Лучший метод получения биотоплива из морских водорослей впервые определили ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета и Балтийского федерального университета им. И. Канта. Природоподобная технология гидротермального ожижения оказалась самым экологичным и безопасным среди распространенных способов получения растительной бионефти. Побочные продукты реакции могут применяться в энергетике, строительстве и борьбе с нефтеразливами.
Водоросли выбрасывает на берега Балтийского моря после штормов. Из-за глобального потепления и деятельности человека они разрастаются в огромных масштабах, и разложение большого количества биомассы приводит к отравлению близлежащих вод и образованию парниковых газов. При уборке побережья водоросли обычно увозятся на свалки. Однако теряется их потенциал как ценного энергетического ресурса: из водной растительности можно получать жидкое топливо.
Бионефть из растений — перспективный источник энергии. Его важная черта — углеродная нейтральность: при сжигании такого топлива количество выбрасываемого в воздух углекислого газа равно или меньше его объема, поглощенного растениями, использованными в качестве сырья. Другими словами, при использовании таких источников энергии объем парниковых газов в атмосфере не прибавляется. Это отличает биотопливо от природной нефти, при сжигании которой образуется значительный «излишек» парниковых газов.
Однако производство растительного топлива вызывает вопросы: использование сельскохозяйственных культур в качестве сырья сокращает запасы пищи, а применение несъедобных растений требует распашки больших площадей земли. Наиболее экологически устойчивым сырьем для производства бионефти остаются именно водоросли.
Установка для переработки водорослей в бионефть.
Фото: Юлия Владимировна Куликова / БФУ им. И. Канта
Перспективность переработки водной растительности в биотопливо доказали исследователи ПНИПУ и БФУ. Проанализировав два самых распространенных термических метода превращения биомассы в искусственную нефть — пиролиз и гидротермальное ожижение – ученые сравнили их и впервые определили наиболее эффективную и экологически безопасную технологию.
Экологичность и климатическая эффективность обоих способов производства напрямую зависит от вида сырья, источника энергии для переработки и способа применения получаемого биотоплива. Поэтому, чтобы оценка была максимально точной, исследователи изучили полный жизненный цикл обеих технологий.
И пиролиз, и гидротермальное ожижение основаны на воздействии на биомассу высоких температур. При пиролизе водоросли проходят двухэтапную сушку, а затем разделяются на жидкую и газообразную фракции в специальной печи. При гидротермальном ожижении сырье сразу обрабатывается в реакторе под высокими температурой (290°C) и давлением (от 4 до 25 МПа), после чего охлаждается и снова отправляется в реактор, где разделяется на фазы.
Руководитель проекта, научный сотрудник Высшей школы живых систем БФУ, кандидат технических наук Юлия Владимировна Куликова поделилась с корреспондентом «Научной России» деталями применявшейся учеными технологии гидротермального ожижения.
«Этот метод воспроизводит процессы синтеза нефти в земной коре. Доказано, что в природе нефть образовывалась в породах, находящихся в водной фазе. Отмершие организмы — животные и растения — осаждались на дно водоемов, постепенно образуя сапропель и покрываясь другими породами. В дальнейшем под воздействием давления и воды из этих остатков синтезировалась нефть. Разумеется, давление и температура в природных условиях были несколько ниже, чем у нас в реакторе, поэтому этот процесс длился несколько миллионов лет. У нас эта реакция протекает в течение получаса, но сам механизм остается точно таким же», — объяснила Ю.В. Куликова.
Исследователи сопоставляли оба метода переработки водорослей по шести параметрам. В их число вошли изменение климата, истощение ископаемых, токсичность для человека, разрушение озонового слоя и подкисление суши. Лучшим с точки зрения экологичности и безопасности оказался метод гидротермального ожижения — в 1,6 раза менее токсичный для человека и в 1,9 раза меньше влияющий на подкисление суши.
Выбросами парниковых газов сопровождается не только сжигание топлива, но и сам процесс его производства. При этом термическая обработка биомассы более энергоемка, чем переработка нефти. И, хотя в целом углеродный след от производства и использования растительного биотоплива оказывается ниже, чем у «черного золота» (за счет углеродной нейтральности бионефти при сжигании), косвенные выбросы от получения топлива из водорослей также необходимо сводить к минимуму. Рассмотрев разные методы производства бионефти, ученые заключили, что существенно сократить углеродный след от изготовления биотоплива помогут возобновляемые источники энергии. Так, применение ветряных турбин повысит экологичность технологии по всем пунктам — в том числе более, чем вдвое, снизит вклад производства в глобальное потепление.
Продукты переработки массы водорослей в топливо — бионефть, вода с органическими примесями и угольная фаза.
Фото: Юлия Владимировна Куликова / БФУ им. И. Канта
Помимо бионефти, в процессе обработки из водорослей образуются другие продукты, имеющие ценный потенциал.
«Угольная фаза обладает высокой калорийностью (выше, чем у бурого угля), поэтому ее можно использовать в качестве твердого топлива в различных системах — например, в угольных котельных. Кроме того, этот продукт может применяться как источник углерода при производстве цемента, один из этапов которого — вдувание угольной пыли в цементные клинкеры (промежуточный продукт при изготовлении цемента — Прим. авт.). Мы также исследовали возможность использовать угольную фазу как адсорбент. Сорбционные свойства этого материала не столь высоки, как у активированного угля, однако при обработке паром он покрывается порами и обретает хорошую сорбционную емкость, благодаря чему становится пригодным, к примеру, для сбора нефтепродуктов. Такой материал, конечно, непригоден для использования в “тонких” процессах, но прекрасно адсорбирует крупные молекулы нефти, поэтому отлично подходит для сбора нефтепродуктов с поверхности воды или для ремедиации почв при нефтяных разливах, — рассказала Ю.В. Куликова «Научной России». — С водной фазой сложнее работать, потому что ее отличает очень высокий уровень загрязнения органическими соединениями. Мы исследовали возможность ее сбраживания, чтобы превратить эту жидкость в биогаз. Другими словами, мы подбирали штаммы микроорганизмов, которые могли бы переработать эти органические вещества в метан. В этой области мы достигли успеха, но пока не на 100%. Дело в том, что водная фаза достаточно ядовита для микроорганизмов, поэтому нужно подбирать методы ее предварительного кондиционирования, снимающие токсичность воды, и только затем направлять отходы на сбраживание. Мы также проверяли возможность использования водной фазы как агента для повышения морозостойкости бетонов. Подобным занимается зарубежная фирма Sika, производящая специальную жидкость, которая добавляется в бетонные смеси и повышает морозостойкость бетона. В этой области мы достигли очень хороших результатов. Однако в промышленном объеме эта технология не будет широко востребована, поэтому мы уделяем основное внимание анаэробному сбраживанию водной фазы, чтобы получать еще больше энергоносителей».
Юлия Владимировна добавила, что также во время реакции образуется газовая фаза, около 80% которой составляют углекислый и угарный газ. Однако ее массовая доля среди продуктов производства крайне мала: «Если строить материальный баланс, то в зависимости от сырья получается от 10 до 20% бионефти, угольная фаза составляет от 50 до 80%, а газа образуется 1–1,5 % по массе. Если нужным образом подобрать условия, то это количество может стать еще меньше. Мы даже не смогли собрать нужное количество этого газа для того, чтобы с ним была возможность каким-либо образом работать в дальнейшем».
Биомасса морских водорослей — ценное сырье для производства экологичного топлива.
Фото: Юлия Владимировна Куликова / БФУ им. И. Канта
Чем биотопливо отличается от природной нефти?
«Когда органические останки осаждались на дно природных водоемов, их частично поедали бактерии. При этом они потребляли весь кислород, который был в этой биомассе, используя его для окисления органических соединений, поэтому концентрация кислорода в таком сапропеле оказывалась очень низкой. А мы пропускаем эту фазу, сразу помещая биомассу в реактор. Из-за этого в нашей бионефти остается много соединений, содержащих кислород, что отличает ее от нефти природной, — сообщила Ю.В. Куликова. — То есть в нашем биотопливе содержание кислорода может достигать порядка 7–10%, а в природной нефти это десятые доли процента. В бионефти также содержится больше азота, чем в обычной нефти, но это не критично. Основной проблемой является кислород: из-за его присутствия калорийность биотоплива снижается примерно на 40% в сравнении с природной нефтью. Это можно решить с помощью гидрирования: обрабатывать бионефть водородом при определенных условиях, в результате чего кислород будет “отщепляться” от топлива с образованием воды. После избавления от кислорода состав бионефти значительно приближается к природной, и ее калорийность практически сравнивается с обычной нефтью».
Исследователь добавила, что бионефть из водорослей отличается большей вязкостью: «Природные фракции в большинстве своем более легкие, у нас же получается более битумная нефть, похожая на ту, что добывается, например, в Пермском крае».
Доводя технологию до совершенства, ученые также вдохновлялись у природы.
«Сам метод вошел в науку около 30–40 лет назад. Сейчас ученые в основном развивают его в направлении применения каталитических систем — пробуют подобрать катализаторы реакции, способные дать более высокий выход нефти лучшего качества: например, чтобы во время синтеза топлива одновременно происходило его частичное гидрирование и, соответственно, в получаемой бионефти содержалось меньше кислорода. И мы не исключение, — отметила Юлия Владимировна Куликова. — Мы тоже работали в этом направлении, подбирая каталитические системы для обеспечения описанных мной эффектов. Но наш коллектив использовал интересный природоподобный подход. Мы предположили, что часть катионов элементов, содержащихся в нефтеносных породах земной коры, являются катализаторами процесса образования нефти. Опираясь на эту гипотезу, мы проанализировали составы нефтеносных пород, и подбирали катионы для катализа, исходя из полученных данных. И этот подход оправдал себя. Не все катионы дали желаемый эффект, но ионы никеля, меди и цинка значительно увеличивали выход нефти. А применение цеолитов (по сути, это термически обработанная глина) повышало качество получаемого биотоплива».
Проект выполнен при поддержке Российского научного фонда (грант «Разработка технологии гидротермального ожижения избыточных илов и осадков первичных отстойников с утилизацией образующихся сточных вод»). Подробнее о результатах исследования можно узнать из статьи в журнале Energy Conversion and Management. В дальнейших планах ученых — технико-экономический анализ производства изучаемого вида биотоплива.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью: yarlander / фотобанк 123RF
Фото в тексте: Юлия Владимировна Куликова / БФУ им. И. Канта