随着全球对可再生能源需求的增加,藻类生物燃料发电厂正在成为将碳负作用潜力与高生产率相结合的令人信服的解决方案。 与传统的第一代来自粮食作物的生物燃料不同,藻类提供了一种原料,不会与农业争夺耕地或淡水。 这些快速生长的微生物可以大量生产脂类、碳水化合物和蛋白质,这些物质可以转化为生物柴油、生物乙醇、沼气甚至航空燃料。 文章审视了藻类生物燃料背后的科学、其相对于传统能源的优势、商业化的障碍以及很快可能使其成为主流动力来源的创新。

藻类生物燃料是什么?

藻类生物燃料是微型藻类或大型藻类(海藻)生物量产生的液体或气体燃料,由于单细胞光合作用生物脂含量高,在最佳条件下其干重可超过50%,因此微型藻类特别有前途,转化过程通常涉及从藻类中提取油,然后通过转酯(用于生物柴油)、发酵(用于生物乙醇)或厌氧消化(用于沼气)加以提炼。

藻类生物燃料类型

  • 生物柴油:[通过转录藻脂制得,产生的燃料可以与石油柴油机混合,也可以用于改良发动机.
  • 乙醇: 藻类碳水化合物(石渣,纤维素)的发酵生成乙醇,可以与汽油混合.
  • 生物气:[ 整个藻类生物量的厌氧消化产生甲烷丰富的沼气,可以燃烧用于发电或升级为可再生天然气.
  • 绿色柴油和Bio-Jet燃料:从藻油中水处理的酯和脂肪酸(HEFA)可以产生柴油和喷气燃料的滴入取代物.

由于藻类可以在开阔的池塘,封闭的光生反应器或杂交系统中栽培,它们提供了灵活性,而以作物为基础的系统无法匹配。 此外,藻类还可以被设计为直接分泌油,简化收割,降低加工成本。

藻类发电厂的优势

藻类发电厂提供一系列好处,同时解决一些紧迫的环境和经济问题。 以下各小节详细介绍了最迫切的优势。

可持续性和土地使用

传统的生物燃料作物——玉米、大豆、棕榈——需要大片肥沃农田,引起粮食与燃料冲突,并导致毁林。 相反,藻类可以在非耕地上种植,包括沙漠、沿海地区,甚至工业荒地。 它们也生长在盐水、咸水或废水中,从而大大减少了淡水需求。 由于藻类在数小时内翻了一番,一亩藻类的年产量比大豆的一亩高10-100倍。

每英亩高价

根据美国能源部[,微型藻类每年可产4000至6000加仑的油,而大豆每加仑的油量和棕榈油每加仑的产量分别为50和600加仑。 这种高生产率意味着相对较少的陆地足迹能够满足一个国家相当大一部分的燃料需求。

碳捕获和利用

藻类是光合作用过程中吸收二氧化碳(CO2)的光合作用生物。 当与工业排放物(如发电厂、水泥厂或钢厂)结合时,藻类种植可以起到碳捕获系统的作用,将废二氧化碳转化为生物量。 这就形成了一种封闭式的循环方法:生物燃料燃烧时释放的二氧化碳大致等于生长过程中捕获的二氧化碳,导致近碳-中性或甚至碳负性生命周期排放。 在 发表的2021年研究证实,基于藻类的生物燃料与石油燃料相比可以减少50-70%的温室气体排放。

产品不适性

藻类生物量不限于燃料. 采油后,剩余的富含蛋白质的残留物可以用作动物饲料,化肥,也可以用作生物塑料和生化的原料. 这种多产品生物精炼模型通过产生多种收入来源来改善藻类种植的经济效益.

废水处理协同

藻类在城市和农业废水中生长的氮和磷,富营养水中养殖藻类能同时处理水(排出污染物),同时生产生物量用于燃料——环境补救和能源生产双赢,在国家可再生能源实验室的试点项目在综合藻类废水系统中显示出90%或更大的营养清除率。

挑战与未来展望

尽管有明显的好处,但藻类生物燃料发电厂的大规模商业化进展缓慢。 工业仍然面临资本和运营成本高、种植和收获技术瓶颈以及建立强大综合系统的必要性等问题。 以下各小节将主要障碍和为克服这些障碍正在进行的研究工作细分开来。

经济灾难

生产藻类生物燃料的成本仍然大大高于石油柴油,甚至高于作物生物柴油。 国际能源机构(能源机构)的估计表明,目前的生产成本为每加仑4美元至8美元,而油价低时每加仑石油柴油2美元至3美元不等。

  • 营养费:藻类需要氮和磷肥,这些肥料占了业务开支的很大一部分.
  • 阻塞和脱水:[] 将藻类细胞从水中分离出来——这可构成培养量的99%——是耗能和昂贵的。
  • 外延和转换:[ 常规溶剂提取方法需要高能量投入和产生废流.

成本削减战略

研究人员正在探索降低成本的几种途径。 利用废水或烟气作为营养和二氧化碳来源可以大幅降低投入成本。 膜过滤和浮流技术的进步正在提高脱水效率。 此外,实验室菌株中已经证明了来自工程藻类的直接石油分泌 — — 消除了机械提取的需求 — — 并且提供了通往更廉价生物燃料的有希望的路径。

种植技术挑战

藻类种植必须实现连续、高密度的全年增长。 开阔的池塘虽然价格低廉,但容易受到其他微生物、温度波动和蒸发损失的污染。 光生素反应器提供了更好的控制和更高的产量,但承担了资本成本,而这种成本对于大型项目来说是令人望而却步的。

通过遗传工程改进草原

遗传工程是现代藻类研究的基石。 科学家们正在修改代谢途径,以增加脂类积累,提高光合作用效率,并赋予害虫和盐分耐药性。 比如,合成生物学公司合成基因组学(由克雷格·文特(Craig Venter)建立)已经发展出 Nanno氯普西斯[的菌株,其脂类比野生的植株多40%。 这些改进可以在十年内使藻类生物燃料的经济可行性翻一番。

环境考虑因素

虽然藻类生物燃料对环境有明显的益处,但并非没有潜在的负面影响。 大规模种植可能需要大量用水(即使有盐水或废水,露天池塘的蒸发损失也很大 ) , 此外,如果肥料使用不可持续,径流可能会在附近水体中造成富营养化,但是,通过仔细选址、封闭式循环利用和利用从废水流中回收的养分,这些风险可以减轻。

藻类生物燃料的碳平衡在很大程度上取决于加工过程中所使用的能源。 如果泵、离心机和生物反应器的动力来自化石燃料,那么碳的净减少就会减少。 将藻类生产设施与沼气的可再生电力(太阳能、风能)或联产能相结合,可以最大限度地扩大温室气体的效益。 在 环境科学与amp;技术 (2018) 中发表的生命周期分析发现,在整个供应链中使用可再生能源时,藻类生物柴油的碳排放量可以比化石柴油低60-80%。

创新和研究方向

几个新兴技术有望加快部署藻类发电厂:

  • 直接生物燃料合成: 一些藻类正在被设计,将乙醇或烃直接排入生长介质,绕过高能的收成和提取步骤.
  • 综合生物精炼系统: 将藻类种植与太阳能抽水、剩余生物物质厌氧消化和营养物循环利用结合起来,可以产生自我维持的微型 ⁇ 网。
  • 藻类细菌联合体:[] 具有特定细菌的共生藻类可以增强脂质生产,花序,以及对病原体的抗药性,亚利桑那大学近期的研究就证明了这一点.
  • 近海大型藻类农场: 在公海环境中生长的海藻完全避免了土地使用冲突. Sargassum和其他棕海藻可以被收获并加工成生物燃料,早期试点项目在墨西哥湾和北海进行.

结论

藻类生物燃料发电厂并不是遥远的幻想 — — 它们已经在从加利福尼亚到以色列到澳大利亚的几个地方进行试点和示范。 基础科学是健全的:藻类捕获二氧化碳,生产能源的 ⁇ 油,可以不负担食物供应或淡水而种植。 其余的障碍是经济和工程障碍。 随着对压力改善、收获效率和综合系统设计的研究继续降低成本,藻类在未来10-20年中可以成为化石燃料的竞争性替代品。 决策者可以通过支持R&D税收抵免、碳定价以及生物精炼的基础设施来加速这一过渡。 对于寻求真正可伸缩、可持续和碳负能量源的人来说,藻类提供了一条最有希望的道路。