«Зелёная» энергия из водорослей
В условиях нехватки нефтехимических ресурсов и изменения климата разработка CO2-нейтрального устойчивого топлива — одна из самых насущных задач нашего времени. Энергетические растения, такие как рапс или масличная пальма, активно обсуждаются, поскольку они также могут использоваться для производства продуктов питания. Следовательно, культивирование микроводорослей может внести решающий вклад в энергоснабжение будущего. Для производства энергии из микроводорослей учёные Карлсруэского технологического института (KIT, Германия) разрабатывают закрытые фотобиореакторы и новые методы разрушения клеток.
Микроводоросли — это одноклеточные, растительные организмы, осуществляющие фотосинтез и превращающие диоксид углерода (CO2) в биомассу. Из этой биомассы можно производить как потенциальные ресурсы и активные вещества, так и топливо, такое как биодизель. Во время роста водоросли поглощают то количество CO2, которое позже снова высвобождается при их использовании для производства энергии. Таким образом, энергия из водорослей может производиться CO2-нейтрально, в отличие от обычных энергоносителей.
Помимо CO2-нейтрального замкнутого цикла, у водорослей есть ещё одно преимущество: промышленные выбросы CO2 могут использоваться как «ресурс», поскольку водоросли быстрее растут при высоких концентрациях углекислого газа и, следовательно, производят больше биомассы для энергетики.
Однако это не их единственное преимущество: «По сравнению с наземными растениями водоросли производят в пять раз больше биомассы с гектара и содержат от 30 до 40% масла, пригодного для производства энергии», — говорит профессор Клеменс Постен, руководитель этого направления исследований в Институте инженерии наук о жизни KIT. Поскольку водоросли также можно выращивать в засушливых, то есть сухих, районах, непригодных для сельского хозяйства, конкуренция с сельскохозяйственными угодьями практически отсутствует. Однако там требуются закрытые системы.
В настоящее время водоросли производятся в открытых прудах в южных странах с относительно низкой продуктивностью. Именно здесь начинается новая технология Постена. «С точки зрения технологии процесса наш подход совершенно иной, поскольку мы работаем с закрытыми фотобиореакторами», — подчёркивает учёный. «Наши установки преобразуют солнечную энергию в биомассу с эффективностью, в пять раз превышающей эффективность открытых прудов». Пластины в обычных фотобиореакторах расположены вертикально. «Каждая водоросль получает немного меньше света, но установка работает с повышенной эффективностью», — подчёркивает биолог и инженер-электрик. Современные исследуемые конструкции найдут более интеллектуальные способы распределения света.
Следовательно, производство водорослей работает не только в странах с чрезвычайно высокой солнечной радиацией. Большинству водорослей требуется максимум десять процентов интенсивности падающего солнечного света. По словам Постена, оставшаяся часть просто терялась бы, если бы управление светом в фотобиореакторе не было оптимальным. Постен отмечает, что в Сахаре солнца всего в два раза больше, чем в Центральной Европе. Но там пришлось бы охлаждать содержимое реактора. Другие преимущества закрытой системы — значительная экономия воды и удобрений. Также возможно двойное использование водорослей для производства продуктов питания или тонких химикатов с последующим производством энергии из остаточной биомассы.
Институт Постена является одним из двух рабочих групп KIT, занимающихся исследованиями в области биотехнологии водорослей. «Что касается разработки фотобиореакторов, мы входим в тройку мировых центров, где достигается значительный прогресс как в технологии процессов, так и в биологии», — поясняет Постен.
Его исследовательская деятельность на южном кампусе KIT является отправной точкой для исследований, проводимых Институтом импульсной энергии и микроволновой техники на северном кампусе KIT. Здесь основное внимание уделяется извлечению ценных компонентов биомассы водорослей с помощью электрической импульсной обработки. До сих пор д-р Георг Мюллер, руководитель отдела импульсной энергетики этого института, изучал разрушение растительных клеток оливок, винограда, яблок, сахарной свёклы и наземных энергетических растений в сотрудничестве с партнёрами из науки и промышленности. Частично были построены крупномасштабные установки. «Наша цель — разработать новые экономически эффективные и устойчивые методы экстракции, чтобы получить максимальное количество клеточных компонентов из водорослей, которые можно использовать для производства энергии», — говорит Мюллер. «Растительные клетки на очень короткое время подвергаются воздействию сильного электрического поля. Это вызывает перфорацию клеточной мембраны, и компоненты высвобождаются».
Сотрудничество обеих рабочих групп теперь направлено на объединение существующих ноу-хау, при этом стартовое финансирование предоставлено Энергетическим центром KIT. Планируется создать «Водорослевую платформу» KIT для производства энергии из микроводорослей. В среднесрочной перспективе на северном кампусе KIT должны быть построены пилотные и демонстрационные установки с использованием благоприятных условий с точки зрения пространства и инфраструктуры. «Это станет важным узлом в ныне довольно быстро развивающейся сети биотехнологии водорослей», — подчёркивает Постен. Чтобы сделать производство энергии из водорослей экономически эффективным, основное внимание будет уделяться минимизации инвестиционных и эксплуатационных затрат на фотобиореакторы и разработке высокоэффективных процессов сбора и разложения водорослей.
Чтобы замкнуть цикл полного использования биомассы водорослей для производства энергии, исследователи KIT делают ещё один шаг вперёд. Биомасса, оставшаяся после экстракции (60–70%), планируется преобразовать в другие энергоносители, такие как водород или метан, с помощью процесса гидротермального газификации, разработанного на северном кампусе.
Источник: Объединение имени Гельмгольца немецких исследовательских центров