Zielona nadzieja, czyli o możliwościach wykorzystania glonów jako substratów do produkcji paliw i chemikaliów

Intensywne wykorzystanie paliw kopalnych oraz dynamicznie zmieniająca się sytuacja na rynku paliwowym na przestrzeni ostatniej dekady spowodowało wzrost zainteresowania wykorzystania energii z tak zwanych źródeł odnawialnych.

Pośród różnych metod wykorzystania tych źródeł, dużym zainteresowaniem cieszy się wykorzystanie biomasy jako substratu do produkcji paliw lub innych chemikaliów. Według Nigam i Singh [1] biopaliwa dzieli się na dwie podstawowe grupy:
– biopaliwa pierwotne, które stanowią biomasę wykorzystaną bezpośrednio w formie nieprzetworzonej lub po wstępnej obróbce (przykładowo drewno stosowane jako paliwo podstawowe lub dodatkowe (współspalanie);
– biopaliwa wtórne, będące produktem procesu konwersji biomasy do takich produktów jak przykładowo etanol, biodiesel, eter dimetylowy (DME) i innych.

Biopaliwa wtórne dzieli się dalej na generacje i wyróżnia się trzy podstawowe typy [1]:
– biopaliwa I generacji, produkowane z substratów, które mogłyby być bezpośrednio wykorzystane do produkcji żywności;
– biopaliwa II generacji, należące do tzw. grupy materiałów lignocelulozowych, które nie są bezpośrednio wykorzystane do produkcji żywności (np. drewno);
– biopaliwa III generacji, które powstały z przetworzenia roślin i mikroorganizmów wodnych (np. glony).

Żywność kontra paliwo
W dostępnej na ten temat literaturze często podkreśla się tzw. problematykę „żywność kontra paliwo” (ang. „food vs. fuel”). Dotyczy ona kwestii np. etycznych, ekonomicznych czy społecznych, związanych z występowaniem zjawiska wykorzystania żywności jako substratów do produkcji paliw.

Oprócz dylematów natury etycznej (problem głodu w krajach mniej rozwiniętych), podnosi się także argumenty negatywnego wpływu upraw energetycznych na gospodarkę rolną i racjonalne wykorzystanie gleby pod uprawy [1, 2]. Podkreśla się, iż rozwiązanie tej kwestii może być osiągnięte poprzez wykorzystanie biopaliw III generacji, które nie konkurują z uprawami prowadzonymi na lądzie, aczkolwiek biopaliwa z glonów (alg) nie są jeszcze konkurencyjne pod względem ekonomicznym w porównaniu do biopaliw niższych generacji i wytworzonych z zasobów kopalnych.

Kovacevic i Wesseler [3] oszacowali, iż cena oleju napędowego (biodiesla) produkowanego z alg w odniesieniu do wartości opałowej paliwa wynosiła 52,3 €/GJ. Dla porównania cena biodiesla I generacji (substratem były oleje jadalne) wynosiła 36,0 €/GJ, a dla oleju napędowego otrzymanego z przetworzenia ropy naftowej cena wynosiła 15,8 €/GJ. Rozwijanie metod hodowli oraz przetwórstwa alg pozwoli na redukcję kosztów związanych z użytkowaniem tej technologii.

Wodne bogactwo
Algi dzieli się na dwie podstawowe grupy: makroalgi i mikroalgi. Pierwszą grupę stanowią trzy podstawowe klasy roślin. Ze względu na kolor ich barwników komórkowych wyodrębniamy:
– wodorosty brunatne (brunatnice, Phaeophyceae),
– wodorosty czerwone (krasnorosty, Florideophyceae),
– wodorosty zielone (zielenice, Chlorophyceae).
Rozróżnia się trzy podstawowe klasy mikroalg:
– okrzemki (Bacillariophyceae),
– złotowiciowce (Chrysophyceae),
– dinofity (Dinophyceae).

Specyficzną grupę organizmów stanowią sinice. Nazywane są bardzo często „procaryotycznymi glonami”. Sinice klasyfikuje się obecnie do królestwa Prokaryota (bezjądrowe) i gromady Cyanophyta. Zawdzięczają one swoją nazwę częstemu niebieskawemu zabarwieniu i występują zarówno w postaci jedno-, jak i wielokomórkowej [14].

Ogólny wzór elementarny mikroalg określa się jako CO0.48H1.83N0.11P0.01 [4].

Tabela 1 przedstawia przykładowe wyniki badań makroalg, przeprowadzonych przez zespółbadawczy z Uniwersytetu w Leeds [5]. Tabela zawiera analizy składu elementarnego (udziały masowe węgla, wodoru, tlenu, azotu i siarki) oraz kaloryczności biomasy.


Uzyskano bardzo obiecujące wyniki badań odniesionych do ilości wyprodukowanego biodiesla z alg w porównaniu do innych źródeł. W literaturze  podkreśla się fakt, iż hodowla alg może staćsię konkurencyjna w stosunku do tradycyjnych upraw glebowych, ze względu na mniejsze wymagania odnośnie powierzchni pod uprawy, jak i znacząco większy uzysk biodiesla z hektara.

Tabela 2 przedstawia porównanie ilości uzyskiwanego paliwa z hektara uprawy. Na uwagę zasługuje wyższa o rząd wielkości ilość produkowanego biodiesla w przypadku mikroalg [6].


Bio-energia z alg
Znaczącą intensyfikację działań w obszarze badawczo-rozwojowym obserwuje się w przypadku zastosowania glonów (alg) do celów energetycznych. Rysunek 1 przedstawia wyniki analizy przeprowadzonej przez Konur’a [7].


Po roku 2003 nastąpił gwałtowny wzrost liczby publikowanych prac zaklasyfikowanych do obszaru „bio-energia z alg”. Największym dorobkiem pośród jednostek naukowych (biorąc pod uwagę analizy przeprowadzone do czasu ukazania się publikacji Konur’a) może poszczycić się Chińska Akademia Naukowa (19 publikacji), aczkolwiek – biorąc pod uwagę całkowitą liczbę publikacji przypisanych do określonych państw lub unii – Unia Europejska jest w tym obszarze niekwestionowanym liderem. Zajmując pierwsze miejsce w tej kategorii (346 publikacji), wyprzedza znacząco USA (183 publikacje) i Chiny (60 publikacji). Wartym podkreślenia jest także udział profesora Tukaja z Uniwersytetu Gdańskiego, który został sklasyfikowany na 6 miejscu pośród publikujących naukowców z całego świata.

Algi w Polsce
W literaturze [3] podkreśla się, iż hodowla mikroalg w dużej skali wymaga spełnienia warunków dla określonego typu glonów. Celem uzyskania optymalnych parametrów hodowli wymagane jest zapewnienie następujących warunków:
– wysokie nasłonecznienie,
– optymalne warunki klimatyczne (gorące lato i umiarkowanie deszczowa zima),
– nieskomplikowane ukształtowanie terenu,
– bliski dostęp do morza,
– bliski dostęp do elektrowni węglowej (źródło CO2).

Obszarami europejskimi, które spełniają te warunki, są południowo-wschodnie i południowo- zachodnie prowincje Hiszpanii (Huelva, Cadiz, Sevilla, Murcia, Walencja) oraz włoska prowincja Puglia [3].

Polska nie posiada tak korzystnych warunków geograficznych, aczkolwiek prowadzi się obecnie badania w zakresie hodowli i oceny energetycznej glonów. Przykładem może być projekt „Środowiskowe Laboratorium Energii Odnawialnej”, realizowany w ramach Programu Operacyjnego Rozwój Polski Wschodniej 2007-2013. Istotną częścią projektu jest stworzenie infrastruktury do badań nad biopaliwami II i III generacji, m.in. z wykorzystaniem biomasy alg.

Projektodawcą jest Instytut Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego Polskiej Akademii Nauk w Lublinie [8]. Zagadnienia związane z wykorzystaniem mikroalg do celów energetycznych podejmowane są również w ramach Programu Strategicznego „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii spalania tlenowego dla kotłów pyłowych i fluidalnych zintegrowanych z wychwytem CO2” [9].

Glony na bałtyckich plażach
Wykorzystanie glonów nie musi jednakże ograniczać się do ukierunkowanej hodowli tych gatunków, które przeznaczone są bezpośrednio do produkcji biopaliw. Doniesienia prasowe [10-12] podkreślają problem tzw. zakwitów Bałtyku, czyli intensyfikację wzrostu glonów w Morzu Bałtyckim. Niepożądanym składnikiem zbiorowisk wodnych są sinice oraz glony z klas: Dinophyceae, Chysophyceae, Bacillariophyceae. Pojawiając się masowo, stanowią ważny element pokarmu zwierząt morskich, często wywołując niestety różnobarwne zakwity wody.

Niektóre gatunki wydzielając do wody trujące alkaloidy, powodują masowe śnięcie ryb [14]. Jak donosi portal dziennik.pl [10] za Polską Agencją Prasową, „szwedzki minister środowiska Andreas Carlgren oraz jego polski odpowiednik Andrzej Kraszewski opublikowali w szwedzkim dzienniku ‘Sydsvenska Dagbladet’ wspólny artykuł, w którym zadeklarowali zacieśnienie współpracy między krajami, aby rozwiązać m.in. problem glonów na bałtyckich plażach”. Informacja na temat tego problemu pojawiła się również na stronie Wspólnotowego Serwisu Informacyjnego Badań i Rozwoju CORDIS [13], która stanowi „przestrzeń informacyjną poświęconą europejskim działaniom (Komisja Europejska) na rzecz badań i rozwoju (B+R) oraz transferu technologii”.

Podniesiony problem wydaje się być zagadnieniem skomplikowanym i stanowi duże wyzwanie wymagające pogłębionej analizy ekologicznej (w tym oddziaływania człowieka jako członka ekosystemu), a także rozwiązań technologicznych, obejmujących np. odławianie i zagospodarowanie glonów.

Kolejnym wyzwaniem badawczym jest szczegółowa analiza właściwości fizykochemicznych celem oceny ich przydatności jako substratu do produkcji paliw i innych chemikaliów. Rysunek 2 przedstawia wyniki obserwacji glonów bałtyckich (pobranie: sierpień 2012, Krynica Morska), wykonanych z wykorzystaniem mikroskopu skaningowego. Glony po wstępnym osuszeniu stanowiły spłaszczone skupiska o rozmiarach około 10-20 cm, a średnica poszczególnych włókien wynosiła około 100 μm.


Glony do biodiesla
Glony cieszą się obecnie bardzo dużym zainteresowaniem jako potencjalne substraty do produkcji paliw i innych cennych substancji. Intensyfikacja badań i żywe zainteresowanie mikroalgami spowodowana jest m.in. wysoką zawartością lipidów, będących jednym z głównych substratów do produkcji biodiesla.


Innym zagadnieniem, ważnym dla Polski i innych krajów nadbałtyckich, jest rozwiązanie problemu zakwitu glonów w Bałtyku. Jedną z propozycji jest ich wykorzystanie, podobnie jak w przypadku biomasy „lądowej”, w procesach termochemicznych. Szczegółowe poznanie właściwości fizykochemicznych pozwoli na ocenę przydatności glonów do procesów termicznej konwersji.


Literatura:
[1] Nigam PS, Singh A. Production of liquid biofuels from renewable resources. Progress in Energy and Combustion Science. 2011;37:52-68.
[2] Demirbas A. Progress and recent trends in biodiesel fuels. Energy Conversion and Management. 2009;50:14-34.
[3] Kovacevic V, Wesseler J. Cost-effectiveness analysis of algae energy production in the EU. Energy Policy. 2010;38:5749-57.
[4] Demirbas A. Use of algae as biofuel sources. Energy Conversion and Management . 2010;51:2738-49.
[5] Ross AB, Jones JM, Kubacki ML, Bridgeman T.Classification of macroalgae as fuel and its thermochemical behaviour. Bioresource Technology. 2008;99:6494-504.
[6] Vyas AP, Verma JL, Subrahmanyam N.Areview on FAME pro duction processes. Fuel. 2010;89:1-9.
[7] Konur O. The scientometric evaluation of the research on t he algae and bio-energy. Applied Energy. 2011;88:3532-40.
[8] http://www.polskawschodnia.gov.pl/Projekty/Strony/Srodowiskowe_Laboratorium_Energi i_Odnawialnej.asp x(24.10.2012).
[9] http://www.is.pcz.czest.pl/strategiczny/publikacje.htm (24.10.2012).
[10]http://podroze.dziennik.pl/artykuly/345012,szwecja-i-polska-chca-rozwiazac-problem-glonow-na-plazach.html (22.10.2012).
[11]http://chronmyklimat.pl/nauka-o-klimacie/14565-kolejne-dowody-na-intensyfikacjezakwitow-glonow-z-powodu-rosnacychtemperatur (22.10.2012).
[12] http://www.radio.kielce.pl/page,,Szwecjai-Polska-chca-rozwiazac-problem-glonowna-baltyckich-plazach,68bb5abcb465f6f1f79d6634421c05df.html (22.10.2012).
[13] http://cord is.europa.eu/fetch?CALLER=PL_NEWS&ACTION=D&SESSION=&RCN=34806 (22.10.2012).
[14] Szweykowska A., Szwejkowski J., Botanika Systematyka, PWN, Warszawa 1999.