Как в Баден-Вюртемберге развивают биоэкономику

Переработка биомассы выходит на новый уровень

5 июля 2017 в 11:10, просмотров: 750

Германия позиционирует себя как лидер в решении экологических проблем. Там активно создают возобновляемые источники энергии, разрабатывают новые материалы, а в последнее время увлеклись биоэкономикой. Корреспондент «МК в Серпухове» познакомилась с этим новым направлением в научных институтах и на предприятиях земли Баден-Вюртемберг.

Как в Баден-Вюртемберге развивают биоэкономику
фото: Татьяна Пичугина
Завод Biolig по производству биотоплива, Технологический институт Карлсруэ.

Что такое биоэкономика?

Население развитых стран уже не первый десяток лет живет в комфортном мире, полном синтетических вещей и продуктов. Мы уже забыли, что такое тяжелый ручной труд и натуральное хозяйство. Мы тратим воду, леса, полезные ископаемые столько, сколько захотим, ведь за нас работают машины и конвейеры, а компьютерные программы теперь еще за нас и думают. Разумеется, каждый знает, что вся эта комфортная жизнь дорого оплачена: исчезновением флоры и фауны, мусорным коллапсом, смогом, ростом легочных заболеваний, онкологией. Как решить накопившиеся экологические проблемы, сохраняя высокотехнологичный, комфортный стиль жизни? Жить так, чтобы не вредить окружающей среде, не оставлять мусора, не тратить природные ресурсы? Над этим вопросом размышляют не только философы, но все чаще им задаются экономисты, ученые, политики. Универсального решения пока нет, но кое-какие пути намечены и опробованы.

Одна из господствующих концепций решения глобальных проблем получила название «устойчивое развитие». Термин объединяет, казалось бы, противоречивые процессы — строить лучшее будущее, сохраняя окружающую среду, ресурсы и здоровье. На самом деле, наши знания о природе и технологии достигли такого уровня, когда устойчивое развитие представляется вполне реальным, вот почему ООН взяла эту концепцию на вооружение как минимум до 2030 года.

Устойчивое развитие ставит совершенно новые задачи перед наукой и промышленностью. К примеру, как использовать биологические ресурсы планеты максимально эффективно? Как делать из них не только еду и корма, мебель и бумагу, но и новые материалы, топливо, извлекать полезные вещества. Масла, органические соединения для химической промышленности, микроэлементы, растительный белок, лекарства — все это можно получать, перерабатывая биоресурсы и биомусор, более эффективно, чем сейчас. Эту новую идеологию называют биоэкономикой.

Не секрет, что лесная промышленность и сельское хозяйство оставляют много отходов. Это древесина, кора, стружка, солома, ботва, корни и т. д. В городах образуются горы съедобных отходов, которые скапливаются в мусорных баках около жилых домов, магазинов, ресторанов. Мы выбрасываем бумагу, картон, ткани, мебель. А есть еще отходы животноводства и птицеводства в виде навоза, шерсти, кожи и костей. В большинстве случаев эта органика, вместе с металлом, пластиком, стеклом и другими твердыми отходами, просто складируется в надежде на то, что сгниет когда-нибудь сама. Но, как показала практика, такое обращение с мусором небезопасно для экологии, занимает большие территории, съедает миллиарды бюджетных денег и неэффективно, поскольку объемы мусора растут, и куда его девать — непонятно.

Вредны для здоровья и мусоросжигающие заводы, если у них нет хорошей фильтрации продуктов горения. Остается одно — собирать мусор раздельно и перерабатывать его, получая коммерчески полезные продукты. Именно круговая переработка биомассы составляет основу биоэкономики.

На биоэкономику в Германии возлагают большие надежды, поскольку в стране не хватает собственных природных ресурсов и территорий. Считается, что с ее помощью удастся не только решить проблемы отходов, но и снизить зависимость от нефти и газа, которые сейчас в основном импортируются. Биоэкономика очень привлекательна для инвестиций и создания новых рынков. Кроме того, новая отрасль экономики — это всегда новые рабочие места, образовательные и научные программы, но на начальном этапе ей нужна поддержка государства.

Баден-Вюртемберг и биоэкономика

Земля Баден-Вюртемберг занимает лидирующие научно-технологические позиции в Германии. Этот богатый регион расположен на юге-западе страны, на границе с Францией и Швейцарией. Его столица — город Штутгарт.

Образование и наука в Баден-Вюртемберге чрезвычайно развиты. Здесь действуют девять исследовательских университетов, 23 прикладных университета, государственный университет кооперативного образования, по аналогии с которым некогда был организован МФТИ в России, шесть педагогических вузов и более 25 частных вузов. В 52 научных институтах работают исследователи со всего мира. Баден-Вюртемберг — родина Альберта Эйнштейна и место работы двух современных немецких Нобелевских лауреатов.

Баден-Вюртемберг, население которого примерно равно населению Москвы, чуть более 11 млн человек, дает 15% ВВП Германии. А безработных здесь — всего 3,8%.

В регионе действует около 500 тысяч компаний, которые делают половину его ВВП. На 98% это мелкие и средние предприятия с численностью до 250 человек. Ritter sport, Karcher, Carl Zeiss и SAP SE — названия этих фирм известны далеко за пределами Европы, также как имена промышленных гигантов Mercedes-Benz, Daimler, Porsche, Bosh.

В Баден-Вюртемберге регистрируют треть всех патентов Германии. Недаром его называют одним из четырех «моторов» Европы. Региону присвоен инновационный индекс равный единице, то есть наивысший. Эти выдающиеся достижения экономики неслучайны, а служат результатом усиленного инвестирования. Регион отчисляет 4,9% ВВП на исследования и разработки. Больше, чем это делают в среднем Германия и ЕС.

Власти Баден-Вюртемберга выбрали биоэкономику как одно из главных направлений развития. В 2012-2013 годах разработали ее стратегию, согласно которой десять исследовательских направлений объединены в три больших области: биогаз, лигноцеллюлоза, микроводоросли. Пока большинство проектов биоэкономики находятся на стадии научного исследования и пилотных производств, но есть и успешные рыночные примеры.

Баден-Вюртемберг считает себя лидером в биоэкономике, поэтому второй раз проводит у себя Международный конгресс по биоэкономике. Мероприятие состоится 12-13 сентября 2017 года в Штутгарте. В преддверии конгресса правительство региона пригласило группу журналистов из разных стран Европы, чтобы познакомить их с успехами в области биоэкономики.

Уголь и пластик из биомассы

По понятным причинам биологические отходы невозможно транспортировать на большие расстояния как нефть и газ, поэтому важно создать инфраструктуру для ее переработки на местах. К примеру, солому и другие отходы сельского хозяйства лучше перерабатывать прямо на полях с помощью мини-заводов. Технологии для этого создают в исследовательском центре биоэкономики при Гогенгеймском университете.

Этот вуз основан в 1818 году с уклоном в сельское хозяйство, которое чрезвычайно развито в Баден-Вюртемберге по сей день. Достаточно проехаться на междугородном автобусе, чтобы увидеть многочисленные поля злаков, овощей, виноградники. Фермеры или дачники используют каждый клочок земли, свободный от леса. При таких условиях технологии переработки биомассы здесь востребованы. Особенно если фермерам предложить компактные, экологически чистые устройства, желательно передвижные. А главное, чтобы они могли зарабатывать на этом.

Справка МК Живые и вкусные

Любопытной альтернативой древесной биомассе служат микроводоросли. Это крошечные одноклеточные организмы, которые относятся к царству растений. Они растут в соленых и пресноводных водоемах, потребляя углекислый газ. Эта особенность их питания и привлекла внимание ученых. Микроводорослям нужны только CO2, свет, вода и питательные вещества. В хороших условиях эти микроорганизмы очень быстро размножаются.

Продукты из микроводорослей широко представлены на рынке: пища, биодобавки, белки, жирные кислоты, красители. Микроводоросли имеют потенциал как сырье для биотоплива.

Биореакторы для выращивания микроводорослей делают в фирме Subitec, расположенной в Штутгарте. Эта фирма отпочковалась от Фраунгоферовского института инженерной химии и биотехнологий в 1995 году. Теперь это ведущий производитель в своей отрасли.

«Самый эффективный способ переработать биомассу — съесть ее. Но мы пытаемся создать альтернативу», — пошутила заведующая кафедрой в Гогенгеймском университете Андрея Крузе. Делая презентацию для группы международных журналистов, профессор старалась говорить как можно более понятно, но избежать научной терминологии не удалось. Все-таки речь шла об очень сложных областях органической химии. Так что пришлось акулам пера для начала выучить термин «гидротермальная карбонизация». Это ускоренный способ получения угля из органики. Его изобрел в 1913 году немецкий ученый Фридрих Бергиус. В 1931 году он получил за свои работы, в том числе за это открытие, Нобелевскую премию. При помощи гидротермальной карбонизации делают жидкое биотопливо для автомобилей и самолетов. Сначала биомассу обезвоживают, затем сжигают при высокой температуре и давлении, получая кокс или древесный уголь, который называют также биоуглем, чтобы подчеркнуть отличие от ископаемого аналога. Из биоугля делают активированный уголь, широко используемый в промышленности, фармацевтике, в качестве фильтров для воды. Благодаря особо пористой структуре, активированный уголь рассматривают как хранилище водорода.

В Гогенгеймском университете группа ученых под руководством Крузе совершенствует процесс гидротермальной карбонизации, стараясь сделать его более эффективным, быстрым и недорогим. Изменяя параметры сжигания, ученые получают биоуголь с разными свойствами, ищут новые области его применения. Перспективен биоуголь как удобрение на полях, если его обогатить фосфором. Он также может сорбировать излишки азота из почвы или служить фитотоксином.

Из биомассы можно получать полимеры — особые молекулы, из которых делают разные пластики. В лаборатории Крузе в качестве сырья для полимеров приспособили корни цикория. Цикорий выращивают в Германии как салатное растение, а корни его идут в отходы. В год 800 тысяч тонн корней цикория попадает в компост или на заводы по производству биогаза. Ученые же предлагают более элегантное решение: получать из них гидроксиметилфурфурол. Из этого соединения делают биополимеры: полиэстер, нейлон, пластик для бутылок. Пластик получается такой же как из нефтепродуктов, за исключением того, что он немного легче разлагается под действием ультрафиолета.

Из-за этой особенности он пока не нашел широкого распространения на рынке. Одна из лабораторий Крузе представляет собой большой ангар, где установлены несколько печей для экспериментов с биомассой. Аспиранты показали посетителям образцы биоугля, рассказали об их свойствах, объяснили тонкости технологии.

«Чтобы создать работающую технологию, нужно исследовать каждый этап. Как скажется на конечном продукте расширение объемов производства? В любом случае, конечный продукт должен быть привлекателен для рынка», — полагает Крузе. Как химик-технолог, она привыкла иметь дело с огромными объемами, но в случае с биомассой выгодным оказывается работать и с малыми объемами. По словам профессора, «в этом состоит изюминка биоэкономики».

Партнером проекта выступает немецкая компания Ava. Ей принадлежит половина прав на интеллектуальную собственность, созданную в проектах Крузе. Когда технология дойдет до рынка, внакладе не будут ни университет, ни инвестор.

Удивительный термопластик

Химики давно мечтают заменить нефть в качестве источника полимеров, и биомасса подходит для этого как нельзя лучше. Вопрос только в том, как извлечь из нее нужные соединения. Ответ нашли пару десятков лет назад немецкие химики из Фраунгоферовского института химической технологии. Их внимание привлек лигнин — соединение, получаемое из целлюлозы. Ученые придумали, как сделать из лигнина термопласт — пластик, из которого можно отлить любую форму. Его еще называют жидким деревом, намекая на то, что источником лигнина служит древесина. На рынке жидкое дерево известно под брендом «арбоформ».

«Это биоразлагаемый и легко перерабатываемый материал», — рассказал директор исследований и развития фирмы Tecnaro доктор Ларс Циглер. Tecnaro производит из термопластов множество разнообразной продукции. Ей полна штаб-квартира фирмы в Ильсфельде: вешалки, игрушки, детали для наушников, посуда, кашпо, расчески, даже каблуки для обуви. При входе установлен стеллаж причудливой формы, отпечатанный на 3D-принтере. Все это производят на заводе в Карлсруэ, запущенном в 2000 году. С тех пор фирма разработала еще два термопласта из лигнина — арбобленд и арбофил. Из них делают пленку, пластиковую посуду, контейнеры для еды, детали техники, включая воздушную вентиляцию для автомобильных тормозов.

Справка МК Модернизация средневековья

Не будет преувеличением сказать, что жители Баден-Вюртемберга одержимы высшим образованием. Здесь более половины выпускников школ идут в университеты. Учиться приезжают студенты со всего мира, что неудивительно, ведь в Германии образование бесплатно для всех.

Города Баден-Вюртемберга наводнены молодежью. Этому способствует большой территориальный разброс зданий университетов. Не составляет исключение и старинный город Фрайбург. Фрайбургский университет основан в XV веке. По сей день он остается символом гуманитарных наук. Достаточно назвать имена знаменитых философов Эдмунда Гуссерля и Мартина Хайдеггера, работавших в его стенах. Но жизнь меняется, и даже самый традиционный университет вынужден развивать новые направления подготовки. Так, уже в наши дни, во Фрайбургском университете открыли технический факультет, факультет лесоведения. Для стремительно разрастающегося вуза пришлось арендовать новые здания в центре города. В 2015 году для университета построили суперсовременное здание библиотеки из черного стекла в виде неправильного многогранника. Днем у его входа припаркованы сотни велосипедов, что говорит не только о популярности места, но и об экологическом воспитании студентов.

Tecnaro выпускает 10 тысяч тонн термопластов в год. Немало, учитывая, что сырье поступает главным образом из Скандинавских стран и Северной Америки, ведь собственная древесная промышленность Германии производит мало отходов.

Дерево наносит ответный удар

Сложно представить себе более ценный и экологичный материал, чем дерево. Оно растет само и само разлагается, древесные ресурсы постоянно возобновляются, а свойства древесины поражают разнообразием.

Дерево используют в строительстве, из него делают бумагу, мебель и много других полезных вещей. Все же нынешнее древесное производство производит слишком много отходов. А хотелось бы их свести к минимуму.

Эту задачу решают во Фрайбургском университете на факультете природных ресурсов. «Дерево имеет замечательную структуру, в каком-то смысле оно представляет собой композит. К тому же дерево — самовосстанавливающийся со временем материал. Мы хотим понять дерево на молекулярном уровне», — рассказала профессор Мари-Пьер Лабори. Она восхищается свойствами дерева и пытается пробудить интерес к этому материалу даже у журналистов. Вместе с коллегами Лабори придумывает, как наиболее эффективно извлечь из древесины лигнин, целлюлозу и полезные соединения, чтобы затем сделать из них новые материалы.

Профессор Лабори показала первым делом пластиковую банку, заполненную белой жидкостью — это наноцеллюлоза. Она состоит из мельчайших волокон целлюлозы, которые придают материалу удивительные свойства. Наноцеллюлозу открыли с десяток лет назад, но на публикацию о ней не обратили внимания, пока во Франции не сделали из наноцеллюлозы строительный материал для крыш. Теперь наноцеллюлозу считают очень перспективной благодаря пластичности и прочности. Из нее можно делать гибкие экраны, броню, а также использовать как конструкционный материал.

Широкому применению наноцеллюлозы препятствует ее дороговизна, поэтому ученые пытаются придумать наилучшие технологии для ее получения. Профессор Лабори уверена: «Наступает новая эра для лесной промышленности». Что касается безопасности наноцеллюлозы, то пока ее вред для организма не обнаружен.

В ее лаборатории ищут более эффективные способы извлечения из древесины лигнина и танинов — тоже полезных полимеров, содержащихся в коре дерева. Танины используют для дубления кожи и производства лекарств. А теперь ученые пытаются приспособить их для синтеза пластиков, в том числе огнестойких.

Для развития этих проектов во Фрайбургском университете организовали стартапы, поскольку ученые обязаны иметь коммерческих партнеров, чтобы получить дополнительное финансирование.

Заменитель нефти

Получить топливо из биомассы не проблема уже давно. Отлично. А как насчет коммерческих объемов, инфраструктуры, чтобы этим продуктом было удобно пользоваться? Кто-то должен заниматься и этими важными для экономики вещами. В Баден-Вюртемберге это понимают и строят пилотные заводы разной мощности. Один из таких заводов — Bioliq — находится на территории Технологического университета Карлсруэ. В 2013 году построили его первую очередь, где из биомассы производят готовое к транспортировке плотное жидкое сырье. Биомассу смешивают с песком и разлагают путем пиролиза на сажу и жидкость, которая представляет собой концентрированное топливо. Затем на второй очереди завода из концентрата делают биотопливо. Его наливают в двигатель автомобиля также как бензин, перерабатывают на керосин, дизель, авиационное топливо. «Обычно такие технологии выходят на рынок лет через пять, в данном случае срок увеличивается, потому что нужно протестировать продукты и убедиться, что они проходят по качеству и стандартам», — рассказал координатор научной программы завода Bioliq Николас Дахмен. Он провел журналистов по нескольким этажам завода, подробно объясняя каждую стадию производства.

Строительство завода Bioliq обошлось в 64 млн евро, четверть этой суммы поступила от коммерческих партнеров, остальное — от Министерства сельского хозяйства. По словам Дахмен, из шести тонн сена получается одна тонна биотоплива. Пока завод работает не постоянно, а сеансами, вырабатывая биотопливо для научных и испытательных целей. Если опытное производство признают успешным, то его можно будет масштабировать. Если нет, то получаемое сырье всегда можно будет пустить на производство биогаза.

В процессе сжигания биомассы остается пепел, обогащенный полезными веществами, в том числе фосфором, а он как мы знаем, служит хорошим удобрением для почвы. Так что все исходное сырье и побочные продукты, получаемые на заводе, идут в дело.

Экология навсегда

Жители Баден-Вюртемберга повернуты на бережном отношении к окружающей среде. Раздельным сбором мусора их сложно удивить, для них — это норма уже много лет. На каждом шагу здесь встречаются ряды разноцветных контейнеров с маркировкой для металла, бумаги, пластика, стекла, еды. В супермаркетах очень популярны автоматы, куда можно опустить пластиковые бутылки и получить небольшие деньги за это. Полки магазинов полны продукцией с пометками «био», «эко», «100% органический». Порой в центре города вместо продуктовых магазинов легче найти небольшие специализированные супермаркеты, где продаются только экологически чистые продукты и косметика.

Малолитражки с надписями «Electro», что значит, наличие электродвигателя, стали привычным украшением улиц Штутгарта и Карлсруэ. Как знать, может быть именно Баден-Вюртемберг станет лидером в развитии автомобилей на водородных топливных элементах? Надо только решить проблему хранения газа. В Технологическом институте Карлсруэ действует небольшой пилотный завод по производству водородного топлива и испытательный стенд для водородных двигателей. Здесь ездит собственный автобус на топливных ячейках, есть одна заправка. Несмотря на то, что процесс получения электричества из водорода был изобретен более ста лет назад и с тех пор неизменно находится на переднем крае науки, автомобильная промышленность не восприняла эту новацию. По мнению доктора Андреаса Фридриха из Испытательного водородного центра, проблема состоит в том, что продвижением водородной энергетики толком никто не занимается. Зачем? Когда производство бензина и дизеля из нефтепродуктов дешевое.

Зато солнечная энергетика развивается, несмотря на жесткую конкуренцию со стороны традиционных источников энергии. Этому способствует не только хороший климат Баден-Вюртемберга, большое количество солнечных дней и горные территории, но и то, что солнечную энергетику поддерживают местные власти. Какой город или сельскую местность Баден-Вюртемберга ни возьми, всюду бросаются в глаза солнечные панели на крышах множества частных и многоквартирных домов. Станции солнечных батарей разных размеров установлены на территориях учреждений и фирм.

Когда солнечные панели только появились как массовый продукт, власти Баден-Вюртемберга стали привлекать инвестиции граждан для развития этой отрасли. Они предлагали сделку: житель устанавливает солнечные панели на крыше доме за свой счет и подключает их к центральной электросети, а взамен электросетевая компания покупает поступившую от этого дома электроэнергию. Вложения в солнечную панель окупались через пять лет.

Статья подготовлена при поддержке государственной компании «Баден-Вюртемберг Интернешнл».




Партнеры