BIOLOŠKA GORIVA – ZELENA GORIVA BUDUĆNOSTI?

Emil Bellen

BIOLOŠKA GORIVA – ZELENA GORIVA BUDUĆNOSTI?

Iznimno visoke cijene nafte i ozbiljni nagovještaj svjetske gospodarske krize dodatni su poticaj da se razmotre neka od zamjenskih rješenja. Posebno za HR učinio je to Emil Bellen, iseljeni Zagrepčanin, mladi doktor kemije i član istraživačkoga odjela jedne od vodećih svjetskih naftnih kompanija, inače nesklone sličnim nastupima svojih zaposlenika. Uzgoj jednostaničnih algi u otvorenim bazenima (površina prikazanog istraživačkog pogona je oko hektara)

Fordov model T poznat je kao prvi serijski proizveden automobil na svijetu. Potencijalni kupci početkom prošlog stoljeća izbora baš i nisu imali – primjerice, jedina boja koju se moglo dobiti bila je crna – no automobil je bio relativno jeftin i pristupačan velikom dijelu američkog društva te je uvelike pridonio procvatu automobila kao prijevoznog sredstva. Međutim, vlasnici Forda T imali su izbor koji većina današnjih vozača nema: koje gorivo staviti u rezervoar, jer se auto mogao koristiti i benzinom i etanolom. Kao i danas, benzin se dobivao preradom sirove nafte, a etanol fermentacijom biljnih proizvoda. Budući da je početkom prošlog stoljeća nafta bila jeftina i u izobilju, osobito u SAD-u, benzin je »pobijedio« i postao glavno gorivo za automobile. Nedugo potom, ostali naftni derivati (npr. dizel, kerozin i mazut) postali su glavna pogonska goriva za mnoga druga prijevozna sredstva.

Danas je, međutim, situacija drugačija. Svjetske potrebe za energijom su sve veće, kao što je prikazano u grafikonu 1.1 Većina te energije dobiva se iz fosilnih goriva, od kojih se za prijevozna sredstva uglavnom koriste naftni derivati. Uz takvu upotrebu nafte povezano je nekoliko problema, od kojih je glavni činjenica da je količina nafte na zemlji konačna. Procjena količina preostale nafte ima velik broj, svaka se koristi različitim pretpostavkama, no uglavnom se slažu da će do maksimalne proizvodnje (osim ako se ne otkriju nova tehnološka rješenja) doći između 2013. i 2025. godine, nakon čega će se proizvodnja početi nezaustavljivo smanjivati. Problem nije u tome da nafte nema dovoljno (dapače, Međunarodna agencija za energiju procjenjuje da naftnih zaliha ima dovoljno za još 400 godina)2, već da se do većine zaliha jednostavno ne može doći postojećom tehnologijom. Dalje, dotok nafte nije siguran: dobar dio preostalih poznatih zaliha u politički je nestabilnim zemljama, dok je neke zemlje smatraju nacionalnim blagom pa ju nisu voljni prodavati. Nafta (a prema tome i njeni derivati) također je sve skuplja; iako je u posljednje vrijeme cijena pala, sredinom 2008. cijena nafte dosegnula je rekordnih 145 američkih dolara po barelu, dok je u doba Forda T bila samo 20 dolara po barelu (korigirana za inflaciju).3 Konačno, izgaranjem naftnih derivata oslobađa se ugljični dioksid, plin koji pridonosi učinku staklenika u atmosferi i tako dovodi do klimatskih promjena. Zbog tih razloga sve se više traži alternativa benzinu i drugim naftnim derivatima.

Moguća su alternativa biološka goriva, tj. goriva dobivena iz biljne mase. Koristiti se biljkama kao izvorom energije nije ništa novo; ljudi se već tisućama godina koriste drvom za loženje vatre, te se smatra da 5–10 % energije proizvedene u svijetu još uvijek dolazi direktno iz takvih izvora. No, termin »biološka goriva« obično se koristi isključivo za biljnu masu koja je prerađena te pretvorena u tekućinu kako bi se mogla koristiti u automobilima i drugim prijevoznim sredstvima. Zbog visoke cijene i nesigurnog pritoka nafte u svijetu ima sve više zanimanja za korištenje bioloških goriva umjesto tradicionalnih naftnih derivata. Budući da se za proizvodnju biološkoga goriva mogu koristiti raznolike biljke, biološka se goriva mogu proizvoditi u velikom broju zemalja pod raznolikim klimatskim uvjetima, za razliku od nafte, koja je koncentrirana na pojedinim područjima. Biološka goriva također (barem teoretski) ne pridonose povećanju količine ugljičnog dioksida u atmosferi, tj. ne povećavaju učinak staklenika, jednostavno zbog toga što biljke koriste (apsorbiraju) ugljični dioksid iz atmosfere dok rastu. Iako se izgaranjem bioloških goriva taj plin vraća u atmosferu, učinak se uglavnom kompenzira. Vlade mnogih zemalja upravo su zbog tih razloga zainteresirane za razvoj bioloških goriva. Za prijevozna sredstva postoje i mnoge druge mogućnosti, kao što su vodik ili električne baterije, no u ovom ću se članku osvrnuti isključivo na tekuća biološka goriva.

Primjer biološkoga goriva jest upravo etanol, koji se kao i prije stotinu godina dobiva fermentacijom biljnih proizvoda. Etanol ili etilni alkohol poznat je i kao »običan« alkohol jer se nalazi u alkoholnim pićima. Pomalo je ironično da se taj alkohol, stotinu godina nakon što je u tu svrhu bio odbijen, ponovno vratio u igru kao automobilsko gorivo, do te mjere da se od svih bioloških goriva u svijetu najviše proizvodi (više od 90 % ukup-ne količine). Drugi je po proizvedenoj količini biološki dizel ili biodizel, koji je po svojstvima sličan običnom dizelu, no ima drugačiju molekularnu strukturu. Iako su količine bioloških goriva koja se proizvode vrlo male u usporedbi s naftnim derivatima, one rastu velikom brzinom. Kao što se može vidjeti u grafikonu 2,4 proizvodnja etanola za upotrebu kao gorivo udvostručila se između 2000. i 2005, dok se proizvodnja biodizela utrostručila (iako počevši s mnogo niže razine).

Etanol se proizvodi fermentacijom biljnih šećera, te se obično miješa s benzinom prije nego što se koristi u automobilima. Takva se goriva označavaju slovom »E« i brojem koji odgovara postotku etanola, tako da npr. E10 sadrži 90 % benzina s 10 % etanola, a E85 sadrži 15 % benzina i 85 % etanola. Recimo i to da većina modernih benzinskih motora može koristiti E10 gorivo bez ikakvih preinaka.

Uzgoj jednostaničnih algi u malim količinama u laboratoriju

Biodizel se koristi kao direktna zamjena za dizel dobiven preradom nafte, te se proizvodi iz biljnih masnoća. Dizelski motori su se originalno koristili neprerađenim biljnim uljima (npr. suncokretovim), a moderni dizelski motori to još uvijek mogu. Glavni je problem da su neka biljna ulja krutine na sobnoj temperaturi, a zimi bi se većina smrznula. Zbog toga se većina biljnih ulja tretira u procesu koji se zove transesterfikacija, gdje se njihov kemijski sastav mijenja, tako da se mogu koristiti u konvencionalnim dizelskim motorima i pri zimskim klimatskim uvjetima.

Biološka se goriva mogu proizvesti iz gotovo bilo kojega biološkog ili organskog materijala. Trava, drvo, poljoprivredni otpad i stari papir samo su neki primjeri materijala koji se mogu preraditi u gorivo. Moguće je također namjenski uzgajati biljke (npr. kukuruz ili šećernu trsku) za preradu u gorivo, s time da potrebna količina biološkog materijala ne mora biti problem. Primjerice, SAD je 2007. potrošio 1,078 milijardi litara naftnih derivata kao goriva za prijevoz (vidi tablicu 1). Pod pretpostavkom da se može dobiti 2500 tona biološkog materijala po kvadratnom kilometru plodne zemlje te oko 400 litara etanola od svake tone biološkog materijala, proizlazi da treba posaditi 1,078,000 kvadratnih kilometara zemlje da bi se podmirile sve potrebe SAD-a. To je naizgled velika brojka, no to čini samo 11 % ukupne površine SAD-a. Naravno, sva ta zemlja mora biti plodna, dok je velik dio SAD-a nepodoban za agrikulturu. Ipak, u SAD-u postoji više od 400 tisuća kvadratnih kilometara trenutačno neiskorištene plodne poljoprivredne zemlje, tako da ne bi bio problem podmiriti oko 40 % potreba SAD-a upotrebom bioloških goriva iz namjenski uzgojenih biljaka.

Grafikon 1. Trend svjetske upotrebe energije, podijeljene u pet glavnih energenata

Grafikon 2. Svjetska proizvodnja bioloških goriva između 2000. i 2005.

Još jedan razlog za korištenje bioloških goriva jest to da su to tekućine. Naša civilizacija ima golemu infrastrukturu za proizvodnju, dostavu i korištenje tekućih goriva – 97 % svih goriva korištenih na svijetu u tekućem su stanju. Biološka bi se goriva mogla uz male ili nikakve preinake koristiti tom istom ili sličnom infrastrukturom.

Nakon takvoga hvalospjeva postavlja se pitanje: zašto biološka goriva već nisu u širokoj upotrebi?

Jedan od razloga je ekonomski. Iako je točan odnos cijena između fosilnih i bioloških goriva teško odrediti zbog raznih poreza i subvencija, biološka su goriva općenito još uvijek skuplja. To je uglavnom zbog cijene prerađivanja biljne mase u gorivo, a ne zbog cijene sirovog materijala: tehnologija za preradu biljne mase u potrebnim količinama relativno je nova, a prema tome i skupa. To je relativno povoljna situacija, jer bi smanjiti cijene materijala (primjerice pokušajem da se poboljša urod) bilo teže nego što će biti poboljšati procese za prerađivanje.

Drugi je razlog rizik. Već sam spomenuo da moderni benzinski motori uglavnom mogu raditi na »E10« gorivu (dakle mješavini 10 % etanola i 90 % benzina) bez preinaka, no za više koncentracije etanola potrebno je promijeniti način rada motora. Etanol je kao gorivo manje efikasan nego benzin te daje oko jednu trećinu manje snage po jedinici volumena. Međutim, relativno je jednostavno preinačiti motor tako da jače komprimira etanol nego što konvencionalni motori komprimiraju benzin. Time se postiže efikasnije izgaranje etanola, čime se može dobiti slična snaga kao od benzina. Problem je u tome da se tako preinačeni motori ne mogu koristiti gorivima s većim udjelom benzina, osim ako se ugradi sofisticirani kompjutorski sustav koji će automatski odrediti koje se gorivo koristi i prema tome prilagoditi rad motora. Također, budući da su etanol i benzin različiti po kemijskom sastavu, potrebne su dvije paralelne infrastrukture za dostavu; to je relativno jednostavno, ali zahtijeva investicije.

Zapreka je u tome da nitko ne želi kupiti auto koji radi na gorivo koje se ne može kupiti na »benzinskoj« crpki, a isto tako nitko ne želi postaviti crpke za novo gorivo kojim se nitko ne koristi! Jedna je od rijetkih zemalja gdje je prijelaz na biološko gorivo uspješno izveden Brazil, koji se koristi velikim udjelom bioloških goriva za prijevoz jer su industrija i vlada radili zajedno da to omoguće. Brazil svoje biološko gorivo dobiva iz šećerne trske, koja odlično uspijeva u tamošnjoj toploj i vlažnoj klimi, dok više od polovice automobila radi na principu »fleksibilnih goriva«, tj. mogu se koristiti mješa-vinama od čistog benzina do »E85« (85 % etanola i 15% benzina) s pomoću kompjutorskih sustava opisanih u prošlom odlomku. Alternativno je rješenje proizvesti auto-mobil koji ima nekoliko vrsta goriva u različitim rezervoarima, te koristiti jedno po jedno. U 2006. godini Bosch je proizveo sistem koji omogućuje automobilu da pređe sa 100 % benzina na 100 % etanola ili pak na 100 % zemnog plina, te natrag, bez ikakvih loših posljedica za performanse. Takva tehnološka dostignuća ilustriraju da se prijelaz na biološka goriva ne mora dogoditi odjednom, već može i korak po korak.

Treći je problem etički. Većina bioloških goriva koja se danas koriste tzv. su goriva »prve generacije«. To su ona koja se dobivaju iz biljnog škroba i šećera te biljnih ulja, upotrebom poznatih tehnologija. Primjerice, etanol prve generacije može se dobiti iz šećera biljaka kao što je šećerna trska ili preradom škroba u biljkama kao što je kukuruz. Problem je u tome što se sve te biljke koriste i kao ljudska hrana, ali ih je zbog raznih subvencija financijski bolje prodati kao sirovinu za goriva. U SAD-u poljodjelci mogu dobiti 7 puta više novca za kukuruz ako ga prodaju kao sirovinu za gorivo nego ako ga prodaju kao hranu, pa se 25 % proizvedenoga kukuruza pretvara u gorivo. Pod takvim uvjetima isplati se čak i uvoziti kukuruz iz Meksika za preradu u gorivo, zbog čega se pak cijena kukuruznih tortilla (koje se ondje koriste kao kod nas kruh) u nekim dijelovima Meksika učetverostručila. To bi moglo dovesti do nezamislive situacije da stanovnici siromašnih zemalja gladuju kako bi se u bogatijim zemljama mogli voziti automobili.

Konačni je problem u tome da biološka goriva nisu uvijek tako »zelena« kao što neki to vole tvrditi. Iako biljke troše ugljični dioksid dok rastu, te time za razliku od nafte smanjuju količinu toga stakleničkog plina u atmosferi, prilikom njihove žetve i prerade koriste se strojevi koji uglavnom rade na naftne derivate. Kako se time ispuštaju dodatne količine ugljičnog dioksida u atmosferu, ta se prednost bioloških goriva gubi. Također, za uzgajanje svih tih biljaka potrebne su velike količine pitke vode i gnojivo, tijekom čije se proizvodnje oslobađaju još veće količine stakleničkih plinova. Kako bi se doznao točan utjecaj određenoga biološkoga goriva na okoliš, treba napraviti analizu svih faktora od sadnje sjemenki do konačnoga korištenja u automobilskom rezervoaru. Nešto slično (analizu »od bušotine do kotača« ) petrokemijska industrija radi već godinama za konvencionalne naftne derivate, no za biološka goriva ekvivalenti su kompliciraniji te uglavnom još ne postoje.

Benzinska crpka u Brazilu; lijevo benzin, desno etanol

Kako bi se izbjegao sukob između hrane i goriva te dodatno smanjio učinak što ga goriva imaju na okoliš, mogu se koristiti biološka goriva »druge generacije«. Ta se goriva proizvode od onih dijelova biljaka koji se ne jedu, kao što su stabljika, korijen ili ljuske, ili pak biljke koje se uopće ne koriste za proizvodnju hrane, kao što su različite vrste korova. Tako se ne samo izbjegava kolizija s hranom nego se koriste dijelovi biljaka (ili cijele biljke) koji se inače često bacaju. Ti dijelovi biljaka sadrže mnogo celuloze, koja također daje više energije po kilogramu materijala nego šećer. Problem je u tome da je prerada celuloze složenija: potrebna su barem dva procesa, prvi da bi se celuloza pretvorila u razne šećere, koji onda fermentacijom mogu dati etanol. S druge strane, nakon prerade celuloze preostaje lignin, koji sadrži veliku količinu energije te izgaranjem može proizvesti paru ili struju. To znači da bi postrojenje za preradu celuloze moglo biti samodovoljno i da ne bi trebalo upotrebljavati fosilna goriva kao ugljen ili plin, čime bi se smanjio negativni utjecaj prerade biljne mase na okoliš. U tijeku su znanstvena istraživanja da se prerada celuloze pojednostavi. To bi bilo najlakše postići na mikrobiološki način, tj. uzgojiti ili genetičkim inženjeringom napraviti mikroorganizme koji preradu mogu provesti u jednom procesu, brže i jeftinije.

Još je jedan aspekt bioloških goriva »druge generacije« taj da se za gorivo mogu uzgajati biljke koje ne koriste plodnu zemlju te samim time ne dolaze u koliziju s hranom. Primjer je uzgoj jednostaničnih morskih algi, manjih od desetine milimetra, za proizvodnju biodizela. Iako vrlo male, takve se alge mogu uzgajati u velikim bazenima, gdje mogu postojati milijarde algi po kubičnom metru vode. Budući da te alge rastu u morskoj vodi, treba im vrlo malo pitke vode, a budući da im ne treba plodna zemlja, mogu biti locirane po želji. Proces kojim bi se iz tih mikroorganizama dobilo gorivo još je uvijek složen i skup, no velike ga tvrtke razmatraju ozbiljno. Kao primjer služi Shellov istraživački pogon na Havajima.

Konačno, treba reći da su biološka goriva dobivena iz različitih izvora identična, tj. da je etanol »prve genera-ci-je« identičan etanolu »druge generacije«. Ako u bliskoj budućnosti dođe do zabrane ili ograničenja korištenja goriva »prve generacije«, trebat će na neki način pravno regulirati podrijetlo pojedinih bioloških goriva, da bi se utvrdilo da su zaista onoliko »zelena« koliko se tvrdi da jesu.

U budućnosti će biološka goriva, i to uglavnom ona druge generacije, vjerojatno biti barem dio pokušaja da se smanji ovisnost današnjeg društva o naftnim derivatima i smanji onečišćenje okoliša. Za automobile i ostala prijevozna sredstva postoje i mnoge druge mogućnosti, kao što su električne baterije ili vodik. Vjerojatno je da rješenje neće biti samo jedno, nego kombinacija raznih mogućnosti. Prednost je bioloških goriva da su vrlo slična naftnim derivatima koji se danas koriste te da prijelaz može biti vrlo brz – u nekim je zemljama već i počeo.

IZBOR LITERATURE

»A Tank of the Green Stuff«, New Scientist, 199 (16. kolovoza 2008), str. 34.

»Time to Bring in Plan B for Biofuel« , New Scientist, 198 (21. lipnja 2008), str. 30.

»Zeleni snovi«, National Geographic Hrvatska, listopad 2007, str. 38.