Изменение климата и деятельность человека привели к повышенному цветению макроводорослей в прибрежных водах Балтийского моря. Во время штормов на пляжи вымывает их биомассу, ее разложение вызывает загрязнение близлежащих вод и образование парниковых газов. При регулярном очищении берегов их в виде отходов увозят на свалки. Однако биомасса водорослей обладает значительным ресурсным потенциалом, что позволяет использовать ее в качестве источника жидкого топлива. Важным вопросом остается выбор технологии ее переработки — изучение экономической целесообразности методов, а самое главное — их экологической и климатической эффективности. Ученые ПНИПУ и БФУ впервые сравнили различные термические технологии и определили самый оптимальный для окружающей среды путь получения биотоплива из морских водорослей.
Статья с результатами опубликована в журнале «Energy Conversion and Management», 2024 год. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант РНФ 23-14-00064 «Разработка технологии гидротермального ожижения избыточных илов и осадков первичных отстойников с утилизацией образующихся сточных вод»).
Биотопливо, полученное из пищевого сырья (сельскохозяйственных культур), сокращает запасы продовольствия. Из несъедобных растений — требует вспашки значительных площадей земли. А биотопливо из водорослей считается более экологически устойчивым, чем ископаемое из нефти.
Наиболее распространенные методы преобразования биомассы растений в жидкое топливо — это пиролиз и гидротермальное ожижение. Оба метода подразумевают воздействие высоких температур. Но пока такие термические способы переработки достоверно не изучены в экономическом плане и с точки зрения их влияния на окружающую среду. Например, авиатопливо из лесных отходов в два раза превышает стоимость ископаемого топлива, но его углеродный след в несколько раз меньше.
Поэтому в вопросе переработки морских водорослей в первую очередь необходимо оценивать экологическую и климатическую эффективность применяемых технологий. В случае пиролиза и гидротермального ожижения она всегда зависит от типа биомассы, источников энергии и планируемого использования биотоплива. А значит, для определения более перспективного способа его получения важно исследовать полный жизненный цикл обеих технологий.
Ученые Пермского Политеха и Балтийского федерального университета сравнили оба термических метода производства биотоплива из выброшенных на берег макроводорослей и выявили из них наиболее экологичный и углеродно-нейтральный.
Обе технологии схожи между собой. При пиролизе собранную на пляже биомассу подвергают двухэтапной сушке, а после отправляют в печь, где продукт разделяется на жидкую и газообразную фракции. Для гидротермального ожижения сушка не требуется, поэтому биомасса сразу уходит на переработку в реактор под высокие температуры (290°C) и давление (от 4 до 25 МПа). Затем смесь охлаждают и отправляют в реактор, где ее разделяют на фазы. В результате этой технологии получают три основных продукта: бионефть, твердый остаток и газовую фазу.
Ученые оценивали воздействие обоих методов переработки водорослей на окружающую среду по шести категориям: изменение климата, истощение ископаемых, токсичность для человека, разрушение озонового слоя и подкисление суши.
— Оба метода получения биотоплива связаны с более низкими выбросами парниковых газов по сравнению с производством ископаемого топлива. Объяснение простое. Технологии пиролиза биомассы и гидротермальное ожижение более энергоемки, чем переработка нефти. Но на этапе эксплуатации сжигание биотоплива приведет к выбросам нейтрального для климата диоксида углерода, в то время как сжигание нефти и топлива из нее сопровождается значительными выбросами парниковых газов, — объясняет доцент кафедры охрана окружающей среды ПНИПУ, кандидат технических наук Галина Ильиных.
От способа получения используемой электроэнергии во многом зависит то, как конкретная технология воздействует на окружающую среду. Исследователи рассматривали разные способы ее производства и пришли к выводу, что переход на возобновляемые источники энергии сильно сократит косвенные выбросы парниковых газов при производстве биотоплива из водорослей. Так, использование ветряных турбин повысит экологическую эффективность и снизит нагрузку на окружающую среду по всем категориям воздействия, например, по изменениям климата — более чем в два раза.
— С точки зрения токсичности для человека и подкисления суши топливо, производимое гидротермальным ожижением, имеет лучшие показатели, чем пиролизное — в 1,6 и 1,9 раза соответственно. Кроме того, смена источника электроэнергии с традиционного на альтернативный еще больше располагает к этой технологии. Так, исходя из расчетов всех показателей, метод гидротермального ожижения для переработки избыточных макроводорослей, более эффективен для экологии и климата, — поделилась старший научный сотрудник БФУ Юлия Куликова.
Ученые ПНИПУ и БФУ доказали, что переработка избыточных водорослей в биотопливо — это перспективная технология. А при сравнении различных термических методов его получения удалось выявить самый оптимальный для окружающей среды путь. Исследователи планируют и дальше развивать эту тему, изучая также и технико-экономический анализ производства такого типа биотоплива.