अक्षय ऊर्जा के लिए वैश्विक मांग के रूप में, शैवाल आधारित जैव ईंधन ऊर्जा संयंत्र एक सम्मोहक समाधान के रूप में उभरे हुए हैं जो उच्च उत्पादकता के साथ कार्बन-नकारात्मक क्षमता को जोड़ती है। खाद्य फसलों से प्राप्त पारंपरिक पहली पीढ़ी के जैव ईंधन के विपरीत, शैवाल एक फीडस्टॉक प्रदान करते हैं जो कृषि के साथ कृषि भूमि या मीठे पानी के लिए प्रतिस्पर्धा नहीं करता है। ये तेजी से बढ़ते सूक्ष्मजीव लिपिड, कार्बोहाइड्रेट और बड़ी मात्रा में प्रोटीन का उत्पादन कर सकते हैं, जिसे बायोडीजल, बायोथेनॉल, बायोगैस और यहां तक कि विमानन ईंधन में परिवर्तित किया जा सकता है। यह लेख शैवाल आधारित जैव ईंधन के पीछे विज्ञान की जांच करता है, पारंपरिक ऊर्जा स्रोतों पर उनके फायदे, व्यावसायिकीकरण के लिए बाधाएं और उन्हें जल्द ही एक शक्ति बना सकती हैं।

क्या हैं Algae आधारित जैव ईंधन?

शैवाल आधारित जैव ईंधन तरल या गैसीय ईंधन हैं जो माइक्रोलेगा या मैक्रोलेगा (समुद्री शैवाल) के बायोमास से प्राप्त होते हैं। माइक्रोलेगा-एकल सेल वाले प्रकाश संश्लेषण जीवों - विशेष रूप से उनके उच्च लिपिड सामग्री के कारण आशाजनक होते हैं, जो इष्टतम परिस्थितियों में अपने शुष्क वजन के 50% से अधिक हो सकते हैं। रूपांतरण प्रक्रिया में आम तौर पर शैवाल से तेल निकालने और फिर उन्हें ट्रांसमेस्टरिफिकेशन (जैव डीजल के लिए), किण्वन (जैव इथेनॉल के लिए), या एनारोबिक पाचन (जैव गैसों के लिए) के माध्यम से परिष्कृत करना शामिल है।

अल्गा जैव ईंधन के प्रकार

  • Biodiesel:, जो कि अल्गल लिपिड को पार करके उत्पादित किया गया था। परिणामस्वरूप ईंधन पेट्रोलियम डीजल के साथ मिश्रित किया जा सकता है या संशोधित इंजनों में इस्तेमाल किया जा सकता है।
  • Bioethanol: अल्गल कार्बोहाइड्रेट (starch, सेल्यूलोज) की किण्वन इथेनॉल पैदावार, जो गैसोलीन के साथ मिश्रित किया जा सकता है।
  • Biogas: पूरे शैवाल बायोमास के एनारोबिक पाचन मीथेन समृद्ध बायोगैस उत्पन्न करता है, जिसे बिजली के लिए जला दिया जा सकता है या अक्षय प्राकृतिक गैस में अपग्रेड किया जा सकता है।
  • ग्रीन डीजल और Bio-Jet Fuel:] हाइड्रोप्रोसेस्ड एस्टर और शैवाल तेलों से फैटी एसिड (HEFA) डीजल और जेट ईंधन के लिए ड्रॉप-इन प्रतिस्थापन का उत्पादन कर सकते हैं।

चूंकि शैवाल को खुले तालाबों, बंद फोटोबायोरिक्टरों या हाइब्रिड सिस्टम में खेती की जा सकती है, इसलिए वे लचीलापन प्रदान करते हैं कि फसल आधारित सिस्टम मैच नहीं कर सकते हैं। इसके अलावा, शैवाल को सीधे तेलों को गुप्त करने, कटाई को सरल बनाने और प्रसंस्करण लागत को कम करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है।

अल्गा पावर प्लांट्स के लाभ

अल्गा आधारित बिजली संयंत्र एक साथ कई दबाव पर्यावरण और आर्थिक चिंताओं को संबोधित करने वाले लाभों का एक सूट प्रदान करते हैं। निम्नलिखित उपधाराओं में सबसे अधिक सम्मोहक लाभ हैं।

स्थिरता और भूमि उपयोग

पारंपरिक जैव ईंधन फसलों - मकई, सोया, हथेली - उपजाऊ खेत के बड़े हिस्से की आवश्यकता होती है, खाद्य-वृद्धि-ईंधन संघर्ष और ड्राइविंग वनों की कटाई को बढ़ाती है। इसके विपरीत, शैवाल को गैर-आर्य भूमि पर खेती की जा सकती है, जिसमें रेगिस्तान, तटीय क्षेत्र और यहां तक कि औद्योगिक अपशिष्ट भूमि शामिल हैं। वे नमक के पानी, खारे पानी या अपशिष्ट जल में भी बढ़ते हैं, जो ताजा पानी की मांग को काफी हद तक कम करते हैं। क्योंकि घंटों के भीतर बायोमास में शैवाल डबल, शैवाल का एक एक एक एक एक एकड़ सोयाबीन की तुलना में प्रति वर्ष 10 से 100 गुना अधिक तेल पैदा कर सकता है।

प्रति एकड़

U.S. Department of Energy के अनुसार, माइक्रोलागे प्रति वर्ष लगभग 50 गैलन प्रति एकड़ के साथ सोयाबीन और 600 गैलन प्रति एकड़ के लिए प्रति एकड़ के लिए प्रति एकड़ के साथ तुलना में प्रति वर्ष तेल के 4,000 और 6,000 गैलन के बीच पैदा कर सकते हैं। इस उच्च उत्पादकता का मतलब है कि एक अपेक्षाकृत छोटे भूमि पदचिह्न एक देश की ईंधन मांग का एक महत्वपूर्ण अंश को पूरा कर सकते हैं।

कार्बन कैप्चर और उपयोग

शैवाल प्रकाश संश्लेषण के दौरान कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) को अवशोषित करने वाले प्रकाश संश्लेषण जीव हैं। जब औद्योगिक उत्सर्जनकर्ताओं के साथ एकीकृत होता है - जैसे कि बिजली संयंत्र, सीमेंट कारखानों, या स्टील मिलों - शैवाल की खेती कार्बन कैप्चर सिस्टम के रूप में कार्य कर सकती है, अपशिष्ट CO2 को बायोमास में परिवर्तित कर सकती है। यह एक बंद लूप दृष्टिकोण बनाता है: CO2 को तब जारी किया गया जब जैव ईंधन को जला दिया जाता है, मोटे तौर पर विकास के दौरान CO2 के बराबर होता है, जिसके परिणामस्वरूप निकट कार्बन-न्यूट्रल या यहां तक कि कार्बन-नेगेटिव लाइफसाइकल उत्सर्जन होता है। A 2021 अध्ययन में प्रकाशित किया गया Nature Communications]

उत्पादों की बहुमुखी प्रतिभा

शैवाल जैवमसा ईंधन तक सीमित नहीं है। तेल निष्कर्षण के बाद, शेष प्रोटीन युक्त अवशेषों का उपयोग पशु चारा, उर्वरक या जैवप्लास्टिक और जैव रसायन के लिए फीडस्टॉक के रूप में किया जा सकता है। यह बहुउत्पाद जैव रिफाइनरी मॉडल कई राजस्व धाराओं को उत्पन्न करके शैवाल की खेती की अर्थव्यवस्थाओं में सुधार करता है।

अपशिष्ट जल उपचार Synergy

अल्गा ने नगरपालिका और कृषि अपशिष्ट जल में नाइट्रोजन और फास्फोरस पर थ्राइव किया। पोषक तत्वों से भरपूर पानी में शैवाल को खेती करने से पानी (दूषणों को हटाने) का इलाज होता है जबकि साथ ही साथ ईंधन के लिए बायोमास का उत्पादन होता है - पर्यावरण उपचार और ऊर्जा उत्पादन के लिए एक जीत-जीत। ] में पायलट प्रोजेक्ट्स राष्ट्रीय अक्षय ऊर्जा प्रयोगशाला (NREL) ने एकीकृत शैवाल-अपशिष्ट जल प्रणालियों में 90% या अधिक पोषक तत्वों को हटाने की दरों का प्रदर्शन किया है।

चुनौतियां और भविष्य की संभावनाएँ

स्पष्ट फायदे के बावजूद, शैवाल आधारित जैव ईंधन बिजली संयंत्रों का बड़े पैमाने पर व्यावसायिकीकरण धीमी हो गया है। उद्योग अभी भी उच्च पूंजी और परिचालन लागत, खेती और कटाई में तकनीकी बाधाओं और मजबूत एकीकृत प्रणालियों की आवश्यकता के साथ ग्रैपल है। निम्नलिखित उपधारा प्राथमिक बाधाओं को तोड़ती है और अनुसंधान प्रयासों को दूर करने के लिए उन्हें दूर करने के लिए।

आर्थिक बाधा

शैवाल जैव ईंधन उत्पादन की लागत पेट्रोलियम डीजल या यहां तक कि फसल आधारित जैवडीजल से काफी अधिक है। अंतर्राष्ट्रीय ऊर्जा एजेंसी (IEA) के अनुमानों से पता चलता है कि वर्तमान उत्पादन लागत प्रति गैलन $ 4 से $ 8 तक है, जबकि पेट्रोलियम डीजल के लिए प्रति गैलन $ 2-3 की तुलना में तेल की कीमतों कम हो जाती है। प्रमुख लागत ड्राइवरों में शामिल हैं:

  • Nutrient लागत: Algae को नाइट्रोजन और फास्फोरस उर्वरक की आवश्यकता होती है, जो परिचालन खर्चों के एक बड़े हिस्से के लिए खाते हैं।
  • Harvesting and dewatering: पानी से शैवाल कोशिकाओं को अलग करना - जो संस्कृति की मात्रा का 99% हिस्सा बन सकता है - ऊर्जा-गहन और महंगा है।
  • ]Expression and convert: पारंपरिक विलायक आधारित निष्कर्षण विधियों को उच्च ऊर्जा इनपुट की आवश्यकता होती है और अपशिष्ट धारा उत्पन्न होती है।

लागत में कमी रणनीति

शोधकर्ता लागत को कम करने के लिए कई पथों की खोज कर रहे हैं। पोषक तत्वों और CO2 स्रोतों के रूप में अपशिष्ट जल या फ्लू गैस का उपयोग नाटकीय रूप से इनपुट लागत को कम कर सकता है। झिल्ली निस्पंदन और flocculation प्रौद्योगिकियों में अग्रिम अधिक कुशल बना रहे हैं। इसके अतिरिक्त, इंजीनियर शैवाल से प्रत्यक्ष तेल स्राव - यांत्रिक निष्कर्षण की आवश्यकता को खत्म करने - प्रयोगशाला तनावों में प्रदर्शित किया गया है और सस्ता जैव ईंधन के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।

तकनीकी चुनौतियां

शैवाल की खेती को लगातार, उच्च घनत्व वृद्धि वर्ष-भूमि हासिल करना चाहिए। ओपन तालाब, जबकि सस्ती, अन्य सूक्ष्मजीवों, तापमान उतार-चढ़ाव और वाष्पीकरण हानि से दूषित होने के लिए कमजोर हैं। फोटोबायोरियाक्टर (PBR) बेहतर नियंत्रण और उच्च पैदावार प्रदान करते हैं लेकिन पूंजी लागत को ले जाते हैं जो बड़े पैमाने पर परियोजनाओं के लिए निषेधात्मक हो सकते हैं।

आनुवंशिक अभियांत्रिकी के माध्यम से तनाव सुधार

आनुवंशिक इंजीनियरिंग आधुनिक शैवाल अनुसंधान का एक कोनेस्टोन है। वैज्ञानिक लिपिड संचय को बढ़ाने, प्रकाश संश्लेषण दक्षता को बढ़ाने और कीटों और लवणता के प्रतिरोध को सीमित करने के लिए चयापचय मार्गों को संशोधित कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, सिंथेटिक जीवविज्ञान कंपनी सिंथेटिक जीनोमिक्स (क्राइग वेंटर द्वारा स्थापित) ने ]Nannochloropsis के तनावों को विकसित किया है जो जंगली प्रकार के तनावों की तुलना में 40% अधिक लिपिड उत्पन्न करती है। इस तरह के सुधार एक दशक के भीतर शैवाल जैव ईंधन की आर्थिक व्यवहार्यता को दोगुना कर सकते हैं।

पर्यावरण विचार

जबकि शैवाल जैव ईंधन स्पष्ट पर्यावरणीय लाभ प्रदान करते हैं, वे संभावित नकारात्मक प्रभावों के बिना नहीं हैं। बड़े पैमाने पर खेती को महत्वपूर्ण पानी के उपयोग की आवश्यकता हो सकती है (यहां तक कि खारे पानी या अपशिष्ट जल के साथ, खुले तालाबों में वाष्पीकरण हानि पर्याप्त है)। इसके अलावा, अगर उर्वरकों को निरंतर उपयोग किया जाता है, तो रनऑफ पास के पानी के निकायों में यूट्रोफिकेशन का कारण बन सकता है। हालांकि, इन जोखिमों को सावधानीपूर्वक बैठने, बंद करने वाले पानी के पुनर्चक्रण के माध्यम से कम किया जा सकता है, और अपशिष्ट जल धाराओं से प्राप्त पोषक तत्वों का उपयोग किया जा सकता है।

शैवाल जैव ईंधन का कार्बन संतुलन प्रसंस्करण में उपयोग किए जाने वाले ऊर्जा स्रोत पर भारी निर्भर करता है। यदि पंपों, अपकेंद्रित्रों और जैव रिएक्टरों की शक्ति जीवाश्म ईंधन से आती है, तो शुद्ध कार्बन कमी कम हो जाती है। अक्षय बिजली (सोलार, पवन) या बायोगैस से कॉजनरेशन के साथ शैवाल उत्पादन सुविधाओं को एकीकृत करना ग्रीनहाउस गैस लाभ को अधिकतम कर सकता है। ]Environmental विज्ञान & प्रौद्योगिकी (2018) में प्रकाशित एक जीवनचक्र विश्लेषण ने पाया कि शैवाल बायोडीजल जीवाश्म डीजल की तुलना में 60-80% कम कार्बन उत्सर्जन प्राप्त कर सकता है जब आपूर्ति श्रृंखला में अक्षय ऊर्जा का उपयोग किया जाता है।

नवाचार और अनुसंधान निर्देश

कई उभरती प्रौद्योगिकियों ने शैवाल आधारित बिजली संयंत्रों की तैनाती को तेज करने का वादा किया:

  • Direct biofuel संश्लेषण: कुछ शैवाल प्रजातियों को सीधे विकास माध्यम में इथेनॉल या हाइड्रोकार्बन को बाहर निकालने के लिए इंजीनियर किया जा रहा है, जिससे ऊर्जा-गहनकारी फसल और निष्कर्षण चरणों को बायपास किया जा सकता है।
  • ]Integrated जैव रिफाइनरी सिस्टम: सौर ऊर्जा संचालित पानी पंप के साथ शैवाल की खेती का संयोजन, अवशिष्ट बायोमास का एनारोबिक पाचन, और पोषक तत्व रीसाइक्लिंग स्वयं-निर्धारित सूक्ष्म-ग्रिड बना सकता है।
  • Algae-bacteria consortia: विशिष्ट बैक्टीरिया के साथ शैवाल को सह-संकलन लिपिड उत्पादन, flocculation, और रोगजनों के प्रतिरोध को बढ़ा सकता है, जैसा कि एरिज़ोना विश्वविद्यालय में हाल के अध्ययनों में प्रदर्शित किया गया है।
  • ]]ऑफशोर मैक्रोलेगा खेत: खुले समुद्र के वातावरण में बढ़ते हुए पूरी तरह से जमीन-उपयोग संघर्षों से बच जाते हैं। Sargassum और अन्य भूरे समुद्री शैवाल को जैव ईंधन में फसल और संसाधित किया जा सकता है, जिसमें मेक्सिको और उत्तरी सागर की खाड़ी में चल रही प्रारंभिक पायलट परियोजनाएं शामिल हैं।

निष्कर्ष

शैवाल आधारित जैव ईंधन बिजली संयंत्र एक दूर कल्पना नहीं हैं- वे पहले से ही कैलिफोर्निया से इज़राइल तक के स्थानों में एक पायलट और प्रदर्शन पैमाने पर काम कर रहे हैं। मूलभूत विज्ञान ध्वनि है: शैवाल को पकड़ने CO2, ऊर्जा-घन तेल का उत्पादन करते हैं, और खाद्य आपूर्ति या ताजा पानी को बोझ रहित बिना खेती की जा सकती है। शेष बाधाएं आर्थिक और इंजीनियरिंग हैं। तनाव में सुधार, कटाई दक्षता और एकीकृत प्रणाली डिजाइन में अनुसंधान के रूप में, शैवाल अगली 10-20 वर्षों के भीतर जीवाश्म ईंधन के लिए एक प्रतिस्पर्धी विकल्प बन सकता है। पॉलिसी निर्माताओं इस संक्रमण को आर एंडैम्प का समर्थन करके तेज कर सकते हैं; डी कर क्रेडिट, कार्बन मूल्य निर्धारण और जैव-परिवर्ती के लिए बुनियादी ढांचा।