Водорослевое биотопливо: долгий путь к коммерческой жизнеспособности

Сектор зеленых технологий разочаровался в водорослях как в сырье для производства биотоплива, но надежда на топливо, полученное из водорослей, еще есть в долгосрочной перспективе. Каковы недавние достижения, направленные на совершенствование производственных процессов, благодаря которым водорослевое биотопливо может конкурировать с нефтью в ближайшие десятилетия?

Десять лет назад пространство зеленых технологий было освещено энергетическим потенциалом водорослей. Топливо, полученное из водорослей, получившее название «биотопливо третьего поколения», обладает несколькими ключевыми преимуществами по сравнению с более ранним сырьем, основанным на растительных культурах, таких как сахарный тростник и кукуруза (первое поколение производства биотоплива) и потоках растительных или животных отходов (второе).

Эти преимущества водорослей включают в себя более высокие выходы биотоплива по сравнению с предыдущими системами, разнообразный список возможных видов топлива, включая биодизельное топливо, бутанол, этанол и даже реактивное топливо, а также тот факт, что крупномасштабное культивирование водорослей — будь то в открытых прудах или более продвинутых закрытых -контурные системы – можно использовать на землях, непригодных для выращивания продовольственных культур, что устраняет ключевую проблему, связанную с тем, что культуры, используемые в качестве сырья для биотоплива, будут конкурировать с производителями продуктов питания.

Биотопливо из водорослей: ажиотаж и разочарование

В течение более чем пяти лет, начиная примерно с 2005 года, компании по производству биотоплива на основе водорослей, в том числе такие, как Algenol, Sapphire Energy и Solazyme, привлекли сотни миллионов долларов инвестиций в частный сектор, обещая, что химико-технологические водоросли смогут производить десятки миллионы галлонов топлива за несколько лет по ценам, конкурентоспособным с ископаемым топливом. Преобразование топлива из водорослей в целом основано на высоких концентрациях липидов в сырье: жирных, маслосодержащих молекулах кислот, которые можно экстрагировать для создания биотоплива.

Почти 15 лет спустя мир зеленых технологий разлюбил водорослевое биотопливо. Несмотря на большие суммы, потраченные на разработку процесса конверсии, амбициозные производственные цели отрасли, не говоря уже о конкурентоспособности по стоимости по сравнению с ископаемым топливом, остаются далекой мечтой.С точки зрения затрат, значительное снижение цен на нефть в 2008 и 2014 годах, конечно, не помогло конкурентоспособности биотоплива, но технические проблемы также оказались серьезным камнем преткновения. Возникли неразрешимые проблемы с точки зрения энергетического баланса экстракции липидов, поддержания подходящих условий для выращивания в открытых водоемах и огромных объемов воды, CO₂ и удобрений, необходимых для того, чтобы водоросли могли достаточно быстро фотосинтезировать в больших масштабах.

«Моделирование производства биотоплива из микроводорослей показывает, что для того, чтобы приблизиться к 10% транспортного топлива ЕС, которое, как ожидается, будет обеспечиваться биотопливом, потребуются пруды, площадь которых в три раза превышает площадь Бельгии», — написал в 2017 году морской биолог из Университета Суонси профессор Кевин Флинн. водорослей в этих прудах для производства биотоплива потребуются удобрения, эквивалентные 50% текущих общих ежегодных потребностей сельскохозяйственных культур в ЕС».

В результате, большинство компаний, рекламирующих биотопливо из водорослей в 2005-2012 гг., были вытеснены из бизнеса или переключили свои бизнес-модели на производство из водорослей более ценных продуктов, таких как биологически активные добавки, пищевые добавки, корма для животных и косметика.

Но в то время как перспектива биотоплива из водорослей остается бездействующей, а венчурное финансирование 2005 года уже давно ушло, долгосрочный потенциал технологии остается, и достижения последних лет поддерживают водорослевый шар. Путь вперед может быть долгим, но все эти недавние идеи и открытия могут представлять собой важные шаги.

Решение проблемы энергетического баланса

Одним из основных моментов трения в компоненте экстракции липидов при производстве биотоплива из водорослей является необходимость заблаговременного удаления всей влаги из водорослей, оставляя сухой порошок, из которого можно отделить липиды. Это одна из причин того, что для питания процесса часто требуется больше энергии, чем дает полученное топливо на другом конце уравнения.

Однако новый метод, изобретенный исследователями из Университета штата Юта, может решить проблему энергетического паритета.Команда инженеров-химиков разработала новую технологию струйного смесителя, которая устраняет необходимость в энергоемких процессах сушки. Новый смесительный реактор выпускает струи растворителя в струи водорослей в жидкой суспензии, создавая турбулентность, необходимую для того, чтобы липиды переходили в поток растворителя. Мало того, что этот процесс требует гораздо меньше энергии, исследователи говорят, что он также быстрее, липиды извлекаются за считанные секунды.

«Было предпринято много похвальных исследований по усовершенствованию биотоплива из водорослей, но ни одна из них еще не привела к ценовому уровню, способному привлечь коммерческое развитие», — сказал доцент химического машиностроения Университета Юты Свомитра Моханти, который был соавтором результатов группы, которые были опубликованы. в журнале Химическая инженерия X. «Наши разработки могут изменить это уравнение и вернуть биотопливо из водорослей».

Оптимизация производственного процесса

Дальнейшие мысли о том, как оптимизировать процесс получения биотоплива из водорослей, были предложены Национальным центром биоэнергетики Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США (NREL). В статье, опубликованной R|D в июне 2018 года, руководитель стратегического проекта Национального биоэнергетического центра Филип Пиенкос изложил результаты исследования NREL в области экономики и практичности производства биомассы водорослей в больших открытых прудах.

Согласно технико-экономическому анализу группы, как только будет достигнута определенная экономия за счет масштаба и улучшены характеристики штаммов и методы культивирования, в будущем можно будет производить биомассу водорослей по цене 300 долларов за сухую тонну. Однако этого все равно недостаточно, чтобы конкурировать с сырой нефтью.

В ответ NREL изучает жизнеспособность концепции «комбинированной переработки водорослей» (CAP), которая включает в себя установку, способную одновременно производить биотопливо из водорослей вместе с рядом полезных побочных продуктов, включая поверхностно-активные вещества, полиуретаны и пластиковые композиты.

Расширение масштабов с ExxonMobil и Synthetic Genomics

Synthetic Genomics — одна из немногих компаний, основанных в период «золотой лихорадки» разработки биотоплива из водорослей, которая по-прежнему уделяет особое внимание топливу, сотрудничая с ExxonMobil для работы над производством биотоплива из водорослей в беспрецедентных масштабах. После многих лет биологических исследований по оптимизации производства масла из водорослей партнеры в настоящее время продвигаются в полевых исследованиях на открытом воздухе, выращивая естественные водоросли в нескольких закрытых прудах в Калифорнии.

Synthetic Genomics и Exxon считают, что с достигнутым прогрессом и ожиданиями дальнейших достижений они смогут производить 10 000 баррелей биотоплива из водорослей в день к 2025 году. Основные достижения на данный момент включают объявление партнеров летом 2017 года. что генетическая модификация штамма микроводорослей Наннохлоропсис гадитина привело к удвоению содержания липидов в водорослях с 20% до более чем 40%, что значительно увеличило выход энергии из исходного сырья.

Текущее исследование на открытом воздухе будет использовать дикие водоросли, а не версию с отредактированным геномом; как отметил в 2017 году Кевин Флинн из Университета Суонси, ведутся более широкие дебаты об экологических последствиях генетической модификации, которая может «рискнуть появление неудержимых вредных видов водорослей, которые могут уничтожить рыболовство и нанести ущерб источникам питьевой воды».