Из чего можно сделать топливо? Как могут быть использованы металлы, водоросли и твердые бытовые отходы для создания топлива? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.
Бионефть — это разновидность биотоплива, то есть топлива, полученного из сырья растительного происхождения. Сырьем может быть специально выращенные для этого культуры, например, сахарный тростник, кукуруза. Тогда это топливо принято относить к биотопливам первого поколения. Оно также может быть получено из различных органосодержащих отходов, и тогда его относят к биотопливам второго поколения. Биотопливо третьего поколения получают из микроводорослей.
Преимущество получения биотоплива из микроводорослей заключается в том, что они могут выращиваться на непригодных для сельского хозяйства и растениеводства территориях. Производство такого биотоплива не конкурирует напрямую с производством пищевого сырья. Микроводоросли могут выращиваться как в пресной воде, так и в соленой. Также для производства микроводорослей не требуется использование вредных пестицидов и гербицидов. Одно из основных преимуществ микроводорослей заключается в том, что они эффективно преобразуют энергию солнечного света в биомассу.
Приставка «био» в названии говорит, что в процессе получения биотоплива мы использовали углекислый газ. Нужно обратить внимание, что биотопливо — это CO2-нейтральное топливо: при сжигании биотоплива образуется углекислый газ, но и при его получении столько же углекислого газа снова преобразуется в биомассу.
За последние 20 лет выбросы углекислого газа в атмосферу увеличились в полтора раза, и концентрация газа в атмосфере с каждым годом повышается. Можно предположить, что располагаемый на Земле фотосинтезирующий потенциал уже не справляется с теми выбросами углекислого газа, которые человечество производит. Углекислый газ, вода и энергия солнечного света в процессе фотосинтеза преобразуются в энергию связей химических соединений органического вещества и кислород. Процесс фотосинтеза — это реакция, которая обусловливает круговорот углерода и кислорода в природе. По оценкам специалистов, до 80% всего кислорода на нашей планете производит в морях и океанах фитопланктон, то есть водоросли и цианобактерии, а оставшиеся 20% — наземные растения. Сегодня в научном сообществе есть большой интерес к микроводорослям как средству захвата углекислого газа и возобновляемому источнику биотоплива.
Чем нам интересны микроводоросли? В первую очередь тем, что это микроскопические водоросли. За счет высокой удельной поверхности они эффективно преобразуют энергию солнечного света в биомассу. Удельная поверхность микроводорослей на несколько порядков выше, чем удельная поверхность обычных лиственных растений. Для того чтобы получать то же количество биотоплива, вам нужно намного меньше занимаемой площади. Сегодня микроводоросли производятся в основном для получения высокоценных пищевых и кормовых добавок. Общемировой выпуск биомассы микроводорослей сегодня составляет около 20 тысяч тонн в год. Чтобы понимать масштабы: ежегодное потребление нефти составляет около 4,5 миллиардов тонн нефтяного эквивалента. То есть сегодня производство микроводорослей ориентировано не на биоэнергетику, а на получение биомассы с целью извлечения высокоценных витаминов, пигментов, антиоксидантов, жирных кислот и других высокоценных добавок.
В настоящее время производство биотоплива из биомассы микроводорослей не вполне экономически конкурентоспособно с производством высокоценных продуктов, но, по нашему мнению, в перспективе производство микроводорослей должно вырасти. Оно должно вырасти не потому, что нам нужно больше нефти. Нефти у нас сегодня достаточно: по данным British petroleum statistics, на 2019 год запасы нефти оцениваются в 1700 миллиардов баррелей, что при текущем уровне потребления хватает еще на 50 лет вперед, а 50 лет назад мы слышали то же самое. Поэтому можно с большой уверенностью предположить, что проблема истощения нефти нам в этом веке не угрожает. Мы связываем рост производства микроводорослей с их экологическими приложениями. Они вполне могут быть использованы для захвата атмосферного углекислого газа, промвыбросов CO2, а также могут участвовать в переработке сточных вод. С этими направлениями мы связываем особые надежды.
Когда производство микроводорослей будет расти, то уже появится проблема, куда девать биомассу. Один из наиболее простых и надежных способов — переработка биомассы микроводорослей в биотопливо и внедрение этого биотоплива в существующую нефтегазовую инфраструктуру. Сегодня мы занимаемся разработкой научно-технических основ использования микроводорослей для захвата CO2 и переработки сточных вод, а также технологии по переработке биомассы в биотопливо.
Существует две основные задачи. Первая — подбор штаммов и условий культивирования микроводорослей, обеспечивающих наибольший выход биомассы и наибольший выход липидов в биомассе. А также подбор условий и штаммов, которые могут расти в загрязненных водах, например сточных. Что касается работы с переработкой биомассы водорослей в биотопливо, то тут основная задача — это разработка надежной и энергоэффективной технологии производства биотоплива.
Технологии производства биотоплива из биомассы микроводорослей можно разделить на две группы: биохимические методы и термохимические методы. К биохимическим методам относятся трансэтерификация с получением биодизеля и ферментация с получением биоэтанола. Основными недостатками биохимических методов конверсии биомассы в биотопливо является то, что эти методы работают с определенным компонентом биомассы. Например, ферментация в основном преобразует в биоэтанол углеводы, а трансэтерификация использует липиды.
Термохимические методы сегодня принято разделять на сухие технологии, традиционные технологии торификации, пиролиза и газификации, а также влажные технологии, технологии гидротермальной карбонизации, гидротермального сжижения и гидротермальной газификации. В последние годы наибольший интерес в научном сообществе получила технология гидротермального сжижения биомассы с получением бионефти.
В чем преимущество технологии гидротермального сжижения? Во-первых, происходит переработка сразу всей биомассы микроводорослей — это липиды, белки и углеводы. Также немаловажным является возможность использования влажной суспензии микроводорослей, то есть нет необходимости высушивать микроводоросли, как это требуют, например, традиционные сухие технологии. Одним из основных преимуществ этой технологии является ее энергоэффективность: в процессе сжижения энергии тратится в разы меньше, чем когда мы высушиваем суспензию водорослей, то есть избавляемся от воды. Сегодня мы занимаемся технологией гидротермального сжижения, исследуем влияние различных параметров этого процесса на выход бионефти и свойства бионефти. Исследуем влияние температуры, давления, различных предварительных обработок микроводорослей, применения различных растворителей в получении бионефти. А также изучаем свойства получаемой бионефти.
Поговорим про свойства бионефти. Как и обычная нефть, бионефть — это десятки тысяч уникальных органических соединений. Конечно, бионефть, которую мы сегодня получаем, несколько отличается от традиционной. По классификации традиционной нефти наша бионефть относится к тяжелым нефтям: ее вязкость намного выше, чем у традиционной, теплота сгорания находится на уровне 37 мегаджоулей на килограмм, тогда как у традиционной — 34 мегаджоуля на килограмм. Также бионефть характеризуется большим содержанием кислорода и азота, нежели традиционная. Это говорит о том, что необходимы дальнейшие работы по улучшению ее качества. Сегодня основными направлениями исследования являются каталитическое гидротермальное сжижение и последующая гидрокаталитическая обработка бионефти с целью улучшения свойств и повышения ее выхода.
Мы провели исследование по смешению нашей бионефти и традиционной нефти. Эксперименты показали, что при смешении бионефть практически полностью растворяется в обычной. Также мы делали смешение бензиновой фракции бионефти с обычным бензином и получили полностью однородную жидкость, то есть наш биобензин растворился в бензине. На наш взгляд, это очень важный результат. Это говорит о том, что если экологические приложения микроводорослей найдут применение и микроводоросли будут использоваться для очистки воздуха от углекислого газа и в переработке сточных вод, то биотопливо, которое мы получаем из микроводорослей, можно смешивать с обычным топливом и дальше отправлять на имеющиеся нефтеперерабатывающие заводы без каких-либо дополнительных стадий переработки.
