Glony jako alternatywa dla lądowych roślin energetycznych

Transkrypt

1 Glony jako alternatywa dla lądowych roślin energetycznych Autorzy: prof. dr hab. Mirosław Krzemieniewski, dr inŝ. Marcin Dębowski, dr inŝ. Marcin Zieliński, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Olsztyn ( Czysta Energia 9/2009) Zaspokojenie potrzeb energetycznych technologiami związanymi z fermentacją metanową oraz produkcją biopaliw moŝe zostać ograniczone z powodu braku wystarczającej ilości odpowiedniego substratu. Wykorzystanie typowo lądowych roślin pochodzących z upraw kierunkowych stwarza obecnie coraz większe trudności. W tym aspekcie ciekawą alternatywą mogą być moŝliwości wykorzystania roślinności wodnej jako biomasy w procesie biogazowania i wytwarzania biopaliwa płynnego. Zastosowanie tego rodzaju substratu otwiera nowe kierunki dla rozwoju energetyki odnawialnej. Potencjał energetyczny glonów Na całym świecie w duŝej skali wykorzystuje się róŝne formy glonów śródlądowych i morskich. Są one pozyskiwane zarówno do celów konsumpcyjnych, jak i przemysłowych. W krajach azjatyckich rośliny te odgrywają waŝną rolę jako produkt Ŝywnościowy. Specjalnie ukierunkowane hodowle przeznaczone są dla przemysłu kosmetycznego oraz farmaceutycznego i naleŝy podkreślić, iŝ są to obiekty bardzo dochodowe. Glony wykorzystuje się w technologiach oczyszczania ścieków, w systemach usuwania związków biogennych. Znalazły równieŝ zastosowanie przy unieszkodliwianiu trudno rozkładalnych substancji, na przykład występujących w odciekach składowiskowych. Największą ich zaletą jest jednak wiązanie CO 2 (do wytworzenia 1 kg s.m. glonów potrzeba ok. 2 kg CO 2 ) i stąd ogromne zainteresowanie wykorzystaniem ich do obniŝenia emisji zanieczyszczenia gazowego z kotłowni opalanych węglem. W krajach, takich jak USA i Meksyk, a obecnie równieŝ w wielu państwach azjatyckich, materię organiczną pozyskuje się z roślin niŝszych. NaleŜą do nich glony, np. Chlorella, Scenedesmus, występujące w otwartych zbiornikach wodnych. JeŜeli zmagazynowaną, dostępną z wysuszonych glonów energię porówna się z energią słoneczną wnikającą do zbiorników hodowlanych, to okazuje się, Ŝe moŝna odzyskać część dochodzącą jedynie do 8% energii pierwotnej. Odpowiada to produkcji suchej materii w ilości 30 kg/m 2 rocznie. Przeciętna produktywność biomasy glonów hodowanych w celu pozyskania oleju, w dobrze zaprojektowanym systemie umieszczonym w obszarze o wysokim stopniu nasłonecznienia, moŝe wynosić 1500 kg/m 3 /d. Przy takim poziomie produktywności, zakładając przeciętną zawartość oleju na poziomie 30% suchej masy, uzyskuje się 120 m 3 oleju/ha/rok. Uwzględniając konieczność rutynowych napraw, konserwacji, czyszczenia instalacji i obiektów hodowlanych na poziomie około 10% czasookresu (czyli 1,2 miesiąca) w roku, wydajność zmniejsza się do 98,4 m 3 /ha. Najnowsze doniesienia podane przez Biofuels Digest są wyjątkowo optymistyczne i według tych informacji firma SunEco Energy z USA uzyskuje 700 m 3 oleju z 1 ha w ciągu roku. Wynika to z faktu, Ŝe w przeciwieństwie do innych roślin, glony rosną niezwykle szybko i potrafią podwoić swoją masę w ciągu 24 godzin. W sprzyjających warunkach hodowli faktyczny czas podwojenia biomasy glonów podczas wykładniczego wzrostu moŝe wynieść zaledwie 3,5 godzin. Bardzo popularnym źródłem materii organicznej jest rzęsa wodna. W Europie pospolite są: rzęsa drobna (Lemna minor), roślina bezlistna, mająca pędy koliste o średnicy 2 do 3 mm, i rzęsa trójrowkowa (Lemna trisulica) o pędach lancetowatych, mających 4 do 10 mm długości. W naturalnych warunkach rzęsa jest pokarmem ptactwa wodnego. W warunkach sprzyjających rzęsa drobna szybko rośnie i jej masa podwaja się co 1 do 3 dni. W ciepłym klimacie, ze stawów zasilanych ściekam miejskimi bez Ŝadnych wstępnych

2 zabiegów moŝna otrzymać ponad 13 ton suchej rzęsy z hektara rocznie. Przy uŝyciu pokrewnego gatunku, występującego równieŝ, choć rzadziej, w Polsce, ilość ta wzrasta do 24 ton suszu z hektara rocznie. Jest to biomasa, którą stosunkowo łatwo jest zebrać z powierzchni zbiornika. Przeprowadzone w warunkach europejskich badania, wykazały duŝy potencjał wykorzystania glonów jako waŝnego źródła substratu do produkcji biogazu. Z danych literaturowych wynika, iŝ istnieją moŝliwości uzyskania biogazu o stęŝeniu metanu aŝ 83%, a wielkość produkcji biogazu osiąga 280 l CH 4 /kg ChZT. Autorzy artykułu w reaktorze beztlenowym o pojemności 100 dm 3, eksploatowanym w temperaturze 35 C i przy obciąŝeniu ładunkiem związków organicznych na poziomie 2,0 kg s.m.o./m 3 d uzyskują biogaz o zawartości 75% metanu (fot. 1). Fot. 1. Bioreaktor beztlenowy do przetwarzania biomasy glonów na wysokoenergetyczny biogaz w laboratorium UWM Olsztyn Systemy hodowlane biomasy glonowej Wykorzystanie biomasy wodnej pochodzącej z otwartych akwenów wodnych ma w klimacie umiarkowanym znaczne ograniczenia, związane bezpośrednio z warunkami meteorologicznymi. Krótki okres wegetacyjny, niskie temperatury oraz stopień nasłonecznienia powodują, iŝ produkcja pierwotna w tych zbiornikach jest zbyt niska, aby mogła stanowić jedyne i stałe źródło substratu do produkcji biopaliw. Szczególnie istotny jest problem niewielkiego średniego nasłonecznienia obszarów półkuli północnej. Tego typu rozwiązania powinny być stosowane przede wszystkim wtedy, kiedy do zrealizowania są dwa cele. Jeden dotyczy pozyskania surowca energetycznego, a drugi równieŝ niezmiernie waŝny to poprawa jakości wody w akwenie wodnym i zwiększenie jego walorów rekreacyjnych. Takie załoŝenia przyjęto w grancie badawczym realizowanym przez Uniwersytet Warmińsko-Mazurski (UWM) w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka Ze względu na zalety zamkniętych systemów opracowano (począwszy od laboratoryjnej, a skończywszy na przemysłowej skali) duŝą liczbę fotobioreaktorów. Zamknięte fotobioreaktory wywołały znaczące zainteresowanie, poniewaŝ pozwalają na lepszą kontrolę warunków uprawy w porównaniu z systemami otwartymi. W układzie zamkniętym uzyskuje się wyŝszą produktywność biomasy i moŝna łatwo zapobiegać zanieczyszczaniu hodowli. Pomimo Ŝe skonstruowano i

3 zbadano wiele fotobioreaktorów, tylko niewiele z nich moŝe skutecznie wykorzystywać energię słoneczną do produkcji biomasy glonów. Aby ulepszyć produktywność organizmów w systemach zamkniętych, konieczne jest gruntowne zrozumienie aspektów związanych ze zjawiskami hydrodynamicznymi i transferem masy zachodzącymi w fotobioreaktorze. Generalnie fotobioreaktory stosowane w skali laboratoryjnej są naświetlane za pomocą sztucznego źródła światła (zewnętrznie lub wewnętrznie). Mogą one mieć konstrukcję kolumn barbotaŝowych, kolumn z systemem air-lift, zbiorników mieszanych, spiralnych rur, stoŝków, półokrągłych profili lub być typu wodorostowego. W większość fotobioreaktorów moŝna łatwo kontrolować temperaturę hodowli. Najprostszym sposobem na zapewnienie optymalnych warunków temperaturowych jest umieszczenie fotobioreaktora w pomieszczeniu o stałej temperaturze. JednakŜe takie rozwiązanie sprawdza się jedynie w przypadku niewielkich systemów. W duŝych systemach zewnętrznych, jak reaktory rurowe, utrzymywanie optymalnej temperatury wymaga duŝych nakładów. Jednak obecnie istnieją juŝ systemy, np. BIOSTAT (Sartorius BBI Systems), który zapewnia moŝliwość kontrolowania temperatury. Innym przykładem projektu pozwalającego na kontrolę warunków temperaturowych jest fotobioreaktor o podwójnych ścianach, z oświetleniem wewnętrznym, wyposaŝony w wodny system grzewczo-chłodniczy. Fot Fotobioreaktory słuŝące do namnaŝania i hodowli glonów w skali laboratoryjnej w UWM w Olsztynie Fot Źródła światła z diodami LED opracowane w UWM w Olsztynie

4 RóŜne typy fotobioreaktorów do hodowli w skali laboratoryjnej opracowano równieŝ w UWM w Olsztynie. Są to reaktory o pojemności od 5 dm 3 do 50 dm 3 (fot. 2-3). Stosuje się w nich sztuczne źródła światła, wśród których najbardziej obiecujące są diody LED o zmiennych długościach emitowanego światła (fot. 4-5). Zastosowanie poszczególnych systemów zaleŝy od kilku czynników. Są to przede wszystkim: biologia glonów, koszt ziemi, pracy, energii, wody, substancje pokarmowe, klimat (jeŝeli hodowla prowadzona jest w systemie otwartym) i typ produktu końcowego. Ze względu na tak podstawowe właściwości, jak: efektywność wykorzystania energii słonecznej, moŝliwość kontrolowania i sterowania temperatura, występowanie stresu hydrodynamicznego dla komórek glonów, hodowli monokulturowej i/lub aksenicznej oraz moŝliwość przeniesienia hodowli z warunków laboratoryjnych w rzeczywiste w hodowlach prowadzonych na duŝą skalę muszą być stosowane róŝne systemy. Końcowy wybór systemu jest prawie zawsze kompromisem pomiędzy wszystkimi tymi czynnikami, by osiągnąć ekonomicznie zadowalający rezultat. Pomimo Ŝe wiele wczesnych badań nad hodowlami glonów prowadzono w odniesieniu do systemów zamkniętych, wszystkie bardzo duŝe hodowle komercyjne są prowadzone jako systemy otwarte. Wynika to głównie z prostej ekonomiki zamknięte systemy hodowlane są bardzo drogie i część z nich niestety nie moŝe być projektowane dla duŝych skali. Ponadto wiele systemów zamkniętych wymaga zastosowania wewnętrznych sztucznych źródeł światła, co prowadzi do wzrostu kosztów energii, podczas gdy systemy otwarte mogą wykorzystywać naturalne światło słoneczne. Niestety, niewiele gatunków glonów moŝe zostać wyhodowanych w systemach otwartych. Cztery główne typy systemów otwartych będących aktualnie w uŝyciu (płytkie duŝe stawy, zbiorniki, stawy kołowe i stawy typu toru wyścigowego) ma ją zarówno wady, jak i zalety. Na wybór systemu ma równieŝ wpływ kilka czynników: biologiczne właściwości glonów, miejscowe warunki klimatyczne oraz koszty ziemi i wody. W naszych warunkach krajowych brak jest wielorakich doświadczeń nad nowymi systemami hodowli glonów. Aby uzyskać wiele niezbędnych informacji na temat eksploatacji zbiorników otwartych do hodowli glonów w UWM w Olsztynie wykorzystywane są reaktory o pojemności 3000 dm 3 kaŝdy, z moŝliwością dozowania spalin z lokalnej kotłowni w okresie jesienno-zimowym (fot. 6-7). Fot Baseny otwarte, słuŝące do hodowli biomasy glonowej w UWM w Olsztynie

5 Systemy separacji i zagęszczania glonów Proces separacji i zagęszczania glonów naleŝy do najkosztowniejszych czynników w technologii hodowli glonów i naleŝy tym zagadnieniom poświęcać wiele uwagi. Najprostszym sposobem wydzielania biomasy glonowej z wody jest zastosowanie procesu koagulacji. Jest to metoda prosta i tania, jednak nie zawsze pozwala na uzyskanie zadowalających efektów końcowych. W przypadku separacji jednokomórkowych alg istnieje wiele ograniczeń, które eliminują powszechne zastosowanie tego typu rozwiązania technologicznego. Zastosowanie skutecznej koagulacji i sedymentacji moŝe wprawdzie zmniejszyć liczbę glonów o 90-95%, ale stosowane dawki koagulantów są wówczas bardzo duŝe, co powoduje zwiększenie kosztów eksploatacji. Znacznie skuteczniej w koagulacji usuwane są organizmy tworzące skupiska wielokomórkowe niŝ glony jednokomórkowe. Według autorów, prowadzących badania nad procesem koagulacji glonów, dobór konkretnego koagulantu w duŝym stopniu uzaleŝniony był od środowiska wodnego (hodowle sztuczne, warunki naturalne). Dodatkowym czynnikiem, na który naleŝy zwracać uwagę, a który utrudnia separację zawiesin glonowych, jest tlen powstający podczas fotosyntezy, który moŝe powodować autoflotację organizmów zaglomerowanych w procesie koagulacji. W warunkach, w których sedymentacja jest kłopotliwa i nie daje zadowalających efektów, znacznie bardziej korzystnym procesem technologicznym moŝe okazać się flotacja, zwłaszcza ciśnieniowa. Podczas tego procesu do oczyszczanej wody wprowadzane jest powietrze w postaci zdyspergowanych pęcherzyków o wymiarach od 20 do 100 µm (przeciętnie około 40 µm), co uzyskuje się w wyniku obniŝenia ciśnienia w strumieniu wody (nasyconej wstępnie powietrzem pod ciśnieniem) do poziomu ciśnienia atmosferycznego. Skutecznym sposobem eliminacji glonów jest ich usuwanie na mikrositach. Zaczęto ją stosować w oczyszczaniu wody pod koniec lat 40. XX w. w celu wstępnego oczyszczania wód ujmowanych z jezior i zbiorników zaporowych. Obecnie eksploatowane są w wielu miejscach hodowli biomasy glonowej na świecie. Mikrosita to urządzenia niskociśnieniowe wymagajce małej powierzchni. Są one najczęściej poziomymi urządzeniami bębnowymi, zasilanymi od wewnątrz oczyszczaną wodą. Innym coraz powszechniej stosowanym systemem separacji biomasy glonowej jest zastosowanie procesów membranowych. Autorzy artykułu przeprowadzili udane próby rozdziału biomasy glonowej za pomocą układu do ultrafiltracji. Obecnie trwają prace nad skonstruowaniem i wykorzystaniem systemu zagęszczającego biomasę glonową, pracującego w skali ułamkowo-technicznej. Kierunki wykorzystania biomasy glonowej Biorąc pod uwagę potencjał związany z produkcją i przetwarzaniem biomasy glonowej konieczne jest opracowanie technologii, które umoŝliwią wykorzystanie istniejących obiektów komunalnych oczyszczalni ścieków, zakładów przemysłowych czy gospodarstw indywidualnych oraz powstających na ich terenie odpadów (ścieki, odcieki, wody nadosadowe, dwutlenek węgla) w procesach namnaŝania i energetycznego przetworzenia biomasy glonów. Opracowane rozwiązania, sprawdzające się w warunkach krajowych, będą stanowiły podstawę do budowy zintegrowanych i zamkniętych systemów, które pozwolą na wydajne uzyskiwanie biomasy glonowej, poprawienie skuteczności oczyszczania ścieków, a takŝe przetworzenie glonów do wysokoenergetycznych biopaliw oraz wpłyną na istotne ograniczenie emisji dwutlenku węgla do atmosfery. W oparciu o powyŝszą ideę autorzy proponują jako jedno z rozwiązań układ technologiczny przedstawiony na rysunku.

6 słońce osady, odcieki (pożywka) nawóz hodowla glonów pozyskiwanie olei biofermentor biopaliwa ciekłe biogaz CO 2 kogeneracja ciepło prąd elektryczny Schemat układu technologicznego wykorzystania biomasy glonów W zaproponowanym układzie technologicznym część wytworzonego ciepła moŝe zostać wykorzystana do utrzymania odpowiedniej temperatury w reaktorach do hodowli glonów, szczególnie w okresie zimowym. Istnieją moŝliwości wykorzystania nadwyŝki prądu elektrycznego do zasilania źródeł światła w reaktorach glonowych. Foto: Archiwum Wydziału Ochrony Środowiska i Rybactwa UWM