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

Содержание

Биотопливо из водорослей – поршневым электростанциям! — № 02 (05) апрель 2013 — Тепловая энергетика — WWW.EPRUSSIA.RU

Биотопливо из водорослей – поршневым электростанциям! — № 02 (05) апрель 2013 — Тепловая энергетика — WWW.EPRUSSIA.RU — информационный портал энергетика

http://www.eprussia.ru/teploenergetika/5/103.htm

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 02 (05) апрель 2013

Водоросли как энергетическая растительность представляется сегодня в мире очень перспективным возобновляемым сырьем для производства биотоплив. В малой энергетике весьма эффективными объектами полезного использования водорослевых топлив могут стать различные тепловые поршневые электростанции.

Чем же привлекательна такая «зеленая» биотопливно-электростанционно-поршневая комбинация? Биотопливо, являясь возобновляемым энергоносителем, безусловно должно составлять все большую и большую конкуренцию традиционным исчерпаемым природным энергетическим богатствам, таким, как нефть и природный газ. Но что полезного можно получить из водорослей? Оказывается, сегодня специалистами в области биоэнергетики рассматриваются в общем‑то два определенно возможных направления энергетического использования водорослей: прямое сжигание водорослевой биомассы и ее переработка в жидкое моторное топливо – биодизель. Оба направления принципиально актуальны в малой тепловой энергетике, только первое – для реализации в водогрейных котельных и мини-ТЭЦ на базе паровых котельных, а второе – все же больше для тепловых поршневых мини-электростанций с дизельными двигателями. В последнем случае экологические показатели работы установок будут существенно лучше, чем у электростанций на дизельном топливе из нефти, которые сейчас работают и даже еще внедряются в нашей стране.

Дизельные поршневые электростанции являются куда более экономичными при своей работе, чем турбинные, которые тоже могут работать на дизельном топливе. Коэффициент полезного действия у поршневых двигателей внутреннего сгорания выше, чем у газовых турбин. А паровые мини-электростанции, работающие по циклу Ренкина, энергетически тоже выгоднее в поршневом исполнении, а не паротурбинном. По крайней мере, это определенно справедливо при электрических мощностях до 1,2 МВт. Паровые поршневые двигатели вместо паровых турбин особенно эффективно работают в паровых котельных, переведенных в режим мини-ТЭЦ (см. статью «Что объединяет котельную и самолет?» – «ТЭ» № 2 (02) за 2012 год и сайт eprussia.ru/teploenergetika)).

При использовании водорослей на паровых мини-электростанциях непосредственно в качестве своеобразного твердого топлива затраты при его получении фактически минимальны, если сравнивать с производством жидкого биотоплива из водорослей. И если на потребительские нужды в большей степени требуется тепловая энергия, а не электрическая, то паровая поршневая мини-ТЭЦ – очень выгодный и неприхотливый в эксплуатации собственный источник энергии. В сущности, это получается локомобильная электростанция, только построенная по‑современному: блочно-модульная компоновка, высокоэффективная топка котла для сжигания твердого топлива в высокотемпературном циркулирующем кипящем слое и, конечно… паровые моторы, скажем, от германской фирмы Spilling Energie Systeme GmbH или чешской компании PolyComp a. s., а может даже отечественные паропоршневые двигатели в скором времени будут производиться.

Что касается переработки водорослей в жидкое биотопливо, то она, естественно, энергетически затратна, как и любое производство моторных топлив: из прочей биомассы или нефти. Правда, стоит особо подчеркнуть факт того, что инвестиции в биотехнологии – это инвестиции в будущее человечества и думать здесь нужно прежде всего об экологических, а не экономических выгодах от реализации новых технологий. Это должно относиться, по крайней мере, к странам с мощным экономическим потенциалом, в число которых, по существу, входит и Россия. Так или иначе, но разведанные запасы невозобновляемых природных энергетических ресурсов истощаются, и затраты на добычу последних будут в обозримом будущем только расти. Со стороны самих электростанций особой проблемы перехода на потребление биодизельного топлива уже нет. Разработчики и производители дизельных электростанций очень часто в линейке своей продукции уже предлагают и биотопливные модификации.

Жидкое биотопливо из водорослей относится даже к отдельному и самому современному поколению биотоплив – третьему. Согласно докладу FAO (Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН) «Положение дел в области продовольствия и сельского хозяйства-2008», биотопливом первого поколения считается обычно жидкое биотопливо на основе культур, содержащих сахар или крахмал (кукуруза, рожь, пшеница, сахарная свекла и другие), либо масличных культур (рапс, соя, подсолнечник и прочие). Биомасса первых двух групп служит для производства этанола, а третьей – для выработки биодизеля. Биотоплива второго поколения возможно получать в результате переработки лигноцеллюлозной биомассы (все целлюлозосодержащие отходы на Земле, к числу которых относятся: сельскохозяйственные и отходы лесоводства – солома сельхозкультур, стебли растений, листья; отходы деревообработки, например в виде опилок; органические вещества из городского мусора). Это сырье более устойчиво к расщеплению, чем сахар, крахмал и масло.

Отличительная особенность водорослей, если сравнивать с сырьем для биотоплив первого и второго поколений, проявляется и в том, что их разведение может быть организовано в водоемах, как незадействованных, так и используемых для нужд сельского или рыбного хозяйства, либо – в специальных фотобиореакторах, то есть установках, где создаются и поддерживаются благоприятные условия выращивания водорослей. Кроме этого, водорослевая растительность поглощает при своем росте в процессе фотосинтеза, помимо солнечных лучей, еще и углекислый газ, что улучшает экологическую обстановку в прилегающих к водоемам зонах. Масляный и жировой составы водорослей по структуре молекул не отличаются от тех, что у нефти.

В последние годы ученые и специалисты из Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) Российской академии сельскохозяйственных наук развивают очень интересные в плане дальнейшего практического использования инновационные технологии получения биотоплив из так называемых микроводорослей. Естественно, что до развертывания крупного производства необходимо научиться прогрессивно культивировать микроводоросли: выращивать их штаммы в лабораторных фотобиореакторах (первый этап) с последующим высевом и доращиванием штаммов микроводорослей уже в промышленных фотобиореакторах или водоемах (второй этап). Такая технология культивирования микроводорослей представляется разработчиками как двухэтапная. При этом разведение микроводорослей в водоемах предусматривается с использованием беспилотных летательных аппаратов для целевого мониторинга условий культивирования в ходе промышленного выращивания фитомассы микроводорослей. Технологические процессы сбора урожая и отделения фитомассы от воды могут быть реализованы с помощью соответствующей плавающей техники и специального оборудования для обезвоживания.

Производство биотоплив из фитомассы микроводорослей, выращенных в промышленных фотобиореакторах или водоемах, возможно вести в двух направлениях: получение микроводорослей как конечного товарного продукта – биотоплива для прямого сжигания в топках котельных установок паровых мини-ТЭЦ либо переработка микроводорослей в жидкое биотопливо третьего поколения с целью последующего использования как моторного топлива (см. таблицу). К последнему направлению относится производство биодизеля из жиров микроводорослей, а также – биоэтанола из микроводорослевой клетчатки. С единицы площади водной поверхности принципиально возможно собирать урожай микроводорослей с последующей их переработкой в биотопливо третьего поколения, количество которого будет существенно превышать соответствующий показатель по получению жидкого биотоплива из сельскохозяйственных культур (например, рапса), собираемых с такой же площади занимаемой ими поверхности Земли. К тому же водоросли как альгакультура (водная культура), да еще и непищевого назначения не создает никакой территориальной конкуренции сельскохозяйственному растениеводству (в отличие от многих других биотопливных культур) и предоставляет реальную возможность снизить, а может, в перспективе, даже практически свести к минимуму необходимость использования пищевых культур в качестве сырья для производства жидкого биотоплива.

Для скорейшего внедрения таких привлекательных микроводорослевых экотехнологий целесообразно использовать не вовлеченные в сельскохозяйственную деятельность гидротерритории и зоны, где возможно разместить фотобиореакторы. Особый интерес здесь представляют рыбоводческие хозяйства. Микроводоросли способствуют также подавлению патогенной микрофлоры (к примеру, сине-зеленых водорослей), что позволяет упростить и, следовательно, удешевить процесс ее удаления при обслуживании прудов рыбных хозяйств. Если засеять штаммом хлореллы два нагульных пруда (для выращивания, то есть нагула товарной рыбы) площадью 20 квадратных метров, то с каждого будет обеспечиваться, что установлено, прирост товарной рыбы на 2‑4 центнера с гектара по сравнению с рыбным урожаем в контрольных прудах. Вот такие дополнительные выгоды от разведения микроводорослей могут ожидаться в рыбных хозяйствах!

Специально по тематике «Биодизельное топливо из водорослей» в 2008 году была выпущена одноименная монография «Издательством ВИЭСХ». Ее авторы М. Ю. Росс и Д. С. Стребков – известные специалисты в области возобновляемой энергетики. Хочется надеяться, что изложенные в ней знания непременно получат практическое воплощение при производстве такого перспективного экотоплива, как биодизельное из водорослей. А современные биодизельные поршневые электростанции могут стать хорошим «полигоном» для реальных проб этого топлива в действии. Тогда наконец‑то должны проявиться экологическо-экономические преимущества биодизельной энергетики по сравнению с традиционной «грязной» дизельной – сначала на стационарных энергетических объектах, а затем – может, постепенно, и в энергетике автомобильного транспорта, где дизельные и бензиновые моторы являются базовыми приводными двигателями.

Также читайте в номере № 02 (05) апрель 2013:

У «СТС Изоляция» продажи выросли на 2 процента
Объем производства и продаж труб в ППУ изоляции компании «СТС Изоляция» за период первого квартала 2013 года по отношению к показателям производства и продаж за данный период годом ранее улучшился на 2 процента.
С 2014 года в Белоруссии будут строить только энергоэффективные дома
Для реализации такого решения, которое может благоприятнейшим образом повлиять на стремительное развитие экономики страны, разрабатывается соответствующая республиканская программа.
Современная изоляция теплотрасс защитит от аварий
Осенью 2012 года все новостные ленты пестрили сообщениями и статьями о постоянных прорывах теплотрасс в Петербурге. В начале осени было объявлено, что город к зиме готов, что проведены плановые работы, подготовлены бригады ремонтников.
Хотели как лучше… а воз и ныне там
Мы продолжаем рассматривать тему рационального использования природных энергетических ресурсов.
О работе торцовых уплотнений в сетевых насосах ООО НПЦ «АНОД»
Значительную роль в обеспечении населения горячей водой играют циркуляционные сетевые насосы теплоцентралей. Это они перекачивают нагретую воду от ТЭЦ к потребителям и обратно на подогрев в котлах.

Смотрите и читайте нас в

Каталог «Энергетика РУ»

Компании

Новости

Статьи

Продукция

Полная версия сайта

Контакты

— Выберите область поиска —
— Выберите область поиска —
Искать в новостях
Икать в газете
Искать в каталоге

‘

Биотопливо из водорослей: плюсы и минусы технологии

хостел Екатеринбурга эконом класса в центре цены;абонентская обслуживание по охране труда

Автор статьи:
nomitech. ru

Если верить рекламным лозунгам, то современное биотопливо является эффективной и экологически привлекательной альтернативой бензину и дизельному топливу. Однако на практике при производстве и использовании биотоплива, специалисты зачастую сталкиваются с множеством специфических проблем, о которых большинство людей и не подозревает. Развитие технологии получения биотоплива можно условно поделить на три периода. Во время первых двух периодов биотопливо производили из растительных культур и животных отходов. В настоящее время идёт освоение новой технологии биотоплива (биотопливо третьего поколения), где в качестве источника сырья выступают водоросли. Получение биотоплива из водорослей было воспринято во всём мире с большими надеждами и ожиданиями. Считалось, что на искусственной основе учёным удалось воспроизвести сущность создания ископаемых видов топлива (таких, как мазут и газ), которые происходят из древнейших видов водорослей.

Также учёные были преисполнены надежд на тот, что использование водорослей для изготовления биотоплива окажется намного эффективнее технологии переработки наземных растений. На совершенствование процесса переработки водорослей в биотопливо были потрачены значительные средства, однако с течением времени выяснилось, что ожидания и надежды специалистов себя не оправдали. Практика показала, что переработка водорослей в биотопливо не может считаться коммерчески выгодным и экологически оправданным процессом.

Оказалось, что количество биотоплива на основе водорослей примерно соответствует количеству биотоплива, полученного в результате переработки наземных растений. Кроме того, для выращивания водорослей, из которых будет производиться биотопливо, потребуются водоёмы довольно большой площади. Например, чтобы обеспечить биотопливом только 10% транспортных средств ЕС, понадобятся пруды, общая площадь которых превысит площадь Бельгии в три раза. Чтобы вырастить в таких прудах высококачественные водоросли, придётся потратить для этого количество удобрений, эквивалентное 50% современных потребностей Европейского Союза в сельском хозяйстве. Ко всему прочему, эти пруды должны находиться рядом с предприятиями тяжёлой промышленности, которая сможет обеспечить водорослям уровень CO₂, необходимый для фотосинтеза.

Однако нельзя считать провальной деятельность учёных в освоении производства биотоплива третьего поколения. В результате проведенных исследований были получены важные результаты, которые могут быть использованы при выращивании микроводорослей для поддержки рыбного хозяйства и производства различных биодобавок. Массовое производство микроводорослей поможет созданию продуктов, содержащих омега-жирные кислоты, являющиеся компонентом корма для выращивания промышленных пород рыбы.

Для получения более полной информации, надо обратиться к нашим специалистам по телефону
+7 (495) 268-0242, или почте info@nomitech. ru, они окажут помощь в подборе необходимого оборудования, которое будет соответствовать вашим требованиям как в части технических характеристик, так и в ценовом плане.

Водоросли для производства биотоплива – Farm Energy

Исследования изучают микроводоросли, содержащие от 20 до 80 процентов масла в пересчете на сухую массу биомассы, в качестве биотопливной энергетической культуры. Узнайте о производстве водорослей в прудах и фотобиореакторах, урожайности, затратах и проблемах, связанных с этим захватывающим новым сырьем для производства биодизеля.

Исследования биотоплива на водорослях. Фото: Практическое сообщество Farm Energy

Содержание

Введение
Текущий потенциал для использования в качестве биотоплива
Биология и адаптация
Производственная и агрономическая информация
Потенциальная доходность
Производственные проблемы
Расчетная стоимость производства
Вопросы экологии и устойчивого развития

Введение

Водоросли — это организмы, которые растут в водной среде и используют свет и двуокись углерода (CO ₂ ) для создания биомассы. Существует две классификации водорослей: макроводоросли и микроводоросли. Макроводоросли, размеры которых измеряются в дюймах, — это большие многоклеточные водоросли, которые часто растут в прудах. Эти более крупные водоросли могут расти по-разному. Самые крупные многоклеточные водоросли называются водорослями; примером является гигантское растение ламинарии, длина которого может достигать более 100 футов. Микроводоросли, с другой стороны, измеряются в микрометрах и представляют собой крошечные одноклеточные водоросли, которые обычно растут во взвешенном состоянии в водоеме.

Изображение микроводорослей.

Микроводоросли уже давно признаны потенциально хорошими источниками для производства биотоплива из-за их относительно высокого содержания масла и быстрого производства биомассы. Микроводоросли растут очень быстро по сравнению с наземными культурами; практику массового культивирования водорослей можно проводить на непахотных землях с использованием непитьевой соленой воды и сточных вод. Таким образом, использование микроводорослей в качестве альтернативного биодизельного биотоплива вызывает все больший интерес со стороны исследователей, предпринимателей и широкой общественности.

Текущие возможности использования в качестве биотоплива

Биомасса водорослей содержит три основных компонента: углеводы, белки и липиды/натуральные масла. Поскольку основная часть натурального масла, производимого микроводорослями, находится в форме трицилглицерина (рис. 1), который является подходящим типом масла для производства биодизельного топлива, микроводоросли являются исключительным центром внимания в области превращения водорослей в биодизельное топливо. Помимо биодизеля, микроводоросли также можно использовать для получения энергии несколькими другими способами. Некоторые виды водорослей могут производить газообразный водород в особых условиях роста. Биомасса из водорослей также может быть сожжена подобно древесине или анаэробно переработана для производства метанового биогаза для выработки тепла и электричества. Биомасса водорослей также может быть обработана пиролизом для получения сырой бионефти.

Биология и адаптация

Микроводоросли быстро растут и содержат большое количество масла по сравнению с наземными культурами, для выращивания которых требуется сезон и которые содержат максимум около 5 процентов сухого веса масла (Чисти, 2007). Обычно они удваиваются в размере каждые 24 часа. Во время фазы пикового роста некоторые микроводоросли могут удваиваться каждые три с половиной часа (Чисти, 2007). Содержание масла в микроводорослях обычно составляет от 20 до 50 процентов (сухой вес, таблица 1), а у некоторых штаммов может достигать 80 процентов (Metting, 19).96; Сполаоре и др., 2006). Вот почему микроводоросли находятся в центре внимания на арене производства биотоплива из водорослей.

Таблица 1. Масличность микроводорослей.

Таблица 2. Выход масла в зависимости от типа культуры.

Микроводоросли	Содержание масла (% сухого веса)
Botryococcus braunii	25-75
Chlorella sp.	28-32
Криптекодиниум конии	20
Cylindrotheca sp.	16-37
Nitzschia sp.	45-47
Phaeodactylum tricornutum	20-30
Schizochytrium sp.	50-77
Tetraselmis Suecia	15-23

Урожай	Выход масла (галлоны/акр)
Кукуруза	18
Соевые бобы	48
Канола	127
Ятрофа	202
Кокос	287
Пальмовое масло	636
Микроводоросли	6283-14641

Производственная и агрономическая информация

Большинство микроводорослей являются строго фотосинтезирующими, то есть им необходим свет и углекислый газ в качестве источников энергии и углерода. Этот режим культуры обычно называют фотоавтотрофным. Однако некоторые виды водорослей способны расти в темноте и использовать органический углерод, такой как глюкоза или ацетат, в качестве источников энергии и углерода. Такой способ культивирования называется гетеротрофным. Из-за высоких капитальных и эксплуатационных затрат культивирование гетеротрофных водорослей трудно оправдать для производства биодизеля. Чтобы минимизировать затраты, производство биотоплива из водорослей обычно основано на фотоавтотрофной культуре, которая использует солнечный свет в качестве бесплатного источника света.

Фототрофным микроводорослям для роста требуются свет, углекислый газ, вода и неорганические соли. Температура культуры должна быть между 15 и 30 ° C (~ 60-80 ° F) для оптимального роста. Среда для роста должна вносить неорганические элементы, из которых состоят клетки водорослей, такие как азот, фосфор, железо и иногда кремний (Grobbelaar, 2004). Для крупномасштабного производства микроводорослей клетки водорослей постоянно перемешиваются, чтобы предотвратить оседание биомассы водорослей (Molina Grima et al. , 19).99), а питательные вещества поступают в светлое время суток, когда водоросли размножаются. Однако до четверти дневной биомассы водорослей может быть потеряно в результате дыхания ночью (Чисти, 2007).

Доступны различные фотоавтотрофные системы культивирования микроводорослей. Например, водоросли можно выращивать в суспензии или прикреплять к твердой поверхности. Каждая система имеет свои преимущества и недостатки. В настоящее время для производства биотоплива из водорослей широко используются суспензионные открытые пруды и закрытые фотобиореакторы. В общем, открытый пруд — это просто ряд каналов снаружи, а фотобиореактор — это сложная конструкция реактора, которую можно разместить как в помещении, в теплице, так и на открытом воздухе. Детали этих двух систем описаны ниже.

Открытые пруды: Открытые пруды — самые старые и простые системы для массового культивирования микроводорослей. В этой системе неглубокий пруд обычно имеет глубину около 1 фута; водоросли выращивают в условиях, идентичных их естественной среде. Пруд спроектирован в виде желоба, в котором гребное колесо обеспечивает циркуляцию и перемешивание клеток водорослей и питательных веществ (рис. 2). Канатные дорожки обычно делаются из литого бетона или просто вкапываются в землю и облицовываются пластиком, чтобы земля не впитывала жидкость. Перегородки в канале направляют поток вокруг изгибов, чтобы минимизировать пространство. Система часто работает в непрерывном режиме, то есть свежий корм, содержащий питательные вещества, включая азот, фосфор и неорганические соли, добавляется перед гребным колесом. Бульон из водорослей собирают за лопастным колесом после того, как он прошел через петлю (рис. 2). В зависимости от питательных веществ, требуемых видами водорослей, для выращивания водорослей могут использоваться различные источники сточных вод, такие как стоки молочных/свиноводческих отстойников и муниципальные сточные воды. Для некоторых морских видов микроводорослей можно использовать морскую воду или воду с высокой соленостью.

Хотя строительство и эксплуатация открытых прудов дешевле, чем закрытых фотобиореакторов, эта система культивирования имеет свои недостатки. Поскольку это системы открытого типа, они часто испытывают большие потери воды из-за испарения. Таким образом, микроводоросли, растущие в открытом водоеме, недостаточно эффективно поглощают углекислый газ, а производство биомассы водорослей ограничено (Чисти, 2007). Продуктивность биомассы также ограничивается загрязнением нежелательными видами водорослей, а также другими организмами из корма. Кроме того, в открытых прудах сложно поддерживать оптимальные условия культивирования, а извлечение биомассы из такой разбавленной культуры обходится дорого (Molina Grima et al., 19).99).

Закрытые фотобиореакторы: Закрытые фотобиореакторы использовались для решения проблем загрязнения и испарения, возникающих в открытых прудах (Molina Grima et al., 1999). Эти системы изготавливаются из прозрачных материалов и обычно размещаются на открытом воздухе для освещения естественным светом. Сосуды для культивирования имеют большое отношение площади поверхности к объему.

Наиболее широко используемый фотобиореактор имеет трубчатую конструкцию, состоящую из нескольких прозрачных трубок, обычно ориентированных по направлению солнечных лучей (рис. 3). Трубки обычно имеют диаметр менее 10 сантиметров, чтобы обеспечить максимальное проникновение солнечного света (Чисти, 2007). Бульон среды циркулирует через насос в пробирки, где подвергается воздействию света для фотосинтеза, а затем возвращается в резервуар. Оседание биомассы водорослей предотвращается за счет поддержания сильно турбулентного потока внутри реактора с использованием либо механического насоса, либо эрлифтного насоса (Chisti, 2007). Часть водорослей обычно собирают после солнечных коллекторных трубок. Таким образом, возможно непрерывное культивирование водорослей (Чисти, 2007). В некоторых фотобиореакторах трубки представляют собой скрученные спирали, образующие так называемый спиральный трубчатый фотобиореактор, но иногда для этого требуется искусственное освещение, что увеличивает стоимость производства. Поэтому эта технология используется только для продуктов с высокой стоимостью, а не для биодизельного сырья.

В процессе фотосинтеза выделяется кислород. В системе с открытым каналом это не проблема, поскольку кислород просто возвращается в атмосферу. Однако в закрытом фотобиореакторе уровень кислорода будет расти до тех пор, пока он не станет ингибировать и отравлять водоросли. Культуру необходимо периодически возвращать в зону дегазации, место, где бульон водорослей барботируется воздухом для удаления избыточного кислорода. Кроме того, водоросли используют углекислый газ, что может вызвать углеродное голодание и повышение pH. Следовательно, для успешного выращивания микроводорослей в больших масштабах в систему необходимо подавать углекислый газ. Фотобиореакторы могут нуждаться в охлаждении в светлое время суток, а в ночные часы также необходимо регулировать температуру. Это можно сделать с помощью теплообменников, расположенных либо в самих трубах, либо в дегазационной колонне.

Преимущества закрытых фотобиореакторов очевидны. Они могут решить проблемы загрязнения и испарения, возникающие в открытых водоемах (Молина Грима и др., 1999). Продуктивность фотобиореакторов по биомассе может быть в среднем в 13 раз выше, чем у традиционного пруда с желобом (Чисти, 2007). Сбор биомассы из фотобиореакторов обходится дешевле, чем сбор биомассы из пруда с лотками, поскольку типичная биомасса водорослей примерно в 30 раз более концентрирована, чем биомасса, обнаруженная в лотках (Chisti, 2007). Однако закрытые фотобиореакторы также имеют некоторые недостатки. Например, реакторы дороже, и их сложно масштабировать. Кроме того, ограничение света не может быть полностью преодолено, поскольку проникновение света обратно пропорционально концентрации клеток. Прикрепление клеток к стенкам трубки также может препятствовать проникновению света. Хотя закрытые системы могут увеличить концентрацию биомассы, рост микроводорослей все еще не оптимален из-за колебаний температуры и интенсивности света.

Сбор: После выращивания в открытых прудах или фотобиореакторах биомассу микроводорослей необходимо собрать для дальнейшей переработки. Обычно используемый метод сбора урожая — гравитационное осаждение или центрифуга. Нефть из биомассы будет удалена путем экстракции растворителем и далее переработана в биодизель.

Потенциальные выходы

В зависимости от используемых систем культивирования (открытые пруды или закрытые фотобиореакторы), выход продукции микроводорослей выражается как количество биомассы на единицу площади поверхности (для открытых прудов) или на единицу объема реактора (для закрытые фотобиореакторы). Типичный открытый пруд может производить от 5 до 10 граммов биомассы (в сухом состоянии) на м ² площади поверхности в день, что соответствует от 7,4 до 14,8 тонн (сухой биомассы) на акр в год. Некоторые исследователи сообщают, что выход биомассы может достигать 50 г/м ² в сутки, т. е. 74 т биомассы/м ² в год в открытом пруду. Для закрытых фотобиореакторов выход биомассы может составлять примерно 2–3 г/л в сутки, т. е. 0,73–1,05 т (сухой биомассы)/м ³ в год. Содержание масла в сухой биомассе является сильно изменчивым параметром (таблица 1), в то время как некоторые штаммы могут достигать 80 % (Metting 19).96; Сполаоре и др. 2006). В таблице 2 перечислены потенциальные выходы масла, производимого различными культурами, и эти значения сравниваются с выходами масла из открытого пруда, где выращиваются микроводоросли.

Проблемы производства

Министерство энергетики США (DOE) предприняло значительные усилия для продолжения коммерческого производства биотоплива из водорослей в рамках своей программы ASP с 1980-х по 1990-е годы. После 16 лет исследований Министерство энергетики пришло к выводу, что производство биотоплива из водорослей все еще слишком дорого для коммерциализации в ближайшем будущем. Существуют три основных фактора, ограничивающих коммерческое производство водорослей: сложность содержания желаемых видов в системе культивирования, низкий выход водорослевого масла и высокая стоимость сбора биомассы водорослей. Министерство энергетики пришло к выводу, что существует значительное количество земли, воды и CO 9 .0043 2 для поддержки технологии биотоплива из водорослей.

В последние годы возобновился интерес к производству биотоплива из водорослей. Как университетские исследовательские группы, так и начинающие предприятия исследуют и разрабатывают новые методы повышения эффективности водорослевого процесса с конечной целью коммерческого производства биотоплива из водорослей. Исследования и разработки можно разделить на несколько областей:

Повышение содержания масла в существующих штаммах или выбор новых штаммов с высоким содержанием масла.
Увеличение скорости роста водорослей.
Разработка надежных систем выращивания водорослей как на открытом воздухе, так и в закрытом помещении.
Разработка побочных продуктов, кроме нефти.
Использование водорослей в биоремедиации.
Разработка эффективного метода извлечения масла.

Одним из способов достижения этих целей является генетическое и метаболическое изменение видов водорослей. Другой заключается в разработке новых или улучшении существующих технологий роста, чтобы достичь тех же целей, перечисленных выше. Однако следует отметить, что эта новая волна интереса еще не привела к значительному прорыву.

Ориентировочная стоимость производства

Себестоимость производства масла из водорослей зависит от многих факторов, таких как выход биомассы из системы культивирования, содержание масла, масштаб производственных систем и стоимость извлечения масла из биомассы водорослей. В настоящее время производство масла из водорослей все еще намного дороже, чем нефтяное дизельное топливо. Например, Чисти (2007) оценил себестоимость производства масла из водорослей в фотобиореакторе с годовой производственной мощностью 10 000 тонн в год. Предполагая, что содержание масла в водорослях составляет около 30 %, автор определил себестоимость водорослевого масла в размере 2,80 долл./л (10,50 долл./галлон). Эта оценка не включала затраты на преобразование водорослевого масла в биодизельное топливо, а также расходы на распространение и маркетинг биодизельного топлива и налоги. В то же время цена дизельного топлива составляла от 2 до 3 долларов за галлон.

Способность водорослевого масла стать экономически выгодным источником биотоплива в будущем все еще сильно зависит от цены на нефть. Chisti (2007) использовал следующее уравнение для оценки стоимости масла из водорослей, где оно может быть конкурентоспособной заменой нефтяного дизельного топлива, где C _{масло из водорослей} — это цена масла из микроводорослей в долларах США за галлон, а C _нефть — цена. сырой нефти в долларах США за баррель:

C _{масло водорослей} = 25,9 x 10 ^-3 C _нефть

Это уравнение предполагает, что водорослевое масло имеет примерно 80 процентов калорийности сырой нефти. Например, при цене на нефть в 100 долларов за баррель водорослевое масло должно стоить не более 2,59 долларов за галлон, чтобы конкурировать с нефтяным дизельным топливом.

Вопросы экологии и устойчивого развития

Помимо производства биотоплива, водоросли можно также использовать для различных других целей, таких как удобрения и борьба с загрязнением. Некоторые виды водорослей можно вносить в почву в качестве органического удобрения либо в сыром, либо в полуразложившемся виде (Thomas, 2002). Водоросли можно выращивать в прудах для сбора стоков удобрений с ферм; Затем богатые питательными веществами водоросли можно собирать и повторно применять в качестве удобрения, что потенциально снижает затраты на выращивание сельскохозяйственных культур. В очистных сооружениях микроводоросли можно использовать для уменьшения количества химических веществ, необходимых для очистки и очистки воды.

Кроме того, водоросли также можно использовать для сокращения выбросов CO ₂ электростанциями. Уголь, безусловно, является крупнейшим ископаемым энергетическим ресурсом, доступным в мире. Около четверти мировых запасов угля находится в США. Потребление угля в ближайшие десятилетия продолжит расти как в США, так и во всем мире. Через фотосинтетический метаболизм микроводоросли поглощают CO ₂ и выделяют кислород. Если ферма по выращиванию водорослей построена рядом с электростанцией, CO ₂, производимый электростанцией, можно было бы использовать в качестве источника углерода для роста водорослей, а выбросы углерода можно было бы сократить за счет переработки отходов CO ₂ электростанций в экологически чистое биодизельное топливо.

Резюме

Микроводоросли являются идеальным сырьем для биодизеля, которое в конечном итоге может заменить топливо на нефтяной основе благодаря ряду преимуществ, таких как высокое содержание масла, высокие темпы производства, меньше земли и т. д. В настоящее время производство биодизеля из водорослей все еще слишком дорого. быть коммерциализированы. Из-за статических затрат, связанных с добычей масла и переработкой биодизеля, а также изменчивостью производства биомассы водорослей усилия по снижению затрат на производство масла из водорослей должны быть сосредоточены на методе производства самих водорослей, богатых маслом. К этому необходимо подходить путем улучшения как биологии водорослей (с точки зрения выхода биомассы и содержания масла), так и инженерии систем культивирования. Кроме того, использование всех аспектов микроводорослей для производства различных продуктов с добавленной стоимостью, помимо топлива из водорослей, с помощью интегрированного биоперерабатывающего завода, является привлекательным способом снижения стоимости производства биотоплива из водорослей. Действительно, микроводоросли содержат большой процент масла, а остальные части состоят из большого количества белков, углеводов и других питательных веществ (Spolaore et al., 2006). Это делает отходы после экстракции масла привлекательными для использования в качестве корма для животных или в других продуктах с добавленной стоимостью.

Библиография

Чисти Ю. 2007. Биодизель из микроводорослей. Достижения биотехнологии 25: 294-306.
Гроббелар, Ю.Ю. 2004. Питание водорослей. В: А. Ричмонд, изд. Справочник по культуре микроводорослей: биотехнология и прикладная физиология. Издательство Блэквелл. стр. 97-115.
Встреча, Ф.Б. 1996. Биоразнообразие и применение микроводорослей. Журнал промышленной микробиологии 17:477-489
Молина, Грима Э., Асьен, Фернандес Ф.Г., Гарсия, Камачо Ф., Чисти, Ю. 1999. Фотобиореакторы: световой режим, массоперенос и масштабирование. Журнал биотехнологии 70: 231-247.
Spolaore, P., Joannis-Cassan, C. , Duran, E., Isambert, A. 2006. Коммерческое применение микроводорослей. Журнал бионауки и биоинженерии 101:87-96.
Томас, Д. Н. 2002. Морские водоросли. Музей естественной истории: Лондон. ISBN 0 565 09175 1.

Авторы этой статьи

Автор

Жию Вэнь, отдел инженерии биологических систем, Технологический институт Вирджинии

Рецензенты

Вэй Ляо, доцент кафедры биосистем и сельскохозяйственной инженерии Мичиганского государственного университета
Чак Роу, Algisys LLC

Перспективные исследования в области биотоплива и водорослей

Передовые исследования в области биотоплива и водорослей: достижение технических возможностей для производства 10 000 баррелей в день к 2025 году

exxonmobil.com/climate-solutions/advanced-biofuels/advanced-biofuels-and-algae-research» data-message=»ExxonMobil continues to fund and conduct research on advanced biofuels. This work is part of our many investments in new technologies with the transformative potential to increase energy supplies, reduce emissions and improve operational efficiencies.» aria-describedby=»descriptionShare» data-twitter-message=»ExxonMobil continues to fund and conduct research on advanced biofuels — part of our many investments in new technologies with the transformative potential to increase energy supplies, reduce emissions and improve operational efficiencies.» data-facebook-message=»ExxonMobil continues to fund and conduct research on advanced biofuels — part of our many investments in new technologies with the transformative potential to increase energy supplies, reduce emissions and improve operational efficiencies.» role=»dialog»>

Печать
Топ

В 2012 году исследователи из Массачусетского технологического института, ExxonMobil и Viridos (ранее Synthetic Genomics, Inc. ) опубликовали оценку водорослевого биотоплива в рецензируемом журнале Environmental Science and Technology , в котором был сделан вывод о том, что если основные исследовательские препятствия будут преодолены, водорослевое биотопливо выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла будут примерно на 50 процентов ниже, чем у топлива, полученного из нефти. Напротив, в академическом исследовательском сообществе ведутся активные дебаты относительно углеродного следа биотоплива первого поколения, которое EPA определяет как топливо, полученное из съедобных культур (таких как кукуруза). Многие рецензируемые статьи в научной литературе предполагают, что прямые выбросы ПГ в течение жизненного цикла ниже, чем при использовании ископаемого топлива, но что косвенные последствия разработки биотоплива первого поколения, включая изменения в лесопользовании и изменениях в землепользовании, могут привести к более высоким общим выбросам ПГ, чем при использовании ископаемого топлива. топливо нефтяного происхождения.

По этим причинам ExxonMobil проводит исследования в области биотоплива второго поколения, чтобы определить, как оно лучше всего впишется в наше энергетическое будущее. Биотопливо второго поколения определяется как биотопливо, произведенное из несъедобных культур, растительных остатков или газа, полученного биологическим путем, и, следовательно, не отнимающее от общего количества продовольствия или пресной воды. Примеры включают водоросли, кукурузную солому, просо или метан, выделяемый в результате микробной активности на свалках.

Портфель исследований в области биотоплива

Мы финансируем широкий портфель программ исследований в области биотоплива, в том числе наши текущие усилия по водорослям, а также программы по преобразованию альтернативного непищевого сырья биомассы, т.е. целлюлозной биомассы, в современное биотопливо. Мы считаем, что наша работа с водорослями открывает большие перспективы для биотоплива следующего поколения, поэтому ExxonMobil вложила сотни миллионов долларов в исследования водорослей. Мы работаем с ведущими исследователями и разработали наше портфолио для развития науки, которая, по нашему мнению, будет необходима для создания передового биотоплива с экологическими преимуществами.

Наш портфель передовых исследований в области биотоплива включает в себя совместные исследования, посвященные биотопливу на основе водорослей, с Viridos, Школой горного дела Колорадо и штатом Мичиган. Мы также изучаем различные процессы конверсии биомассы, которые можно использовать с непищевым сырьем, таким как цельная целлюлозная биомасса, сырье из водорослей и сахара, полученные из целлюлозы. Эти программы в настоящее время осуществляются совместно с Renewable Energy Group (REG) и Университетом Висконсина.

Водоросли для производства биотоплива

Преимущества использования водорослей

Водоросли представляют собой значительное улучшение по сравнению с альтернативными источниками биотоплива по нескольким причинам:

В отличие от производства этанола и биодизельного топлива, производство водорослей не конкурирует с источниками пищи, что делает затруднительное положение между едой и топливом. спорный вопрос.
Поскольку водоросли могут образовываться в солоноватой воде, в том числе в морской, их производство не будет истощать ресурсы пресной воды, как это происходит с этанолом.
Водоросли потребляют CO ₂ , и на основе жизненного цикла имеют гораздо более низкий профиль выбросов, чем этанол из кукурузы, учитывая энергию, используемую для производства удобрений, дистилляции этанола, а также для выращивания и транспортировки последнего.
Водоросли могут давать больше биотоплива на акр, чем биотопливо на растительной основе — в настоящее время около 1500 галлонов топлива на акр в год. Это почти в пять раз больше топлива на акр, чем от сахарного тростника или кукурузы.

Нам также известно, что водоросли можно использовать для производства биотоплива, аналогичного по составу современному транспортному топливу.

Как растут водоросли

Водоросли могут служить разнообразным и весьма желательным непищевым источником важных возобновляемых молекул, которые можно использовать для производства биотоплива второго поколения. Некоторые штаммы водорослей могут быть оптимизированы для производства прекурсоров биодизельного топлива. Другие штаммы водорослей могут быть оптимизированы в качестве источника ферментируемых сахаров с составами, аналогичными составам, полученным из зерен кукурузы, которые используются для производства биотоплива первого поколения, такого как этанол.

Базовые исследования биологии водорослей с Viridos

Сегодня компании ExxonMobil и Viridos осуществляют программу фундаментальных исследований по разработке современного биотоплива из водорослей. Эти совместные усилия направлены на достижение технической возможности производить 10 000 баррелей биотоплива из водорослей в день к 2025 году. Наша цель — разработать передовые варианты биотоплива из водорослей и определить наилучшие пути, чтобы сделать эти новаторские технологии доступными для потребителей. Программа основана на многих полученных нами знаниях и прогрессе, достигнутом с тех пор, как мы объявили о нашем первоначальном союзе с Viridos в 2009 году. .

Используя передовые технологии клеточной инженерии в Viridos, исследовательская группа ExxonMobil-Viridos совсем недавно модифицировала штамм водорослей, чтобы увеличить содержание масла в водорослях с 20 процентов до более чем 40 процентов. Ознакомьтесь с результатами исследования в рецензируемом журнале Nature Biotechnology .

Исследователи Viridos; лаборатория в Ла-Холья открыла новый процесс увеличения добычи нефти путем выявления генетического переключателя, который можно точно настроить для регулирования превращения углерода в нефть в водорослях Nannochloropsis gaditana. Команда разработала экспериментальный подход, в результате которого водоросли удвоили свою липидную долю клеточного углерода по сравнению с родительской, сохраняя при этом рост.

Фото — Ученые Viridos используют передовые технологии клеточной инженерии

«Этот ключевой этап в нашей передовой программе биотоплива подтверждает нашу веру в то, что водоросли могут быть невероятно продуктивными в качестве возобновляемого источника энергии с соответствующим положительным вкладом в нашу окружающую среду», — сказал Виджай Сваруп, вице-президент по исследованиям и разработкам исследовательской и инженерной компании ExxonMobil. . «Наша работа с Viridos продолжает оставаться важной частью наших более широких исследований технологий с низким уровнем выбросов для снижения риска изменения климата».

Водоросли рассматривались как потенциальный устойчивый вариант топлива, но в последнее десятилетие исследователи столкнулись с препятствиями в разработке штамма с высоким содержанием масла и быстрым ростом — две критически важные характеристики для масштабируемой и рентабельной добычи нефти. Замедление роста стало отрицательным эффектом предыдущих попыток увеличить объем производства масла из водорослей.

Ключевой целью сотрудничества ExxonMobil и Viridos было увеличение содержания липидов в водорослях при одновременном снижении содержания крахмала и белковых компонентов без подавления роста водорослей. Ограничение доступности питательных веществ, таких как азот, является одним из способов увеличения производства масла водорослями, но оно также может резко подавлять или даже останавливать фотосинтез, останавливая рост водорослей и, в конечном итоге, объем производимого масла.

Наша работа с Viridos продолжает оставаться важной частью наших более широких исследований технологий с низким уровнем выбросов для снижения риска изменения климата.

Виджей Сваруп

Вице-президент по исследованиям и разработкам ExxonMobil Research and Engineering Company

Способность поддерживать рост при увеличении содержания масла является важным преимуществом. У водорослей есть и другие преимущества по сравнению с традиционным биотопливом, поскольку они могут расти в соленой воде и процветать в суровых условиях окружающей среды, тем самым ограничивая нагрузку на продукты питания и запасы пресной воды.

Нефть из водорослей также потенциально может перерабатываться на обычных нефтеперерабатывающих заводах, производя топливо, ничем не отличающееся от обычного энергоемкого дизельного топлива. Масло, полученное из водорослей, также перспективно в качестве потенциального сырья для химического производства.

С 2009 года ExxonMobil и Viridos сотрудничают в исследованиях и разработке нефти из водорослей, которая будет использоваться в качестве возобновляемой альтернативы традиционному транспортному топливу с низким уровнем выбросов. Сваруп сказал, что, хотя прорыв является важным шагом, до коммерческого рынка технологии еще далеко.

Прожектор

Сотрудничество с передовыми исследовательскими университетами в области биотоплива

Колорадская горная школа / биотопливо из водорослей

ExxonMobil и Горная школа Колорадо организовали совместную исследовательскую работу под руководством доцента горной химии и геохимии Мэтью Позевица, который работает в области водорослей в течение 13 лет. водоросли. Эти новые идеи помогут лучше понять научные и технические проблемы, связанные с производством биотоплива из водорослей.

Штат Мичиган / Биотопливо из водорослей

ExxonMobil сотрудничает со штатом Мичиган в области исследований биотоплива из водорослей, целью которого является развитие фундаментальной науки о фотосинтезе водорослей. Профессор Дэвид Крамер, заслуженный профессор фотосинтеза и биоэнергетики имени Джона Ханны МГУ, возглавляет работу. Общая цель партнерства — повысить эффективность фотосинтеза водорослей, чтобы увеличить производство биотоплива.

Университет Висконсина / Модернизация биомассы

Компания ExxonMobil совместно с Университетом Висконсина учредила совместную программу исследований процессов обогащения биомассы. Программу возглавляет профессор Джордж Хубер, ведущий исследователь и новатор в области преобразования биомассы. Программа направлена на преобразование исходных продуктов разложения биомассы в более ценные конечные продукты. Например, сахара или родственные сахару соединения могут быть получены из биомассы с помощью первичных процессов разложения, таких как быстрый пиролиз или обработка кислотой и ферментами. Эта программа с Висконсином оценивает каталитические реакции для преобразования этих сахаров в углеводородное топливо, такое как бензин и дизельное топливо.

Узнайте больше о партнерских программах ExxonMobil с университетами

Исследовательская задача

Мы сталкиваемся со значительными техническими препятствиями, прежде чем производство биотоплива из водорослей станет возможным в значительных коммерческих масштабах. Чтобы преодолеть эти проблемы, мы работаем над тем, чтобы ответить на некоторые основные вопросы, такие как:

Почему водоросли используют относительно небольшое количество доступной световой энергии?
Какие средства можно использовать для повышения эффективности использования света водорослями и улучшения производственных характеристик?
Как разработать организм, который будет производить значительно больше биомасла?

Основная проблема заключается в том, что водоросли естественным образом собирают значительно больше света, чем они могут эффективно преобразовать в биотопливо. Только фиксированное количество света падает на поверхность пруда, и наша цель состоит в том, чтобы водоросли использовали этот свет максимально эффективно. Количество потерянного солнечного света сильно варьируется в зависимости от вида водорослей и условий роста, но может достигать 80 процентов и более. ExxonMobil и Viridos проводят фундаментальные исследования, чтобы уменьшить количество потерянного солнечного света и повысить продуктивность биомассы за счет повышения фотосинтетической эффективности отдельных клеток водорослей. Для достижения этой цели команда Viridos работает над созданием клеток водорослей, которые будут поглощать только то количество света, которое они могут эффективно использовать.

Исследование и разработка биотоплива из водорослей — это долгосрочная задача. Мы многому научились с тех пор, как ExxonMobil и Viridos начали работать вместе, и мы продолжаем создавать биологические инструменты, возможности и знания, необходимые для преодоления технических препятствий.

Проблема масштаба

По словам Сварупа, «мы знаем, что некоторые виды водорослей производят биомасла. Задача состоит в том, чтобы найти и разработать водоросли, которые могут производить биомасла в больших масштабах на рентабельной основе».

Потребуется значительное количество водорослей для производства достаточного количества топлива, чтобы удовлетворить даже небольшую часть потребности в топливе для автомобильного транспорта США. Население и экономика будут продолжать расти вместе со спросом на энергию и выбросами CO ₂ . В ExxonMobil мы понимаем, что для повышения эффективности, расширения поставок и сокращения выбросов потребуется комплексный набор решений. Технологические прорывы будут иметь решающее значение, и биотопливо на основе водорослей может внести свой вклад в этот набор решений.

Конечной целью является переработка биомасел из водорослей на наших нефтеперерабатывающих заводах в дополнение к поставкам обычного бензина, дизельного топлива, авиационного и судового топлива.

Что дальше в передовых исследованиях биотоплива?

ExxonMobil занимается широким спектром исследований в области современного биотоплива в партнерстве с университетами, государственными лабораториями и другими компаниями. Прогнозируется, что глобальный спрос на энергию, связанную с транспортом, увеличится примерно на 25 процентов к 2040 году, и ускорение сокращения выбросов в транспортном секторе сыграет решающую роль в сокращении глобальных выбросов парниковых газов.

ExxonMobil также активно исследует другие технологии сокращения выбросов, включая улавливание и связывание углерода. В 2016 году ExxonMobil объявила о своем партнерстве с компанией FuelCell Energy, Inc., расположенной в Коннектикуте, для продвижения использования карбонатных топливных элементов для экономичного улавливания выбросов углерода электростанциями при производстве водорода и дополнительной электроэнергии. С 2000 года ExxonMobil потратила около 8 миллиардов долларов на разработку и внедрение энергосберегающих решений с низким уровнем выбросов на своих предприятиях.

Следование этому пути требует значительных затрат времени, денег и научных знаний для решения значительных проблем, связанных с разработкой экономичного крупномасштабного передового биотоплива. Кроме того, трудно предсказать успех, и он напрямую зависит от темпов технологических инноваций. Потенциально могут потребоваться десятилетия или больше, прежде чем передовое биотопливо достигнет масштабов, которые принесут значительную пользу сектору транспортного топлива.

Мы продолжаем оценивать наши лучшие варианты для продолжения исследований биологии водорослей в рамках нашего более широкого портфеля программ исследований и разработок в области биотоплива, помимо водорослей.

Фото — технический специалист ExxonMobil по водорослям Меган Румель работает с Viridos над созданием идеального штамма жирных, пригодных водорослей, которые можно превратить в биотопливо, готовое к использованию в двигателе.

Целлюлозные исследования с REG

ExxonMobil подписала соглашение с Renewable Energy Group (REG) об изучении производства биодизеля путем ферментации возобновляемых целлюлозных сахаров из таких источников, как сельскохозяйственные отходы. REG разработала запатентованную технологию, в которой используются микробы для преобразования сахаров в биодизель в одностадийном процессе ферментации, аналогичном производству этанола. Исследования ExxonMobil и REG Life Sciences будут сосредоточены на использовании сахаров из непищевых источников.

Компания REG имеет долгую историю инноваций в области производства передового биотоплива из отходов сырья с низким содержанием углерода. В рамках исследования обе компании будут решать проблему ферментации возобновляемых целлюлозных сахаров, которые содержат несколько типов сахаров, включая глюкозу и ксилозу, а также примеси, которые могут препятствовать ферментации.

Нашей первой задачей является определение технической осуществимости и потенциальных экологических преимуществ во время первоначальных исследований. Если результаты будут положительными, мы можем сделать следующий шаг и изучить возможности расширения наших усилий и изучения масштабируемости.

Связанный контент

Будущее транспортных топлив

Жизненно важная задача по сокращению выбросов парниковых газов в транспортном секторе требует набора решений. Откройте для себя альтернативные виды топлива с низким уровнем выбросов, над которыми ExxonMobil работает, чтобы обеспечить транспорт будущего.