Перехід енергії з водоростями до чистої енергії - спектр науки
Біоенергетика: досягніть своєї мети за допомогою водоростей
У листопаді 2011 року літак United Airlines вилетів з Х'юстона в Чикаго. Особливість: у вашому баку була суміш, яка складалася лише з 60 відсотків звичайного палива. Інші 40 відсотків походять від водоростей. Так званий Будинок водоростей знаходиться в Гамбурзі з 2013 року. Мікроводорості, які повинні виробляти енергію для мешканців, розмножуються в прозорих біомодулях, що утворюють фасад будівлі. Будинки з водоростями та паливо з водоростей - це лише два приклади того, як дослідники та корпорації вже використовують крихітні водні організми для стимулювання виробництва екологічно чистої енергії. Експерти впевнені: потенціал "зеленого золота" величезний.
"Ідея отримання енергії з водоростей вражає", - каже Олаф Крузе, керівник відділу технології та біоенергії водоростей в Університеті Білефельда. Замість того, щоб спалювати кінцеві запаси вугілля та нафти і таким чином викидати шкідливий для клімату CO2, одноклітинні зелені водорості обіцяють відновлювану чисту енергію. А також ціанобактерії, яких біологи також зарахували до водоростей як синьо-зелені водорості, можуть - не в останню чергу завдяки їх здатності фотосинтезувати - внести свій внесок у екологічно свідоме життя.
Одноклітинні зелені водорості обіцяють відновлювану, чисту енергію
Ідея, звичайно, не зовсім нова - з ріпаком, соєю та кукурудзою вони хотіли запровадити енергетичну революцію. Але вирощування цих рослин для виробництва палива є суперечливим у всьому світі: оскільки поля, що виробляють паливо, не дають жодної їжі. Мікроводорості стали б виходом із цієї дилеми пластинка-бак. На відміну від наземних рослин, їм не потрібні цінні орні землі для вирощування, вони розмножуються набагато швидше і відповідно виробляють значно більше біомаси на площу: до 100 тонн сухої речовини на гектар на рік порівняно з 17 тоннами для цукрового очерету або 3,5 тонни для пшениці . Вони також не мають високих вимог до води і задовольняються соленою, солонуватою або стічною водою.
Курс енергії водоростей визначено
Інвестиції здійснюють як компанії з виробництва нафтопродуктів, так і авіаційна та автомобільна галузі. Політичний курс також уже визначено: згідно з регламентами ЄС, щонайменше десять відсотків споживання енергії на транспорті повинні покриватися відновлюваними джерелами енергії до 2020 року. Нещодавно ухвалена реформа заморозила частку біопалива першого покоління до семи відсотків. Решта три відсотки мають надходити з біопалива другого покоління: мулу стічних вод, соломи або водоростей.
В основному для вирощування водоростей не потрібно багато. Світла, води, тепла та CO2 в основному достатньо для їх множення. Однак, якщо ви хочете отримати максимально можливий урожай, і це у великих масштабах, все ускладнюється. Такі фактори, як температура, інтенсивність світла, поживні речовини та концентрація СО2, повинні бути точно налаштовані, а також залежати від типу водоростей та місця розташування системи. Досі мало згоди щодо того, як найефективніше виробляти зелене золото та як найкраще використовувати його для виробництва енергії.
Деякі вирощують водорості у відкритих басейнах, інші - у фотобіореакторах, тобто закритих системах, які зазвичай складаються з прозорих пластикових трубок або пластин. Останні мають ту перевагу, що їх можна накопичувати незалежно від місця їх розташування, і водорості ростуть у контрольованих умовах. Однак фотобіореактори, як правило, високотехнічні, а тому дорогі у придбанні та обслуговуванні.
Збір врожаю також пов’язаний із витратами: для того, щоб потрапити до цінної олії або етанолу в водоростях, рідку суспензію водоростей потрібно розділити на тверді та рідкі компоненти, потім висушити та витягти цінні речовини. "Однак сушка споживає багато енергії", - каже Міхаель Крегер з Німецького дослідницького центру біомаси в Лейпцигу.
Метан виготовляється з водоростей
Тому деякі робочі групи перетворюють вологу біомасу безпосередньо в газ. Вчені з Інституту Поля Шеррера (PSI) у Швейцарії розщеплюють біомасу на окремі компоненти у так званій надкритичній воді, тобто при високих температурах і під високим тиском. Кінцевим результатом є метан, газ, який легко подається в мережу природного газу. Енергетичний баланс хороший: "Ми досягаємо майже повної конверсії біомаси і отримуємо від 65 до 75 відсотків енергії, що міститься в біомасі, як паливо. Сьогоднішні біотехнологічні процеси погіршуються в два-три рази", - говорить Крістіан Людвіг, керівник проекту PSI. За словами Людвіга, справжньою красою системи є спроба закрити цикл поживних речовин: він та його колеги відновлюють цінні мінерали, а також воду, в якій вирощували водорості. І те, і інше знову стає доступним для наступної популяції водоростей. В ідеалі потрібно було б вести господарства водоростей поблизу вугільних електростанцій: водоростям потрібен СО2, щоб рости, і вони могли б витягувати поживні речовини з відпрацьованих газів. Замість виходу в атмосферу СО2 буде фіксуватися в біомасі.
На відміну від викопного палива, енергія відновлюваної сировини вважається нейтральною до CO2: якщо біодизель згоряє в двигуні, виділяється така ж кількість СО2, яка раніше була поглинена для фотосинтезу. Однак з водоростями можливо, що з атмосфери можна витягнути більше СО2: якщо залишки бродіння потрапляють на поля як добриво, пшениця тощо включає вуглець, який він містить. "Однак для повного балансу СО2 потрібно розглянути ще більше. Чи буде він позитивним, врешті-решт, залишається з'ясувати", - каже інженер з охорони навколишнього середовища Менді Гербер з Рурського університету в Бохумі, яка працює над балансом.
"Технологія ще не готова генерувати енергію з водоростей економічно ефективно" (Олаф Крузе)
Баланс енергії та СО2, безсумнівно, важливий для оцінки потенціалу енергії водоростей. Але головне питання в іншому: скільки коштує виробництво літра водорості? Якщо літр коштує дорожче, ніж приносить в кінці, це не виходить. "Ця технологія ще не дозріла для економічного отримання енергії водоростей, - каже Крузе, - це просто вимагає часу. Дотепер витрачені наукові фонди незначні порівняно з іншими науковими областями, але тиск очікувань величезний". Крегер також знаходить чіткі слова: "Люди займаються землеробством вже 10 000 років. Мили тисячоліття знайшли рослини, які варто було вирощувати, та оптимізували їх. З водоростями це не інакше. Ми можемо після чотирьох Не чекайте ідеальної технології до п'яти десятиліть досліджень ".
Що ще гірше, енергія - це дешевий продукт, який не повинен коштувати майже нічого. "Однак технологія буде продовжувати розвиватися. І якщо ціна на нафту потім зросте, що прогнозують експерти, картки знову перемішають", - сказав Крузе.
Великі прибутки в харчовій промисловості
Водорості вже сьогодні отримують високий прибуток: у харчовій та кормовій промисловості. Вони виробляють дорогу сировину, таку як пігменти та білки. Наприклад, червоний барвник астаксантин, завдяки якому лосось, що вирощується, виглядає так красиво рожевим на тарілці. "Ціна на літр на світовому ринку перевищує 1000 євро. Надзвичайно чиста омега-3 олія приносить близько 120 євро за літр", - говорить Йоганн Морвальд, керуючий директор австрійської компанії Ecoduna, яка виробляє жирні кислоти омега-3 з водоростей. Виробники біоенергії також можуть отримати вигоду з дорогоцінної сировини: "Ми хочемо поєднати виробництво енергії з вигідним видобутком цінних матеріалів. Наші колеги з Інституту Фраунгофера UMSICHT в Оберхаузені видобувають жирні кислоти омега-3, а ми заливаємо біомасу, що залишилася, у біогаз", - пояснює Гербер фон спільного проекту Рурського університету в Бохумі.
Американська компанія Algenol використовує зовсім іншу концепцію. Компанія не використовує біомасу, але водорості виробляють бажаний продукт безпосередньо: біоетанол. "Наші водорості містять гени, які гарантують, що вони більше не можуть виробляти цукор для свого зростання. Натомість вони виробляють етанол", - говорить Дірк Радзінський, керуючий директор філій Algenol у Німеччині та Швейцарії. Ви не знайдете дорогих фотобіореакторів в Algenol: поліетиленові пакети роблять те саме. Водорості виділяють в ньому етанол протягом 30 днів. Потім працівники збирають суміш, очищають етанол та переробляють залишок біомаси на бензин, дизель та гас. На своєму веб-сайті Algenol рекламує, що вони можуть виробляти галон пального - бензину чи дизеля - менш ніж за один євро.