Napoved življenjskega cikla proizvodnje biogoriva iz mikroalg preko različnih sistemov pretvorbe bioenergije

V zadnjih letih je povpraševanje po biogorivu močno naraslo, kar je raziskovalce na tem področju spodbudilo k iskanju boljših trajnostnih proizvodnih sistemov biogoriv. Ena izmed najbolje sprejetih metod iskanja takih proizvodnih sistemov je napoved življenjskega cikla. Pristop te metode temelji na primerjavi med napovedano porabo virov in obsegom emisij onesnaževalcev za vsak posamezen korak proizvodnje biogoriva ter količino pridobljenega produkta (vira energije) in stopnjo zmanjšanja emisij s strani mikrobov.

Uporaba mikroalg za proizvodnjo biogoriva in bioplina

Eden izmed virov za proizvodnjo biogoriv so na primer mikroalge. Njihov potencial temelji na hitri stopnji rasti, visoki sposobnosti fiksacije CO₂ in majhni površini za pridelavo. Poleg tegaproizvedejo velike količine ogljikovih hidratov, proteinov in lipidov, ki jih lahko nato pretvorimo v obnovljivi dizel, bioetanol, biovodik in biometan.

V raziskavi so predpostavili, da se obrat za proizvodnjo bioenergije nahaja na jugozahodu Kitajske (Kunming). Gojili naj bi vrsto mikroalg Chlorella vulgaris v odprtih ovalnih bazenih, ki bi zavzemali 100 ha površine. Podnebje na izbranem kraju je primerno za gojitev te vrste mikroalg.

Tehnike za pretvorbo bioenergij

Za pridobitev bioenergije v obliki obnovljivega biodizla mikroalge najprej proizvedejo lipide, ki jih nato preko različnih metod spremenijo v bioolje iz katerega nato preko dvostopenjskega procesa pridobijo biogorivo. Med seboj so primerjali naslednje metode: transesterifikacije, hidrotermalnega utekočinjanja in pirolizo.

Transesterifikacija je proces v katerem reagira triglicerid z majhnim alkoholom, kot sta na primer etanol ali metanol v prisotnosti bazičnih ali kislih katalizatorjev. Stranski produkt reakcije je glicerin. Največji omejujoči faktor je ekstrakcija lipidov pred samo transestrifikacijo. Potrebno je namreč vložiti dodatno energijo predvsem za segrevanje mešanice mikroalg ter nepolarnega topila. Učinkovitost ekstrakcije lipidov so ocenili na 86 %, tranesterifikacije pa na 82 %.

Hidrotermalno utekočinjanje je proces pri katerem pretvorimo biomaso v bioolje pri subkritičnih vodnih pogojih (T od 200 do 350 °C in tlak od 15 do 20 MPa). Stranski produkti obstajajo v obliki plinaste, trdne in tekoče faze. Za pline so predpostavili, da se uporabijo za energetsko predelavo, kar je v manjši meri zmanjšalo porabo električne energije za segrevanje reaktorja. Za trdno in tekočo fazo, pa so predpostavili, da se uporabljajo kot ojačevalci gnojil. Iz celotne končne mešanice produkta so ocenili, da naj bi bil masni delež bioolja 46 %.

Piroliza je predvsem ustrezna za pretvorbo posušene biomase, torej je potrebno iz gojišča mikroalg predhodno odstraniti vodo pri visokih temperaturah (od 400 do 600 °C). Poleg sušenja tudi sam proces pirolize energijsko zelo potraten, kar je največji omejujoči faktor te tehnike. Stranski produkti obstajajo v obliki plinaste, trdne (oglje) in tekoče faze. Izmed teh so predpostavili, da se lahko oglje ter pline uporabi za sam proces pirolize, kar je precej zmanjšalo porabo električne energije za segrevanje. Iz končne mešanice produkta so ocenili, da naj bi bil masni delež bioolja 29,3 %.

Za končni proces pretvorbe bioolja v biodizel so predpostavili, da se izvede stabilizacija olja s tekočim propanom blizu kritične temperature. Nato z uporabo vodika iz mešanice po stabilizaciji odstranijo kisik in dušik.

Za pridobitev bioenergije v obliki bioplina so izrabili anaerobno presnovo mikroalg. Vendar, ker so visokomolekularni substrati v biomasi obdani z rigidno celični steni podobno strukturo (iz polisaharidov in proteinov) je mikroalgam otežen dostop do substrata. Postopek so na tem koraku izboljšali z hidrotermalno predobdelavo mikroalg in biomase. V obeh primerih so predpostavili, da se v bioplinu nahaja 70 % metana in da se tekoči presnovki, oziroma stranski produkti reciklirajo nazaj v bazene, trdna faza, pa se uporabi kot gnojilo.

V končnem koraku naj bi bioplin izboljšali in sprali v vodi pod tlakom preko mehurčkov. Končna vsebnost metana v bioplinu naj bi tako znašala 96 %.

Ovrednotenje posameznih tehnik z napovedjo življenjskega cikla

Za ovrednotenje omenjenih tehnik so uporabili 2 formuli: neto razmerje energije (NER) in celokupno emisijo toplogrednih plinov (GHG). NER je izračun razmerja med energijo, ki jo dovedemo proizvodnemu sistemu in energijo, ki nam jo tak sistem na koncu v obliki biogoriva vrne. Pri GHG, pa so se predvsem osredotočili na izpuste CO₂, CH₄ in N₂O ter jih opisali z enoto: g CO_2-eq/MJ bioplina. MJ je enota energije, ki jo proizvedeta izgorevanje plinastega in tekočega biogoriva (prvi termodinamski zakon).

Najboljši rezultat NER ima po izračunih anaerobna presnova hidrotermalno predobdelanih mikroalg (0,71). Najslabši rezultat ima piroliza (2,46). Najnižji in najbolšji GHG se po izračunih izkaže, da ima anerobna presnova z neobdelanimi mikroalgami (-173 g CO_2-eq/MJ bioplina), medtem ko je zopet najslabša tehnika pirolize, ki proizvede največji GHG (265 g CO_2-eq/MJ bioplina).

Zaključek

Glede na celokupne rezultate NER in GHG je za proizvodnjo v večjih merilih najbolj primerna anaerobna presnova z hidrotermalno predobdelanimi mikroalgami, kljub nekoliko slabšem GHG (-61 g CO_2-eq/MJ bioplina). Prostor za izboljšave predvsem predstavlja hidrotermalna predobdelava biomase preden se bi zares lahko uporabila v industriji biogoriv.