Мировая борьба за экологию началась не сегодня, но в последнее время она все чаще становится темой для обсуждения. Неконтролируемые климатические изменения пугают и заставляют задуматься о будущем нашей планеты. Промышленные компании, например, уже используют водород или солнечную энергию в качестве альтернативного топлива, а какие еще есть варианты? Зеленые во всех смыслах!
Водоросли привлекли внимание экспертов разных отраслей еще десять лет назад. Они имеют большие преимущества в промышленном производстве:
- быстро растут (в 10 раз быстрее, чем наземные растения),
- поглощают углекислый газ,
- из них можно получить большие объемы масла (в 20 раз больше, чем из горчицы, к примеру).
Крупные предприятия и стартапы по всему миру работают над коммерциализацией биотопливных процессов на основе водорослей, чтобы уменьшить зависимость от традиционных ископаемых видов топлива, таких как бензин и дизель. Как далеко удалось им продвинуться в создании новой “зеленой” промышленности?
Начало пути
Одной из первых компаний по производству топлива на основе водорослей была Algenol, основанная в 2006 году во Флориде. Она получила триллионы долларов из государственных и частных фондов и пообещала ежегодно поставлять до 380 000 литров водорослевого топлива. Однако эти планы оказались чересчур амбициозными, и в 2015 году компания была вынуждена от них отказаться. В настоящее время Algenol продает ингредиенты для средств личной гигиены на основе водорослей, пищевые добавки и другие нетопливные продукты.
Ведущие транснациональные энергетические компании Shell и Chevron тоже давно приостановили свои программы исследований и разработок топлива из водорослей, объявив их провалом. Также более 25 компаний по всему миру, которые были первопроходцами в производстве водорослевого топлива, либо обанкротились, либо перешли на другие продукты из водорослей.
Почему это произошло? Основные проблемы связаны с большими потребностями в воде, высокой стоимостью питательных веществ для роста водорослей, дорогостоящим сбором биомассы и сложностью извлечения из нее масла. По оценкам экспертов, для производства килограмма биодизеля требуется 3,73 тонны воды, 0,33 кг азота и 0,71 кг фосфата. Чтобы заменить всего 5 процентов дизельного топлива, потребляемого, например, в США, водорослевым топливом потребуется как минимум 123 миллиарда литров пресной воды — столько же потребляет 400 000 домашних хозяйств в год. Кроме того, извлечение масла из биомассы водорослей очень энергозатратный процесс.
Достижения последних лет
Индийская компания Reliance Industries Ltd в одной из социальных сетей опубликовала короткое видео, в котором рассказывается о собственном производстве биотоплива. В больших прудах недалеко от Джамнагара компания уже пять лет успешно выращивает водоросли, которые при помощи технологии каталитического гидротермального сжижения преобразуются в биомассу, а затем в нефть. Вода в этом процессе используется в качестве растворителя, помогая при высокой температуре и давлении извлечь масло из биомассы. Главное преимущество этой технологии в том, что влажная биомасса идет на производство масла сразу без просушки, таким образом, удается избежать потерь в объеме и сэкономить время.
В 2021 году нефтегазовый гигант ExxonMobil заключил партнерское соглашение с Viridos (ранее Synthetic Genomics) для коммерциализации топлива из водорослей. “Микроводоросли отлично преобразовывают диоксид углерода и солнечный свет в богатую нефтью биомассу, особенно по сравнению с наземными сельскохозяйственными культурами, такими как масличная пальма и соя”, — заявили представители компании ExxonMobil. Они также добавили, что приспособив микроводоросли к работе в качестве клеточных “фабрик”, производящих энергоемкие масла, легко перерабатываемые в возобновляемое дизельное топливо и топливо для реактивных двигателей, можно будет сократить выбросы парниковых газов на 70 процентов.
Глобальная энергетическая компания TotalEnergies в 2021 году объединилась с французской компанией Veolia, чтобы продемонстрировать установку по производству топлива из водорослей на биоперерабатывающем заводе TotalEnergies в Ла Меде. К 2025 году планируется наладить производство нефти, используя микроводоросли.
Японская многонациональная нефтяная корпорация Eneos Holdings Inc совместно с Honda Motor Co Ltd и Chitose Bio Evolution Pte планирует массовое производство водорослей в Малайзии. В этом году на острове Борнео стартует пилотный проект на площади пяти гектаров при финансовой поддержке Японской организации по развитию новых энергетических и промышленных технологий.
Планы и прогнозы
Технико-экономические исследования показали, что себестоимость топлива из водорослей очень сложно вычислить: необходимо учитывать непостоянные факторы, связанные с методами культивирования, продуктивностью биомассы, содержанием масла, производственными мощностями и технологиями переработки. Кроме того, значительная часть оценок на сегодня делается путем экстраполяции данных из лабораторных условий. Полученная таким образом информация обычно не соответствует реальной.
Для того чтобы определить окупаемость инвестиций в энергию, используется специальный показатель оценки устойчивости — EROI (Energy Return On Investment). Он представляет собой отношение доли энергии, производимой данным источником, к энергии, необходимой для его производства. Если EROI меньше 1, значит, для создания топлива потребуется больше энергии, чем это топливо и побочные продукты будут содержать. Для топлива из водорослей, производимого в открытых прудах или фотобиореакторах, прогнозируемый EROI колеблется от 0,13 до 0,71. Чтобы производство было устойчивым и выгодным, необходим показатель больше 3. Решить эту проблему пытаются исследователи по всему миру.
Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США продемонстрировали новую интегрированную технологию, с помощью которой возможно повышение производительности и снижение цен на топливо из водорослей. Для более легкого извлечения доступных липидов из биомассы и дальнейшей их переработки в биодизель используется средняя температура и низкий уровень pH. Благодаря этому методу расходуется на 33 процента меньше топлива, по сравнению со стандартным способом экстракции липидов.
Стартап Phycobloom, основанный выпускниками Кембриджа и Оксфорда, разработал модифицированный штамм водорослей, который очень эффективно и без помощи каких-либо дорогостоящих машин преобразует углекислый газ в масло. Лозунг компании звучит так: “Мы должны отказаться от ископаемого топлива как можно скорее. Масло водорослей может стать устойчивой альтернативой, которую мы все искали”.
Исследовательская группа под руководством Анушри Малика из Индийского технологического института в Дели разработала различные модели биопленочных реакторов для выращивания микроводорослей. Это позволит существенно снизить стоимость сбора биомассы.
Хотя водоросли до сих пор еще не смогли хорошо зарекомендовать себя в энергетическом секторе, рост цен на топливо и постоянное давление на промышленников со стороны международных природоохранных органов привлекают к ним все больше технологических компаний, исследователей и инвесторов. Возможно, скоро кому-нибудь удастся сделать топливо из водорослей доступным и популярным.