В статье анализируется потенциал производства биотоплива третьего поколения из морских водорослей. Указано, что последнее время в мире широко проводятся разработки технологий производства биотоплива, источником которого являются водоросли. В статье отмечается, что морские экосистемы являются нетронутым ресурсом, который отвечает более чем за 50 процентов глобальной биомассы и сами водоросли способны производить больше биомассы на квадратный метр, чем самые быстро растущие земные растения.
Сделан вывод о том, что водоросль в качестве сырья для создания биологического топлива может быть очень важной для производства энергии в будущем, ведь биотопливо обладает стойким преимуществом перед другими инновациями.
Ключевые слова: биотопливо, биомасса, водоросли, окружающая среда.
Современная энергетика, основанная главным образом на сжигании ископаемых углеродсодержащих топлив, связана с выбросами в атмосферу огромного количества парниковых газов, кислотообразующих оксидов азота и серы, которые наносят прямой вред окружающей среде. С ростом поступления в атмосферу углекислого и других газов, вызывающих парниковый эффект, связывают глобальные изменения климата, которые угрожают всему живому на Земле.
Кроме того, по оценкам экспертов, запасы ископаемых топлив будут исчерпаны уже через 50–100 лет, их нехватка, развитие парникового эффекта и угроза необратимого загрязнения окружающей среды побуждают к срочным поискам альтернативных источников энергии, основанных на использовании возобновляемых ресурсов.
Ограниченность запасов традиционного минерального топливного сырья и антропогенная нагрузка на окружающую среду, возникающая при его использовании, побуждает к поиску новых возобновляемых экологически чистых энергоносителей.
В качестве основной тенденции развития топливного рынка международными экспертами заявлена именно биоэнергетика, которая должна стать фундаментом для начала новой эры энергетики. Вполне ясным является тот факт, что в ближайшие 30–40 лет именно биоэнергетика будет выступать в роли доминирующего тренда в развитии мировой системы энергообеспечения.
Конкретная задача на сегодня состоит в поиске топлива, которое может заменить практические свойства нефти, но не загрязнять окружающую среду. Хотя бы частично это может обеспечить только биотопливо.
Проблема производства и использования биотоплива, из-за её общей высокой важности, закономерно находит широкий отклик в научной литературе. Возможности производства биотоплива из морской биомассы является предметом научных исследований многих исследовательских центров мира.
Целью данной работы является ознакомление с возможностями производства топлива из биомассы моря.
Мировое производство биотоплива растёт темпами, которые превышают 10 % в год. Большинство стран мира уже приняли биоэнергетические программы. Особенно стремительное развитие биоэнергетики наблюдается в странах-членах ЕС. Планы Европейского Союза о том, что в энергетическом балансе доля биомассы к 2020 году составит 20 %, скорее всего, будут выполнены.
Развитие этой инновационной отрасли обусловлено, в том числе, и благодаря формированию технологических платформ (ТП). Значение и роль ТП заключается в том, что они объединяют основные заинтересованные стороны и обеспечивают диалог общества и бизнеса; способствуют привлечению инвестиций в научно-техническое развитие; мобилизуют и направляют существующие возможности в сектор исследований и разработок, способствуя более эффективному подходу к инновациям, стимулируют координацию европейских и национальных исследовательских программ; вносят вклад в рост экономики.
Необходимо отметить, что такой же механизм развития инноваций в настоящее время начинает использоваться и в России, где среди утверждённого перечня 29 технологических платформ является ТП «Биоэнергетика» [3].
Из чего производится биотопливо сложно понять, однако, его составляющими могут быть как живые, так и неживые организмы. Оно также может быть сделано с помощью химических реакций в лабораторных или промышленных условиях. Сейчас в мире для потенциального использования биотоплива рассматриваются и исследуются такие культуры: соя, кукуруза, сахарный тростник, сахарная свекла, просо, рапс, морские водоросли, маниока, пальмовое масло, грибы, животный жир.
Абсолютно новым трендом в области преобразования возобновляемой биомассы является получения топлива из микроводорослей, ведь в настоящее время исследователями доказано, что масличной культурой, способной давать самые высокие потенциальные выходы энергии, являются именно микроводоросли [5, с. 98–99].
Водоросли — самые динамичные растения в мире, они могут удваивать свою массу несколько раз в день. Но стоимость получения топлива из них на сегодня является достаточно высокой. Для обеспечения коммерческой привлекательности процесса как восстановительное сырьё для выращивания микроводорослей можно использовать отходы и выбросы, образующиеся в промышленности и при сжигании традиционных видов топлива, и конвертировать отходы микроводорослей в газообразные энергоносители или биологически активные вещества.
Экологически безопасным для окружающей среды возобновляемым носителем энергии является молекулярный водород. Водород — это экологически чистое топливо с высокой энергоемкостью.
В последнее время значительный интерес вызывают биологические способы получения водорода. В этом отношении особого внимания заслуживают фотосинтезирующие организмы, среди которых перспективными являются микроводоросли, поскольку их изучение позволяет выявить взаимосвязь фотосинтеза с процессом образования водорода. Способность микроводорослей производить молекулярный водород за счёт фотосинтетического преобразования энергии обусловлена наличием нелимитированного источники энергии — солнечного света, избытка субстрата фотолиза — воды, высокой теплотворной способности водорода, возможностью восстановления процесса, и, наконец, тем, что фотохимическое превращение воды в водород происходит при температуре без образования токсических промежуточных соединений. Поэтому одним из самых перспективных направлений решения ряда глобальных проблем, в том числе энергетической, является биотехнология микроводорослей [7, с. 66].
Учёные из США (Национальная Лаборатория Лос-Аламоса и Университета Алабамы) разработали принципиально новое химическое соединение для хранения водорода. Оно основано на боране (бороводороде), но содержит в качестве добавки полимер полиборазилен, что придаёт веществу совершенно новые свойства. Для насыщения этого вещества водородом не требуется большого количества энергии, что позволит создать на его основе водородный топливный бак. По предварительным расчётам, для обеспечения пробега автомобиля длиной 480 километров, потребуется водородный бак с объёмом, примерно одинаковым с объёмом обычного, бензинового, топливного бака.
Затрудняют возможность использования водорода в качестве топлива проблемы безопасности: водород может создавать с воздухом взрывоопасную смесь — гремучий газ; сжиженный водород имеет исключительные проницаемые свойства, требуя применения особых материалов.
В 2012 году в итальянской газете La Repubblica появилась информация о том, что группа чилийских и американских учёных нашла способ получения биотоплива из морских водорослей [1].
Инженеры создали бактерию, которая может разрушать и переваривать клеточные стенки этих водорослей, а на выходе давать этанол и другие компоненты. Это потенциально делает их будущими конкурентами источников возобновляемой энергии.
В отличие от кукурузы и другого кормового сырья для производства биотоплива, морские водоросли не требуют вспашки, опыления или пресной воды. Это значительно расширяет горизонты для потенциального источника биотоплива.
Учёные из лаборатории Bio Architecture Lab (Калифорния, США) были заинтересованы в создании такой бактерии, которая бы эффективно переваривала клеточные строительные блоки морских водорослей с альгината без вмешательства химикатов или тепла. Альгинаты обычно используют в мороженом или некоторых тканях, но известно, что они трудно поддаются разрушению или, тем более, превращению в биотопливо [1].
Исследование, проведённое под руководством профессора Джеймса Лиао из Университета Калифорнии, открывает путь к использованию процессов обмена веществ бактерий для создания качественного биотоплива в промышленных масштабах.
Чтобы получить лучшее представление о преимуществах и недостатках водорослей, исследовательская группа из Университета Вирджинии в Шарлотсвили (США) рассмотрела энергетические затраты и экологические последствия производства водорослей для получения топлива. Затем группа сравнивала их с аналогичными значениями для соперников водорослей — кукурузы, рапса и американского проса. Анализ жизненного цикла водорослей, в котором использовали данные из онлайновых баз данных и опубликованных научных исследований, показывает, что в хозяйствах по выращиванию водорослей необходимо свести к минимуму использование удобрений и пресной воды, чтобы конкурировать с другими биотопливными растениями [1]. Один из способов реализации этого проекта — это размещение операции по продуцированию водорослей рядом с очистными сооружениями или объектами, которые выделяют двуокись углерода.
Микроводоросли при благоприятных условиях быстро растут, используя энергию солнечной радиации. В условиях искусственного выращивания объём урожая может составлять от 70 до 120 кг/м2 сырой массы водорослей в год в зависимости от содержания питательных веществ в воде и других условий [6, с. 13].
Рациональность их выращивания основывается на том, что производительность водорослей на единицу площади в 2–5 раз выше традиционных агрокультур и других видов, которые быстро растут.
Культивирование водорослей имеет большие перспективы в создании возобновляемых источников энергии. Исходя из того, что микроводоросли в наше время считают зелёным источником возобновляемого водорода, одной из актуальных задач современной альгобиотехнологии является изучение генетического потенциала микроводорослей как возможных продуцентов водорода и поиск технологических условий повышения его выхода.
Зарубежные страны уже имеют определённый опыт в использовании водорослей в качестве сырья для получения биотоплива. В частности, израильская фирма ООО Seambiotic предложила технологию, которая позволяет промышленное культивирование морских водорослей с помощью диоксида углерода, который выделяется вместе с выбросами электростанций.
Уже через пять лет, к 2020 году, ОАЭ планируют превратиться в мирового лидера по производству биотоплива из водорослей, присоединившись к странам, уже осуществляющим практические шаги в индустрии производства энергии и биотоплива из водорослей.
В Японии, где производится очень большое количество водорослей, довольно большая проблема с утилизацией водорослей, которые намываются на берег, ведь эти водоросли начинают гнить и выделять специфический запах. Утилизация таких отходов требует дополнительных затрат. Японские исследователи разработали систему брожения биомассы, использующую намытые на берег водоросли для производства топлива, которое применяют на получение электроэнергии. Tokyo Gas и NEDO создали систему брожения биомассы водорослей с применением микроорганизмов, в результате чего выделяется метан. Метановое топливо направляется в газовый двигатель, вращающий электрический генератор. На опытной станции Tokyo Gas такая установка перерабатывает 1 тонну водорослей в день, создавая 20 тыс. м3 метана. Для повышения мощности генератора к газу, полученного от водорослей, примешивают ещё и природный. В результате генераторная установка производит мощность в 10 кВт, которой достаточно для отопления 20 домов [4].
И хотя на данном этапе исследований ещё далеко до производства экономически целесообразного и конкурентоспособного продукта, в мире всё больше учёных уделяют огромное внимание производству биотоплива при помощи водорослей.
На сегодняшний день, в условиях энергетического кризиса, создаются реальные условия для развития альтернативных источников энергии, в частности, производства биотоплива. Специалисты уверены, что технология производства биотоплива из микроводорослей имеет ряд существенных преимуществ перед производством биотоплива из масличных культур, рапса. Биотопливо из водорослей — проект, безусловно, очень перспективный, однако пока он находится на стадии экспериментальной разработки.
Литература:
1. Биотопливо на основе водорослей. Нам поможет новый микроб // Джулия Беларделли | La Repubblica. — InoPressa. — 31.01.2012. — [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.inopressa.ru/article/31Jan2012/repubblica/bio.html
2. Сибикин Ю. Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. / Ю. Д. Сибикин, М. Ю. Сибикин. — М.: Кнорус, 2010. — 228 с.
4. Электричество из водорослей. — [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.rosteplo.ru/news.php?zag=1174360546
7. Дебабов В. Г. Биотопливо // Биотехнология. — 2008. № 1. С. 3–14.
8. Ehrenberg R. Algae as biofuel still rough around the edges / Ehrenberg R. // Sciencenews. January 26th, 2015. — [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.sciencenews.org/view/generic/id/55665/title/ Algae_as_biofuel_still_rough_around_the_edges/
9. Seaweed study fuels bioenergy enthusiasm. -. — [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.sciencenews.org/article/seaweed-study-fuels-bioenergy-enthusiasm
