Biocombustibilul din alge ca sursă alternativă de energie

Biocombustibilul din alge — care se referă la conversia energiei produse de organisme fotosintetice asemănătoare plantelor în biodiesel — a fost propus ca sursă alternativă de energie încă de la începutul anilor 1950.

Ideea a luat avânt în timpul crizei energetice din anii 1970 — care, de fapt, a dus la o creștere mai mare în comercializarea tehnologiei solare — și chiar până în anii 1980 și 1990 cu sprijinul Programului pentru Specii Acvatice (ASP) al Departamentului pentru Energie al SUA.

ASP a alocat aproximativ 25 de milioane de dolari pentru cercetare, cu scopul de a produce ulei din microalge între 1978 și 1996, testând mii de specii diferite în ceea ce privește nutrienții lor, concentrațiile de CO2 și orice provocări inginerești care ar putea apărea din producția în masă de alge pentru scopul combustibilului. Cu toate acestea, până la mijlocul anilor 1990, din cauza unei combinații de bariere financiare și a creșterii prețului scăzut al petrolului, programul a fost anulat.

În ultimii ani, cererea globală de combustibil, preocupările de mediu și amenințarea „vârfului petrolului” au revigorat interesul pentru biocombustibilul bazat pe alge atât în Statele Unite, cât și la nivel mondial.

Renașterea biocombustibilului din alge și eșecurile ulterioare

Promovată ca un răspuns la impacturile financiare și de mediu negative ale producției tradiționale de petrol, dezvoltarea biocombustibilului din alge a beneficiat de investiții substanțiale din partea companiilor mari.

Aceste companii s-au confruntat cu destul de multe limitări odată ce a venit momentul să mențină productivitatea la scară largă, în principal din cauza costurilor ridicate pentru a asigura suficientă lumină și nutrienți pentru a menține fermele sănătoase. Cuplate cu o altă scădere a prețurilor petrolului, majoritatea companiilor au ales să își limiteze pierderile și să renunțe la cercetarea în domeniul biocombustibilului din alge.

Astăzi, Oficiul pentru Eficiență Energetică și Energie Regenerabilă al Departamentului pentru Energie al SUA sprijină tehnologii de producere a biocombustibililor. Mai exact, programul Sisteme Avansate de Alge realizează cercetare și dezvoltare pentru a reduce costurile asociate cu producerea biocombustibililor din alge.

Până acum, Laboratorul Național Pacific Northwest al programului a dezvoltat un proces de transformare a algelor în bio-petrol brut în doar câteva minute, în timp ce cercetătorii participanți de la Scripps Institute of Oceanography au făcut progrese în ingineria metabolică a algelor pentru a îmbunătăți randamentele moleculelor de grăsime care stochează energie utilizate în producția de biocombustibili.

Deși corporații mari precum Shell și Chevron investiseră anterior în cercetare și dezvoltare de biocombustibil din alge, aproape toate (cu excepția ExxonMobil) au încetat să îl mai urmărească activ în ultimii ani.

Cât de eficienți sunt biocombustibilii din alge?

Studiile care testează diferite proporții de combustibil diesel tradițional amestecat cu biodiesel din alge au arătat că amestecurile cu 30% biocombustibil sunt ușor mai eficiente comparativ cu combustibilul diesel.

Într-un studiu din 2017 publicat în Renewable and Sustainable Energy Reviews, gazele de eșapament ale motorului (oxidul de azot) nu au prezentat diferențe semnificative între combustibili, deși monoxidul de carbon a fost redus cu 10% atunci când au fost utilizați biocombustibili din alge.

Biocombustibilul din alge poate fi utilizat de majoritatea mașinilor diesel fără modificări majore ale motoarelor sau infrastructurii — problema constă în capacitatea de a produce biodiesel din alge la scară comercială.

Avantaje și dezavantaje ale biocombustibilului din alge

Algele sunt o resursă regenerabilă cu creștere rapidă, ușor de cultivat și au, de asemenea, multiple utilizări în afara biocombustibilului. Hidrocarburile din biomasa de alge pot fi utilizate în diferite varietăți de produse, cum ar fi îngrășăminte și produse de curățare industriale. În plus, proteinele cultivate pot fi utilizate atât pentru hrana umană, cât și pentru cea animală.

Poate cel mai important, algele absorb CO2 din atmosferă.

Pe de altă parte, cercetarea este încă insuficientă în ceea ce privește biocombustibilul din alge, și există unele preocupări legate de expunerea umană la toxine, alergeni și carcinogeni derivați din alge din organisme modificate genetic, deoarece algele sunt frecvent modificate genetic.

Algele au, de asemenea, o cerere mare de apă, necesită adesea îngrășăminte și pot avea costuri ridicate.

Totuși, multe dintre barierele care împiedică biocombustibilul din alge să ajungă în curentul principal sunt abordate de minți strălucite și cercetători. Chimiștii de la Universitatea Tehnică din München, de exemplu, lucrează în prezent la metode pentru a cultiva alge folosind apă sărată în loc de apă dulce. Similar, cercetători de la Universitatea din California Riverside studiază modalități de a cultiva alge pentru biocombustibili utilizând electricitate generată solar.

Cum se extrage uleiul din alge

Nu este surprinzător, există numeroase modalități de a elimina lipidele, sau uleiurile, din pereții celulelor de alge. Dar ați putea fi surprinși să aflați că niciuna dintre ele nu este o metodă deosebit de revoluționară. De exemplu, ați auzit vreodată de o presă de ulei de măsline? Una dintre modalitățile de extragere a uleiului din alge funcționează foarte asemănător cu tehnica utilizată într-o presă de ulei. Aceasta este cea mai simplă și comună metodă de extragere a uleiului din alge și oferă un randament de aproximativ 75% din uleiul total disponibil din planta de alge.

O altă metodă comună este metoda solventului hexanic. Atunci când este combinată cu metoda presei de ulei, acest pas poate extrage până la 95% din uleiul disponibil din alge. Utilizează un proces în doi pași. Primul este utilizarea metodei presei de ulei. Apoi, în loc să se oprească acolo, algele rămase sunt amestecate cu hexan, filtrate și curățate pentru a elimina toate urmele de substanță chimică din ulei.

Utilizată mai puțin frecvent, metoda fluidului supercritic poate extrage până la 100% din uleiul disponibil din alge. Dioxidul de carbon este presurizat și încălzit pentru a-și schimba compoziția atât într-un lichid, cât și într-un gaz. Acesta este apoi amestecat cu algele, care se transformă complet în ulei. Deși poate oferi un randament de 100% din uleiul disponibil, abundența algelor, plus echipamentul suplimentar și munca necesară, fac din aceasta una dintre opțiunile mai puțin populare.

Cultivarea algelor pentru biodiesel

Metodele utilizate pentru a promova creșterea algelor într-un mod specific pentru a obține cel mai mult ulei sunt mai diversificate decât procesele de extracție. Spre deosebire de metodele de extracție practic universale, cultivarea algelor pentru biodiesel variază considerabil în funcție de procesul și metoda utilizată. Este posibil să se identifice trei moduri principale de a cultiva alge, iar producătorii de biodiesel au depus eforturi considerabile pentru a ajusta aceste procese și a personaliza și perfecționa procesul de creștere.

Cultivarea în bazine deschise

Unul dintre cele mai ușor de înțeles procese, cultivarea în bazine deschise este, de asemenea, cel mai natural mod de a cultiva alge pentru producția de biodiesel. Așa cum îi sugerează numele, algele sunt cultivate în bazine deschise prin această metodă, în special în zone foarte calde și însorite ale globului, cu speranța de a maximiza producția. Deși aceasta este cea mai simplă formă de producție, are dezavantaje serioase, cum ar fi potențialul relativ ridicat de contaminare. Pentru a maximiza cu adevărat producția de alge în acest fel, temperatura apei trebuie controlată, ceea ce se poate dovedi foarte dificil. Această metodă depinde, de asemenea, mai mult de vreme decât altele, ceea ce reprezintă o altă variabilă imposibil de controlat.

Cultivarea verticală

O altă metodă pentru cultivarea algelor este creșterea verticală sau un sistem de producție în circuit închis. Acest proces a apărut pe măsură ce companiile de biocombustibil căutau să producă alge mai rapid și mai eficient decât puteau prin cultivarea în bazine. Creșterea verticală plasează algele în pungi de plastic transparente, care sunt stivuite înalt și acoperite pentru protecție împotriva elementelor. Aceste pungi permit expunerea la lumina soarelui din multiple direcții. Lumina suplimentară nu este neglijabilă, deoarece punga de plastic transparentă permite suficientă expunere pentru a crește ratele de producție. Evident, cu cât producția de alge este mai mare, cu atât este mai mare cantitatea de ulei de extras. În plus, spre deosebire de metoda bazinelor deschise care expune algele la contaminare, metoda de creștere verticală izolează algele de aceasta.

Instalații cu bioreactoare în tancuri închise

A treia metodă de extracție utilizată de companiile de biodiesel este cea a instalațiilor cu bioreactoare în tancuri închise, o metodă de cultivare a algelor în interior care crește nivelurile deja ridicate de producție de ulei. Instalațiile interioare sunt construite cu tamburi mari, rotunzi, care pot cultiva alge în condiții aproape perfecte. Algele pot fi manipulate pentru a crește la niveluri maxime în aceste butoaie, chiar până la punctul de recoltări zilnice. De înțeles, această metodă duce la producții foarte mari de alge și ulei pentru biodiesel. Instalațiile cu bioreactoare închise pot fi construite lângă centrale energetice pentru a recicla excesul de dioxid de carbon în loc să polueze aerul.

Producătorii de biodiesel continuă să perfecționeze procesele în containere închise și în bazine închise, unii dezvoltând o variație cunoscută sub numele de fermentație. Această tehnică cultivă alge care „mănâncă” zahăr în containere închise pentru a stimula creșterea. Fermentația este atractivă pentru cultivatori, deoarece oferă un control complet asupra mediului. Un alt avantaj este că nu depinde de vreme sau de condiții climatice similare pentru a fi viabilă. Cu toate acestea, acest proces îi face pe cercetători să reflecteze asupra metodelor sustenabile de a obține suficient zahăr pentru a maximiza producția de alge.