Биотопливо на основе водорослей: Топливо из водорослей по составу больше похоже на зелёнку, чем на нефть

Содержание

Самолеты на водорослях: зачем нужно биотопливо

Возобновляемое сырье, о котором так много говорят в связи с истощением природных ресурсов, — это органические отходы промышленности, сельского и лесного хозяйства. Такая растительная биомасса дешевле газа, угля и нефти, из нее можно получать новые продукты, одновременно решая проблему утилизации отходов. T&P публикуют статью из сборника «Атлас технологий будущего» о том, как получить дизельное топливо из водорослей, электричество — из органических отходов, а биоразлагаемую упаковку — из свеклы.

Атлас технологий будущего
А.В. Соколова, Н.С. Микова, Е.В. Гутарук
Издательская группа «Точка», 2017
Премия «Просветитель»

Особенно перспективными являются технологии переработки возобновляемого сырья в биотопливо и электроэнергию, а также решения для производства биополимерной упаковки. Применение этих технологий позволяет осуществлять их рециклизацию, т. е. вторичную переработку в новом цикле создания продукции (в частности, субстратов в топливных элементах и биопластиков).

Потенциал использования названных технологий в России очень высок. Их разработка и внедрение приведут в среднесрочной перспективе к снижению зависимости экономики страны от энергоресурсов, зарубежных продуктов и технологий, созданию новых рынков.

Биодизель из микроводорослей

По мере роста численности населения и повышения мобильности людей увеличивается ежегодная потребность в авиационных и автомобильных перевозках. Удовлетворять усиливающийся спрос на моторные топлива возможно путем производства биодизеля нового поколения из зеленых микроводорослей — альтернативы биодизелям, получаемым на основе сельскохозяйственных культур.

Зеленые микроводоросли способны преобразовывать углекислый газ в органические соединения, оказывая при этом очищающий эффект на атмосферу и гидросферу. Такое биотопливо можно использовать в двигателях дизельного типа: оно очень близко по составу к традиционным моторным топливам — продуктам нефтепереработки. Очевидные преимущества микроводорослей — высокие скорость роста биомассы и содержание масел, удобство сбора и возможность выращивания непосредственно на предприятиях и вблизи электростанций — усиливают интерес ученых и многих крупных корпораций к их исследованию и промышленному использованию. В ряде стран начато серийное производство специальных биореакторов по выращиванию микроводорослей. Япония и США уже осуществили успешные испытания авиационного и автотранспорта, работающего исключительно на биодизеле из водорослей.

Эффекты

  • Стимулирование развития транспортного сектора, повышение его экологичности и удовлетворение растущих потребностей в топливе.

  • Снижение остроты конкуренции между техническими и продуктовыми посевными площадями (благодаря культивированию микроводорослей в фитореакторах, вихревых плавающих аквареакторах, открытых водоемах).

  • Развитие регионов с неблагоприятными социально-экономическими условиями и снижение их зависимости от импортируемых топлив.

  • Получение белков, антиоксидантов, пищевых красителей и других полезных продуктов из микроводорослей.

Оценки рынка

К 2030 г. мировое производство биотоплива увеличится до 150 млн тонн в нефтяном эквиваленте при ежегодных темпах роста на уровне 7–9%. Его доля достигнет 4–6% общего объема топлива, потребляемого транспортным сектором. Биотопливо из водорослей может заменить более 70 млрд литров ископаемого топлива ежегодно. Рынок биотоплива в России к 2020 г. может вырасти более чем в 1,5 раза — до отметки в 5 млн тонн в год. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2025–2035 гг.

Драйверы и барьеры

  • Экологическая политика развитых стран по минимизации масштабов загрязнения окружающей среды.

  • Необходимость масштабных инвестиций для строительства заводов по производству биодизеля, настройки технологических процессов.

  • Зависимость эффективности роста микроводорослей от интенсивности солнечного света (при выращивании в открытых водоемах).

Структурный анализ

Прогноз структуры мирового рынка биотоплива: 2022 (%)

Электроэнергия из органических отходов

Процессы утилизации и переработки отходов могут быть совмещены с производством практически значимых продуктов и даже электроэнергии. При помощи специальных устройств — микробных топливных элементов (МТЭ) — стало возможным производить электроэнергию из отходов напрямую, минуя стадии получения биогаза и его последующей переработки в электричество.

МТЭ представляют собой биоэлектрическую систему. Эффективность ее функционирования зависит от метаболической активности бактерий, которые расщепляют органические соединения (отходы) и передают электроны на электрическую цепь, встроенную в эту же систему. Наибольшей эффективности таких бактерий можно добиться, встраивая их в технологическую схему предприятий по очистке сточных вод, содержащих органические вещества, при расщеплении которых выделяется энергия.

Уже существуют лабораторные разработки, позволяющие использовать МТЭ для подзарядки аккумуляторов. По мере масштабирования и оптимизации технологических решений станет возможным обеспечивать электричеством и небольшие предприятия. Например, высокопроизводительные МТЭ, работающие на объемах от десятков до тысяч литров, обеспечат автономное питание очистных сооружений.

Эффекты

  • Повышение экологичности производственных процессов и эффективности работы предприятий, снижение их зависимости от внешних источников электроэнергии, уменьшение себестоимости продукции и расходов на приобретение очистных технологий.

  • Улучшение ситуации в энергодефицитных регионах, повышение их конкурентоспособности благодаря использованию МТЭ.

  • Возможность автономного получения электроэнергии для неэнергоемких целей (например, в небольших фермерских хозяйствах).

Оценки рынка

70% — настолько вырастет к 2020 г. в России доля отходов, которые будут перерабатываться методами биотехнологий, по сравнению с 2012 г. В странах Европейского союза доля электроэнергии из биогаза составит около 8%. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2020–2030 гг.

Драйверы и барьеры

  • Увеличение объемов органических отходов и рост потребности в электроэнергии.

  • Возможность работы биореакторов типа МТЭ на различных источниках энергии, включая сточные воды.

  • Недостаточный уровень инвестиций, необходимых для встраивания МТЭ в технологические процессы, длительный период их окупаемости.

  • Необходимость привязки биореакторов к местам образования отходов.

  • Относительно низкая эффективность ныне функционирующих опытно-промышленных конструкций биореакторов типа МТЭ.

Структурный анализ

Исследования микробных электрохимических систем по типам: 2012 (%)

Биоразлагаемая полимерная упаковка

Повсеместное распространение упаковки из синтетических полимеров (пакетов, пленок, контейнеров) приводит к обострению проблемы загрязнения окружающей среды. Решить ее может переход к упаковочным материалам из биоразлагаемых полимеров, быстро утилизируемых и удобных в использовании.

В большинстве развитых стран в производстве упаковки намечается тенденция вытеснения тяжело и долго (до нескольких сотен лет) разлагающихся синтетических полимеров биоразлагаемыми (с периодом утилизации 2–3 месяца). Ежегодный объем их потребления только в Западной Европе составляет около 19 тыс. тонн, в Северной Америке — 16 тыс. тонн. Вместе с тем по ряду показателей биополимерные упаковочные материалы пока отстают от традиционных синтетических.

Технологии производства биополимерных материалов на основе полимолочной кислоты из растительных сахаров зерновых культур и сахарной свеклы позволяют производить упаковку с высокими потребительскими характеристиками: эластичную и прочную, устойчивую к влаге и агрессивным соединениям, непроницаемую для запахов, с высокими барьерными свойствами и при этом эффективно и быстро разлагающуюся. Совершенствование технологий направлено на снижение их материало- и энергоемкости.

Эффекты

  • Формирование и развитие нишевых рынков — термоусадочных упаковок, влаго- и запахонепроницаемых пакетов, ударостойких контейнеров и др.

  • Сокращение зависимости экономики от нефтегазового сырья.

  • Снижение негативного воздействия на окружающую среду.

  • Повышение экологической культуры населения, стимулирование приверженности к здоровому образу жизни благодаря массовому использованию качественной и удобной биоразлагаемой упаковки.

Оценки рынка

Рынок биополимеров, изготовленных на основе возобновляемых ресурсов, будет ежегодно расти на 8–10%. Наиболее интенсивно будет развиваться сегмент упаковочных материалов. Уже сейчас объем этого сегмента составляет 90% текущего объема мирового потребления биополимеров (205 млн тонн). Емкость рынка биополимеров в 2020 г. достигнет 4 млрд долларов. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2025–2030 гг.

Драйверы и барьеры

  • Ужесточение экологических требований к упаковочным материалам, повышение стоимости утилизации традиционной упаковки.

  • Сокращение использования неразлагаемой упаковки в связи с необходимостью экономить невозобновляемые ресурсы нефти и газа в развитых странах.

  • Недостаточно развитое экологическое воспитание у населения и бизнеса.

  • Более высокая стоимость биоразлагаемых полимеров по сравнению с синтетическими.

Структурный анализ

Биополимерные материалы на рынке производства биопластика: 2010–2011 (%).

В рубрике «Открытое чтение» мы публикуем отрывки из книг в том виде, в котором их предоставляют издатели. Незначительные сокращения обозначены многоточием в квадратных скобках. Мнение автора может не совпадать с мнением редакции.

Теории и практики

Теги

#премия «Просветитель» 2018

#экономика

#энергия

#топливо

#переработка

#биоразлагаемый пластик

#экология

#технологии

#книга

  • 4 512

Обзор: производство биотоплива из биомассы растений и водорослей | Волошин

1. Wurfel P. Physics of solar cells from principles to new concepts. WILEY-VCH; 2005. ISBN 3-527-40428-7.

2. Renewables 2015 global status report. REN21. Paris: REN21 Secretariat; 2015. ISBN 978-3-9815934-6-4.

3. Voloshin R.A., Kreslavski V.D., Zharmukhamedov S.K., Bedbenov V.S., Ramakrishna S., Allakhverdiev S.I. Photoelectrochemical cells based on photosynthetic systems: a review. Biofuel Res J, 2015;6:227-35.

4. Allakhverdiev S.I., Ramakrishna S. A random walk to and through the photoelectrochemical cells based on photosynthetic systems. Biofuel Res J., 2015;6:222.

5. Voloshin R.A., Rodionova M.V., Zharmukhamedov S.K., Hou H., Shen J.-R., Allakhverdiev S.I. Components of natural photosynthetic apparatus in solar cells. In: Najafpour MM, editor. Applied photosynthesis e new progress. Rijeka, Croatia: InTech d.o.o; 2016. p. 161-88.

6. Allakhverdiev S.I., Kreslavski V.D., Thavasi V., Zharmukhamedov S.K., Klimov V.V., Nagata T., et al. Hydrogen photoproduction by use of photosynthetic organisms and biomimetic systems. Photochem. Photobiol.Sci, 2009;8:148-56.

7. Allakhverdiev S.I., Thavasi V., Kreslavski V.D., Zharmukhamedov S.K., Klimov V. V., Ramakrishna S., et al. Photosynthetic hydrogen production. J. Photochem. Photobiol. CPhotochem. Rev., 2010;11:101-13.

8. Razzak S.A., Hossain M.M., Lucky R.A., Bassi A.S., de Lasa H. Integrated CO2 capture, waste water treatment and biofuel production by microalgae culturing-A review. Renew. Sustain. Energy Rev., 2013;27:622-53.

9. Surriya O., Syeda S.S., Waqar K., Gul Kazi A., Ozturk M. Bio-fuels: a blessing in disguise. In: Ozturk M., Ashraf M., Aksoy A., Ahmad M.S.A., editors. Phytoremediation for green energy. Springer; 2015. p. 11-30. http://dx.doi.org/10.1007/978-94-007-7887-0_2.

10. Nigam P.S., Singh A. Production of liquid biofuels from renewable resources. Prog. Energy Combust. Sci., 2011;37:52-68.

11. Dragone G., Fernandes B., Vicente A.A., Teixeira J.A. Third generation biofuels from microalgae. In: Mendez-Vilas A., editor. Current research, technology and education topics in applied microbiology and microbial biotechnology. Formatex; 2010. p. 1355-66.

12. McKendry P. Energy production from biomass (Part 1): overview of biomass. Bioresour. Technol., 2002;83(1):37-46.

13. Alonso D.M., Bond J.Q., Dumesic J.A. Catalytic conversion of biomass to biofuels. GreenChem., 2010;12:1493-513. http://dx.doi.org/10.1039/c004654j.

14. Nada E.M. The manufacture of biodiesel from the used vegetable oil. 2011. A thesis submitted to the Faculty of Engineering at Kassel and Cairo Universities for the degree of Master of Science University of Kassel.

15. Demirbas A. Political, economic and environmental impacts of biofuels: a review. Appl. Energy, 2009;86:108-17.

16. Demirbas A. Biofuels sources, biofuel policy, biofuel economy and global biofuel projections. Energy Convers Manag 2008;49:2106-16.

17. Allakhverdiev S.I., Kreslavski V.D., Thavasi V., Zharmukhamedov S.K., Klimov V.V., Ramakrishna S., et al. Photosynthetic energy conversion: hydrogen photoproduction by natural and biomimetic systems. In: Mukhetjee A, editor. Biomimetics, learning from nature. Rijeka, Croatia: InTech d.o.o; 2010. p. 49-76.

18. Abdelaziz AEM, Leite GB, Hallenbeck PC. Addressing the challenges for sustainable production of algal biofuels: II. Harvesting and conversion to biofuels. Environ Technol 2013;34:1807-36.

19. Chisti Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv 2007;25:249-306.

20. Wang B., Li Y., Wu N., Lan C.Q. CO2 biomitigation using microalgae. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2008;79:707-18.

21. Slade R., Bauen A. Micro-algae cultivation for biofuels: cost, energy balance, environmental impacts and future prospects. Biomass Bioenergy, 2013;53:29-38.

22. Bhatt N.C., Panwar A., Bisht T.S., Tamta S. Coupling of algal biofuel production with wastewater. Sci. World J, 2014:10. http://dx.doi.org/10.1155/2014/210504. Article ID 210504.

23. Pandey A., Lee D.-J., Chisti Y., Socol C.R. Biofuels from algae. Elsevier; 2014. ISBN: 978-0-44459558-4.

24. Carlsson A.S., van Beilen J.B., Moller R. , Clayton D. In: Bowles D, editor. Micro- and macroalgae: utility for industrial applications, outputs from the EPOBIO project. Newbury (UK). University of York: CPL Press; 2007. p. 1-82.

25. Tran N.H., Bartlett J.R., Kannangara G.S.K., Milev A.S., Volk H., Wilson M.A. Catalytic upgrading of biorefinery oil from micro-algae. Fuel, 2010;189:265-74.

26. Razaghifard R. Algal biofuels. Photosynth. Res, 2013. http://dx.doi.org/10.1007/s11120-0113-9828-z.

27. Alam F., Date A., Rasjidin R., Mobin S., Moria H., Baqui A. Biofuel from algae e is it a viable alternative? Proced. Eng., 2012;49:221-7.

28. Abdulqader G., Barsanti L., Tredici M.R. Harvest of arthrospira platensis from lake Kossorom (Chad) and its household usage among the Kanembu. J. Appl. Phycol., 2000;12:493-8.

29. Borowitzka M.A. Culturing microalgae in outdoor ponds. In: Andersen R.A., editor. Algal culturing techniques. Burlington M.A.: Elsevier Academic Press; 2005. p. 205-18.

30. Carvalho A.P. , Meireles L.A., Malcata F.X. Microalgal reactors: a review of enclosed system designs and performances. Biotechnol. Prog, 2006;22:1490-506.

31. Brennan L., Owende P. Biofuels from microalgae e a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. J. Renew. Sustain. Energy, 2010;14:557-77.

32. Chini Zittelli G., Rodolfi L., Biondi N., Tredici M.R. Productivity and photosynthetic efficiency of outdoor cultures of Tetraselmis suecica in annular columns. Aquaculture, 2006;261:932-43.

33. Kirm I., Brandin J., Sanati M. Shift catalysts in biomass generated synthesis gas. Top. Catal., 2007;45:2-11. http://dx.doi.org/10.1007/s11244-007-0236-5.

34. Hu J., Yu F., Lu Y. Application of FischereTropsch synthesis in biomass to liquid conversion. Catalysts, 2012;2:303-26. http://dx.doi.org/10.3390/catal2020303.

35. Roy S., Das D. Liquid fuels production from algal biomass. In: Das D, editor. Algal biorefinery: an integrated approach. Capital Publishing Company; 2015. p. 277-96.

36. The global biofuels market: energy security, trade and development United Nations Conference on trade and development. 2013.

37. Shah Y.R., Sen D.J. Bioalcohol as green energy e a review. Int. J. Cur. Sci. Res., 2011;01:57-62.

38. Dias M.O.S., Ensinas A.V., Nebra S.A., Filho R.M., Rossell C.E.V., Maciel M.R.W. Production of bioethanol and other bio-based materials from sugarcane bagasse: integration to conventional bioethanol production process. Chem. Eng. Res., 2009;87:1206-16.

39. Ensinas A.V., Nebra S.A., Lozano M.A., Serra L.M. Analysis of process steam demand reduction and electricity generation in sugar and ethanol production from sugarcane. Energy Convers. Manag., 2007;48:2978-87.

40. Buddadee B., Wirojanagud W., Watts D.J., Pitakaso R. The development of multi-objective optimization model for excess bagasse utilization: a case study for Thailand. Environ. Impact Assess’. Rev., 2008;28:380-91.

41. Harun R., Singh M., Forde G.M., Danquah M.K. Bioprocess engineering of microalgae to produce a variety of consumer products. J. Renew. Sustain. Energy, 2010;14:1037-47.

42. Hirano A., Ueda R., Hirayama S., Ogushi Y. CO2 fixation and ethanol production with microalgal photosynthesis and intracellular anaerobic fermentation. Energy, 1997;22:137-42.

43. Ueda R., Hirayama S., Sugata K. and Nakayama H. Process for the production of ethanol from microalgae. US Patent 1996; 5,578,472.

44. Chen P., Min M., Chen Y., Wang L., Li Y., Chen Q., et al. Review of the biological and engineering aspects of algae to biofuels approach. Int. J. Agri. Biol. Eng, 2009;2(4):1-24.

45. Ueno Y., Kurano N., Miyachi S. Ethanol production by dark fermentation in the marine green alga, Chlorococcum littorale. J. Ferment.Bioeng., 1998;86:38-43.

46. Sarkar N., Ghosh S.K., Bannerjee S., Aikat K. Bioethanol production from agricultural wastes: an overview. Renew. Energy, 2012;37:19-27.

47. Kosaric N., Duvnjak Z., Farkas A., Sahm H., Bringer-Meyer Sindustrial chemistry. Weinheim: Wiley-VCH; 2011. http://dx.doi.org/10.1002/14356007.a09_587.pub2.

48. Sriranjan K., Pyne M.E., Chou C.P. Biochemical and genetic engineering strategies to enhance hydrogen production in photosynthetic algae and cyanobacteria. Bioresour. Technol., 2011;102:8589-604.

49. Takezawa N., Shimokawabe M., Hiramatsu H., Sugiura H., Asakawa T., Kobayashi H. Steam reforming of methanol over Cu/ZrO2. Role of ZrO2 support. React. Kinet. Catal. Lett., 1987;33:191-6.

50. Phillips V.D., Kinoshita C.M., Neill D.R., Takashi P.K. Thermochemical production of methanol from biomass in Hawaii. Appl. Energy, 1990;35:167-75.

51. McGinn P.J., Dickinson K.E., Bhatti S., Frigon J., Guiot S.R., O’Leary S.J. Integration of microalgae cultivation with industrial waste remediation for biofuel and bioenergy production: opportunities and limitations. Photosynth. Res., 2011;109:231-47.

52. Yeole S.D. , Aglave B.A., Lokhande M.O. Algaeoleum-a third generation biofuel. Asian J. Bio. Sci., 2009;4:344-7.

53. Naik S.N., Goud V.V., Rout P.K., Dalai A.K. Production of first and second generation biofuels: a comprehensive review. Renew. Sust. Energy Rev., 2010;14:578-97.

54. Raja S.A., Robinson smart D.S., Lee C.L.R. Biodiesel production from jatropha oil and its characterization. Res. J. Chem. Sci., 2011;01:81-7.

55. Cadenas A., Cabezudo S. Biofuels as sustainable technologies: perspectives for less developed countries. Technol. Forecast. Soc., 1998;58:83-103.

56. Khan S.A., Rashmi, Hussain M.Z., Prasad S., Banerjee U.C. Prospects of biodiesel production from microalgae in India. Renew. Sustain. Energy Rev., 2009;13:2361-72.

57. Gerpen V. Biodiesel processing and production. Fuel Process. Technol., 2005;86:1097-107.

58. Sheehan J., Camobreco V., Duffield J., Graboski M., Shapouri H. Life cycle inventory of biodiesel and petroleum diesel for use in an urban bus. NREL; 1998.

59. Singh A., Nigam P.S., Murphy J.D. Renewable fuels from algae: an answer to debatable and based fuels. Bioresour. Technol., 2011;102:10-6.

60. Schenk P.M., Thomas-Hall S.R., Stephens E., Marx U.C., Mussgnug J.H., Posten C., et al. Second generation biofuels: high efficiency microalgae for biodiesel production. BioEnergy Res., 2008;01:20-43.

61. Scott S.A., Davey M.P., Dennis J.S., Horst I., Howe C.J., Lea-Smith D.J., et al. Biodiesel from algae: challenges and prospects. Curr. Opin. Biotechnol., 2010;21:277-86.

62. Xu H., Miao X., Wu Q. High quality biodiesel production from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth in fermenters. J. Biotechnol., 2006;126:499-507.

63. Li Y., Horsman M., Wu N., Lan C.Q., Dubois-Calero N. Biofuels from microalgae. Biotechnol. Prog, 2008;24:815-20.

64. Ge Y., Liu J., Tian G. Growth characteristics of Botryococcus braunii 765 under high CO2 concentration in photobioreactor. Bioresour. Technol, 2011;102:130-4.

65. Suresh B., Yoneyama M., Schlag S. CEH Marketing Research Report Abstract: HYDROGEN. Chemical Industries Newsletter, SRI Consulting, Menlo Park, CA. 2007.

66. Kruse O., Rupprecht J., Mussgnug J.H., Dismukes G.C., Hankamer B. Photosynthesis: a blueprint for solar energy capture and biohydrogen production technologies. Photochem. Photobiol. Sci, 2005;04:957-70.

67. Prince R.C., Kheshgi H.S. The photobiological production of hydrogen: potential efficiency and effectiveness as a renewable fuel. Crit. Rev. Microbiol., 2005;31:19-31.

68. Ghirardi M.L., Dubini A., Yu J., Maness P.-C. Photobiological hydrogen-producing systems. Chem. Soc. Rev, 2009;38:52-61.

69. Seibert M. Applied photosynthesis for biofuels production. In: Smith K.C., editor. Photobiological sciences online. American Society for Photobiology; 2009.

70. Benemann J.R. Hydrogen production by microalgae. J. Appl. Phycol., 2000;12:291-300.

71. Seibert M., King P., Posewitz M.C., Melis A. , Ghirardi M.L. In: Wall J., Harwood C., Demain A., editors. Photosynthetic water-splitting for hydrogen production. Washington DC: ASM Press; 2008. p. 273-91.

72. Tsygankov A., Kosourov S. Immobilization of photosynthetic microorganisms for efficient hydrogen production. In: Zannoni D., De Philippis R., editors. Microbial BioEnergy: hydrogen production. Dordrecht: Springer Netherlands; 2014. p. 321-47.

73. Ghirardi M.L., King P.W., Posewitz M.C., Maness P.C., Fedorov A., Kim K., et al. Approaches to developing biological h3-producing organisms and processes. Biochem. Soc. Trans., 2005;33:70-2.

74. Ghirardi M.L., Posewitz M.C., Maness P.C., Dubini A., Yu J., Seibert M. Hydrogenases and hydrogen photoproduction in oxygenic photosynthetic organisms. Annu. Rev. Plant. Biol., 2007;58:71-91.

75. Allahverdiyeva Y., Aro E.M., Kosourov S.N. Recent developments on cyanobacteria and green algae for biohydrogen photoproduction and its importance in CO2 reduction. In: Gupta V. K., Tuohy M., Kubicek C.P., Saddler J., editors. Bioenergy research: advances and applications. Amsterdam: Elsevier; 2014. p. 367-87.

76. Melis A., Zhang L., Forestier M., Ghirardi M.L., Seibert M. Sustained photobiological hydrogen gas production upon reversible inactivation of oxygen evolution in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. Plant Physiol, 2000;122:127-36.

77. Greenbaum E. Photosynthetic hydrogen and oxygen production: kinetic studies. Science, 1982;196:879-80.

78. Greenbaum E., Blankinship S.L., Lee J.W., Ford R.M. Solar photobiochemistry: simultaneous photoproduction of hydrogen and oxygen in a confined bioreactor. J. Phys. Chem. B, 2001;105:3605-9.

79. Volgusheva A., Kukarskikh G., Krendeleva T., Rubin A., Mamedov F. Hydrogen photoproduction in green algae Chlamydomonas reinhardtii under magnesium deprivation. RSCAdv., 2015;5:5633-7.

80. Leino H., Kosourov S.N., Saari L., Sivonen K., Tsygankov A.A., Aro E.-M., et al. Extended h3 photoproduction by N2-fixing cyanobacteria immobilized in thin alginate films. Int. J. Hydrogen Energy, 2012;37:151-61.

81. Jea-Hwa L., Dong-Geun L., Jae-Il P., Ji-Youn K. Biohydrogen production from a marine brown algae and its bacterial diversity. Korean J. Chem. Eng, 2010;27(1):187-92. http://dx.doi.org/10.1007/s11814-009-0300-x.

82. Benemann J.R. Hydrogen biotechnology: progress and prospects. Nat. Biotech., 1996;14:1101-3.

83. Gaffron H., Rubin J. Fermentative and photochemical production of hydrogen in algae. J. Gen. Physiol, 1942;26:219-40.

84. Benemann J.R., Weare N.M. Hydrogen evolution by nitrogenfixing Anabaena cylindrica cultures. Science, 1974;184:174-5.

85. Winkler M., Kuhlgert S., Hippler M., Happe T. Characterization of the key step for light-driven hydrogen evolution in green algae. J. Biol. Chem., 2009;284:36620-7.

86. Gutekunst K., Chen X., Schreiber K., Kaspar U., Makam S., Appel J. The bidirectional NiFe-hydrogenase in Synechocystis sp. PCC 6803 is reduced by flavodoxin and ferredoxin and is essential under mixotrophic, nitratelimiting conditions. J. Biol. Chem, 2014;289:1930-7.

87. Shima S., Pilak O., Vogt S., Schick M., Stagni M.S., Meyer-Klaucke W., et al. The crystal structure of [Fe].-hydrogenasereveals the geometry of the active site. Science, 2008;321(5888):572-5. http://dx.doi.org/10.1126/science.1158978.

88. Appel J., Schulz R. Hydrogen metabolism in organisms with oxygenic photosynthesis: hydrogenases as important regulatory devices for a proper redox poising? Photochem. Photobiol., 1998;47:1-11.

89. Poudyal R.S., Tiwari I., Najafpour M.M., Los D.A., Carpentier R., Shen J.-R., et al. Current insights to enhance hydrogen production by photosynthetic organisms. In: Stolten D., Emonts B., editors. Hydrogen science and engineering: materials, processes, systems and technology. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; 2016. p. 461-87.

90. Miura Y., Akano T., Fukatsu K., Miyasaka H., Mizoguchi T., Yagi K., et al. Hydrogen production by photosynthetic microorganisms. Energy Convers. Manag., 1995;36:903-6.

91. Antal T.K., Lindblad P. Production of h3 by sulphur-deprived cells of the unicellular cyanobacteria Gloeocapsa alpicola and Synechocystis sp. PCC 6803 during dark incubation with methane or at various extracellular pH. J. Appl. Microbiol., 2005;98:114-20.

92. Dauvillee D., Chochois V., Steup M., Haebel S., Eckermann N., Ritte G., et al. Plastidial phosphorylase is required for normal starch synthesis in Chlamydomonas reinhardtii. Plant J., 2006;48:274-85.

93. Melis A., Melnicki M.R. Integrated biological hydrogen production. Int. J. Hydrogen Energy, 2006;31:1563-73.

94. Lee J.Z., Klaus D.M., Maness P.-C., Spear J.R. The effect of butyrate concentration on hydrogen production via photofermentation for use in a Martian habitat resource recovery process. Int. J. Hydrogen Energy, 2007;32:3301-7.

95. Skjanes K., Rebours C., Lindblad P. Potential for green microalgae to produce hydrogen, pharmaceuticals and other high value products in a combined process. Crit. Rev. Biotechnol., 2013;33:172-215.

96. Bothe H., Schmitz O., Yates M.G., Newton W.E. Nitrogen fixation and hydrogen metabolism in cyanobacteria. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 2010;74:529-51.

97. Compaore J., Stal L.J. Oxygen and the light-dark cycle of nitrogenase activity in two unicellular cyanobacteria. Environ. Microbiol., 2010;12:54-62.

98. Bandyopadhyay A., Stockel J., Min H., Sherman L. A., Pakrasi H.B. High rates of photobiological h3 production by a cyanobacterium under aerobic conditions. Nat. Commun., 2010;1:139.

99. Antoni D., Zverlov V.V., Schwarz W.H. Biofuels from microbes. Appl. Microbiol. Biotechnol, 2007;77(1):23-35.

100. Markov S.A., Weaver P.F. Bioreactors for h3 production by purple nonsulfur bacteria. Appl. Biochem. Biotecnol., 2008;145:79-86.

101. Ghirardi M.L., Mohanty P. Oxygenic hydrogen photoproduction e current status of the technology. Curr. Sci. India, 2010;98:499-507.

102. Vignais P.M., Colbeau A., Willison J.C., Jouanneau Y. Hydrogenase, nitrogenase, and hydrogen metabolism in the photosynthetic bacteria. Adv. Microbiol. Physiol., 1985;26:155-234.

103. Kars G., Gunduz U, Yucel M, Turker L, Eroglu I. Hydrogen production and transcriptional analysis of nifD, nifK and hupS genes in Rhodobacter sphaeroides O.U.001 grown in media with different concentrations of molybdenum and iron. Int. J. Hydrogen Energy, 2006;31:1536-44.

104. Uyar B., Schumacher M., Gebicki J., Modigell M. Photoproduction of hydrogen by Rhodobacter capsulatus from thermophilic fermentation effluent. Bioprocess. Biosyst. Eng., 2009;32:603-6.

105. Ozgur E., Mars A.E., Peksel B., Louwerse A., Yucel M., Gunduz U., et al. Biohydrogen production from beet molasses bysequential dark and photofermentation. Int. J. Hydrogen Energy, 2010;35:511-7.

106. Liu B.-F., Ren N.-Q., Ding J., Xie G.-J., Guo W.-Q. The effect of Ni2+, Fe2+ and Mg2+ concentration on photo-hydrogen production by Rhodopseudomonas faecalis RLD-53. Int. J. Hydrogen Energy, 2009;34:721-6.

107. Martmez-Perez N., Cherryman S.J., Premier G.C., Dinsdale R.M., Hawkes D.L., Hawkes F.R., et al. The potential for hydrogenenriched biogas production from crop: scenarios in the UK. Biomass Bioenergy, 2007;31:95-104.

108. Markov S.A., Waldron B. Hollow-fiber bioreactor for glycerin conversion into h3 by bacterium Enterobacter aerogenes. Int. Sci. J. Altern. Energy Ecol. (ISJAEE), 2010;88(8):130-4.

109. Pinto F.A.L., Troshima O., Lindbald P. A brief look at three decades of research on cyanobacterial hydrogen evolution. Int. J. Hydrogen Energy, 2002;27:1209-15.

110. Chong M.L., Sabaratnam V., Shirai Y., Hassan M.A. Biohydrogen production from biomass and industrial wastes by dark fermentation. Int. J. Hydrogen Energy, 2009;34:3277-87.

111. Guwy A.J., Dinsdale R.M., Kim J.R., Massanet-Nicolau J., Premier G. Fermentative biohydrogen production systems integration. Bioresour. Technol., 2011;102:8534-42.

112. Nath K., Das D. Modeling and optimization of fermentative hydrogen production. Bioresour. Technol., 2011;102:8569-81.

113. Zhanga Y., Yanga H., Guo L. Enhancing photo-fermentative hydrogen production performance of Rhodobacter capsulatus by disrupting methylmalonate-semialdehyde dehydrogenase gene. Int. J. Hydrogen Energy, 2016;41(1):190-7. http://dx.doi.org/10.1016/jijhydene.2015.09.122.

114. Zhou P., Wang Y., Gao R., Tong J., Yang Z. Transferring [NiFe. hydrogenase gene from Rhodopeseudomonas palustris into E. coli BL21(DE3) for improving hydrogen production. Int. J. Hydrogen Energy, 2015;40(12):4329-36. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.01.171.

115. Liu T., Zhu L., Wei W., Zhou Z. Function of glucose catabolic pathways in hydrogen production from glucose in Rhodobacter sphaeroides 6016. Int. J. Hydrogen Energy, 2015;39(9):4215-21. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.12.188.

116. Eroglu E., Melis A. Microalgal hydrogen production research. Int. J. Hydrogen Energy, 2016;41:12772-98.

117. Scoma A., Krawietz D., Faraloni C. , Giannelli L., Happe T., Torzillo G. Sustained h3 production in a Chlamydomonas reinhardtii D1 protein mutant. J. Biotechnol., 2012;157:613-9.

118. Gronenberg L.S., Marcheschi R.J., Liao J.C. Next generation biofuel engineering in prokaryotes. Curr. Opin. Chem. Biol., 2013;17:462-71.

119. Hasunuma T., Okazaki F., Okai N., Hara K.Y., Ishii J., Kondo A. A review of enzymes and microbes for lignocellulosic biorefinery and the possibility of their application to consolidated bioprocessing technology. Bioresour. Technol., 2013;135:513-22.

120. Atsumi S., Higashide W., Liao J.C. Direct photosynthetic recycling of carbon dioxide to isobutyraldehyde. Nat. Biotechnol., 2009;27:1177-80.

121. Lindberg P., Park S., Melis A. Engineering a platform for photosynthetic isoprene production in cyanobacteria, using Synechocystis as the model organism. Metab. Eng., 2010;12:70-9.

122. Carere C.R., Rydzak T., Verbeke T.J., Cicek N., Levin D.B., Sparling R. Linking genome content to biofuel production yields: a meta-analysis a major catabolic pathways among select h3 and ethanol-producing bacteria. BMC Microbiol., 2012;12:295.

123. Cha M., Chung D., Elkins J.G., Guss A.M., Westpheling J. Metabolic engineering of Caldicellulosiruptor bescii yields increased hydrogen production from lignocellulosic biomass. Biotechnol. Biofuels, 2013;6:85.

124. Melis A. Solar energy conversion efficiencies in photosynthesis: minimizing the chlorophyll antennae to maximize efficiency. Plant Sci., 2009;177:272-80.

125. Verbeke T.J., Zhang X., Henrissat B., Spicer V., Rydzak T., Krokhin O.V., et al. Genetic evaluation of Thermoanaerobactor spp. for the construction of designer co-cultures to improve ignocellulosic biofuel production. PLoS One 2013;8(3): 59362.http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0059362.

126. Ilmen M., den Hann R., Brevnova E., Mcbride J., Wiswall E., Froehlich A., Koivula A., et al. High level secretion of cellobiohydrolases by Saccharomyces cerevisiae. Biotechnol. Biofuels, 2011;4:30.

127. Tai M., Stephanopoulos G. Engineering the push and pull of lipid biosynthesis in oleaginous yeast Yarrowia lipolytica for biofuel production. Metab. Eng., 2013;15:1-9.

128. Buijs N.A., Siewers V., Nielsen J. Advanced biofuel production by the yeast Saccharomyces cerevisiae. Curr. Opin. Chem. Biol., 2013;17:480-8.

Как сделать биотопливо и сырье из водорослей менее дорогими

По мере того, как США пытаются перейти к чистой энергетике и нулевым выбросам углерода к 2050 году, кажется, что у биотоплива наступает время. Эти жидкости из возобновляемых источников могут стать прямой заменой энергии для автомобилей, потребляющих нефть, или для промышленных процессов без необходимости изменения всей инфраструктуры энергосистемы.

В частности, похоже, что правительство уделяет больше внимания зеленой слизи, которая может удовлетворить некоторые энергетические потребности американцев: водорослям.

Ранее в феврале Управление биоэнергетических технологий Министерства энергетики (BETO) объявило о новом раунде финансирования на сумму 19 миллионов долларов для проектов, которые могут расширить возможности работающих систем водорослей по улавливанию углекислого газа. Цели двоякие: сократить выбросы парниковых газов и выращивать водоросли для производства биотоплива и других биопродуктов.

Это объявление основано на финансировании предыдущих лет, включая раунд грантов на общую сумму 8 миллионов долларов, выделенных летом 2021 года. Хотя эти цифры меркнут по сравнению с общим бюджетом Министерства энергетики на 2022 год в размере 40,3 миллиарда долларов, биоэнергетика водорослей, похоже, становится все более популярной. интерес — есть даже новый студенческий конкурс инноваций с водными организмами.

[Связано: личинки и водоросли могут стать экологичными закусками будущего]

Конечная цель, говорит Шонна Мэннинг, доцент кафедры молекулярной биологии Техасского университета в Остине, состоит в том, чтобы отказаться от зависимости от ископаемое топливо, используя вместо этого биоэнергию. Мэннинг также является директором по исследованиям и развитию университетской коллекции культур водорослей, которая продает свои запасы компаниям, занимающимся аквакультурой и биотехнологиями, а также отдельным исследователям и владельцам малого бизнеса. Но, как она указывает, существует несколько препятствий на разных этапах производства водорослей, от выращивания до сбора урожая и последующих операций по преобразованию организмов в готовые к продаже продукты.

Технически большая часть энергии уже поступает из водорослей. Сырая нефть, которая дает энергию индустрии ископаемого топлива, является результатом залежей древних водорослей. После миллионов лет жары и давления морская жизнь, такая как растения и эукариоты, превратилась в углеводороды, из которых сегодня состоит нефть. Но инженерные водоросли для производства нефти по запросу могут обеспечить менее углеродоемкое решение для удовлетворения энергетических потребностей. Выигравшие гранты проекты представляют собой целый ряд подходов, в том числе использование водорослей от прямого захвата воздуха и корма для животных.

В Аризонском центре технологических инноваций по водорослям при Университете штата Аризона для выращивания водорослей используются большие открытые водоемы. Технология водорослей используется для создания возобновляемых продуктов, таких как биотопливо, альтернативы пластику и нутрицевтики, которые представляют собой питательные пищевые продукты, которые также можно использовать в качестве лекарственных средств, подобных зеленому чаю и женьшеню.

Одна из ключевых проблем, на которую ссылается Мэннинг, заключается в том, что, хотя эти пруды могут выглядеть плотными, как гороховый суп, водоросли составляют всего один процент от общего объема пруда. Остальная часть плавучей биомассы – вода. Это представляет собой одну из основных проблем при крупномасштабном выращивании водорослей: для получения высокой плотности необходимо удалить из уравнения много воды (большая часть которой в конечном итоге повторно используется в системе). По оценке Мэннинга, процесс сбора и обезвоживания может составлять 70 процентов капитальных затрат.

В поисках решения инженеры Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории черпали вдохновение в земных процессах и придумали метод образования топлива, называемый гидротермальным сжижением. Вместо того, чтобы извлекать масло отдельно, они готовят водоросли, белки и все остальное при невероятно высоких температурах и давлениях, чтобы имитировать образование нефти под водой. Хотя до сих пор это проводилось только в небольших масштабах, это может быть одним из предлагаемых решений, позволяющих избежать дорогостоящих затрат на дегидратацию.

Еще один недавно финансируемый проект Центра устойчивых технологий Иллинойса направлен на сокращение затрат на выращивание и ресурсы за счет использования углекислого газа из дымовых газов, выбрасываемых близлежащей электростанцией, вместе с питательными веществами из очистных сооружений. Система, которая будет расположена на городской станции водоснабжения, освещения и электростанции в Спрингфилде, штат Иллинойс, предназначена для выращивания водорослей в качестве альтернативы корму для животных.

По словам Джоша Макканна, доцента зоотехники Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне, который участвует в проекте Springfield, белок является одной из самых дорогих макромолекул в кормах. Если водоросли окажутся конкурентоспособными по стоимости с более известными кормами, то они могут стать дешевым, но высококачественным выбором для животноводов.

Макканн отмечает, что, поскольку домашний скот является одним из наименее привередливых потребителей, вопрос не в том, будут ли животные потреблять водоросли. Это больше касается того, можно ли производить водоросли по достаточно низкой цене для питания, которое они обеспечивают. Макканн надеется, что уникальный подход к этому растущему проекту компенсирует некоторые из этих опасений. Создавая богатую белком альтернативу, сырье из водорослей может заменить сою и другие традиционные ингредиенты, для выращивания которых требуется непропорционально большое количество земли и воды. Исследователи ожидают первых урожаев этой весной, после чего Макканн проведет анализы, чтобы оценить уровень питательных веществ в водорослях и установить соответствующую цену для продажи сельскохозяйственной продукции.

Между тем, стоимость биотоплива на основе водорослей также остается обременительным фактором. Оценки цен варьируются в зависимости от производителя и масштаба, но пока нет ничего достаточно близкого, чтобы конкурировать с текущим средним показателем по стране в 3,53 доллара за галлон бензина на заправках. Один проект, Консорциум индустриализации морских водорослей в Университете Дьюка, пытается производить биотопливо из водорослей по цене 5 долларов за галлон в промышленных масштабах.

[По теме: Ответы на все ваши животрепещущие вопросы об экологичном авиационном топливе]

Хотя нет убедительных доказательств того, что биотопливо из водорослей при сжигании выделяет меньше парниковых газов, чем ископаемое топливо, его чистый продукт двуокиси углерода меньше, чем при сжигании традиционных видов топлива. Для роста одного килограмма водорослей требуется примерно 1,8 килограмма углекислого газа; для сравнения, взрослое дерево поглощает около 22 кг углекислого газа в год. Кроме того, фотосинтезирующие организмы не нуждаются в пресной воде или пахотных землях для роста, что снижает потребность во все более скудных природных ресурсах.

Но прежде чем они смогут производить биотопливо, необходимо собрать крошечные капельки масла, содержащиеся в водорослях. По словам Мэннинга, эти клетки имеют ширину около 10 микрон или 0,001 миллиметра.

«Мы идем за мелочами здесь. Мы идем за крошечными маленькими клетками, и мы идем за крошечными капельками масла, которые существуют внутри этих клеток», — говорит она. «И поэтому у нас есть много различий в производстве масел в водорослях, от 15 до 50 процентов масла [на организм]».

Иногда для увеличения этих запасов липидов водоросли подвергают стрессу или голоданию, что приводит к увеличению выхода масла. Производители могут повысить уровень, удерживая питательные вещества, такие как сера и азот, или повышая температуру и свет. Определенные виды водорослей также играют роль.

В общем, великий эксперимент будет продолжен. В то время как США десятилетиями возятся с водорослями промышленного назначения, недавний толчок со стороны BETO придает этой области новую актуальность. «Технология водорослей обеспечивает не только исключительный поглотитель углерода, но и универсальный материал, который предлагает решения проблем устойчивого развития от топлива до пластмасс», — говорится в пресс-релизе Управления по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии о недавнем потоке грантов. Но до тех пор, пока затраты не снизятся, эти идеи застрянут в лабораториях и водоемах — и больше ничего.

Миф о биотопливе из водорослей

В 2017 году ExxonMobil объявила об интригующей энергетической инновации: в партнерстве с биотехнологической компанией Synthetic Genomics она использовала технологию редактирования генов CRISPR для получения штамма водорослей, который ExxonMobil заявила, что может проложить путь к устойчивому будущему и «снизить риск изменения климата». С тех пор компания использовала многочисленные платформы социальных сетей, включая Facebook, Instagram и Twitter, чтобы поделиться своей видеокампанией «Миниатюрная наука», продвигая идею о том, что водоросли могут «заправлять грузовики, корабли и самолеты завтрашнего дня».

Биотопливо из водорослей, форма возобновляемой энергии, которая превращает растущие в море водоросли в жидкое топливо, интенсивно изучается после нефтяного кризиса 1970-х годов. С тех пор большинство компаний, занимающихся ископаемым топливом, занимались исследованиями биотоплива из водорослей, внося изменения в производственные процессы, чтобы сделать эти морские овощи жизнеспособной альтернативной энергией. Однако в последние годы многие из этих компаний отказались от своих партнерских отношений и проектов по производству биотоплива из водорослей из-за биологических и экономических ограничений этой работы. ExxonMobil остается в значительной степени единственной, кто утверждает, что будущее экологически чистой энергии, основанной на биотопливе из водорослей, уже не за горами.

Однако это та же самая компания, которая не так давно активно дискредитировала законную науку о климате. С 1960-х годов ExxonMobil знала от своих штатных климатологов и программы моделирования климата, что изменение климата вызвано деятельностью человека и обусловлено использованием ископаемого топлива. Впоследствии она провела одну из «самых изощренных и успешных кампаний по дезинформации» наравне с кампанией табачной промышленности по дискредитации связи между курением и раком легких. Учитывая эту проблематичную историю запутывания науки о климате в сочетании с разочаровывающими результатами исследований биотоплива из водорослей, усилия ExxonMobil по продвижению биотоплива из водорослей в качестве решения проблемы климата кажутся неискренними — это скорее стратегия связей с общественностью, чем серьезные усилия по смягчению последствий изменения климата.

Потерянное обещание инноваций в области биотоплива из водорослей

Многие отраслевые прогнозы в отношении биотоплива из водорослей остаются весьма оптимистичными. Например, компания по производству водорослей Algatech заявляет, что биотопливо из водорослей «на 100% полезно для людей и планеты». Этот раздутый энтузиазм преобладал с первых дней исследований водорослей.

Начиная с запуска в 1970-х годах финансируемой США программы изучения водных видов, миллионы долларов государственных и частных средств были направлены на исследования водорослей. Министерство энергетики является основным двигателем исследований водорослей с 2007 года, при этом значительное финансирование также поступает от ВВС США, Министерства обороны, Национального научного фонда и Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны.

Водоросли, которым уделяется наибольшее внимание, известны как «микроводоросли» — в основном это одноклеточные фотосинтезирующие организмы, живущие на поверхности воды. Микроводоросли являются одними из самых распространенных и важных организмов на планете. Микроводоросли, насчитывающие около 70 000 видов, играют огромную роль в балансировании морских экосистем и регулировании глобальных круговоротов питательных веществ.

Чтобы превратить эти крошечные растения в топливо, исследователи обычно выращивают микроводоросли в больших открытых прудах или в закрытых фотобиореакторах, хотя в больших масштабах их, вероятно, придется выращивать на открытом воздухе. Ученые собирают водоросли, разрушают клеточные стенки растений с помощью химического растворителя, а затем извлекают из них внутренние липиды, белки и углеводы, которые проходят заключительный этап обработки, превращающий их в биотопливо. Большая часть финансирования исследований была направлена ​​​​на улучшение этих процессов, минимизацию затрат и максимизацию результатов с целью сделать крупномасштабное производство водорослей коммерчески жизнеспособным.

ExxonMobil заявила, что сделала большой шаг к этой цели в 2017 году. Работая с биотехнологической компанией Synthetic Genomics, которую ExxonMobil помогла основать в 2009 году, ExxonMobil объявила о создании генетически модифицированного штамма микроводорослей, который может производить вдвое больше липидов без существенного тормозящие рост. Это нововведение теоретически может позволить компании значительно увеличить производство биотоплива. На самом деле ExxonMobil была настолько уверена в своем прорыве, что заявила, что редактирование генов позволит производить к 2025 году поразительные 10 000 баррелей биотоплива из водорослей в день9.0003

Тем не менее, в то время как ExxonMobil празднует эти предполагаемые достижения в области генной инженерии, другие энергетические компании уже давно отказались от биотоплива из водорослей. К 2012 году Shell завершила свою программу исследований и разработок биотоплива из водорослей, исчезли новости о сделке BP на 10 миллионов долларов с бионаучной фирмой Martek, а пятилетнее партнерство Chevron с финансируемой государством Национальной лабораторией возобновляемой энергии не принесло значительных прорывов. К началу 2018 года веб-сайт Chevron перешел от обещаний, что разработка биотоплива из водорослей «все еще находится на стадии исследований», к открытому признанию того, что его работа не увенчалась успехом. Компании по производству водорослей по всему миру также объявили о намерении «переключиться» или диверсифицировать свои исследовательские цели, обычно на производство водорослей для пищевых продуктов или пищевых добавок. Например, Algenol перешла на улавливание углерода и создание пресной воды в 2015 году, а Solazyme, поддерживаемая Chevron, объявила в 2016 году, что полностью прекращает свою программу биотоплива.

Похоже, что только ExxonMobil сохранила головокружительное волнение по поводу биотоплива из водорослей прошлых десятилетий. Хотя с 2017 года компания не продвигала много конкретных прорывов в своих исследованиях биотоплива из водорослей, присутствие ExxonMobil в социальных сетях свидетельствует о сохраняющемся оптимизме в отношении будущего этой возобновляемой энергии.

«Если вы посмотрите на Facebook или Instagram ExxonMobil, вы подумаете, что водоросли — это все, о чем они думают все время», — сказала HPR Зоя Тейрштейн, репортер Grist. Тем не менее, по словам Тейрштейна, компания, похоже, не стремится на самом деле сообщить об этой работе в основные средства массовой информации: «Когда вы звоните в их офисы, вы не видите ни подразделения по водорослям, ни группы ученых, работающих над этим — их основным продуктом по-прежнему остается нефть». Когда Тейрштейн позвонила в компанию, ни один из трех представителей, с которыми она разговаривала, понятия не имел, что она имела в виду, когда спрашивала о биотопливе из водорослей.

Затраты на постоянные инвестиции

Несмотря на оптимизм отрасли, десятилетия исследований, похоже, пришли к разочаровывающей реальности: экономические и биологические ограничения водорослей делают их нереалистичной топливной альтернативой в будущем. Для масштабного производства требуется слишком много удобрений, слишком много воды и слишком много энергии. Чтобы вырастить достаточное количество водорослей, чтобы удовлетворить 5 процентов потребностей транспортного сектора США в энергии, потребуются непомерные удобрения, составляющие до 107 процентов потребления азота в стране и половину ее фосфора. И промышленные процессы, необходимые для фактического преобразования микроводорослей в топливо, могут привести к чистым потерям энергии: для производства водорослей может потребоваться до 53 процентов больше энергии, чем они могут предложить в качестве биотоплива.

Помня об этих соображениях, аналитические центры и исследовательские центры по всему миру советуют правительствам не активизировать исследования в области биотоплива из водорослей, особенно когда финансирование может конкурировать с более многообещающими исследованиями в области возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия и ветер. EnAlgae, финансируемая ЕС коалиция из 19 исследовательских организаций, в 2015 году пришла к выводу, что «крайне маловероятно» то, что микроводоросли будут играть большую роль в устойчивом энергетическом будущем Европы. Точно так же в 2017 году Международное энергетическое агентство подтвердило, что водоросли «не предвидятся экономически жизнеспособными в ближайшей и среднесрочной перспективе».

Тем не менее, по мере того, как эти прогнозы множатся, ExxonMobil по-прежнему убеждена, что — с помощью некоторых генно-инженерных свойств — производство водорослей можно сделать прибыльным в больших масштабах, преодолев биологические ограничения, которые свели на нет предыдущие попытки. Эти генетические модификации вводят новые причины для осторожности: в частности, тревожную возможность того, что генетически модифицированные штаммы водорослей могут легко попасть в окружающую среду. В настоящее время многие исследователи выращивают свои водоросли в закрытых вольерах, но для увеличения их масштабов, вероятно, потребуется выращивать водоросли в системах под открытым небом, где возможность побега возрастает в геометрической прогрессии.

«Вам нужна только одна птица, чтобы поднять ее на ноги и улететь», — объяснил Кевин Флинн, ведущий исследователь водорослей в Университете Суонси, в интервью HPR. Эта единственная птица могла забрать водоросли, где бы она ни приземлилась, случайно помогая создать колонии водорослей, потенциально находящиеся за сотни миль от исходного места. Исследования Флинна показывают, что, оказавшись в природе, микроводоросли могут с тревожной легкостью распространиться «по планете», где они могут сокрушить местные виды, особенно если у водорослей есть специально разработанные черты, помогающие им превзойти других диких животных. «Распространение генетически модифицированных микроводорослей… практически невозможно остановить», — предупредил Флинн в исследовании 2012 года.

Ученые могут только догадываться, как генно-инженерные водоросли будут вести себя в природе, но многие эксперты предупреждают о катастрофических последствиях. Вредоносное цветение водорослей может вызвать «массовую гибель рыб и смерть морских птиц и млекопитающих, а также болезни или даже смерть людей» или создать истощенные кислородом мертвые зоны океана, где большая часть жизни просто не может существовать. Горизонтальный перенос генов, при котором микроводоросли переносят гены бесполым путем и поглощают «голую ДНК» в окружающей среде, вызывает еще одну проблему. С помощью этого процесса генно-инженерные водоросли могли передать свою собственную ДНК диким водорослям. Поскольку эти гены в целом стимулируют рост, они могут быстро размножаться, резко увеличивая риск вредоносного цветения водорослей.

Большинство исследователей не задаются вопросом, попадут ли микроводоросли в дикую природу; скорее, они действуют исходя из предположения, что это ускользнет. Существует вероятность того, что международное загрязнение может быть безвредным, но, по словам Флинна, существует такая же вероятность — если не выше — вероятность того, что оно может разрушить экосистемы. Он сравнивает сценарий бегства водорослей с разливом нефти Exxon Valdez, только со способностью водорослей быстро размножаться: «Это может быть намного, намного хуже». В отличие от относительно локального разлива нефти, если опасные виды водорослей будут выпущены в дикую природу, даже хорошо финансируемые долгосрочные усилия по очистке могут оказаться тщетными.

Переход к реальным климатическим решениям

Неэффективная биология, экономика и экологические опасности подрывают уверенность ExxonMobil в том, что коммерчески жизнеспособное биотопливо из водорослей уже не за горами. Даже бывший генеральный директор ExxonMobil Рекс Тиллерсон признал, что будущее, основанное на биотопливе из водорослей, не за горами, заявив в 2013 году, что на разработку коммерчески жизнеспособного продукта может уйти 25 лет. Миф об этом перспективном будущем, возможно, является самой пагубной особенностью биотоплива из водорослей: оно отвлекает внимание и ресурсы от более реалистичных климатических решений.

«[Биотопливо из водорослей] отвлекает нас от более многообещающих ресурсов, таких как солнечная энергия и ветер», — сказала HPR Дана Перлз, старший участник кампании «Друзья Земли» в области продовольствия и сельского хозяйства. Для Перлза каждый доллар, вложенный в исследования биотоплива из водорослей, представляет собой финансирование, которое могло бы помочь установить более перспективную солнечную или ветровую инфраструктуру.

Однако, даже если биотопливо из водорослей является «тупиком и опасным отвлечением» с точки зрения климатических решений, оно имеет огромную ценность как маркетинговый инструмент. Рекламная кампания ExxonMobil по биотопливу из водорослей изображает ее как «зеленую» компанию, создавая внешнее впечатление, что защита окружающей среды является одной из ее основных задач. Этот зеленый шпон помогает уменьшить общественное давление, требующее более агрессивных действий в отношении изменения климата. Это «держит людей в напряжении, думая, что мы почти у цели», — сказала HPR Рэйчел Смолкер, содиректор Biofuelwatch. Если они считают, что есть значимый толчок для дополнительных исследований в области биотоплива из водорослей, и что полномасштабное развертывание не за горами, люди могут быть более самодовольными, требуя немедленных изменений в практике компаний и государственной политике.

Кроме того, многолетняя история ExxonMobil по распространению дезинформации о климате поднимает серьезные вопросы о мотивах ее продвижения биотоплива из водорослей в качестве решения проблемы климата. ExxonMobil выиграет от промедления с изменением климата — чем дольше компания сможет препятствовать переходу на возобновляемые источники энергии, тем дольше она сможет получать прибыль от экономики, зависящей от ископаемого топлива. По мере того, как скептицизм в отношении климата становится менее распространенным, отвлечение внимания на климат — сосредоточение внимания на нереалистичных и еще не развернутых «зеленых» технологиях — может работать аналогичным образом, порождая сопоставимое самоуспокоенность в отношении действий по борьбе с изменением климата.

Между тем, некоторые выражения, используемые сторонниками биотоплива из водорослей, вызывают подозрение, что, даже если предприниматели в области водорослей серьезно относятся к созданию крупномасштабного возобновляемого источника топлива, они менее заинтересованы в преодолении климатического кризиса, чем в получении от него прибыли. Организация по биомассе водорослей, например, утверждает, что «новый урожай технологий микроводорослей может [преобразовывать] CO2 в ценные товары для отраслей с триллионами долларов, таким образом превращая проблему… в возможность — постоянный поток доходов».

Чтобы ограничить глобальное потепление двумя градусами Цельсия к середине века, как это предусмотрено в Парижском соглашении, и избежать необратимых, катастрофических последствий изменения климата, Межправительственная группа экспертов по изменению климата призвала страны радикально обезуглерожить глобальную экономики к 2030 году и полностью обезуглерожить к 2050 году. Для достижения этих целей потребуется ежегодное чистое сокращение выбросов парниковых газов. Вместо того, чтобы поддерживать ложный оптимизм в отношении биотоплива из водорослей, Biofuelwatch призывает прекратить все исследования в этой области, финансируемые из федерального бюджета, и перенаправить ресурсы на решения, которые могут более значимо способствовать будущему низкоуглеродной энергетики.

Заглядывая в будущее, кажется, что ExxonMobil могла бы лучше поддерживать глобальные климатические цели, выделив часть своего собственного капитала в размере 285 миллиардов долларов на уже проверенные технологии и инфраструктуру возобновляемых источников энергии, а не на продолжение своих проектов биотоплива из водорослей. Некоторые призывают компанию пойти еще дальше, чтобы компенсировать свой исторический вклад в бездействие в области климата. Как сказала HPR старший менеджер программы «Друзья Земли» по ископаемому топливу Николь Гио: «Если Exxon хочет стать лидером в области климата, [она] может полностью отказаться от ископаемых, очистить токсичное наследие на [своих] объектах и ​​выплатить компенсацию.