Потенциал морской биомассы как биоэнергетического ресурса

По мере того, как глобальный спрос на энергию продолжает расти, а опасения по поводу изменения климата усиливаются, поиск возобновляемых источников энергии расширился за пределы наземных решений для обширных, в основном неиспользованных ресурсов океана. Морская биомасса - органический материал, полученный из обитающих в море организмов, таких как водоросли, морские водоросли и морские водоросли - представляет собой убедительный рубеж в биоэнергетике. В отличие от многих наземных видов сырья, морская биомасса быстро растет, не конкурирует непосредственно с продовольственными культурами и может культивироваться в средах, непригодных для сельского хозяйства. При правильных технологических достижениях она может играть значительную роль в декарбонизации транспорта, отопления и энергетики. В этой статье рассматриваются типы морской биомассы, преимущества и проблемы использования ее для энергии, пути преобразования, которые превращают океанские растения в топливо, и перспективы масштабирования этого ресурса для удовлетворения глобальных энергетических потребностей.

Понимание морской биомассы

Морская биомасса охватывает разнообразный массив фотосинтетических организмов, которые живут в соленой воде или солоноватой среде. Две основные категории — макроводоросли (обычно называемые водорослями) и микроводоросли (одноклеточный фитопланктон). Обе группы имеют различные биологические характеристики, требования к культивированию и энергетический потенциал.

Макроалги

Макроводоросли — крупные многоклеточные водоросли, которые могут достигать у некоторых видов длины до 60 метров. Они обычно классифицируются по пигментации на три группы: бурые водоросли (Phaeophyceae), красные водоросли (Rhodophyceae) и зеленые водоросли (Chlorophyceae). Коричневые водоросли, такие как водоросли ламинарии, особенно перспективны для биоэнергетики из-за их высокого содержания углеводов и быстрых темпов роста. Макроводоросли можно собирать с диких коек или культивировать на веревках, сетях или ярусах в прибрежных водах. В отличие от многих наземных культур, они не требуют пресной воды, удобрений или пахотных земель, что снижает стресс окружающей среды и эксплуатационные расходы.

Микроводоросли

Микроводоросли — это микроскопические одноклеточные организмы, которые выполняют фотосинтез с более высокой эффективностью, чем большинство наземных растений. Они могут накапливать значительное количество липидов (жиров) и углеводов, что делает их идеальным сырьем для производства биодизеля и биоэтанола. Микроводоросли также имеют высокие показатели фиксации CO2 — некоторые виды могут захватывать до 10-50 раз больше углерода, чем наземная биомасса на единицу площади. Они выращиваются в открытых прудах или закрытых фотобиореакторах, где можно точно контролировать условия выращивания, такие как свет, питательные вещества и температура. Хотя выращивание микроводорослей в настоящее время дороже, чем выращивание макроводорослей, текущие исследования по выбору штаммов и проектированию биореакторов неуклонно улучшают экономическую жизнеспособность.

Другие морские корма

Помимо водорослей, морская биомасса включает в себя морские водоросли, мангровые заросли и морской планктон. Однако эти ресурсы, как правило, менее изучены для биоэнергетики из-за более низких урожаев или экологической чувствительности. Мангровые заросли, например, являются критически важными прибрежными экосистемами, которые обеспечивают защиту от штормов и среду обитания биоразнообразия; использование их в качестве первичной энергетической культуры, вероятно, вызовет неприемлемый экологический ущерб. В результате большинство коммерческих и исследовательских интересов по-прежнему сосредоточено на макроводорослях и микроводорослях, которые обеспечивают наилучший баланс производительности, устойчивости и масштабируемости.

Основные преимущества морской биомассы для биоэнергетики

Морская биомасса предлагает ряд преимуществ, которые отличают ее от наземных энергетических культур и ископаемого топлива. Эти преимущества стимулируют инвестиции и исследования во всем мире.

• Быстрые темпы роста и высокая урожайность: Макроводоросли, такие как гигантская водоросль, могут расти до 0,5 метра в день в оптимальных условиях. Микроводоросли могут удвоить свою биомассу за несколько часов. Годовая урожайность на гектар для морской биомассы может превышать урожай кукурузы, сахарного тростника или масличной пальмы — часто в два или более раза.
• Никакой конкуренции с производством продуктов питания: Поскольку морская биомасса культивируется в океанских водах или на непереносимых прибрежных землях, она не отводит землю, пресную воду или удобрения от продовольственных культур. Это снижает этические проблемы и помогает поддерживать глобальную продовольственную безопасность.
• Высокое содержание энергоемких соединений: Многие виды микроводорослей содержат 20-50 % липидов по сухому весу, пригодных для биодизеля. Макроводоросли богаты сахарами, такими как альгинат и маннит, которые могут быть ферментированы в биоэтанол или преобразованы в биогаз.
• Углеродно-нейтральный (или отрицательный) потенциал:] Водоросли поглощают CO2 во время фотосинтеза, а при преобразовании в биотопливо высвобождаемый CO2 теоретически восстанавливается за счет нового роста. Если культивирование также захватывает промышленные выбросы CO2 (например, от электростанций), жизненный цикл может стать углерод-отрицательным.
• Возможности совместного производства: После извлечения богатых энергией соединений оставшаяся биомасса (остаток) может использоваться в качестве корма для животных, удобрений, биопластиков или нутрицевтиков. Это увеличивает потоки доходов и улучшает общую экономику.
• Приспособляемость к морской среде:] Морская биомасса может выращиваться в районах, непригодных для сельского хозяйства, таких как прибрежные пустыни, мелководные моря или даже морские платформы. Это расширяет потенциальную производственную площадь, не подчеркивая наземные экосистемы.

Технологии преобразования: от океана к энергии

Преобразование морской биомассы в полезную энергию требует набора путей преобразования, каждый из которых подходит для конкретного вида сырья и желаемого топлива.Основные маршруты включают биохимические, термохимические и химические процессы.

Биохимическая конверсия

Биохимические методы используют микроорганизмы или ферменты для расщепления биомассы на топливо. Наиболее распространенными являются:

• Анаэробное переваривание:] Мокрые макроводоросли могут подаваться в дигестеры для получения биогаза (смесь метана и CO2). Биогаз может сжигаться непосредственно для нагрева и питания или модернизироваться до биометана для впрыска в сетки природного газа. Высокое содержание влаги в водорослях делает его естественным для этого процесса.
• Ферментация: Алгальные углеводы (сахары) могут ферментироваться дрожжами или бактериями для получения биоэтанола. Макроалги, такие как бурая водоросль, содержат ламинарин, альгинат и маннит, которые требуют специализированных микроорганизмов для эффективной ферментации.
• Липидная экстракция для биодизельного топлива: Микроводоросли собирают, сушат и обрабатывают растворителями для извлечения масел, которые затем трансестерифицируют в биодизель. Остаточная биомасса (обезжиренная пища) может быть дополнительно переработана в биогаз или корм для животных.

Термохимическая конверсия

Термохимические методы используют тепло и давление для разложения биомассы в жидкое или газообразное топливо:

• Гидротермальное сжижение (HTL): Мокрая биомасса подвергается воздействию высокой температуры (250-375 °C) и давления (5-25 МПа) для получения биосырого топлива, которое может быть модернизировано до капельного топлива. HTL хорошо подходит для водорослей с высокой влажностью, поскольку он позволяет избежать энергоемкой сушки.
• Пиролиз: Сухая биомасса нагревается в отсутствие кислорода для получения биомассы, сингаза и угля.Хотя эффективная, сушка морской биомассы до пиролиза добавляет затраты энергии.
• Газификация: Биомасса при высоких температурах преобразуется в сингаз (CO+H2), который затем может быть использован для производства синтетического топлива или электричества.

Химическая конверсия

Для морской биомассы также используются прямые химические процессы, такие как трансэстерификация (для биодизеля) или каталитическая модернизация биосырой.

Современные приложения и новые виды использования

Хотя крупномасштабная морская биоэнергетика еще не является коммерческой, по всему миру работают несколько пилотных заводов и демонстрационных проектов. В Европе проект «Морские водоросли для биотоплива» исследует выращивание макроводорослей в Северном море и последующее анаэробное пищеварение. В США Управление биоэнергетических технологий Министерства энергетики США поддерживает исследования реактивного топлива на основе микроводорослей. Между тем, такие компании, как Algae Systems и Cellana, производят водорослевые масла как для топлива, так и для кормов.

Помимо энергии, морская биомасса уже используется в:

• Корм для животных и аквакультура: Алгальские блюда обеспечивают белок, омега-3 жирные кислоты и пигменты для рыбы, птицы и домашнего скота.
• Удобрения и почвоустановки: Экстракты водорослей широко применяются в органическом сельском хозяйстве для улучшения структуры почвы и содержания питательных веществ.
• Биопластики и биокомпозиты: Алгинат и другие полисахариды могут быть переработаны в биоразлагаемые упаковочные материалы.
• Косметика и нутрицевтики: Спирулина и хлорелла используются в добавках, а экстракты морских водорослей появляются в продуктах по уходу за кожей.

Основные вызовы и барьеры

Несмотря на свои обещания, морская биомасса сталкивается с существенными техническими, экономическими и экологическими препятствиями, которые необходимо преодолеть, прежде чем она сможет стать основным источником энергии.

Сбор урожая и логистика

Выращивание и сбор морской биомассы в масштабе остается трудным. Фермы макроводорослей требуют надежного швартовки и регулярного обслуживания, чтобы противостоять штормам и течениям. Уборка микроводорослей особенно энергоемка, потому что клетки малы (2-20 микрон) и разбавлены в воде. Методы центрифугирования, фильтрации или флокуляции потребляют значительную энергию, уменьшая чистый прирост энергии.

Эффективность обработки и конверсии

Многие технологии преобразования все еще находятся на лабораторной или экспериментальной стадии. Высокое содержание влаги в морской биомассе (80-95%) означает, что сушка требует больших затрат энергии, если не используются влажные пути обработки (например, анаэробное пищеварение или HTL). Кроме того, структурные полисахариды в макроводорослях (например, альгинат) не легко ферментируются стандартными промышленными микроорганизмами, требующими генной инженерии или новых ферментных коктейлей.

Экологические и экологические проблемы

Масштабное выращивание морских культур может повлиять на местные экосистемы. Сельское хозяйство может изменить структуру потока воды, структуру осадков и доступность света, потенциально влияя на бентические среды обитания. Поглощение питательных веществ водорослями может создать местные зоны истощения, в то время как использование удобрений или пестицидов в некоторых системах может вызвать загрязнение. Уборка диких животных должна строго регулироваться для предотвращения чрезмерной эксплуатации естественных водорослей.

Экономическая жизнеспособность

Стоимость производства морской биомассы для энергии остается выше, чем у наземных культур и намного выше ископаемого топлива. В докладе МЭА Bioenergy 2022 подсчитано, что текущая стоимость биомассы микроводорослей составляет $500-1500 за сухую тонну по сравнению с $50-100 за кукурузу. Капитальные инвестиции для фотобиореакторов, оффшорных ферм и заводов по переработке высоки, а доходы от ко-продуктов по-прежнему недостаточны для закрытия разрыва. Субсидии, углеродные кредиты или мандаты могут потребоваться для стимулирования раннего коммерческого развертывания.

В настоящее время реализуется несколько крупномасштабных демонстрационных проектов. Проект MacroFuels (EU Horizon 2020) направлен на производство передового биотоплива из морских водорослей с помощью каскадного подхода биоНПЗ. В Азии Управление биомассы в Азии способствует выращиванию водорослей в прибрежных водах как для энергосбережения, так и для восстановления окружающей среды. По мере того, как эти проекты генерируют данные и снижают затраты, путь к коммерциализации становится более ясным.