Выбор биоэнергетических культур: максимизация урожаев для устойчивого производства топлива

Мискантус (Miscanthus × giganteus)

Стерильная гибридная трава, произрастающая в Азии, мискантус широко выращивается в Европе и некоторых частях Соединенных Штатов. Она дает 10-25 сухих тонн с гектара в год, что делает ее одной из самых высокоурожайных биоэнергетических культур умеренного климата. Она требует минимальных азотных удобрений и может быть собрана с помощью обычного кормового оборудования. Объединенный исследовательский центр Европейской комиссии определил мискантус в качестве ключевого сырья для достижения целей ЕС в области возобновляемых источников энергии.

Джатрофа (Jatropha curcas)

Джатрофа — засухоустойчивый кустарник, который производит богатые нефтью семена, пригодные для биодизеля. Он может расти на деградированных или маргинальных землях, снижая конкуренцию с продовольственными культурами. Однако ранние ожидания высокой урожайности не были реализованы в условиях с низким уровнем ввода; коммерческие урожаи обычно варьируются от 0,5 до 2 тонн нефти на гектар. Улучшенные сорта с лучшей устойчивостью к болезням и более высоким содержанием масла находятся в стадии разработки. Джатрофа остается нишевой культурой для засушливых регионов, где существует мало альтернатив.

Кукуруза (Кукуруза, Зеа Мэйс)

Кукуруза является доминирующим сырьем для производства этанола в Соединенных Штатах, что составляет около 90% производства биотоплива в США. Его высокое содержание крахмала легко превращается в этанол. При средней урожайности 10-12 тонн зерна на гектар этанол кукурузы может сократить выбросы парниковых газов в течение всего жизненного цикла на 20-30% по сравнению с бензином. Продолжающиеся улучшения в генетике кукурузы и сельскохозяйственной практике продолжают повышать урожайность и уменьшать воздействие на окружающую среду. Критики указывают на конкуренцию с поставками продовольствия и высокими удобрениями и вводом воды в качестве недостатков.

Другие перспективные биоэнергетические культуры

• Poplar (Populus spp.): быстрорастущие виды деревьев, используемые в системах коротковращающихся копписов; дает 10-15 сухих тонн с гектара в год; подходит для производства целлюлозного этанола и энергии.
• Willow (Salix spp.): многолетние древесные культуры, которые процветают во влажных почвах; могут быть откопированы каждые 2-4 года; используются для котлов на биомассе и тепловых электростанций.
• Водоросли (микроводоросли и макроводоросли): сырье третьего поколения с очень высокой урожайностью нефти на единицу площади (10-20 раз выше, чем пальмовое масло). Водоросли можно выращивать в прудах или фотобиореакторах с использованием сточных вод и CO2, но коммерческая масштабируемость остается проблемой.
• Камелина (Camelina sativa): масличная культура, требующая минимальных затрат; используется для реактивного топлива и биодизеля; может выращиваться в качестве ротационной культуры на маргинальных землях.

Максимизация прибыли при обеспечении устойчивости

Одной лишь высокой урожайности биомассы недостаточно; устойчивые методы производства необходимы для поддержания здоровья почв, защиты водных ресурсов и предотвращения негативных социальных последствий.

Ротация растений и поликультуры

Вращение биоэнергетических культур с бобовыми или другими неэнергетическими культурами может нарушить циклы вредителей, улучшить уровень азота в почве и уменьшить потребность в синтетических удобрениях. Поликультуры, выращивающие несколько видов вместе, могут увеличить общий урожай биомассы и обеспечить экосистемные услуги, такие как среда обитания опылителей и контроль эрозии. Например, было показано, что пересадка муфты с азотфиксирующими растениями, такими как альфальфа , повышает урожайность на 15-30%.

Оптимизированное управление питательными веществами

Применение правильного количества удобрений в нужное время и в нужном месте имеет важное значение для максимизации урожайности без вызывая сток питательных веществ или выбросы парниковых газов. Точные сельскохозяйственные технологии - датчики почвы, применение с переменной скоростью и мониторинг на основе беспилотников - могут точно настроить оплодотворение. Органические поправки, такие как навоз и компост, также поставляют питательные вещества при улучшении органического вещества почвы. Принятие структуры 4R (правильный источник, правильная скорость, правильное время, правильное место) широко рекомендуется.

Интегрированное управление вредителями и сорняками

Вредители и сорняки могут снизить урожайность на 20-40%, если не контролировать. Интегрированное управление вредителями (IPM) сочетает в себе биологический контроль (природные хищники), культурные практики (вращение сельскохозяйственных культур) и целевые химические применения, когда пороги превышены. Для многолетних биоэнергетических культур подавление сорняков во время создания имеет решающее значение; как только урожай хорошо установлен, его плотный навес часто превосходит сорняки естественным образом. Устойчивые к гербицидам сорта доступны для некоторых видов, но чрезмерная зависимость должна быть предотвращена, чтобы предотвратить накопление устойчивости.

Использование маргинальных земель

Выращивание биоэнергетических культур на землях, непригодных для производства продовольствия, таких как деградированные, соленые или заброшенные сельскохозяйственные поля, избегает прямой конкуренции с продовольственными культурами и снижает косвенное изменение землепользования. Многолетние травы и деревья с коротким вращением особенно эффективны на таких участках, потому что их глубокие корни улучшают структуру почвы и инфильтрацию воды. По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО) Продовольственная и сельскохозяйственная организация (ФАО) , до 1,5 млрд. га маргинальных земель могут быть доступны во всем мире для культивирования биоэнергии без вытеснения продовольственных культур.

Семейство и генетическое улучшение

Классическое разведение и современные биотехнологии ускоряют развитие высокоурожайных, более стрессоустойчивых биоэнергетических культур. Целевые черты включают увеличение накопления биомассы, повышение фотосинтетической эффективности (например, повышение фотосинтетического пути C4), устойчивость к засухе и снижение содержания лигнина для облегчения конверсии в биотопливо. Например, трансгенный попларь с модифицированной структурой лигнина показал до 50% лучший выброс сахара для ферментации. Государственно-частные партнерства, такие как U.S. DOE Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit помогают перенести эти инновации из лаборатории в полевые условия.

Экологические и социальные аспекты

Устойчивое производство биоэнергии должно учитывать более широкие последствия за пределами сельскохозяйственных ворот.

Земельные изменения и углеродный долг

Преобразование лесов или пастбищ в биоэнергетические плантации может привести к высвобождению большого количества накопленного углерода, что может потребовать десятилетий для погашения. Чтобы этого избежать, жизненно важно установить урожай на уже деградированных или обрабатываемых землях, а не очищать природные экосистемы. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) рекомендует анализ жизненного цикла (LCA), который включает прямое и косвенное изменение землепользования для точной оценки климатических выгод.

Качество и количество воды

Интенсивное использование удобрений может привести к загрязнению водоемов нитратами и фосфатами. Биоэнергетические культуры с более низкими требованиями к вводу, такие как муфта и мискантус, снижают этот риск. В регионах с дефицитом воды следует тщательно управлять орошением биоэнергетических культур, чтобы избежать истощения водоносных горизонтов. Руководящие принципы экологически устойчивой биоэнергетики, опубликованные Международным агентством по возобновляемым источникам энергии (IRENA), предлагают лучшие практики управления водными ресурсами.

Пища против топлива

Посевы биоэнергетики первого поколения (кукуруза, сахарный тростник, масличная пальма) напрямую конкурируют с производством продуктов питания, стимулируя рост цен на сырьевые товары и потенциально увеличивая голод в уязвимых регионах. Потребление сырья второго и третьего поколения, выращенного на маргинальных землях или с использованием несельскохозяйственных систем (водорослей), помогает облегчить этот конфликт. Такие меры, как пересмотренная Директива ЕС по возобновляемым источникам энергии (RED II), ограничивают использование биотоплива на основе пищевых продуктов и способствуют развитию передового сырья.

Экономическая жизнеспособность и поддержка политики

Экономическая привлекательность биоэнергетической культуры зависит от цены на биомассу, урожайности, затрат на ввод и доступных стимулов. Во многих регионах правительственные мандаты (например, Стандарт на возобновляемое топливо в Соединенных Штатах, Обязательство по возобновляемому транспортному топливу в Великобритании) создают стабильный рынок для биотоплива. Субсидии, налоговые кредиты и ценообразование на углерод дополнительно повышают рентабельность. Расходы на сырье обычно составляют 30-60% от общей стоимости производства биотоплива, поэтому достижение недорогой, высокодоходной биомассы имеет решающее значение. Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL) [[FLT: 1]] предоставляет инструменты экономического моделирования для оценки различных цепочек создания стоимости сельскохозяйственных культур.

Сопродукты, такие как корма для животных, биоуголь и биохимические вещества, могут улучшить экономическую прибыль. Например, заводы по производству этанола кукурузы часто продают зерна сухих дистилляторов в качестве корма для скота. Лигнин, отделенный от целлюлозного этанола, может использоваться в качестве возобновляемого химического вещества или сжигаться для тепла. Эти потоки доходов помогают компенсировать затраты на сырье и сделать общую систему более устойчивой.

Пример: бразильская промышленность этанола сахарного тростника

Бразилия продемонстрировала, что крупномасштабное производство биоэнергии может быть экономически жизнеспособным и экологически выгодным. Страна производит более 30 миллиардов литров этанола ежегодно, в основном из сахарного тростника. Промышленность выигрывает от низких затрат на производство, давно установленной инфраструктуры и правительственных мандатов на смешивание. Этанол сахарного тростника снижает выбросы парниковых газов до 90% по сравнению с бензином и стимулирует значительное развитие сельских районов. Бразильская ассоциация сахарной промышленности (UNICA) привела к достижениям в механизированном сборе урожая, переработке воды и когенерации с использованием багассы.

Будущие направления в выборе биоэнергетических культур

Текущие исследования и инновации обещают еще более высокую доходность и большую устойчивость.

Редактирование генома и синтетическая биология