Esplorare il potenziale delle centrali di energia biocarburante a base di alghe

Come la domanda globale di energia rinnovabile intensifica, le centrali biocarburanti a base di alghe stanno emergendo come una soluzione convincente che combina il potenziale negativo del carbonio con un'alta produttività.

Cosa sono i biocarburanti alghe?

I biocarburanti a base di alghe sono combustibili liquidi o gassosi derivati dalla biomassa delle microalghe o delle macroalghe (alghe marine). Le microalghe, organismi fotosintetici monoleali, sono particolarmente promettenti a causa del loro alto contenuto di lipidi, che può superare il 50% del loro peso secco in condizioni ottimali.

Tipi di Alghe Biofuels

Poiché le alghe possono essere coltivate in stagni aperti, in fotobioreattori chiusi o in sistemi ibridi, offrono flessibilità che i sistemi a base di colture non possono corrispondere. Inoltre, le alghe possono essere progettate per secrererere direttamente gli oli, semplificando la raccolta e riducendo i costi di lavorazione.

Vantaggi delle centrali elettriche di Algae

Le centrali elettriche a base di alghe offrono una serie di vantaggi che si rivolgono a diverse questioni ambientali ed economiche pressanti contemporaneamente, e le seguenti sottosezioni sono in dettaglio i vantaggi più interessanti.

Sostenibilità e uso del suolo

Le colture tradizionali di biocarburanti, ghianda, soia, palma, richiedono grandi tratti di terreni coltivati, sollevando conflitti alimentari-confuoco e disboscando la deforestazione. Le alghe, al contrario, possono essere coltivate su terreni non arabili, compresi deserti, zone costiere e persino aree di scarto industriali.

Alta resa per acri

Secondo il U.S. Department of Energy[[]], le microalghe possono produrre tra 4.000 e 6.000 galloni di olio per acro all'anno, rispetto a circa 50 litri per acro per soia e 600 galloni per acro per olio di palma, con un'elevata produttività che un'impronta di terra relativamente piccola può soddisfare una significativa frazione della domanda di combustibile di una nazione.

Carbon Capture e Utilizzo

Gli alghe sono organismi fotosintetici che assorbiscono l'anidride carbonica (CO2) durante la fotosintesi. Quando integrati con emettitori industriali, come centrali elettriche, cementifici o acciaifici, la coltivazione di alghe può fungere da sistema di cattura del carbonio, convertendo i rifiuti CO2 in biomassa, creando un approccio a ciclo chiuso: il CO2 rilasciato quando il biocarburante viene bruciato è grossolanamente uguale al CO2 catturato durante la crescita, con conseguente riduzione delle emissioni di carbonio.

Versatilità dei Prodotti

Dopo l'estrazione dell'olio, i residui ricchi di proteine possono essere utilizzati come mangimi, fertilizzanti, o come mangimi per bioplastici e biochimici. Questo modello di biorifineria multiprodotto migliora l'economia della coltivazione delle alghe generando più flussi di reddito.

Sinergia di trattamento delle acque reflue

Coltivare le alghe in acqua ricca di sostanze nutritive tratta l'acqua (rimozione di sostanze inquinanti) mentre produce simultaneamente biomassa per il combustibile—un win-win per la risanamento ambientale e la produzione di energia. I progetti pilota al National Renewable Energy Laboratory (N‐REL) hanno dimostrato una riduzione del 90% o maggiori tassi di nutrimento.

Sfide e prospettive future

Nonostante i vantaggi evidenti, la commercializzazione su larga scala delle centrali elettriche a biocarburante a base di alghe è stata lenta. L'industria si accumula ancora con elevati costi di capitale e di esercizio, strozzature tecniche nella coltivazione e nella raccolta, e la necessità di sistemi integrati robusti.Le sottosezioni seguenti abbattere gli ostacoli primari e gli sforzi di ricerca in corso per superarli.

Urds economici

Il costo della produzione di biocarburante alghe rimane significativamente superiore al biodiesel gasolio o anche a base di colture. Le stime dell'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA) suggeriscono che i costi di produzione attuali variano da 4 a 8 dollari al galone, rispetto a $2–3 al galone per il diesel del petrolio quando i prezzi del petrolio sono bassi.

Strategie di riduzione dei costi

I ricercatori stanno esplorando diversi percorsi per ridurre i costi. Utilizzando le acque reflue o il gas flue come fonti nutrienti e CO2 possono ridurre drasticamente i costi di ingresso. Le tecnologie di filtrazione a membrana e di fluttuazione stanno rendendo più efficienti le acque di scarico. Inoltre, la secrezione diretta dell'olio dalle alghe ingegnerizzate, eliminando la necessità di estrazione meccanica, è stata dimostrata nelle varietà di laboratorio e offre un percorso promettente per i biocarburanti più economici.

Sfide tecniche nella coltivazione

La coltivazione delle alghe deve raggiungere una crescita costante e ad alta densità tutto l'anno. Gli stagni aperti, mentre poco costosi, sono vulnerabili alla contaminazione da altri microbi, fluttuazioni della temperatura e perdite di evaporazione. I fotobioreattori (PBR) offrono un migliore controllo e rese più elevate, ma portano costi di capitale che possono essere proibitivi per progetti su larga scala.

Miglioramento dello strain attraverso l'ingegneria genetica

Gli scienziati stanno modificando i percorsi metabolici per aumentare l'accumulo di lipidi, migliorare l'efficienza della fotosintesi e conferire resistenza ai parassiti e alla salinità. Ad esempio, la società di biologia sintetica Sintetico Genomics (co-fondata da Craig Venter) ha sviluppato ceppi di Nanno‐clopsis che producono il 40% di più di virilità selvalibriche

Considerazioni ambientali

Mentre i biocarburanti di alghe offrono evidenti benefici ambientali, non sono senza potenziali impatti negativi. La coltivazione su larga scala potrebbe richiedere un uso significativo dell'acqua (anche con acqua salata o acque reflue, le perdite di evaporazione negli stagni aperti sono sostanziali). Inoltre, se i fertilizzanti vengono utilizzati insostenibilmente, il deflusso potrebbe causare l'eutrofizzazione nei corpi idrici vicini.

Se la potenza per pompe, centrifughe e bioreattori proviene da combustibili fossili, la riduzione del carbonio netto è diminuita. Integrare impianti di produzione di alghe con energia rinnovabile (solare, vento) o cogenerazione da biogas può massimizzare i benefici del gas serra.

Innovazioni e direzioni di ricerca

Diverse tecnologie emergenti promettono di accelerare la distribuzione di centrali elettriche basate sulle alghe:

Conclusioni

Le centrali biocarburanti a base di alghe non sono una fantasia lontana, ma operano già su una scala pilota e dimostrativa in luoghi dalla California all'Australia. La scienza fondamentale è il suono: algae cattura CO2, produce oli a base di carbonio, e può essere coltivata senza far pesare gli approvvigionamenti alimentari o l'acqua dolce. Le barriere rimanenti sono economiche e ingegneristiche.