Производство биотоплива из водорослей в промышленных масштабах сталкивается с проблемами устойчивости
Масштабирование производства биотоплива из водорослей для покрытия хотя бы 5% (примерно 39 млрд литров) потребностей США в транспортном топливе создаст неустойчивый спрос на энергию, воду и питательные вещества, говорится в новом отчете Национального исследовательского совета. Однако эти проблемы не являются непреодолимым барьером, а инновации, требующие исследований и разработок, могут помочь раскрыть полный потенциал биотоплива из водорослей.
Биотопливо из водорослей и цианобактерий — возможная альтернатива нефтяному топливу, способная повысить энергобезопасность США и снизить выбросы парниковых газов, таких как CO2. Оно имеет потенциальные преимущества перед биотопливом из наземных растений, включая возможность выращивания на неплодородных землях в прудах с пресной, соленой водой или сточными водами. Интерес к этой технологии растет среди компаний и нефтяных корпораций, что и стало причиной проведения оценки устойчивости такого производства.
Ключевые проблемы крупномасштабного производства зависят от выбранного технологического пути (использование пресноводных или морских микроводорослей, открытых прудов или закрытых фотобиореакторов, переработка масел или целых макроводорослей). Наибольшее внимание сейчас уделяется выращиванию специальных штаммов в открытых/закрытых системах с последующим сбором, экстракцией масла и его переработкой в топливо.
Основные проблемы устойчивости:
- Водопотребление: Для производства биотоплива, эквивалентного 1 литру бензина, требуется от 3.15 до 3650 литров пресной воды (в зависимости от метода). Ключевой фактор — восполнение потерь на испарение.
- Питательные вещества: Для производства 39 млрд литров топлива ежегодно потребуется 6–15 млн тонн азота (44–107% от общего потребления в США) и 1–2 млн тонн фосфора (20–51%), если не налажена рециркуляция. Использование сточных вод может снизить эту нагрузку.
- Земельные ресурсы: Необходимы обширные площади с подходящим топографическим положением, климатом и близостью к источникам воды и питательных веществ, чтобы избежать высоких затрат на транспортировку. Стоимость подходящих земель (например, близ городов или побережья) может быть prohibitive. Требуется национальная оценка доступных площадей.
- Выбросы парниковых газов: Оценки жизненного цикла производства сильно разнятся — некоторые показывают снижение выбросов по сравнению с нефтяным топливом, другие — рост. На результат влияют энергозатраты на обезвоживание, сбор водорослей и источник электроэнергии.
- Энергетическая рентабельность (EROI): Энергия, полученная из биотоплива, должна существенно превышать энергию, затраченную на выращивание и переработку водорослей.
Пути к устойчивому развитию:
Ключевыми аспектами являются размещение прудов для выращивания вблизи ресурсов воды и питательных веществ и организация рециркуляции этих ресурсов. При грамотном управлении и инженерных решениях можно избежать побочных экологических эффектов, таких как загрязнение водоемов сточными водами, вызывающее цветение, или просачивание в грунтовые воды.
Для значимого вклада биотоплива из водорослей в энергетику будущего необходимы НИОКР по следующим направлениям:
- Улучшение штаммов водорослей и поиск новых.
- Развитие материалов и методов для выращивания и переработки.
- Снижение энергозатрат на различных стадиях производства.
Для помощи в принятии решений комитет предложил Министерству энергетики США использовать аналитическую структуру, включающую:
- Оценку устойчивости на протяжении всей цепочки поставок.
- Анализ кумулятивного воздействия на ресурсы и окружающую среду.
- Затратно-выгодный анализ.