Koska uusiutuvan energian maailmanlaajuinen kysyntä voimistuu, leväpohjaisista biopolttoaineista on tulossa pakottava ratkaisu, jossa yhdistyvät hiilinegatiivinen potentiaali ja korkea tuottavuus. Toisin kuin perinteisistä ensimmäisen sukupolven biopolttoaineista elintarvikekasveista saadut biopolttoaineet, levät tarjoavat raaka-aineen, joka ei kilpaile viljelymaan tai makean veden maatalouden kanssa. Nämä nopeasti kasvavat mikro-organismit voivat tuottaa lipidejä, hiilihydraatteja ja proteiineja suurissa määrin, jotka voidaan muuntaa biodieseliksi, bioetanoliksi, biokaasuksi ja jopa ilmailupolttoaineeksi. Tässä artikkelissa tarkastellaan leväpohjaisten biopolttoaineiden tieteellistä taustaa, niiden etuja perinteisiin energialähteisiin nähden, kaupan esteitä ja innovaatioita, jotka voivat pian tehdä niistä valtavirtalähteen.

Mitä ovat Algae-Based biopolttoaineet?

Levät ovat nestemäisiä tai kaasumaisia polttoaineita, jotka on saatu mikrolevän tai makrolevän biomassasta.Microalgae.Yksisoluiset fotosynteettiset organismit.

Leväbiopolttoaineet

  • Biodiesel:[ Valmistettu levälipidejä transesteröimällä. Tuloksena oleva polttoaine voidaan sekoittaa maaöljydieseliin tai käyttää muunnelluissa moottoreissa.
  • Bioetanoli:[] Algal-hiilihydraatteja (tärkkelys, selluloosa) käytettäessä syntyy etanolia, joka voidaan sekoittaa bensiiniin.
  • Biokaasu:[] Kokonaisen leväbiomassan anaerobinen mädätys tuottaa metaanipitoista biokaasua, joka voidaan polttaa sähköä varten tai päivittää uusiutuvaksi maakaasuksi.
  • Vihreä diesel ja Bio-Jet Fuel:] Leväöljyistä peräisin olevat vetyjalostetut esterit ja rasvahapot voivat tuottaa diesel- ja lentopolttoaineen pudotuskorvikkeita.

Koska leviä voidaan viljellä avoimissa lammikoissa, suljetuissa fotobioreaktorien tai hybridijärjestelmien avulla, ne tarjoavat joustavuutta, jota viljelyjärjestelmät eivät sovi yhteen. Lisäksi levät voidaan suunnitella erittämään öljyjä suoraan, yksinkertaistamaan sadonkorjuuta ja alentamaan jalostuskustannuksia.

Algae Power Plants -kasvin edut

Leväpohjaiset voimalat tarjoavat joukon etuja, jotka koskevat samanaikaisesti useita kiireellisiä ympäristö- ja taloudellisia huolenaiheita. Seuraavissa alaluvuissa esitetään tärkeimmät edut.

Kestävä kehitys ja maankäyttö

Perinteiset biopolttoainekasvit ...........................................................................................................................................................................................................................................................

Korkea tuotto per Acre

Mukaan Yhdysvaltain energiaministeriön, mikrolevä voi tuottaa välillä 4000 ja 6000 litraa öljyä eekkeri vuodessa, kun taas noin 50 litraa hehtaarilta soijapapuja ja 600 litraa hehtaarilta palmuöljyä. Tämä korkea tuottavuus tarkoittaa, että suhteellisen pieni maa jalanjälki voi vastata merkittävä osa kansakunnan polttoaineen kysyntää.

Hiilidioksidin talteenotto ja hyödyntäminen

Levä on fotosynteettinen organismi, joka imee hiilidioksidia (CO2) fotosynteesin aikana. Kun se yhdistetään teollisuuden päästöjen aiheuttajiin. Teollisuuden päästöjen aiheuttajiin, kuten voimalaitoksiin, sementtitehtaisiin tai terästehtaisiin.Algan viljely voi toimia hiilidioksidin talteenottojärjestelmänä ja muuntaa jätteet CO2:ksi biomassaksi. Näin luodaan suljettu silmukka-lähestymistapa: hiilidioksidin vapautuminen biopolttoaineen polttamisen yhteydessä on suunnilleen yhtä suuri kuin kasvun aikana talteen otettu hiilidioksidi, mikä johtaa lähes hiilineutraaliin tai jopa hiilineutraaliin elinkaareen. ] -julkaisussa julkaistu tutkimus Luontotiedonannoissa[ vahvistettiin, että leväpohjaiset biopolttoaineet voisivat vähentää kasvihuonekaasupäästöjä 50.....70 prosentilla verrattuna öljypolttoaineisiin.

Tuotteiden monipuolisuus

Levät biomassa ei rajoitu vain polttoaineeseen. Öljyn uuton jälkeen jäljelle jäävää proteiinipitoista jäännöstä voidaan käyttää eläinten rehuna, lannoitteena tai biomuovien ja biokemikaalien raaka-aineena. Tämä monituotebiojalostamomalli parantaa levien viljelyn taloudellista arvoa tuottamalla useita tulonlähteitä.

Jäteveden käsittelyn synergia

Levä viihtyy kunnan ja maatalouden jätevesissä esiintyvällä typellä ja fosforilla. Leväravinnepitoisessa vedessä käsitellään vettä (poistavat epäpuhtaudet) samalla kun tuotetaan biomassaa polttoaineena.Voitetaan ympäristön kunnostamiseen ja energiantuotantoon. :nkansallisen uusiutuvan energian laboratorion (NREL)[] pilottihankkeissa on osoitettu, että ravinteiden poistoaste on ollut 90 prosenttia tai suurempi integroiduissa levä-jätevesijärjestelmissä.

Haasteet ja tulevaisuudennäkymät

Lävipohjaisten biopolttoaineiden voimalaitosten laajamittainen kaupallistaminen on ollut selkeistä eduista huolimatta hidasta. Teollisuuden pääoma- ja toimintakustannukset ovat edelleen korkeat, viljelyn ja korjuun tekniset pullonkaulat ja vahvojen integroitujen järjestelmien tarve. Seuraavat alaluokat poistavat tärkeimmät esteet ja tutkimustoimet, joita on käynnissä niiden poistamiseksi.

Talous

Levät biopolttoaineen tuotantokustannukset ovat edelleen huomattavasti korkeammat kuin maaöljydiesel tai jopa viljelykasvipohjainen biodiesel. Kansainvälisen energiajärjestön (IEA) arvioiden mukaan nykyiset tuotantokustannukset vaihtelevat 4 $ 8 $ gallonaa kohti, kun dieselöljyn hinta on alhainen.

  • Perunakustannukset:[] Levässä on oltava typpeä ja fosforia sisältäviä lannoitteita, jotka muodostavat suuren osan toimintakustannuksista.
  • Vesien käsittely ja vedenpoisto:[] Leväsolujen erottaminen vedestä, joka voi muodostaa 99 prosenttia viljelytilavuudesta, on energiaintensiivistä ja kallista.
  • Eksptract and conversion:[ Tavanomaiset liuotinpohjaiset uuttomenetelmät edellyttävät suuria energiapanoksia ja tuottavat jätevirtoja.

Kustannusten vähentämisstrategiat

Tutkijat tutkivat useita tapoja vähentää kustannuksia. Jäteveden tai savukaasun käyttö ravinne- ja hiilidioksidilähteinä voi huomattavasti alentaa panoskustannuksia. Membraanien suodattamisen ja flokkulaation teknologian kehitys tehostaa vedenpoistoa. Lisäksi suora öljyn erittäminen muunnetusta levää käyttäen on osoitettu laboratoriokannoissa ja tarjoaa lupaavan tien halvempiin biopolttoaineisiin.

Tekniset haasteet kulttuurissa

Leväviljelyn on saavutettava johdonmukainen, tiheä kasvu ympäri vuoden. Avoin lampi, vaikka edullinen, ovat alttiita kontaminaatiolle muiden mikrobien, lämpötilan vaihtelut, ja haihtumishäviöt. Valokuvabioreaktorit (PFC) tarjoavat paremman valvonnan ja korkeammat tuotot, mutta kantaa pääomakustannuksia, jotka voivat olla kohtuuttomia laajamittaisissa hankkeissa.

Kantaparannus geenitekniikan avulla

Geenitekniikka on nykyaikaisen levätutkimuksen kulmakivi. Tutkijat muokkaavat aineenvaihduntareittejä lisätäkseen rasvan kertymistä, parantaakseen fotosynteesin tehokkuutta ja antaakseen resistenssin tuholaisille ja suolalle. Esimerkiksi synteettinen biologiayritys Synteettinen genomiikka (Craig Venterin perustama) on kehittänyt []Nannoklooripsis -kantoja, jotka tuottavat 40% enemmän lipidejä kuin villit kannat. Tällaiset parannukset voivat tuplata leväbiopolttoaineiden taloudellisen elinkelpoisuuden vuosikymmenen aikana.

Ympäristönäkökohdat

Vaikka levät biopolttoaineet tarjoavat selkeitä ympäristöhyötyjä, ne voivat olla ilman mahdollisia kielteisiä vaikutuksia. Laajamittainen viljely voi vaatia merkittävää vedenkäyttöä (myös suolaveden tai jäteveden avulla, haihtumishäviöt avoimissa lammikoissa ovat huomattavia). Myös jos lannoitteita käytetään kestämättömästi, valuminen voi aiheuttaa rehevöitymistä lähivesissä.Näitä riskejä voidaan kuitenkin lieventää huolellisella istumisella, suljetulla veden kierrätyksellä ja jätevesivirroista talteen otetuilla ravinteilla.

Lävien biopolttoaineiden hiilitase riippuu voimakkaasti käsittelyssä käytetystä energialähteestä. Jos pumppujen, sentrifugien ja bioreaktorien teho tulee fossiilisista polttoaineista, hiilidioksidin nettovähennys vähenee. Lävien tuotantolaitosten yhdistäminen uusiutuvaan sähköön (aurinko- ja tuulivoima) tai biokaasun yhteistuotantoon voi maksimoida kasvihuonekaasujen hyödyt. [] Ympäristötieteen ja -teknologian (2018) mukaan levään biodieselillä voidaan saavuttaa 60..80% pienemmät hiilipäästöt kuin fossiilisella dieselillä, kun uusiutuvaa energiaa käytetään koko toimitusketjussa.

Innovaatiot ja tutkimussuuntaukset

Useat uudet teknologiat lupaavat nopeuttaa leväpohjaisten voimalaitosten käyttöönottoa:

  • Suora biopolttoainesynteesi:[ Jotkut levät on suunniteltu erottamaan etanolia tai hiilivetyjä suoraan kasvualustaan, ohittaen energiaintensiiviset sadonkorjuu- ja uuttovaiheet.
  • Integroidut biojalostamojärjestelmät:[] Lävien viljelyn yhdistäminen aurinkovoimalla toimivalla vedellä pumppaamiseen, biomassan jäännösmassan anaerobiseen mädättämiseen ja ravinteiden kierrätykseen voi luoda itseä säästäviä mikrohiiltoja.
  • Alga-bakteereja sisältävät konsortiot:[] Levään viljely yhdessä tiettyjen bakteerien kanssa voi lisätä rasvan tuotantoa, flokkulaatiota ja patogeeniresistenssiä, kuten hiljattain Arizonan yliopistossa tehdyissä tutkimuksissa on osoitettu.
  • Saatavilla sijaitsevat makrolevätilat:[] Merilevän viljely avomerellä ei aiheuta maankäyttöristiriitoja. Sargassum ja muut ruskeat merilevät voidaan korjata ja jalostaa biopolttoaineiksi, ja Meksikonlahdella ja Pohjanmerellä on käynnissä varhaisia pilottihankkeita.

Päätelmät

Levätön käyttövoimalaitokset eivät ole kaukainen fantasia.Ne toimivat jo pilotti- ja demonstrointiasteikolla Kaliforniasta Israeliin. Perustieteessä on hyvä: levät kaappaavat CO2:ta ja tuottavat energia-aineöljyjä ja niitä voidaan viljellä kuormittamatta elintarvike- tai makeaa vettä. Jäljellä olevat esteet ovat taloudellisia ja teknisiä. Koska taakan parantamista, korjuun tehokkuutta ja integroitua järjestelmäsuunnittelua koskeva tutkimus jatkaa kustannusten laskua, levät voivat tulla kilpailukykyiseksi vaihtoehdoksi fossiilisille polttoaineille seuraavien 10 .Päättäjät voivat nopeuttaa tätä siirtymää tukemalla T & K-verohyvityksiä, hiilen hinnoittelua ja biojalostamojen infrastruktuuria. Niille, jotka etsivät todella skaalautuvaa, kestävää ja hiilinegatiivista energialähdettä, levät tarjoavat yhden lupaavimmista etenemispoluista.