Biomasa mikroalg: obiecujące paliwo przyszłości

Profesor Jerzy Tys z Instytutu Agrofizyki PAN twierdzi, że duże obszary ziemi ornej, obecnie wykorzystywane do produkcji żywności, będą musiały zostać zagospodarowane inaczej, jeśli produkcja biopaliw ma się dramatycznie zwiększyć. Europa, jak zauważył, zostanie zmuszona do wykorzystywania ponad 50% terenów rolnych do wytwarzania paliwa stanowiącego 10% obecnego zużycia. Dla porównania Brazylii wystarczyłoby zaledwie 3%, a Stanom Zjednoczonym 30%. Miałoby to także wpływ na ceny podstawowych składników żywności, takich jak pszenica i kukurydza. Między innymi te argumenty powodują, że rozwój biopaliw odbywać się musi w sposób zrównoważony, a osiągnięcie celu wskaźnikowego na poziomie 10% wymagać będzie wprowadzenia na rynek biopaliw drugiej generacji.

Jakie w związku z tym powinniśmy postawić wymagania biopaliwom transportowym drugiej generacji? Przede wszystkim muszą występować one w dostatecznie dużych ilościach oraz powinny być tanie w produkcji i sprzedaży oraz stanowić mniejsze zagrożenie dla środowiska niż paliwa dotychczas stosowane. Ponadto koncepcja rozwoju biopaliw drugiej i trzeciej generacji opiera się na założeniu, że surowcem do ich wytworzenia winna być zarówno biomasa, jak i odpadowe oleje i tłuszcze zwierzęce nieprzydatne w przemyśle spożywczym. Aby nie stanąć przed koniecznością wyboru: energia lub żywność, konieczne staje się opracowanie nowych metod całościowego przetwarzania biomasy. Dlatego też Instytut Agrofizyki PAN w Lublinie ukierunkował swoją działalność badawczą na biopaliwa drugiej i trzeciej generacji, otrzymywane w procesach zgazowania biomasy i syntezy. Produkcja gazowych biopaliw drugiej generacji z wykorzystaniem biomasy mikroalg jest, zdaniem prof. J. Tysa, otwiera nowe kierunki dla rozwoju energetyki odnawialnej.

 

Mikroalgi, podobnie jak rośliny naziemne, asymilują CO₂ z powietrza, wykorzystując do swojego wzrostu proces fotosyntezy. Wbrew obiegowej opinii nie są to wyłącznie organizmy wodne. Można je spotkać we wszystkich ekosystemach na Ziemi. Są one pozyskiwane zarówno do celów konsumpcyjnych, jak i przemysłowych. Przeciętna produktywność biomasy glonów hodowanych w celu pozyskania oleju, w dobrze zaprojektowanym systemie umieszczonym w obszarze o wysokim stopniu nasłonecznienia, może wynosić 1500 kg/m³/d. Przy takim poziomie produktywności, zakładając przeciętną zawartość oleju na poziomie 30% suchej masy, uzyskuje się 120 m³ oleju/ha/rok. Najnowsze doniesienia podane przez Biofuels Digest są wyjątkowo optymistyczne. Według tych informacji jedna z amerykańskich firm uzyskuje 700 m³ oleju z 1 ha w ciągu roku. Wynika to z faktu, że w przeciwieństwie do innych roślin glony rosną niezwykle szybko i potrafią podwoić swoją masę w ciągu 24 godzin. W sprzyjających warunkach hodowli faktyczny czas podwojenia biomasy glonów podczas ich wzrostu może wynieść zaledwie 3,5 godz.

Uprawa mikroplanktonu może odbywać się w otwartych akwenach, takich jak jeziora czy stawy oraz w ściśle kontrolowanych warunkach, fotobioreaktorach. Główną wadą zbiorników otwartych jest stałe narażenie na zmieniające się warunki atmosferyczne. W hodowli kultur glonów na skalę przemysłową najbardziej wydajne okazują się zamknięte fotobioreaktory cylindryczne. Mają one zazwyczaj formę szklanych bądź plastikowych rur, paneli lub kolumn, w których recyrkulacja materiału zachodzi przy pomocy pomp mechanicznych. Budowa wysoko zaawansowanego bioreaktora, który z jednej strony zapewniałby optymalne warunki dla hodowli alg, z drugiej zaś byłby tani i gwarantował wysoką wydajność procesu, jest kwestią badań naukowców z Instytutu Agrofizyki PAN. W przypadku różnych typów fotobioreaktorów niezwykle istotne jest odpowiednie mieszanie materiału hodowlanego. Zapobiega ono osadzeniu się komórek glonów oraz wspiera dystrybucję ditlenku węgla. Ponadto odpowiednie przemieszczanie materiału ułatwia penetrację światła w bioreaktorze, co bezpośrednio przekłada się na plonowanie przez równomierny wzrost i rozwój mikroorganizmów.

Zbiór alg może się odbywać jedno lub dwuetapowo. Algi zazwyczaj mają dużą zawartość wody, która powinna być usunięta podczas zbioru. Z literatury wynika, że nie ma uniwersalnej metody zbioru zapewniającej jednoczesną redukcję wody.

Rozwój technologii uprawy i zbioru glonów stworzy duże – w ocenie autora – możliwości efektywnego wykorzystania tych mikroorganizmów w zakresie wytwarzania różnych nośników energii. Wśród nich należy wymienić biowodór i biometan.

 

Biowodór to wodór wyprodukowany w procesie fermentacji biomasy. Jego wytwarzanie w oparciu o algi zachodzi w wyniku bezpośredniej biofotolizy wody, a to zagadnienie znane od lat. Jednak postęp naukowo-techniczny daje dzisiaj możliwości wykorzystania tego procesu do produkcji czystego biopaliwa. Główną zaletą produkcji biowodoru jest fakt, iż nie jest on akumulowany w komórkach kultur glonów, lecz szybko uwalniany do fazy gazowej. W przypadku innych produktów np. fermentacji ich zawartość może wzrastać do poziomu, przy którym staje się toksyczny dla komórek. Ponadto unikalny z punktu widzenia produkcji paliw jest fakt, iż podczas procesu powstawania biowodoru w reakcji bezpośredniej biofotolizy nie są generowane związki węgla. Oznacza to, że większość atmosferycznego i przemysłowego CO₂ ulega redukcji.

Z punktu widzenia nowoczesnej energetyki biowodór jest wysoce atrakcyjnym paliwem, gdyż jego spalanie prowadzi do powstania… wody. Tak więc jedyną „stratą” dla środowiska podczas jazdy samochodem napędzanym wodorem byłoby wzbogacenie atmosfery o kilka kubłów czystej wody.

 

W Polsce potencjał biometanu szacuje się na 6,6 mld m³. Jednak zaspokojenie potrzeb energetycznych technologiami związanymi z fermentacją metanową oraz produkcją biometanu może zostać ograniczone z powodu braku wystarczającej ilości odpowiedniego surowca. Ponadto jak do tej pory nie udało nam się wniknąć w naturę procesów biologicznych i chemicznych zachodzących w komorze fermentacyjnej biogazowni. Oczywiście teoretycznie wiemy dużo, ale w rzeczywistości pomiarów dokonuje się w bardzo ograniczonej skali (o ile w ogóle), a ich wyniki zazwyczaj nie są publikowane. Często obsługujący biogazownie mają duże doświadczenie praktyczne w pracy z własną biogazownią, ale nie znają naukowych podstaw jej działania. Naukowcy natomiast mają masę danych pomiarowych, ale nie potrafią przełożyć opracowanych technologii na zastosowania praktyczne. Wykorzystanie typowo lądowych roślin pochodzących z upraw kierunkowych stwarza obecnie coraz większe trudności. W tym aspekcie alternatywą są mikroalgi. Dlatego też badania i udoskonalenia na tym polu są niezwykle potrzebne i ważne.

Biometan może być produkowany z biomasy wielu roślin. Jednak głównym czynnikiem ograniczającym wzrost produkcji biometanu z biomasy roślin, jest jej dostępność. Dlatego biomasa alg, która daje plon o 40-60 razy większy niż wiele tradycyjnych roślin uprawowych, skupia swoją uwagę świata naukowego. Szacowany plon biomasy alg możliwy do osiągnięcia w nowoczesnych zamkniętych fotoreaktorach wynosi ok. 400-500 ton z hektara rocznie. Taka ilość może zapewnić roczną produkcję biometanu na poziomie 400 000-500 000 m³. Wybrane typy mikroalg posiadają wysoką zawartość lipidów, skrobi i białek, a brak trudno fermentującej ligniny sprawia, że mikroalgi są idealnym substratem do produkcji biometanu. Fermentacja biomasy alg zachodzi dość szybko, a biogazownia poradzi sobie z relatywnie dużą zawartością wody w biomasie glonów. Ponadto mikroalgi fotosyntezują CO₂ w specjalnie zaprojektowanych bioreaktorach, by w przypadku fermentatora biogazowego wytwarzanie biometanu stanowiło źródło powstawania CO₂, który od razu jest stosowany do produkcji mikroalg, co tworzy zamknięty obieg dla dwutlenku węgla.

Biorąc pod uwagę potencjał i zasoby biometanu, ekonomię jego pozyskania oraz możliwości wykorzystywania, należy stwierdzić, że jest on najbardziej przyszłościowym paliwem. Jego przetwarzanie do biodimetyloeteru może odegrać w polskiej gospodarce i energetyce taką samą rolę, jaką w XX w. odegrała ropa naftowa.

 

Jak wiadomo, proces generowania prądu w konwencjonalnej elektrowni jest bardzo złożony. Zaczyna się od sił wiązań elektronów w atomach, a kończy się na wytwarzaniu elektronów. Najprościej jest pobierać elektrony bezpośrednio z atomów i tworzyć prąd. To właśnie czynią ogniwa paliwowe.

Sposobem na dostarczanie wodoru do ogniw paliwowych wykorzystywanych w środkach transportu jest metanol, natomiast w ceramicznych ogniwach paliwowych – metan. Dlatego powinniśmy dążyć do tego, aby nasz kraj stał się głównym dostawcą biopaliw (biometanu i biometanolu) do ogniw paliwowych na europejskim i światowym rynku.

Ogniwo paliwowe jest urządzeniem, które łączy tlen i wodór, wytwarzając w ten sposób energię elektryczną, zaś woda i ciepło są produktami ubocznymi tego procesu. Sprawność energetyczna, niezawodność oraz korzyści dla środowiska naturalnego, jakie są związane z ogniwami paliwowymi, stanowią podstawę do traktowania ich jako technologii kluczowych dla wszystkich sposobów użytkowania energii. Dotyczy to zastosowań w transporcie, urządzeniach przenośnych, w których mogą być używane ogniwa paliwowe bezpośrednio zasilane metanolem, oraz w stacjonarnej energetyce rozproszonej, wykorzystującej wysoko temperaturowe ceramiczne ogniwa paliwowe.

 

W kewstii zmniejszenia emisji ditlenku węgla przez stosowanie biopaliw wiemy, że biopaliwa pierwszej generacji mają zerowy lub nieznaczny wpływ na ten aspekt. Dlatego też uprawa rośliny to nie tylko jej wzrost na polu, a potem zamiana na energię w procesie spalania. Możemy sobie wyobrazić, że po spaleniu biopaliwa nowa generacja tej rośliny na polu skonsumuje tę samą ilość dwutlenku węgla, który został wydzielony z jej spalania. A zatem atom węgla za atom węgla z dwutlenku węgla wydzielonego ze spalania i węgla, który wraca do organizmu roślinnego w procesie fotosyntezy w cząsteczce CO₂. Wtedy bilans wychodzi na zero. Wobec tego, jeżeli zastąpimy paliwo mineralne jakąś częścią paliwa bio, to siłą rzeczy ta część paliwa nie uczestniczy w efekcie cieplarnianym, bo wnosi zerowy udział do emisji CO₂. Można by powiedzieć, że biopaliwa znacząco obniżają emisję dwutlenku węgla. Ale trzeba pamiętać, że uprawa każdej rośliny wymaga środków technicznych – maszyn, które, poruszając się po polu, spalają paliwa mineralne, a także procesów niezbędnych do syntezy nawozów mineralnych. Środki techniczne są źródłem ukrytej emisji dwutlenku węgla. Kolejna emisja wiąże się ze spalaniem podczas prac polowych: produkt rolny trzeba przecież przewieźć do miejsca, gdzie się go przerabia, używając silników, które spalają duże ilości paliwa, przeważnie mineralnego. Nie jest więc prawdą, że wzrost rośliny i jej przerób na biopaliwo jest związany z zerową emisją dwutlenku węgla, tylko ze znacząco dużą emisją.

 Produkcja gazowych biopaliw drugiej generacji z wykorzystaniem biomasy mikroalg jest dynamicznie rozwijającą się dziedziną pozyskiwania energii. Algi przewyższają tradycyjne rośliny pod względem plonowania i wartości energetycznej, a ich hodowla eliminuje niemal całkowicie problem konkurencyjności roślin uprawianych na cele konsumpcyjne i energetyczne. Na podstawie wyników badań prowadzonych na całym świecie można stwierdzić, że biomasa mikroalg jest najbardziej obiecującym paliwem przyszłości.