К сожалению, экономические, социальные и этические аспекты сдерживают развитие производства первых двух поколений биотоплива. Чем острее эти проблемы, тем больший интерес приобретает развитие третьего поколения биотоплива. Эффективной возобновляемой биомассой, для которой не нужны пахотные земли и пресная вода, являются водоросли. Это простые организмы, приспособленные к росту даже в загрязненной или соленой воде. Определяющими факторами для накопления биомассы водорослями являются:
интенсивность солнечной радиации;
температура воды;
наличие биогенных элементов;
концентрация углекислоты.
Водоросли преобразуют солнечную энергию и углекислый газ в дешевое и высокопродуктивное сырье для получения продуктов питания, биотоплива, кормов для животных и высокоценных, биологически активных веществ. То есть эти организмы обладают эффективным аппаратом биоконверсии солнечной энергии и являются ее природными биоаккумуляторами. Продуктивность микроводорослей по биомассе превышает продуктивность наземных растений [2, 3, 12]. Максимальные реальные величины прироста биомассы водорослей при интенсивности солнечной радиации 5623-7349 МДж на м2 в год (180-235 Вт/м2) составляют 38-47 г сухой биомассы с квадратного метра в сутки [19].
Водоросли включают в себя множество видов как одноклеточных, так и многоклеточных организмов. Они состоят из белков, углеводов, жиров и нуклеиновых кислот. Процентное содержание этих веществ зависит от вида водоросли. Некоторые штаммы водорослей идеально подходят для производства биотоплива благодаря высокому содержанию в них масла [11, 20]. Микроводоросли по потенциальному энергетическому выходу в 8-25 раз превосходят пальмовое масло и в 40-120 раз — рапсовое, что позволяет относить их к типичным представителям растительных масленичных культур. Существуют отдельные виды этих растений, содержащие до 40 % жирных кислот. Водоросли вида Botryococcus braunii способны до 61 % своей биомассы переводить в масло. Это масло может быть извлечено из водорослей и переработано в биодизель. Биотопливо, получаемое из водорослей, не содержит серы, нетоксично и хорошо поддается биоразложению. Преимущество получения биодизельного топлива из водорослей состоит в их высокой скорости роста и, следовательно, в высоком выходе биомассы на 1 га площади. Накопление жиров в водорослях при этом обычно происходит в условиях дефицита питательных веществ.
Десять преимуществ водорослей [3]:
водоросли представляют собой непищевую биомассу, использование которой для производства топлива не представляет угрозы продовольственной безопасности;
водоросли растут в 20-30 раз быстрее наземных растений (некоторые виды могут удваивать свою массу несколько раз в сутки);
они производят в 15-100 раз больше масла с гектара, чем альтернативные наземные культуры — рапс, масличная пальма, соя или ятрофа;
они не имеют жесткой оболочки и практически лигнина, что технологически делает их переработку в жидкие виды топлива более простой и эффективной, чем переработка биомассы из любого наземного сырья;
производство и использование водорослей в качестве биотоплива не требует изменения российского законодательства, как в случае с этанолом;
водоросли растут как в пресной, так и в соленой воде, в том числе и в промышленных стоках, где используются для очистки;
водоросли можно выращивать промышленным способом в биореакторах или фотобиореакторах, освещаемых искусственными источниками света, либо в открытых резервуарах на некультивируемых почвах, включая пустыни;
фотобиореакторы встраиваются в технологические линии уже существующих промышленных предприятий (ТЭЦ, нефтехимические производства, цементные заводы);
водоросли уменьшают эмиссию углекислого газа (поглощают до 90 % С°2);
водоросли также являются источниками масел, протеинов, углеводородов.
Особый интерес вызывает культивирование водорослей с использованием вторичных ресурсов. CO2 был и остается самым масштабным отходом промышленности. Водоросли могут использовать этот газ промышленного происхождения для своего роста и синтеза биомассы, поскольку процессы их метаболизма протекают более интенсивно при повышенных концентрациях углекислоты в среде. Таким образом, водоросли могут превращать углекислый газ из негативной проблемы в позитивный фактор, что открывает перспективы для улучшения экологической ситуации в мире.
Уникальными условиями для выращивания водорослей обладают сооружения по очистке сточных вод. Примером служит строительство ТЭС на Курьяновских очистных сооружениях (КОС), работающей на биогазе [5]. Биогаз получается после сбраживания осадка первичных отстойников очистных сооружений. В результате этого в перебродившем осадке не остается ни одной болезнетворной бактерии, и он может быть использован в качестве высококачественного удобрения. Если в схему ТЭС встроить биореактор с водорослями, можно дополнительно получать биомассу для топлива, максимально оптимизировав затраты, поскольку очищенная сточная вода является благоприятной средой для роста микроводорослей. Здесь круглогодично имеются все необходимые условия для фотосинтеза: теплая вода, биогенные элементы (в фильтратах сточных вод после очистки ее активным илом достаточно фосфатов и нитратов — веществ, загрязняющих реки), углекислый газ (образуется в результате окисления органического вещества и сжигания метана на ТЭС). Подача отходящих газов ТЭС в культуру микроводорослей существенно стимулирует их рост. При производстве 1 кг сухой биомассы водорослей потребляется: 1,9 кг СО2, 80 г азота и 13 г фосфора. Получаемая биомасса — сырье для ряда ценных продуктов: биотоплива, органического удобрения или корма для животных. Таким образом, могут быть решены две проблемы: утилизация отходов первичных отстойников очистных сооружений и получение биотоплива.
Другим возобновляемым источником являются собственно илы озер, состоящие из отмерших микроводорослей и продуктов их жизнедеятельности [15]. Красноярские ученые обратили внимание на этот бесплатный «склад» микроводорослей, который образуется естественно, без дополнительных затрат. Добывать илы специально для производства биодизеля затратно, но их достают со дна озера в экологических целях: для очистки. Каждые 15-20 лет для восстановления водной экосистемы положено вычерпывать и убирать донные осадки. Было предложено осадок, который является побочным продуктом природоохранных мероприятий, использовать в качестве сырья для биотоплива. Ученые изучили липидный состав полученного биодизеля: он оказался достаточно хорошим, по качеству соответствующим «Евро-4» и «Евро-5».
Технологический процесс производства биотоплив из водорослей практически безотходен. Сухие отходы биомассы после извлечения биомасла сохраняют все витамины и ценные вещества, поэтому могут быть использованы в качестве подкормки в рыбоводческих и животноводческих хозяйствах. Кроме того, возможно превращение их в еще один вид энергоносителей — топливные брикеты [2].
Можно отметить ряд потенциальных преимуществ производства биотоплива на основе фотосинтезирующих водорослей [2, 3].
В отличие от сырья для первого и второго поколений биотоплива в производстве биомассы из водорослей не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода. То есть процесс выращивания микроводорослей не конкурирует с сельскохозяйственным производством.
Используемые для производства биотоплива водоросли высокопродуктивны (до 100 т/га в год).
Различные водоросли производят биомасла посредством естественного фотосинтеза, для которого требуется солнечный свет, вода и углекислый газ, а также питательные вещества.
Растущие водоросли используют углекислый газ, обеспечивая снижение объемов парниковых газов в атмосфере.
Водоросли вырабатывают больший объем биотоплива с занимаемых площадей, чем источники биотоплива на базе сельскохозяйственных культур.
Произведенное водорослями биомасло и конечное биотопливо имеют молекулярную структуру, аналогичную нефти и нефтепродуктам.
Полученное из водорослей биомасло может быть использовано для производства всего ассортимента топлива, включая бензин, дизельное топливо и топливо для реактивных двигателей.
При наличии финансирования технологии, доведенные до промышленного применения, могут принести в течение 2-2,5 лет значительный экономический эффект. Московская ТЭЦ-21 вырабатывает в год 9,1 млрд кВт-ч электроэнергии; полное использование выбросов CO2 для выращивания водорослей позволит производить жидкие энергоносители суммарной энергетической ценностью от 8 до 11,4 млрд кВт-ч/год [5]. Таким образом, использование биотоплива из водорослей может внести значительный, сопоставимый с производством электроэнергии, вклад.
К 2030 году объем производства биотоплива в мире может приблизиться к производству нефти [2]. Основой такого производства может стать биомасса водорослей, которые сейчас практически не используются или используются с малой эффективностью. Это объясняется высокой стоимостью даже простой системы производства водорослей. В настоящее время еще не развиты технологии получения массовой культуры водорослей, начиная от выбора высокопродуктивных штаммов водорослей, которые можно было бы стабильно поддерживать в открытых водоемах, и заканчивая низкой себестоимостью их сбора. Основная задача, которая стоит перед альгологами, — необходимость достижения значительной продуктивности биомассы водорослей с высоким содержанием растительных масел или других прекурсоров биотоплива, необходимых для покрытия больших капитальных и эксплуатационных затрат производства водорослей. Тем не менее все усилия по преодолению этих ограничений оправданы, потенциал применения таких технологий вне конкуренции по сравнению с продовольственными культурами.