Биотопливо из водорослей
Очевидно, что самым перспективным видом сырья для производства биотоплива являются водоросли. Водоросли являются самыми быстрорастущими растениями на земле (масса за сутки удваивается), для их роста требуется легкодоступное сырье: солнечный свет, вода и диоксид углерода. Топливо из водорослей сейчас называют биотопливом третьего поколения.
По своим энергетическим характеристикам водоросли значительно превосходят другие источники.
200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5% автомобилей США. 200 тысяч гектаров — это менее 0,1% земель США пригодных для выращивания водорослей.
Однако, водоросли, содержащие большее количество масла, растут медленнее. Например, водоросли, содержащие 80% нефти вырастают раз в 10 дней, в то время как, водоросли, содержащие 30% -3 раза в день.
Производство водорослей привлекательно еще и тем, что в ходе биосинтеза поглощается углекислый газ из атмосферы.
Однако, основная технологическая трудность заключается в том, что водоросли чувствительны к изменению температуры, которая вследствие этого должна поддерживаться на определенном уровне (резкие суточные колебания недопустимы).
Также коммерческому применению водорослей в качестве топлива препятствует на сегодняшний день отсутствие эффективных инструментов для сбора водорослей в больших объемах. Также необходимо определить наиболее эффективные для сбора масла виды.
Технологии выращивания водорослей
Департамент Энергетики США исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program». Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гаваи и Нью-Мексико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м2. Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в захвате СО2. Урожайность составила более 50 гр. водорослей с 1 м2 в день.
Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата.
Компания BioKing приступила к серийному производству запатентованных биореакторов по разведению водорослей, пригодных к немедленной эксплуатации, которые включают быстрорастущие водоросли с высоким содержанием масла.
Испанские ученые нашли один из видов микроводорослей, которые способны гораздо быстрее размножаться, чем другие биологические собратья при определенном освещении. Если в открытом море каждый кубометр воды приходится до 300 экземпляров водорослей, то исследователи получили 200 млн. экземпляров на тот же кубометр воды.
Микроводоросли растут в пластиковом цилиндре диаметром в 70 см и длиной в 3 м. Водоросли размножаются делением. Они делятся каждые 12 часов, и постепенно вода в цилиндре превращается в зеленую плотную массу. Один раз в день содержимое цилиндра подвергается центрифугированию. Остаток представляет собой практически стопроцентное биотопливо. Насыщенная жирами часть этой массы преобразуется в биодизель, а углеводороды — в этанол.
Разработки биотоплива из водорослей
Корпорация Chevron, один из мировых энергетических гигантов начали исследование возможности использования водорослей в качестве источника энергии для транспорта, в частности, для реактивных самолетов. В ходе исследований будут изучены виды водорослей, которые содержат максимальный процент масел в своем составе, а также разработаны методы культивирования водорослей.
Компания Honeywell, UOP недавно начала проект по производству военного реактивного топлива из
водорослевых и растительных масел.
Компания Green Star Products завершила вторую фазу испытаний демонстрационного завода по производству биодизеля из водорослей в Монтане. Во время второй фазы выбирались оптимальные условия для выращивания водорослей штамма zx-13.
GSPI разработала гибридную систему выращивания водорослей в прудах — Hybrid Algae Production System. Обычные водоросли живут при температуре воды около 30 по Цельсию, zx-13 выживают при температуре около — 44. zx-13 также продемонстрировали хорошую устойчивость к повышенному содержанию солей в воде.
Однако, во второй фазе испытаний GSPI не удалось отработать технологию сбора водорослей. Водоросли созрели раньше, чем ожидалось, и оборудование ещё не было готово. Технология GSPI позволяет собирать водоросли размером более 2 мкрн. Водоросли меньшего размера возвращаются в пруд для дальнейшего выращивания.
На следующем этапе технология GSPI будет испытываться на пруду площадью 100 акров. Ведутся переговоры о размещении 100-акрового пруда в Калифорнии, Миссури и Юте. В дальнейшем возможно увеличить площадь до 500 — 1000 акров.
Крупная энергетическая компания Японии Tokyo Gas Co намерена построить демонстрационный завод, на котором из морских водорослей будут получать электричество. Для работы газовых генераторов на станции будет использоваться метан, выделяемый из мелко изрубленных водорослей.
Для ряда японских префектур, включая столичную, загрязнение побережья водорослями остается серьезной экологической проблемой. Они нередко выделяют при гниении зловонный запах и портят пейзаж.
Между тем новейшая разработка японских специалистов предлагает решить эту проблему с экономической выгодой. Экспериментальная модель завода с газовым электрогенератором, которая уже работает в лаборатории несколько лет, позволяет в день уничтожать до 1 тонны водорослей.
При этом вырабатывается около 9,8 киловатт электроэнергии. Эта пилотная установка позволяет получать около 20–30 куб метров метана в месяц — этого объема достаточно, чтобы ровно на половину сократить месячный расход на электричество средней семьи.
По подсчетам Tokyo Gas, строительство предприятия, в зависимости от производственной мощности, требует от нескольких десятков млн до 200 млн иен.
Испанская фирма Bio-Fuel-Systems планирует не только изготовлять из водорослей горючее, но и снижать уровень двуокиси углерода, который образуется при производстве электроэнергии с использованием органических видов топлива. В 2008 году запланировано строительство подобной установки в районе города Аликанте.
Компании Shell и HR Biopetroleum намерены построить на Гавайских островах опытный завод по получению растительного масла из микроводорослей и его дальнейшей переработке в биотопливо.
Микроводоросли будут выращивать на месте, в специальном открытом бассейне с морской водой. Виды микроводорослей будут отобраны для дальнейшего использования из местных образцов морских организмов, в качестве критерия отбора будут использованы быстрый рост водорослей и максимальный выход растительного масла
Авиационная промышленность также заявила о начале разработок по использованию морских водорослей, в качестве сырья для производства авиационного топлива. Компания Боинг сообщила, что альтернативой биодизелю, произведенному из морских водорослей, в будущем может стать производство авиационного биотоплива.
Согласно документу, никакое биотопливо, которое сегодня производится, не может быть использовано в качестве авиационного топлива. Этанол поглощает воду и разъедает двигатель и топливный провод, в то время как биодизель замерзает при низких температурах (на крейсерской высоте). Кроме того, биотопливо обладает более низкой термической стабильностью, чем обычное реактивное топливо.
Специалисты Боинга считают, что оптимальным сырьем для производства биотоплива станут морские водоросли, из которых получают в 150 — 300 раз больше масла, чем из сои. По их мнению, биотопливо из водорослей — это будущее для авиации. Так, если бы весь флот авиалиний мира по состоянию на 2004 год использовал 100% биотопливо, полученное из морских водорослей, понадобилась бы 322 млрд. литров масла.
Для выращивания этих водорослей необходима земля площадью 3,4 млн. га. В расчете принято, что с одного гектара получается 6 500 литров ежегодно. Для этих целей, возможно, использовать земли, которые не пригодны для выращивания пищевых сельхозкультур.
Источник
Блоги
Дверь в БУДУЩЕЕ
Вышел 14-й номер журнала «НБИКС-НТ»
Логарифмическая Относительность ЖИЗНИ
( Без)Сознательное Терраформирование Р.
Подписка на книгу «Основы нанотехнолог.
Волокна и биотопливо из водорослей. Часть 2
Часть 2. Биотопливо и другие ценные полу- и продукты из водорослей
Проф. Г. Е. Кричевский
В первой части данной статьи освещен вопрос производства из водорослей альгинатных (альгинат – основной продукт, содержащийся в водорослях) волокон. Интерес автора к альгинату из водорослей связан с тем, что мне, как химику-технологу, близка проблема новых видов волокон, всяких и разных, а также не чужда и проблема альгината, как загустителя в текстильной печати, особенно, активных красителей [2,3]. И, наконец, альгинат из водорослей многие годы используется нами [4] в качестве основы лечебной композиции депо-материалов «Колетекс» (композиционный лечебный текстиль). За этот проект и автор, и химики-технологи, и ведущие врачи-онкологи получили премию Правительства Российской Федерации в области науки и техники за 2013 год.
Однако из водорослей, как оказалось в последние годы 6, можно производить разные виды биотоплива, ценные органические полупродукты, а из них — ценные лекарства, БАВы.
Также издревле и до сих пор водоросли в различных странах после механического измельчения используют как продукты питания или в качестве добавок в различные блюда. И это не удивительно, поскольку водоросли содержат различные масла, белки, полисахариды и другие ценные для питания продукты.
В таблице 1, для примера, приведено содержание белков в водорослях вида Spirulina в сравнении с традиционными продуктами питания.
Таблица 1. Содержание белков в водорослях по сравнению с «ходовыми» продуктами питания.
Отношение цен к водорослям
Отношение цен производства аминокислот
Данные таблицы 1 показывают огромные потенциальные возможности использования водорослей, как сырья для производства белковых продуктов питания, в которых испытывает дефицит значительная часть населения планеты. Реально уже активно происходит использование водорослевых белков взамен белков из сои.
Содержание в водорослях полезных продуктов зависит от вида водорослей (их множество), от условий из произрастания (естественное, искусственное, в биореакторах, питание, температура и т.д.).
В таблице 2 для сравнения приведено содержание белков (сырье для продуктов питания), углеводородов и липидов (два последних – сырье для производства биотоплива) в различных видах водорослей (% на сухой остаток).
Таблица 2. Содержание в/о белков, углеводородов и липидов (жиры) в различных видах водорослей [6].
Вот вам прекрасное возобновляемое сырье для производства продуктов питания и биотоплива! Нужно только солнышко или лампы с солнечными батареями — вот и примитивное питание. И не надо покорять Арктику, добывать нефть на глубине и в жутких суровых условиях. Пора задуматься над этим и в России.
Наиболее перспективной с точки зрения выращивания и производства различных полезных (ценных) продуктов признается вид водорослей Spirulina (легко выращивается различными способами, дает большой урожай, содержит значительное количество потенциального полезного сырья).
Наиболее перспективными с учетом конъюнктуры на мировом рынке потребления топлива считается производства из водорослей различных видов биотоплива.
Самым перспективным с учетом конъюнктуры на мировом рынке потребления топлива и реально реализуемым направлением признается выращивание водорослей для производства биотоплива и производство из водорослей различных видов биотоплива. Из 1 тонны влажной биомассы водорослей можно получить до 200 литров масла, из которого путем относительно нескольких химических и биотехнологий можно будет получить различные виды биотоплива (биодизельное, «зеленое топливо») и ряд ценных органических веществ (метанол, глицериды и другие).
Впрочем, термин «биотопливо», который используется по отношению к топливу, полученному человеком по разным технологиям из растительного сырья, можно отнести к нефти и газу, которые, по всей вероятности, природой произведены тоже из растительного сырья по не до конца изученным нами технологиям.
Прежде чем перерабатывать водоросли в какие-либо ценные продукты, их должны вырастить природа или человек (разные технологии выращивания).
В настоящее время, как когда-то в первые фазы цивилизации происходило одомашнивание, окультуривание различных зерновых и других растительных культур, происходит одомашнивание, окультуривание выращивания водорослей.
Зерновые человек окультурил примерно 4000 лет до н.э., «земляная» революция началась в 1944 году, генетически модифицированные зерновые появились в 2000 году.
Одомашнивание водорослей («голубая» революция – продукты из моря, рек и озер) идет по пути систематического изучения строения, поведения, состава водорослей различного вида (селекция), изучения генома водорослей, использования генной инженерии для выращивания урожайных сортов водорослей с высоким содержанием в них полезных веществ, совершенствования технологий естественного и искусственного выращивания водорослей.
Помимо самого примитивного метода собирательства водорослей на берегу и в водах морей, рек и озер (пример – сбор водорослей на берегу Белого моря близ Архангельска и переработка собранной биомассы в альгинат) используют следующие три способа искусственного выращивания водорослей в закрытых водоемах и в фотобиореакторах.
Закрытая система выращивания сильно отличается от открытой, и используется в странах с холодным климатом. Открытая система для выращивания водорослей требует температуры не ниже +15 °С, дает меньше урожая, более экономичная.
Выращивание с помощью фотобиореакторов дает большую урожайность, но требует больших затрат для начала производства (startap), как обычно для новых инженерных проектов.
Эксперты оценивают высокую экономичность получения биотоплива из водорослей сравнительно с другими способами получения биотоплива из других растений (рапс, кукуруза, пальмовые плоды и др.) и с экономикой нефти, газа и угля и предсказывают резкий рост использования водорослей в США в ближайшие 3-5 лет. В настоящее время в производстве биотоплива из водорослей в мире доля США составляет 78%, Европы 23%, все остальные страны производят 9%.
Преимущества и недостатки производства биотоплива из водорослей по сравнению с другими методами показаны в таблице 3.
Таблица 3. Преимущества и недостатки производства биотоплива из водорослей по сравнению с другими методами.
1. Содержат жирные кислоты, аналогичные растительному маслу.
2. Содержание масел достигает 85% от сухого веса биомассы.
3. Короткий цикл роста.
4. Состав достаточно простой.
1. Большинство липидов дают низкий выход топлива.
2. Стоимость получения масла выше, чем из наземных растений.
Бактерии, продуцирующие масло
Большинство видов бактерий продуцируют сложные по составу липиды.
Дрожжи и грибы, продуцирующие масло
1. Ресурсы в природе безграничны.
2. Высокое содержание масла в некоторых видах.
3. Быстрый рост в различных условиях.
1. Необходимость фильтрации и культивации.
2. Сложные технологии экстракции масла.
3. Высокая стоимость культивации.
Масло из мусора свалок
Низкая стоимость масла.
Содержание большого количества насыщенных жирных кислот, трудно трансформируемых в биотопливо.
Стоимость биотоплива, получаемого из биомассы водорослей, составляет от 3 до 60 $ за галлон.
Эксперты оценивают преимущества биотоплива из водорослей по следующим соображениям:
— топливо потенциально продуцируется прямо в водорослях с помощью солнечной энергии;
— не нужно занимать площади, занятые под выращивание с/х культур;
— процесс производства легко масштабируется;
— цены готовой продукции (топлива) сравнимы с ценами на обычное топливо;
— экологическая чистота несвязанная с выделениями СО2.
В таблице 4 показаны преимущества водорослей, как сырья для биотоплива, перед другими видами растительного сырья (выход масла с одного акра).
Таблица 4. Выход масла в галлонах на акр при переработке различных масляничных растений.
Выход масла галлон/акр
Из биомассы выращенных тем или иным способом водорослей путем химической и биохимической переработки производят следующие полупродукты и биотопливо: триглицериды, жирные кислоты, липиды, углеводороды с длинной цепочкой, углеводы (сахара, крахмал, альгинат), этанол и другие спирты, целлюлозу и другие ценные продукты.
Как можно видеть, набор другой, но не менее ценный, чем при глубокой переработке угля (углехимия), нефти (нефтехимия), газа (газохимия).
На схеме 1 показаны химические превращения жирных кислот в биодизельное топливо.
На рис. 2 показаны несколько технологических схем переработки биомассы водорослей в биотопливо.
На рис. 3 показана общая схема выращивания в открытых водоемах и переработки водорослей до биотоплива и биогаза и побочных продуктов. Как видно, ничего не пропадает, практически это без- или (мало) отходное производство.
На рис. 4 показана детальная схема получения из биомассы водорослей полупродуктов, биотоплива и ценных органических веществ.
На рис. 5 очень подробно показаны методы переработки и многочисленные продукты переработки биомассы водорослей.
И наконец, на рис. 6 показана схема работы фотобиореактора по выращиванию водорослей и получения из них биотоплива и других продуктов.
Проблеме выращивания и переработки водорослей в различных условиях, их глубокой переработке в топливо и другие ценные продукты посвящены многие сотни публикаций последних 10 лет, организованы сотни компаний малого среднего бизнеса, функционируют плантации открытого, закрытого типа и многочисленные разновидности фитобиореакторов, в которых топливо из биомассы производиться за считанные часы. Транспорт различных видов (легковые и грузовые автомобили, самолеты, морские и речные суда), обогрев жилищ производится биотопливом из водорослей.
Кто заинтересуется этой проблемой, рекомендую заглянуть в интернет, найти Австралийскую компанию Algae.Tec.Ltd и посмотреть впечатляющие фотографии и видео работы этого комбината.
Я был восхищен! Скажу больше! Если бы я мог скинуть годков 20 (в этом году будет 82), то я бы обязательно взялся за российский проект «Топливо, волокна, продукты питания, лекарства из водорослей».
В мире сформировалось мощное перспективное направление – «голубая» революция – эффективное использование растений и животных морей, рек и озер в различных важнейших направлениях деятельности человека, от изучения механизма функционирования растений и животных водоемов различного вида до создания новых технологий и продуктов на этой основе (бионика) и «одомашнивания» выращивания водных растений – водорослей для производства из них биотоплива, волокон, углеводов, полисахаридов, продуктов питания, пищевых добавок, лекарств, других ценных продуктов. «Голубые» технологии экономичны (солнечная энергия прямо трансформируется в биотопливо и другие ценные продукты) и экологичны (не занимают земельные угодья, снижается содержание СО2 в атмосфере).
Автор, как и в первой части, пытается возбудить интерес российского общества к этой проблеме, которое слишком зависит от традиционных полезных ископаемых, и предлагает гражданам России подняться реально с колен, на которых большая часть наших граждан стоит перед «трубой», наполненной нефтью и газом.
P.S. Колоссальный интерес в мире к «электрическому» транспорту (автомобили, уже самолеты) существенно изменит мир энергетики, но достоинство водорослей — в их полипотенциале использования: от топлива до продуктов питания.
2. Г.Е.Кричевский. Химическая технология текстильных материалов. Том 1. Учебник для вузов в 3-х томах. — М.: Изд-во МГУ, 2000.
3. Г.Е.Кричевский. “Физико-химические основы применения активных красителей”, Издательство «Легкая индустрия» 1977 г.
4. Направленное подведение лекарственных препаратов при лечении онкологических заболеваний. Под редакцией А.В.Бойко, Л.И.Корытовой, Н.Д.Олтаржевской. – М.: МК, 2013. – 200 с.
5. Ayhan Demirbas, Use of algae as biofuel sources, Energy Conversion and Management, Volume 51, Issue 12, December 2010.
Источник