

Náš zatím stále nejvyšší vymýšleč a zároveň odsuzovatel různých ismů má, a není sám,  jednoduchou teorii: však on si trh poradí. Až budou fosilní paliva pro jejich nedostatek natolik drahá, že se vyplatí jezdit na slivovici, tak budiž. Dřív ale ani korunu na podporu obnovitelných zdrojů. Při pohledu na kupení státních dluhů správně poukazuje na to, že není správné ani rozumné rozhazovat na úkor příštích generací. Ještě, že máme dost bláhových snílků a vizionářů, kteří si umanuli, že žít na úkor minulých úspor taky nikam nevede.

Zdrojem životodárného tepla a energie na planetě Zemi je převážně hvězda Slunce. Bylo dárcem i těch zpropadených fosilních paliv, jenže mu to, ve spolupráci s životem na Zemi, trvalo moc dlouho a my to spálíme jako nic. Takže už je asi opravdu na čase zabývat se způsoby, jak energetický cyklus konečně dostat do reálného času.

Teď jsme konečně u těch generací pokusů. Nebudeme se zabývat přímým využitím sluneční energie, malých vodních či větrných elektráren, u nás pojatých tradičně po česku, to znamená na jedné straně dobře informovaní účastníci dotovaného byznysu a na druhé veřejnost platící a platící. Představíme si, jak se na bio server sluší, energii získanou pomocí biotechnologií.

Evropská unie začala před pár lety svými často neoblíbenými, avšak všemocnými směrnicemi prosazovat uzavření cyklu energie a oxidu uhličitého pomocí biopaliv tak zvané první generace, jejichž hlavními představiteli jsou líh (ethanol), který dostal předponu bio (asi kontrast k nebiolihu, v odborné hantýrce zvanému synteťák) a nafta, také bio, představovaná v Evropě hlavně methylesterem řepkového oleje. Nihil novi sub sole, agrární lobby si už za předmnichovské republiky vynutila přimíchávaní lihu do benzínu, aby zajistila odbyt zemědělským přebytkům a vyspělé státy s extenzivním zemědělstvím tak činí v moderní době už dlouho – v USA je dlouhodobým cílem vyrábět až 350 milionů litrů biopaliv ročně, což by mělo nahradit dovoz ropy.

Jenže boom pěstování energetických plodin celkem nečekaně začala konkurovat zemědělské výrobě potravin nejen v Evropě, ale i v chudších zemích třetího světa a podílí se tak na rostoucích cenách potravin. Navíc, z technického hlediska jsou klasické metody získávání ethanolu ze sacharidických surovin poměrně primitivní a málo výtěžné (pro neefektivní kvasinkovou fermentaci je třeba získat jednoduché cukry, kterých je v zelené biomase omezený podíl, a polysacharidická část je obtížně zpracovatelná, podobně je tomu i u zpracování olejů na bionaftu, když tyto v olejnatých rostlinách jsou obsaženy jen v pár procentech – řepka 5%).

Po, nebojme se říci, neúspěchu I. generace jsme to naštěstí nevzdali. Logicky se vynořila nutnost využívat pro výrobu obnovitelných paliv především odpadní suroviny, nebo celou vypěstovanou biomasu beze zbytku. A tak je druhá generace biopaliv charakterizována především snahou o využití obtížně utilizovatelných sacharidů, celulózy a hemicelulózy (celých energetických rostlin, hlavně cukrové třtiny, což je subtropický a tropický produkt, a kukuřice v mírném klimatu) a lignocelulózy (dřevních zbytků a odpadů, což je zase atraktivní zejména v chladnějších oblastech).

Jak asi čtenáři tuší, cukrová třtina a kukuřice se pěstují pro sacharózu, respektive škrob. Jenže většinu rostliny tvoří celulóza, glukózový polysacharid kvasinkami přímo nevyužitelný, nicméně disponující vysokým obsahem uhlíku a energie. Metody, které zpřístupňují kvasinkám celulózu jsou chemické (silné kyseliny a zásady), fyzikální (vysoké tlaky a teploty) i enzymatické, ale hlavní problém je v tom, že výrobu výrazně prodražují. V celém světě se však intenzívně pracuje na optimalizacích a zlevnění těchto předúprav a pokroky se dostavují. Jinou cestou jsou nové přírodní i upravené kmeny mikroorganismů, které si s celulózou lépe poradí přímo.

Alternativním směrem je anaerobní zpracování rostlinných zbytků a dalších zemědělských, potravinářských i komunálních odpadů kompostováním a výrobou bioplynu v bioplynových stanicích. Bioplyn je možné přímo spalovat při využití tepla i elektrické energie, ale mnohem zajímavější je další postupný cíl, efektivní separace hlavních složek bioplynu, methanu, oxidu uhličitého a vodíku a jejich samostatné vyžití.

Druhá generace biopaliv jistě ještě nedosáhla vrcholu svých možností a už se o slovo hlásí třetí v řadě. Při snaze o překonání hlavní slabiny nižších generací biopaliv, to jest celkové finanční a energetické neefektivity, padla volba výzkumníků a investorů na velkou skupinu nižších rostlin, řasy. Tedy, mezi rostliny se původně řadily nejspíš proto, protože jsou většinou zelené a protože, alespoň ty mnohobuněčné, jako rostliny vypadají. Nicméně je to heterogenní skupina jejich společnou vlastností je jen život ve vodním nebo alespoň velmi vlhkém prostředí.

Stejně jako u zelených rostlin, klíčová vlastnost řas je schopnost fotosyntetické přeměny sluneční energie na chemickou za současného zachycování oxidu uhličitého a tvorby sacharidů a lipidů. Velmi důležité jsou samozřejmě i další vlastnosti, rychlý růst, jednoduchá a rychlá dodávka ostatních živin, vysoký obsah energeticky bohatých látek. Řasy je možno pěstovat ve fotobioreaktorech, ale také třeba jen v nádržích nebo v teplých přímořských oblastech přímo v mělkých pobřežních vodách, což je asi hlavní kapacitní trumf. Fotobioreaktory také nejsou bez šance, protože tam se mohou používat různé umělé zdroje oxidu uhličitého, jako například plynové elektrárny, teplárny či fermentační výroby a bioplynové stanice. Technický problém je zase na druhou stranu zajištění dostatečného přísunu světla, což v mělkých nádržích a přímořských vodách nebývá problém. Touto problematikou se dlouhodobě zabývají i čeští vědci, například v Mikrobiologickém ústavu AVČR v Třeboni, na VŠ chemicko-technologické v Praze, Ústavu termomechaniky a Ústavu chemických procesů AVČR v Praze.

Výzkum a vývoj v oblasti bioenergetiky řas se ubírá několika směry. Je možné velmi efektivně (až 66 L potenciálního biopaliva na hektar, což je asi pětkrát víc než u řepky) pěstovat biomasu s vysokým obsahem celulózy, ale tam opět narážíme na problematickou konverzi či biokonverzi celulózy na jednodušší cukry. V případě úspěchu by pak byly dalšími kroky fermentační výroba nebo biokonverze na bioethanol či biobutanol, které zatím trpí značnou nákladností a nízkými výtěžky. Další variantou jsou geneticky upravené řasy, které by ethanol či butanol přímo produkovaly, třeba americko-chilská Bio Architecture Lab už má v tomto směru první výsledky.

Jinou cestou je snaha o vypěstování olejnaté biomasy, která by se dala chemicky konvertovat na směs organických látek podobnou ropě. V tomto směru jsou slibné také kyanobakterie, které rovněž utilizují oxid uhličitý a protože se genetickému inženýrství se v jejich případě lépe daří a testují se první rekombinanty produkující extracelulární alkany vhodné velikosti (uhlovodíky). Ale ani řasy tady nejsou bez šance, zvláště když se do výzkumu vrhnou dostatečné prostředky a nadchne se tak charismatická kapacita, jako Craig Venter ve službách Exxon Mobil.

Některé modifikované řasy mají i jiné zajímavé vlastnosti, například mohou uvolňovat přímo vodík nebo methan. Palivové články produkující elektřinu z vodíku jsou už dávno v provozu a vodíková auta se také zkoušejí. Exhalací je vodní pára, čímž by se mohly omezit problémy s nadbytkem oxidu uhličitého v ovzduší. Využití čistého methanu je nasnadě, velkou výhodou je, že je k tomu již vybudovaná infrastruktura.

Zdá se tedy, že biopaliva mají světlou budoucnost. Jen abychom se té záře dožili.

Autor: Ing. Aleš Prell CSc.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.