Исследование, позволившее определить оптимальный для окружающей среды способ выработки биотоплива из морских водорослей, провели ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) и Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта (БФУ), 6 августа сообщает пресс-служба ПНИПУ.

Повышенное цветение макроводорослей в прибрежных водах Балтийского моря, которое наблюдается в последнее время из-за изменения климата, привело к тому, что во время штормов на пляжи выбрасывается большое их количество. Гниение этой биомассы с выделением парниковых газов вызывает загрязнение близлежащих вод и воздуха.

Чтобы этого не происходило, проводится очищение берегов, и эту биомассу увозят на свалки, в то время как ее можно использовать в качестве источника для производства жидкого топлива. Однако в этом случае перед потенциальным производителем встанет вопрос о выборе эффективной технологии переработки биомассы из макроводорослей.

Чтобы решить этот вопрос, необходимо изучить экономическую целесообразность возможных методов и их экологическую и климатическую эффективности. Именно такое исследование и провели пермские и калининградские ученые, которые впервые сравнили различные термические технологии получения биотоплива.

Результаты исследования они представили в статье «Оценка жизненного цикла производства биотоплива из морских водорослей, выброшенных на берег, путем пиролиза и гидротермального сжижения», опубликованной в журнале Energy Conversion and Management, 2024 год.

В ней они отмечают, что биотопливо, если его получать из пищевого сырья (сельскохозяйственных культур), сокращает запасы продовольствия. Использование для этих целей несъедобных растений потребует выделения для их выращивания значительных площадей земли. Тогда как биотопливо из водорослей считается более экологически устойчивым, чем ископаемое топливо из нефти.

Самые распространенные методы получения жидкого топлива из биомассы растений — это ее пиролиз или гидротермальное ожижение. Оба эти метода основаны на воздействии высоких температур, но в настоящее время не проводилось изучение как их экономичности, так и влияния на окружающую среду.

Например, производство авиатоплива из отходов лесной промышленности в два раза дороже, чем топлива из ископаемого сырья, но его углеродный след в несколько раз меньше.

Поэтому при оценке технологий переработки морских водорослей исследователи в первую очередь оценивали их экологическую и климатическую эффективность. Для технологий пиролиза и гидротермального ожижения такая эффективность определяется типом биомассы, источниками энергии и тем, как будет использоваться биотопливо.

Таким образом, перед исследователями стояла задача: для определения более перспективного способа получения биотоплива изучить полный жизненный цикл обеих технологий и выявить из них наиболее экологичный и углеродно-нейтральный.

Технология пиролиза включает двухэтапную сушку собранной на пляже биомассы, которая после этого поступает в печь. Там она без доступа воздуха под действием высоких температур разделяется на жидкую и газообразную фракции.

Гидротермальное ожижение сушки не требует, по этой технологии биомасса сразу поступает в реактор, где на нее в течение определенного времени воздействуют высокие температуры (290 °C) и давление (от 4 до 25 МПа). После этого полученную смесь охлаждают и отправляют в другой реактор для раздения на фазы: жидкую бионефть, твердый остаток и газовую фазу.

Исследователи оценивали воздействие этих технологий переработки водорослей на окружающую среду по шести категориям: изменение климата, истощение ископаемых, токсичность для человека, разрушение озонового слоя и подкисление почвы.

Доцент кафедры Охрана окружающей среды ПНИПУ, кандидат технических наук Галина Ильиных пояснила:

«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».

Кроме того, переход на возобновляемые источники энергии сильно сократит косвенные выбросы парниковых газов при производстве биотоплива из водорослей. Например, использование ветряных турбин для производства энергии повысит экологическую эффективность и снизит нагрузку на окружающую среду по всем категориям воздействия, а 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», — дополнила пояснения старший научный сотрудник БФУ Юлия Куликова.

В своем исследовании ученые ПНИПУ и БФУ доказали перспективность переработки избыточных водорослей в биотопливо. А сравнив различные термические методы его получения, они определили из них самый оптимальный для окружающей среды. В планах исследователей продолжать эту тему, чтобы провести также и технико-экономический анализ производства такого типа биотоплива.