APPLICATION OF MICROALGAE IN BIOENERGY USING CARBON CAPTURE AND STORAGE TECHNOLOGY

ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ В БИОЭНЕРГЕТИКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ УЛАВЛИВАНИЯ И ХРАНЕНИЯ УГЛЕРОДА

Научная статья

Ильвицкая С.В.^1, *, Чистякова А.Г.²

^{1, 2} Государственный университет по землеустройству, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (ilvitskaya[at]mail.ru)

Аннотация

В условиях повышенного ресурсопотребления человечеству необходимы те источники энергии, которые способны уменьшить «парниковый эффект», возникший вследствие индустриализации. На данный момент энергия микроводорослей является единственным пригодным вариантом для борьбы с «парниковым эффектом», так как биомасса способна поглощать углекислый газ и выделять при этом энергию. Попытки мирового сообщества уменьшить «парниковый эффект» не увенчались успехом. С девяностых годов прошлого века по настоящее время глобальные выбросы парниковых газов возросли на тридцать процентов. За последнее десятилетие данные выбросы увеличились на семьдесят процентов. Исходя из выявленных показателей, проблема является весьма глобальной и острой.

Ключевые слова: микроводоросли, углекислый газ, биореактор, парниковый эффект.

APPLICATION OF MICROALGAE IN BIOENERGY USING CARBON CAPTURE AND STORAGE TECHNOLOGY

Research article

Ilvitskaya S.V.^1, *, Chistyakova A.G.²

^{1, 2} State University of Land Use Planning, Moscow, Russia

* Corresponding author (ilvitskaya[at]mail.ru)

Abstract

In conditions of increased resource consumption, humanity needs those energy sources that are able to reduce the "greenhouse effect" that has arisen as a result of industrialization. At the moment, the energy of microalgae is the only suitable option for combating the "greenhouse effect", since biomass is able to absorb carbon dioxide and release energy at the same time. Attempts by the world community to reduce the "greenhouse effect" have not been successful. From the 90s of the last century to the present, global greenhouse gas emissions have increased by thirty percent. Over the past decade, these emissions have increased by seventy percent. Based on the identified indicators, this is an acute and global problem.

Keywords: microalgae, carbon dioxide, bioreactor, greenhouse effect.

Введение

В последние годы возрастает интерес к использованию микроводорослей вместо деревьев, чтобы снижать концентрацию углекислого газа в нашей атмосфере. Благодаря своему размеру и составу микроводоросли способны применять биоэнергетику с использованием технологии хранения и улавливания углерода (англ. BECCS).  BECCS является технологией смягчения воздействия на климат выбросов парниковых газов, использование которой даёт отрицательный выброс углерода в атмосферу, за счёт комбинирования использования биомассы с геологическим улавливанием и хранением углерода. Это означает, что найдено решение двух основных задач: 1) как мы можем использовать водоросли для удаления углерода и 2) как мы можем использовать захваченный углерод, например, для топлива, пищи и тепла. В процессе исследования использован теоретический метод структуризации знаний по данной теме, комплексный анализ проблематики применения технологий BECCS, а именно: изучение реализованных проектов с интеграцией данной технологии и подведение итогов использования BECCS на основе полученных результатов, в виде количественных и качественных показателей. Целью исследования является поиск оптимального решения для уменьшения концентрации углекислого газа в атмосфере путём применения технологии BECCS. Задачами исследования являются анализ теоретических данных об использования технологии BECCS и определение факторов, влияющих на её эффективность.

Некоторые исследователи критиковали BECCS как слишком преждевременный вариант для применения в промышленном масштабе, поскольку решения такого типа редко демонстрировались на производствах [1]. Несмотря на то, что это менее развитое исследовательское направление, ученые согласны с тем, что в долгосрочной перспективе BECCS является одним из основных выходов из климатического кризиса.

Биоэнергетика с использованием технологии хранения и улавливания углерода на основе микроводорослей

В последнем отчете об оценке МГЭИК, опубликованном в 2014 году, 101 из 116 сценариев, в которых было возможно не допустить повышение температуры выше, чем на 2° C, основывались на BECCS. В 67% предложенных сценариев говорилось, что BECCS будет представлять не менее 20% мировой первичной энергии к 2100 году [2].

Вот несколько причин, почему микроводоросли способны решить проблемы изменения климата:

1. Микроводоросли используют гораздо меньше земли, чем деревья, что позволяет значительно экономить полезную территорию. Микроводоросли способны производить такое же количество биоэнергии, что и наземные растения, используя только 1/10 площади суши.
2. Микроводоросли легко выращивать, так как они требуют меньше воды, чем многие наземные культуры, и к тому же они неприхотливы к условиям произрастания. Было практически доказано, что микроводоросли могут расти там, где умирают другие растения, например, в сточных водах и соленой воде. Они комфортно существуют в среде с очень высоким содержанием CO₂. Один гектар микроводорослей может удалить до одной тонны углекислого газа в день. Также было показано, что некоторые виды микроводорослей эффективно удаляют CO₂ из окружающей среды со скоростью в 10–50 раз выше, чем у наземных растений.
3. У микроводорослей очень высокие показатель продуктивности. Одно исследование показало, что по сравнению с такой культурой, как соевые бобы, один гектар прудов с микроводорослями производит в 27 раз больше белка.
4. Как и любое другое растение, микроводоросли используют фотосинтез, чтобы поглощать CO₂, воду и солнечный свет для производства энергии. Но в отличие от многих растений, большая часть этой энергии уходит на деление клеток. Поскольку микроводорослям не нужна энергия для стеблей или корней, как у наземных растений, они могут размножаться намного быстрее. Это делает их довольно простым в выращивании, но при этом сложным в обслуживании.
5. Помимо удаления углерода микроводоросли можно использовать в качестве сырья, пищи и энергии в различных отраслях, например, в качестве биотоплива для транспорта, строительных материалов, косметики, лекарств, еды, корма для животных, а даже одежды.

Это важнейшая часть технологии BECCS: после поглощения CO₂ нужно находить ему правильное применение. В противном случае углекислый газ вернется в атмосферу, так как он постоянно циркулирует в земной биосфере по замкнутым взаимосвязанным путям [3]. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:

1) углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу редуцентам, таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO2;

2) растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);

3) растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо — например, в уголь.

Исследователи из Технического университета Мюнхена в настоящее время превращают микроводоросли в углеродное волокно, которое можно использовать для строительства зданий и сооружений [4]. Голландские дизайнеры Эрик Кларенбек и Маартье Дрос используют микроводоросли для создания пластика с помощью 3D-печати.

Коммерческие компании, такие как Pond Technologies, создают новые продукты на основе микроводорослей, такие как корм для животных, ингредиенты для косметики и пищевые добавки [5]. Австрийская фирма Arup создала здание, с био-адаптивным фасадом из микроводорослей, который служит постоянным и возобновляемым источником энергии в городских районах для автономного существования жилых зданий [6]. Первое в мире здание, питающееся водорослями, в качестве эксперимента построено в Гамбурге, Германия в апреле 2014 года (см. рисунок 1). По сути, микроводоросли используются в качестве биореакторов внутри стеклянных панелей, которыми облицованы юго-восточный и юго-западный фасад здания. Также, система обеспечивает изоляцию здания от шума, создает тень от солнца летом и сохраняет тепло здания зимой.

Рис. 1 – Здание в Гамбурге с «биоадаптивным» фасадом из микроводорослей

 

 Один из методов масштабного выращивания микроводорослей - использовать открытые океаны. Исследования показали, что добавление железа в океан приводит к тому, что микроводоросли разрастаются и начинают выводить CO₂ из атмосферы [7]. Но, когда они начинают умирать, то опускаются на дно океана вместе с углеродом, который только что поглотили, таким образом, он может оставаться там веками. К тому же неограниченное произрастание микроводорослей может стать токсичным, убивая целые экосистемы и ценных морских обитателей.

Есть также варианты выращивания микроводорослей в контролируемой среде. В ходе исследовательского эксперимента, опубликованного в Американском институте биологических наук, тестировалось выращивание водорослей в искусственном пруду. Исследователи стратегически разместили этот пруд рядом с электростанцией, работающей на ископаемом топливе, чтобы проверить его максимальный потенциал улавливания углерода [8].

Они обнаружили, что в дополнение к водорослям, поглощающим CO₂, закачка дымовых газов от электростанции фактически ускоряет рост водорослей, увеличивая продуктивность биомассы до 30% (см. рисунок 2).

Рис. 2 – Использование биореакторов в промышленном производстве

 

В 2019 году компания Hypergiant Industries, занимающаяся искусственным интеллектом, представила проекты прототипа биореактора для микроводорослей [9]. Они утверждают, что, выращивая внутри биореактора особенно эффективный штамм микроводорослей под названием chlorella vulgaris, устройство может поглощать в 400 раз больше CO₂, чем обычные деревья.

Преимущества биореакторов заключается в способности регулировать окружающую среду [10]. Биореактор постоянно анализирует условия среды выращивания микроводорослей, а затем использует алгоритмы, чтобы найти идеальный баланс света, температуры и pH, при котором водоросли будут иметь наибольшую продуктивность. Это сводит к минимуму необходимость вмешательства человека и максимизирует уровень CO₂, который может быть поглощён [11].

Заключение

Таким образом, целесообразно внедрять технологии BECCS для решения проблем, связанных с глобальным потеплением, особенно имеет смысл более детально и углублённо рассмотреть предложения по выращиванию микроводорослей на территории электростанций и других промышленных зданий и сооружений, так как за последнее десятилетие наше временное окно для минимизации последствий изменения климата сократилось, и вместо тридцати лет у нас осталось около десяти [12]. Энергия, полученная на основе микроводорослей, даёт примерно на 50% меньше выбросов парниковых газов, чем топливо нефтяного происхождения.  Учитывая критичность положения, нам необходима комбинация мероприятий, которые не только сокращают концентрацию углекислого газа и вредных веществ в атмосфере, но и создают новые технологии производства, например, заменяют пластмассы на масляной основе полимерами на основе микроводорослей. Исходя из вышеперечисленного, комплексное и системное использование технологий BECCS - наиболее эффективный, экономичный и актуальный способ уменьшения негативного воздействия на окружающую среду.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Gough C. Challenges to the use of BECCS as a keystone technology in pursuit of 1,5°C / C. Gough. - Global Sustainability, 2018. - p. 1-9.
2. Fajardy M. Can BECCS deliver sustainable and resource efficient negative emissions? / M. Fajardy and N. Mac Dowell // Journal of Energy Environ. Sci. - 2017. – Vol.10. - p. 1389-1426.
3. Ilvitskaya S. V. Microalgae in architecture as an energy source / S. V. Ilvitskaya, A. G. Chistyakova // Journal of Materials Science and Engineering. - 2020. - Vol.944. DOI:10.1088/1757-899X/944/1/012010.
4. Ilvitskaya S. V. Visual comfort in the organic architecture of an individual residential building / S. V. Ilvitskaya, T. V. Lobkova and V. A. Lobkov. // Journal of Materials Science and Engineering. - 2020. - Vol.944. DOI: 10.1088/1757-899X/944/1/012020.
5. Kemper J. Biomass and carbon dioxide capture and storage: a review / J. Kemper // International Journal of Greenhouse Gas Control. - 2015. – Vol.40. - p. 401-430.
6. Bauen A. Bioenergy – a Sustainable and Reliable Energy Source / A. Bauen. - IEA Bioenergy, 2009. - p. 108-108.
7. Gough C. and Upham P. Biomass energy with carbon capture and storage (BECCS): a review / C. Gough and P. Upham // Journal of Tyndall Centre for Climate Change, University of Manchester. - 2010. - p. 18-20.
8. Smith L.J. Ecological limits to terrestrial biological carbon dioxide removal / L.J. Smith and M.S. Torn // Journal of Climatic Change. - 2013. – Vol.118. - p. 89-103.
9. Fajardy M. The Energy Return On Investment of negative emissions: is BECCS a threat to energy security? / M. Fajardy and N. Mac Dowell // Journal of Energy and Environmental Science. - 2018. – Vol.11. - p. 1581-1594.
10. Beal C.M. Integrating Algae with Bioenergy Carbon Capture and Storage Increases Sustainability / C.M. Beal // Journal of Earth’s Future. - 2018. – p. 6.
11. Slade R. Global bioenergy resources / R. Slade, A. Bauen, and R. Gross // Journal of Nature Climate Change. - 2014. – Vol.4(2). - p. 99-105.
12. Rogelj J. Paris Agreement climate proposals need a boost to keep warming well below 2 °C / J. Rogelj // Journal of Nature. – 2016. – Vol.534(7609). - p. 631-639.