All of us must get used to a different lifestyle."
Kong Abdullah, Saudi-Arabien, 1998.
Resume
Vores nuværende forbrug af fossile brændstoffer i transportsektoren er generelt ikke anset som værende bæredygtigt dels på grund af svindende ressourcer dels deres indflydelse på miljøet. Der er derfor brug for bæredygtige og CO2-neutrale alternativer. Biobrændstof fra landafgrøder (majs, sukker, soja, og så videre) er et genbrugeligt og CO2 neutralt alternativ, disse alternativer kan dog ikke erstatte de nuværende typer af brændstof. Som vi ser i denne rapport virker biobrændstof fra alger som et reelt alternativ på grund af højt udbytte og lav pris, samt at produktionen heraf ikke kommer i konflikt med den nuværende fødevareproduktion. Ligesom landafgrøder udnytter alger sollyset til at skabe biomasse, men de er blot væsentligt bedre til det end konventionelle afgrøder. Der er således ræson for at biobrændstof udvundet af alger er et reelt alternativ til konventionelle fossile brændstoffer til transportsektoren.
Indholdsfortegnelse
1 Problemanalysen
2 Problemformulering
3 Afgrænsning og metode
4 Generelt om alger
5 Dyrkning af alger og betingelser for optimal vækst
5.1 Raceway ponds
5.2 Rørformet fotobioreaktor
5.3 Sammenligning af de to systemer
5.4 Geografiske placeringer
6 Fra algesuppe til biobrændstof
7 Biprodukter
8 Rentabilitet
8.1 Økonomisk
8.2 Miljømæssigt
9 Kvaliteten af biobrændstof fra alger
10 Potentialet for biobrændstof fra alger
11 Diskussion.
12 Konklusion.
13 Perspektivering.
Litteraturliste
1 Problemanalysen
Verdenssamfundet står i dag over for en række umiddelbare problemer. Et væsentligt af disse er et stærkt stigende energiforbrug. Det stigende energiforbrug skyldes dels at vi bliver flere og flere mennesker, dels at folk gennemsnitligt bruger mere energi, herunder energi i transportsektoren. En væsentlig problemstilling ved olie som vores reelt eneste energikilde til transportsektoren er, at det er en stærkt svindende ressource. Der findes mange forskellige prognoser for hvornår olien slipper op, og variationen er ganske stor heriblandt, men alle er dog enige om at det ikke er en evig kilde. En naturlig konsekvens af denne store efterspørgsel, som er drevet blandt andet af Kinas og Indiens store industrielle vækst, er at priserne på brændstof stiger. Et andet problem med forbrændingen af fossile brændstoffer er den skade det forårsager på miljøet. Af miljøskader kan nævnes partikelforurening, som i stigende grad udgør sundhedsrisici især i storbyerne, dannelse af syreregn ved udledning af svovlpartikler (svovlsyre) og NOx forbindelser (salpetersyre) og CO2-udledningen der bidrager til drivhuseffekten. Derfor er der et behov for at finde på alternativer til olieproduktionen.
Man har tidligere forsøgt sig med alternative energikilder, og med succes, til store dele af vores energikonsumerende sektorer, men i især én sektor halter det bagud, og dette er den førnævnte transportsektor. Af alternative energikilder kan blandt andet nævnes kernekraft, vindenergi og solceller som er gode, vedvarende og CO2 neutrale energikilder, men hvis energi produceres i form af elektricitet og derfor ikke er særlig anvendeligt i transportsektoren, forudsat at vi bliver ved at køre i biler, der ser ud, som de gør nu. Og netop denne forudsætning er relevant i vores problemstilling. For man kunne reelt omtænke hele vores levevis, således at vi boede tættere på arbejdet, skar ned på generel produktion etc. men i vores projekt arbejder vi netop ud fra forudsætningen om, at vi fortsat kører i biler og fortsat har en generel høj produktivitet. Der er i denne sammenhæng fundet en række alternativer, de vigtigste er nok forskellige former for biobrændstof, hydrogen og elbiler. Biler der kører på hydrogen og el i form af et batteri er i og for sig gode alternativer, dog er der en række problemer forbundet med disse teknologier. Blandt andet er der det problem at de biler vi bruger i dag ikke direkte kan køre på hydrogen eller el, og at den samlede bilpark således skulle udskiftes. En anden, og måske mere væsentlig problemstilling med hensyn til biler der kører på brint er, at der i forbindelse med hydrogenproduktion (spaltning af vand til dihydrogen og oxygen) skal bruges en masse energi, og at denne ofte kommer fra fyring med fossile brændstoffer. I forbindelse med vores projekt, hvor vi vil fokusere på alternativ energi til transportsektoren og med hensyn til vores forudsætninger, er denne teknologi ikke særlig relevant. Det andet alternativ, biobrændstof, er brændstof der udvindes af biologisk materiale der har levet for nyligt. Det er den sidste definition der netop adskiller biobrændstof fra fossilt brændstof. Biobrændstof deles op i tre kategorier: 1. 2 og 3. generation. 1. generations biobrændstof er en allerede afprøvet og tilgængelig teknologi, som man i dag kan finde på visse tankstationer. Problemet med denne er at man til fremstillingen af bioethanol bruger de bestanddele af afgrøder som vi også selv ville spise (eks. majskorn, sojabønner, sukkerrør etc.), denne konkurrence har fået omfattende kritik, da det vil få fødevarepriser til at stige og skabe mangel på de resterende fødevarer (Grundwald, 2008). 2. generationsbiobrændstof bygger på princippet fra 1. generations, men her satser man i stedet for på de spiselige bestanddele af planten, på at bruge de uspiselige (fra eksemplet før: plantedele fra majs, soja, sukkerrør). Teknisk set er det dog sværere at udvinde anvendeligt materiale fra disse dele, da de findes i form af cellulose og andre svært nedbrydelige materialer. Forskningen på dette område er nået langt, men dog mangler der endnu et stykke før det kan bruges på kommercielt niveau. Den sidste teknologi er 3. generations biobrændstof. Denne type brændstof er udvundet af alger. Det gode ved denne teknologi i forhold til 2. generation, er, at man ved alger ikke optager dyrkningsland, da algerne principielt kan gro og dyrkes alle steder (eksempelvis i bassiner i havet). Derudover forøger alger deres biomasse væsentligt hurtigere end konventionelle planter der bruges til 1. og 2. generations biobrændstof (UN Chronicle, 2000). Som det dog også var tilfældet med 2. generations biobrændstof er denne teknologi langt fra klar til kommerciel brug, men forskning viser indtil videre gode resultater (Xiufeng et al., 2007).
Der er mange forskellige interesseparter i energisektoren som trækker i modsatte retninger. På den ene side står OPEC landene, som man kunne forvente ville have en interesse i en fortsættelse af den nuværende olieafhængighed. På den anden side står alle de andre lande, som ikke producerer (nok) olie. Samtidig kunne ulandene drage nytte af diverse nye energiformer, hvis de medførte at den generelle brændstofpris faldt det vil sige hvis man kunne producere biobrændstof til konkurrencedygtige priser.
2 Problemformulering
Som konsekvens af stigende energiforbrug og svindende oliereserver står verden over for store miljømæssige udfordringer samt en snarlig energimangel. Særligt vil det blive et problem for transportsektoren idet dennes energiforsyning næsten udelukkende består af olie, og det her er vanskeligt direkte at erstatte olie som energikilde. Som løsninger på disse problemer findes en række alternative energikilder, hvoraf 3. generations biobrændstof synes at være fornuftig.
Formålet med dette projekt er at undersøge hvilke muligheder, der er for produktion af 3. generations biobrændstof som erstatning for konventionelt transportbrændstof.
· Hvordan foregår dyrkningen af alger og omdannelsen af disse til biobrændstof? Hvordan kunne et anlæg være opbygget?
· Hvilke biprodukter er der ved algeproduktionen og omdannelsen?
· Hvordan ser fremtiden ud for 3. generations biobrændstof?
3 Afgrænsning og metode
Vi vil i forbindelse med denne rapport udelukkende fokusere på biobrændstof fra alger (3. generations biobrændstof) til transportsektoren. I forbindelse med kvantiteten og med hensyn til erstatning af konventionelt transportbrændstof vil vi se på verdens samlede transportenergiforbrug.
Som metode vil vi bruge skriftlige kilder (primært videnskabelige artikler) samt henvendelse til relevante kontaktpersoner fra henholdsvis Shell Danmark, DMU (Danmarks Miljøundersøgelser) og AlgaeLink.
4 Generelt om alger
Billede 1 viser et lysmikroskopisk billede af algen Haematococcus pluvialis (The Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology, 2000).
Alger er en gruppe af eukaryote, fotoautotrofe organismer, der forekommer enten som enkeltlevende celler eller som komplekse vækster, såsom tang. De lever både i saltvand og ferskvand, og fungerer som mikroskopiske planter der, som planterne på landjorden, kræver at bestemte betingelser er opfyldt for at de kan leve og formere sig. Disse betingelser består af at der er (sol)lys, kuldioxid, vand, ilt og tilstedeværelse af næringsstoffer. Derved er algerne nemlig i stand til at udføre fotosyntesen hvilket resulterer i glukose og ilt. Glukosen fra fotosyntesen omdannes via respiration til ATP-energi, som algerne bruger til at vokse og formere sig (celledeling). ATP’en spaltes og der herved frigivne energi kan bruges til at omdanne uorganisk materiale til organisk materiale. Derved kan algerne opbygge store molekyler som for eksempel cellulose til cellevægge. Næringssalte kan for eksempel være fosfat og nitrat. Fosfat tilføres primært fra rensningsanlæg og landbrug, men også fra organisk materiale som nedfaldne blade. Fosfat er livsnødvendigt for algerne, da det bruges til opbygning af DNA, RNA og ATP. Nitrat kan blandt andet komme fra landbruget, størstedelen findes i atmosfæren (består af 79 % N). Det er dog kun visse alger udnytter denne nitrat, da kun nogle arter er i stand til at omdanne den ved hjælp af ilt til ammoniak (nitrogenfiksering). Denne bruges til opbygning af proteiner og aminosyrer.
Alger er naturligt forekommende og ses overalt i have, søer og generelt fugtige steder. Mikroalger, som vi beskæftiger os med i denne opgave, er i stand til at flyde rundt i vandet trods en massefylde der er lidt større end vands. Det skyldes at de hele tiden bliver skubbet op og rundt grundet strømninger i vandet og også på grund af deres forskellige opbygninger. De udgør en af de primære fødekilder i vandet og indgår som det nederste led i fødekæden. Føden, det organiske stof, bliver udnyttet af små planktondyr, som lever i de øverste vandlag sammen med planktonalgerne. Planktondyrene forbruger energien fra det organiske stof, og derved bliver den ilt som algerne producerer, brugt, og kuldioxid, kvælstof og andre næringsstoffer frigives. Disse stoffer bliver så blandt andet brugt af de resterende alger (DMU, 1999).
Alger har, som tidligere nævnt, forskellige opbygninger. De kan derfor inddeles i forskellige arter som for eksempel grønalger og kiselalger. Øjealger er en klasse med mere end 500 arter af farveløse, grønne eller røde encellede alger med flageller. Mange af disse alger har desuden en øjeplet, der så vidt man ved giver dem mulighed for at orientere sig. Kiselalger er kerneløse organismer. De har evnen til at binde luftens frie kvælstof i særlige celler, heterocytter. Det er celler uden ilt, hvilket fikserer kvælstoffet og omdanner det til ammoniak. Kiselalger har to skaller dannet af kisel, igennem hvilke de kan optage næring og udskille affaldsstoffer. De indeholder desuden oliedråber som blandt andet hjælper til at holde dem flydende i vandet (DMU, u.å.).
I modsætning til i vores projekt er alger ofte set som et stort problem. De er store bidragsydere til iltsvind i søer, fjorde og have. Det sker grundet en blanding af algernes naturlige opblomstring og en stadig større unaturlig tilførsel af næringssalte (Hänselt, 2006). Algerne formerer sig hurtigt og de alger som ikke bliver spist dør efterhånden. De døde alger synker til bunds og der sker en ophobning af dødt organisk materiale. Udover at dette materiale er fødegrundlag for eksempel orme og muslinger, er det også føde for bakterier. Disse organismer kræver ilt til at nedbryde materialet, og det kan i større omfang skabe iltsvind. Grundet algernes forskellige behov, sker der tydelige skift i opblomstringen af de forskellige arter året igennem. Det er især ved denne opblomstring at problemerne med iltsvind i blandt andet søer opstår. Den største opblomstring af algerne sker henover foråret (DMU, u.å.).
5 Dyrkning af alger og betingelser for optimal vækst.
Når et anlæg til produktionen af alger skal udformes er der en masse faktorer der spiller ind. Man vil, fra producentens side, have så stort udbytte på så kort tid som muligt, så det stiller naturligvis en masse krav til den fysiske udformning, samt krav til mediet som algerne befinder sig i. Som beskrevet i et tidligere kapitel er algers, såvel som alle andre fotosyntetiserende organismer, vækst og reproduktion bestemt af en række faktorer, herunder den tilgængelige mængde af (sol)lys, vand og næringsstoffer samt det samlede antal af alger i mediet (som en væksthæmmer). I dette afsnit vil vi beskrive hvordan dyrkningen af alger foregår, samt besvare følgende spørgsmål: Hvilke forhold giver optimal vækst (lys, vand, næring)? Hvordan ser nuværende anlæg ud, og kan disse direkte omdannes til algeproduktion med biobrændstof som øjemål? Findes der eventuelle geografisk optimale placeringer?
Overalt på kloden findes der alger, lige fra de mest temperaturekstreme steder, til de mest salte og til de steder med størst pH udsving. Alger kan således leve i en stor variation af miljøer. Der er dog stor forskel på, hvor ”godt” de lever, med hensyn til hvor stor reproduktion og biomasseforøgelse man kan observere. Vi starter med at se på hvordan lysforholdene skal være. Der er konkluderet, at for at holde udgifterne nede, skal lyskilden være sollys. Hvis vi så dernæst ser på hvilken sammensætning et optimalt vækstmedie skal have, må man tage udgangspunkt i den givne alges egen sammensætning. Men generelt for alle mikroalger skal der bruges kvælstof (N), fosfor (P) jernforbindelser og i nogle tilfælde silicium (Si). Dog skal det tilføjes at især fosfor skal tilføres i store overskudsmængder, da noget af den tilførte mængde vil danne forbindelser med jern, og derfor ikke længere være tilgængeligt for algerne (Chisti, 2007). Et andet stof som er essentielt for algers vækst er kulstof (C). Mikroalgers tørvægt udgøres af ca. 50 % kulstof (Sánchez Mirón et al., 1999). Og det meste af dette kulstof får algen fra CO2 forbindelser. Så hvis man skal producere eksempelvis 1 ton algebiomasse, bliver der fikseret ca. 1,8 tons CO2, se nedenstående:
1 ton algebiomasse ≈ 0,5 ton C = 500 kg C = 500.000 g. C.
500.000 g. C ∙ 12,0107 g/mol-1 =
41629,55 mol C
1C + 2O → CO2:
41629,55mol ∙ 2 O = 83259 mol O:
83259mol O ∙ 15,9994 g/mol =
1332095 g O = 1,332 ton O:
1,332 ton O + 0,5 ton C = 1,832 ton CO2
Der skal således tilføres store mængder CO2 til anlægget i dagstimerne (når der er sollys), dog skal denne tilførsel holdes under opsyn da man ikke ønsker at der dannes kulsyre, da dette ville ”bruge” en del af den tilførte mængde kulstof, samt forsure vækstmiljøet med fare for at slå algerne ihjel.
En metode til at skaffe disse mængder CO2 er ved at placere anlægget ved et eksisterende kraftværk, der eventuelt fyrer med fossile brændstoffer. Her kunne man koble algeanlægget til kraftværkets skorsten og på den måde få billig hvis ikke gratis CO2. Forsøg med denne metode har givet lovende resultater (Yun et al., 1997).
Vi vil i følgende afsnit gennemgå de to metoder der på nuværende tidspunkt eksisterer for storskalaproduktion af alger. Nemlig ”Raceway ponds” og ”rørformet fotobioreaktor”.
5.1 Raceway ponds
Vi har ikke kunne finde et dansk term for raceway ponds, så vi vil bruge det engelske udtryk gennem dette afsnit og senere.
Raceway ponds er et delvist lukket system hvor vand cirkulerer rundt i en stor bane (se fig. 5.1). Banen er omtrent 0,3 meter dyb og kan være bygget i beton eller stampet jord, eventuelt foret med hvidt plastic i bunden. Et sted på banen er placeret tre elementer. En motoriseret vandmølle sørger for cirkulation i systemet så der ikke dannes sediment og for at de tilførte næringsstoffer kommer rundt. Derudover er der en tappehane, hvor algemasse kan tappes og en tilførselshane der tilfører næring til miljøet. Denne form for system til dyrkning er meget brugt og der findes anlæg der dækker 440.000 m2 (Spolaore et al., 2006). De bruges i dag primært til dyrkning af alger med henblik på fødevarer. En væsentlig fordel ved dette system er den relativt billige pris for opførslen af anlægget sammenlignet med den anden systemtype. Der er dog også en lang række ulemper forbundet med denne anlægstype: Køling af vandet foregår udelukkende ved fordampning. Der er således et stort tab af vand til dette, og der kan forekomme store temperatursvingninger i løbet af dagen, samt i forbindelse med årstider. Et andet stort problem er den åbne opbygning. Det ses ofte i raceway ponds at vandet bliver forurenet med uønskede algestammer og andre mikroorganismer der lever af algerne (zooplakton i særdeleshed). Så selv om der er en fordel ved den lave pris for opførslen, er der en lang række forhindringer, som vi skønner trækker mere ned.
Fig. 5.1 viser en skematisk oversigt over en raceway pond. (Chisti, 2007)
5.2 Rørformet fotobioreaktor
Modsat raceway ponds er rørformede fotobioreaktorer et helt lukkede systemer (se fig. 5.2 på næste side). Man har på denne måde (næsten) helt udelukket risikoen for forurening af algemediet. Systemet er opbygget af en lang række klare rør af enten plastic eller glas. Det er i disse rør, at algerne opfanger lyset, og disse har en diameter på ikke meget mere end 10 cm. Denne begrænsning skyldes at jo bredere rørene er, jo mere vil der blive skygget for lyset til algerne, der befinder sig i centrum. Væsken i disse rør cirkulerer ligesom i det første system rundt. Igen findes der en hane til at tappe algesuppen med, men der er også en anden enhed tilknyttet. Her kommer algesuppen igennem og får tilført CO2 og andre næringsstoffer, bliver eventuelt nedkølet, og bliver dernæst pumpet tilbage til rørene.
For at opnå størst vækst i dette system er det vigtigt, at rørene er orienteret mod solen. De skal derfor ikke skygge for hinanden, og det mest almindelige er at de er lagt ned langs jorden, og med et hvidt underlag (for at skabe refleksion, albedo). Man kan godt lave systemer, der ikke afhænger af sollys men af elektrisk lys, men disse systemer er for dyre til kommerciel storskala produktion (Pulz, 2001).
Sedimentering af alger undgås ligesom i raceway ponds ved omrøring med enten en mekanisk mølle eller en luftpumpe.
Der er dog mindst to problemer med det lukkede system. 1: Der bliver i forbindelse med fotosyntesen dannet en masse ilt (helt op til 10 g O2 ∙ m-3 ∙ min-1) og når man op på disse niveauer opløst ilt i vandet, kan det direkte inhibere fotosyntesen og sammen med intenst sollys forvolde fotooxidative skader på algerne (Molina Grima et al., 2001). Det vil sige at der skal afiltes ved forskellige stationer, hvor den overskydne ilt kan boble af. Det vil sige, at der er en naturlig begrænsning på længden af rørene. Grunden til at der skal være særlige ”stationer” til afiltningen, er at man vil undgå direkte kontakt med atmosfærisk luft til algesuppen for at forhindre den før omtalte forurening. 2: Der er brug for nedkøling af systemet. Dette kan dog gøres relativt simpelt og billigt ved varmeoverførsel til rør med vand (varmeudvekslingssystem), eller med evaporation af vand sprøjtet på ydersiden af rørene.
Fig. 5.2 viser en skematisk oversigt over en fotobioreaktor (Chisti, 2007).
5.3 Sammenligning af de to systemer
Tabel 5.3 sammenligner de to metoder for fremstilling af alger, hvor vi ser på produktionen af 100.000 kg. Biomasse pr. år.
Raceway ponds (R)
Fotobioreaktor (F)
Årlig biomasseproduktion (kg)
100.000 (R)
100.000 (F)
Volumenmetrisk produktion (kg m-3 dag-1)
0,117 (R)
1,535 (F)
Arealproduktivitet (kg m-2 dag-1)
0,035 (R)
0,072 (F)
Biomassekoncentration i algeopløsning (kg m-3)
0,14 (R)
4,00 (F)
Tabel 5.3 efter Chisti, 2007
Resultaterne stammer fra reelle forsøg i storskala produktion. Som det ses i tabellen (tabel 5.3), er alle resultaterne fra de forskellige variable i fotobioreaktorens favør. Den volumenmetriske produktion er mere end 13 gange større for fotobioreaktoren (se boks 5.3). På grund af disse favorable forhold er udbyttet langt større pr. arealenhed for netop denne teknologi. For at omdanne algesuppen til biobrænstof er det vigtigt at få algerne renset fra. Dette kan gøres ved mekanisk filtrering eller centrifugering, men er relativt omkostningsfuldt. Men det er dog væsentligt billigere for algesuppen, der stammer fra fotobio-reaktorerne, da biomasse-koncentrationen er næsten 30 gange større end for algesuppen i raceway ponds
5.4 Geografiske placeringer
Vi har tidligere nævnt, at lys er en vigtig faktor med hensyn til optimal dyrkning af alger. Så ville det være logisk at slutte, at jo mere lys algerne får desto bedre. Ud fra denne formodning ville ækvatoriale egne være ideelle placeringer for dyrkningsanlæg. Det hænger dog ikke helt sådan sammen. Lysmætning og fotoinhibition er to faktorer, der spiller ind. Lysmætning er det punkt, hvor lysintensiteten er på et niveau, således at biomassevækstraten er højest. Eksempelvis er den diatome alge Phaeodactylum tricornutum’s lysmætningspunkt ved 185 μE m-2 s-1 (Mann & Myers, 1968). Den gennemsnitlige lysintensitet ved ækvatoriale områder ved middag er på ca. 2000 μE m-2 s-1, og er altså væsentligt højere end algens lysoptimum. Så kunne man forestille sig, at mere end nødvendigt lys ikke gjorde fra eller til, men igen viser dette sig ikke at være tilfældet. Fotoinhibition er et udtryk for at for meget lys kan være skadeligt for den fotosyntetiserende organismes vækst-hastighed.
Man kan således ikke sige noget om, hvor på kloden et anlæg ville fungere bedst, da der er så mange faktorer, der spiller ind. Med hensyn til lysmængden har vi set, at det ikke nødvendigvis er bedst, der hvor den er størst. Det afhænger altså af den specifikke alge, man vælger at arbejde med, hvor meget lys, varme og næring, der skal til for at opnå optimal vækst.
6 Fra algesuppe til biobrændstof
Når man skal omdanne en given biomasse til et produkt, man kan anvende til noget nyttigt, er der mange ting at tage hensyn til. Det gælder naturligvis også, når man skal producere biobrændstof til transportsektoren ud fra algemasse. Her er det særlig vigtigt, hvor meget energi man får ud i forhold til, hvor meget energi det kræver at producere brændstoffet. Derudover skal produktet bestå af en specifik række stoffer, således at brændstoffet passer til de motorer, det skal drive, så det ikke skader miljøet, ikke er for giftigt og så det ikke fylder eller vejer for meget. Det sidste kriterium betyder, at det skal have en vis energi lagret pr. volumen- eller vægtenhed.
Der findes en længere række af metoder til at omdanne alger til forskellige typer biobrændstof. Nogle af dem kræver, at man først dræner algerne for væske, hvilket kan være en bekostelig affære. For eksempel kan man ved centrifugering skille vandet fra. Denne metode er dog, som nævnt tidligere, for dyr til at kunne bruges i praksis. Derfor forsøger man at finde andre, billigere måder at gøre det på. Her kan nævnes forskellige former for kemisk flocculation eller flocculation ved benyttelse af transgene alger, hvor algerne klumper sig sammen, således at de let ville kunne sorteres fra. Man kunne også sortere dem fra ved anvendelse af apoptose, det vil sige en forprogrammeret celledød, ved at anvende transgene alger (Gressel, 2008).
Andre metoder har den fordel, at vandet ikke skal fjernes fra algemassen. Det gælder for eksempel, den der på engelsk hedder liqefaction, der, som navnet antyder, går ud på, at man omdanner algerne til en væske.
Man har lavet en række forsøg med termokemisk liquefaction, hvor man har fået omdannet alger ved højt tryk og høj temperatur med og uden katalysator. Omdannelsen foregik som følger:
Først fyldtes algerne og den ønskede mængde katalysator, som her var 0-5 masse% natriumcarbonat (Na2CO3), i en autoklave, i hvilken det resterende luftrum fyldtes med nitrogen for at få den atmosfæriske luft ud af systemet. Trykket forøgedes i autoklaven til 3 MPa (~30atm) for at undgå at vandet fordampede, hvorved man skulle have brugt mere energi til opvarmningen. Autoklaven varmedes så op med en elektrisk opvarmer til en temperatur på 300-340° C, som blev holdt i den tid man ønskede at holde algemassen og olien i den. I det omtalte forsøg var det 30-60 minutter. Herefter kølede man den ned til stuetemperatur og sænkede trykket til atmosfæretryk, mens den udviklede gas blev overført til en sæk. Herefter åbnede man autoklaven og tog indholdet ud. Olien skilte man så fra ved at opløse den i triklormethan (kloroform), som blev fordampet ved 40° C. Vandfasen og bundfald blev også skilt ad til nærmere undersøgelse.
Forsøgene viste at man ud af de sæt omstændigheder, der blev brugt, får den bedste olie og mest mulig energi ud, ved at holde algemassen og olien i autoklaven i 30 minutter, ved en temperatur på 340° C og med 5 masse% tilsat natriumcarbonat (Y.F. Yang et al., 2004).
7 Biprodukter
Forskningen med hensyn til omdannelsesprocessen af alger til biobrændstof er stadig et nyt område. Dette betyder, at der er en del bud på forskellige metoder til produktion og omdannelse. Der findes derfor også en del forskellige biprodukter, både skadelige og nyttige alt efter hvilken metode, der anvendes.
Biprodukterne fra omdannelsen af alger til biobrændstof omfatter i de fleste tilfælde drivhusgasserne metan, hydrogen og kuldioxid. Dette er nogle forholdsvis dårlige biprodukter for miljøet, som vi umiddelbart gerne vil undgå. Hydrogen og metan kan dog anvendes fornuftigt. Hydrogen kan for eksempel bruges til brændselsceller, og derved skabe endnu en energikilde. Metan kan også udnyttes som energi i transportsektoren. Med hensyn til kuldioxid er situationen heller ikke så kritisk. Under dyrkningen optager algerne store mængder kuldioxid. Dette bevirker faktisk en neutralitet med hensyn til indholdet af kuldioxid i atmosfæren (Yang Y.F. et al., 2004).
Algaelink, et firma i Holland, der producerer biodiesel fra alger, benytter en forholdsvis ny metode til at omdanne algerne. Denne metode kræver ingen kemikalier, og de tilbageværende biprodukter er derfor helt naturlige og anvendelige til for eksempel kosttilskudsproducenter eller medicinalfirmaer (Ven, 2008). Biprodukterne er blandt andet beta-karotin og astaxanthin. Beta-karotin er et forstadie til A-vitamin, og man kender det fra gulerødder. Kroppen lagrer beta-karotin i leveren, og her omdannes det efter behov til A-vitamin. Det er en vigtig antioxidant for kroppen, der blandt andet reducerer risikoen for kræft, beskytter mod infektioner og styrker huden og slimhinderne i tarm-, luft- og urinveje (Bionordic, 2000). Astaxanthin er også en naturlig antioxidant og findes udover i alger også i fisk og skaldyr som for eksempel laks, ørred og i rejer. Det findes også i få fugle eksempelvis flamingoen. Stoffet virker som rødt pigment, hvilket også ses på for eksempel rejer, men ved binding til forskellige proteiner kan det også fremstå som grøn, gul, blå eller brun. Astaxanthin er vigtigt for kroppens immunforsvar. Det modvirker blandt andet gigt, hjertekarsygdomme og solskoldning. Det er i øjeblikket på forsøgsstadiet i medicinindustrien, og der er bevist positiv virkning mod både stress, Alzheimers og Parkinsonsyge, blandt andet fordi stoffet kan krydse blod-hjerne barrieren. I naturen indtager fisk som for eksempel laksen føde med astaxanthin, og får den naturlige rødlige farve. I opdræt har laksen dog ikke adgang til vitaminet og bliver i stedet fodret med farvestoffer for at blive ligeså markedsdygtig som den vildtlevende laks. Mennesket har ikke selv mulighed for at danne astaxanthin og er derfor afhængig af astaxanthinholdige fødevarer eller kosttilskud. Disse fødevarer er blandt andet fisk og skaldyr. Man forsøger sig derfor også med at tilsætte astaxanthin i foderet til fisk og skaldyr i opdræt for på den måde at gøre forholdene så naturlige som muligt (Alga Technologies, 2004).
Et andet biprodukt der kan anvendes på det farmaceutiske område er steroler (Ven, 2008), som sammen med tri-glycerid og fosfolipider er en af de tre grupper af forskellige fedtstoffer. Den mest kendte voksagtige fedtgruppe indenfor steroler er kolesterol, som navnlig findes i kød, mælk, æg og smør. Derudover omfatter steroler også visse hormoner samt forstadier til D-vitamin (Scmedes, 2000).
Udover de nævnte biprodukter kan der ved nogle omdannelsesmetoder også forekomme produkter (tørstofenhederne), der kan bruges i foderblandinger til dyr.
8 Rentabilitet
8.1 Økonomisk
For at gøre biobrændstof fra alger til et reelt alternativ er det vigtigt at prisen er på samme niveau som eller billigere end de oliebaserede transportbrændstoffer. Vi vil i dette afsnit undersøge omkostningerne ved produktionen og sammenligne med den nuværende pris på benzin, da denne er det mest brugte transportbrændstof. Eksempelvis brugte USA i 2003 476 gigaliter (International Energy Agency, 2006). Med de priser der er på benzin i dag koster en GJ fra benzin (oktan 95) 306 kroner. Sammenligner vi dette med en estimeret pris på en GJ fra Fischer Tropsch[1] biobrændstof på 52-67 kr. pr. GJ, ser man at biobrændstof er særdeles konkurrence-dygtigt med fossile brændstoffer
[1] Fischer Tropsch teknikken er en kemisk proces, hvor biomasse, kul eller gas omdannes til flydende brændstof (Fischer & Tropsch, 1930). Dette brændstof kan bruges til at drive biler og fly og andet.
8.2 Miljømæssigt
Vi har nu set at det rent økonomisk er rentabelt, men hvad med de miljømæssige perspektiver? Et af de væsentlige problemer med forbrændingen af fossile brændstoffer er den store udledning af CO2 og de miljømæssige konsekvenser dette medfører. Dette problem viser sig ikke at eksistere med hensyn til afbrændingen af biobrændstof. Denne teknologi er nemlig CO2 neutral, det vil sige at den mængde CO2 der udledes ved forbrændingen er den samme mængde, som blev fikseret fra atmosfæren eller forbrændingsanlæg ved dyrkningen af algerne (Chisti, 2007)
9 Kvaliteten af biobrændstof fra alger
Som tidligere nævnt er det vigtigt at brændstoffet, man står med til sidst, har en række egenskaber som følge af den kemiske sammensætning, der passer til de motorer, den skal drive, at den indeholder nok energi pr. volumen- og masseenhed og at den ikke er for giftig eller forurenende på nogen måde. Derfor må man også undersøge at disse kriterier er opfyldt. I tidligere nævnte forsøg vedrørende termokemisk liquefaction så man på hvad olien indeholdt.
Man ser, at algeolien har et relativt stort indhold af C17, C18 –alkaner, n-naphtalin og nogle andre stoffer. Disse er typiske komponenter i det man kalder heavy oil, hvilket vil sige at termokemisk liquefied olie fra alger kan klassificeres som heavy oil. (Y.F. Yang et al. 2004)
Heavy oil er egentlig en olie af dårlig kvalitet, da det kræver yderligere omdannelse heraf, hvis man skal ende med en mere brugbar olie (Barman, 2005). Derudover giver forbrænding af heavy oil en række produkter der er skadelige for miljøet (Batelle, 2003). Dog skal det nævnes, at heavy oil er en vigtig energiressource (Ke-Jian, 1997) og at opgradering heraf til produkter af høj værdi er af stigende interesse kommercielt og økonomisk (Barman, 2005).
Alt i alt er termokemisk liquefaction altså ikke umiddelbart en bæredygtig metode til omdannelse af alger. Hvis man kan finde en metode til opgradering af heavy oil til kvalitetsolie, som er miljøvenlig og økonomisk rentabel, vil liquefaction blive en bæredygtig metode, men som det ser ud nu, er den det ikke.
Som før nævnt findes der en række andre omdannelsesmetoder. De fleste af disse kræver, at man dræner algerne for væske og er derfor mere omkostningsfulde, men det er muligt, at nogle af disse kan bruges til at producere biobrændstof af høj kvalitet.
10 Potentialet for biobrændstof fra alger
I dette afsnit vil vi undersøge kvantiteten af biobrændstof fra alger, der skal til for at erstatte konventionelt brændstof. Det har ikke været muligt at finde oplysninger om brændstofmængder fra hele verden (da dette tal sandsynligvis ikke er ret godt kendt), men data fra USA synes delvist at være repræsentativt. Dog kunne man forestille sig, at amerikaneren gennemsnitligt bruger mere benzin (primært) end en gennemsnitlig europæer på grund af kulturelle forskelle, lavere benzinpriser og meget mere. Skulle man erstatte den samlede mængde brændstof til det amerikanske marked, ville man, som tidligere nævnt, skulle bruge ca. 0,5 milliard m3 om året. Biobrændstof fra konventionelle afgrøder udgør ikke en realistisk mulighed. Det ses i tabel 10 nedenfor.
Tabel 10 viser forskellige afgrøders mulighed for at erstatte 50 % af det nuværende amerikanske forbrug af brændstof til transportsektoren (Chisti, 2007).
Som det ses ud fra den fjerde kolonne, der viser hvor stor en procentdel af det samlede amerikanske landbrugsland, der skulle bruges, for at afgrøden (kolonne 1) kunne erstatte 50 % af det nuværende behov, er det reelt kun biobrændstof fra alger (i dette tilfælde biodiesel), der er tilstrækkeligt. Ser man på eksempelvis oliepalmen, som har vist sig at være en højudbytteplante med hensyn til olieindhold, skulle 25 % af USA’s nuværende landbrugsareal beplantes med denne afgrøde for at erstatte 50 %. Ser man derimod på mikroalger, ligger niveauet på mellem 1-3 % af nuværende arealer (variationen skyldes forskelligt procentindhold af olie i algen), hvilket må siges at være realistisk. Resultatet stammer fra storskalaforsøg i fotobioreaktorer, som er omtalt tidligere i rapporten. Grunden til denne store forskel på alger og alle de andre afgrøder er i høj grad algers hurtige vækst. De fleste alger har fordoblet deres biomasse på under 24 timer, og olieindholdet i visse alger kan komme så højt som 80 % -masse. Dog er det ikke alle af disse olier, der kan omdannes, men mange er konvertible til biodiesel produktion (Chisti, 2007).
11 Diskussion
Vores kilder har primært været videnskabelige tidsskrifter, men også hjemmesider fra forskellige organisationer og firmaer og et enkelt patent. Vi har ikke vurderet, at der skulle være nogen svagheder hos vores kilder, som for eksempel partiskhed. Det eneste sted hvor man kunne komme i tvivl om troværdighed, kunne være hos Shell og AlgaeLink (da disse er private firmaer, der gerne vil fremstå som miljørigtige virksomheder, og måske derfor tegner et glansbillede af netop deres teknologi), men disse kilder brugte vi kun med særlig påpasselighed. Da det område, vi i vores projekt har undersøgt, stadig er relativt nyt, har projektets metodik den svaghed, at det er svært at finde materiale, der peger i samme retning. Vi kunne med fordel have haft en ekspert på området som kontaktperson.
Vores første afgrænsning var, at vi udelukkende ville fokusere på biobrændstof fra alger. Dette har betydet, at omfanget af projektet blev skåret betydeligt ned og overskueliggjorde hele projektets område. Vores anden afgrænsning var, at vi ville fokusere på energi til transportsektoren, og da biobrændstof fra alger allerede er orienteret mod transportsektoren, var dette en naturlig afgrænsning for vores projekt, og det havde derfor ingen større betydning.
12 Konklusion
Målet med projektet og den dertilhørende rapport var at undersøge mulighederne for om biobrændstof udvundet af alger kunne erstatte konventionelt transportbrændstof. Alger er væsentligt bedre end landafgrøder med henblik på biomasseforøgelse og det eneste reelle alternativ, og den bedste måde at dyrke alger på i storskala er i det system, der hedder rørformet bioreaktor. For at opnå optimal vækst skal en række næringsstoffer tilføres algernes vækstmedie. Der findes ikke nogen generel optimal placering for et anlæg, da det i høj grad afhænger af, hvilken alge man vælger at arbejde med. Teknologien til omdannelse af alger til biobrændstof findes, men der kan dog stilles spørgsmål til hvorvidt produktet er af høj nok kvalitet. Dette afhænger også af hvilken metode man vælger til at omdanne algerne, da der findes flere. Med hensyn til biprodukter fra produktionen kan vi slutte, at der dannes gavnlige stoffer, som kunne bruges i forskellige sektorer. Blandt disse kan nævnes betakarotin og astaxanthin som er vigtige stoffer i forbindelse med især immunforsvaret.
Beregninger viser, at brændstof fra alger økonomisk set sagtens kan konkurrere med konventionelle brændstoffer. I vores eksempel viste en sammenligning af en estimeret pris på biobrændstof og normale benzinpriser, at biobrændstoffet var 5-6 gange billigere.
13 Perspektivering
Man kunne ud fra vores konklusion undersøge de resterende metoder til omdannelsen og se på, om produktet ville få den ønskede kvalitet. Som det er nu, er vi nemlig et stykke vej fra at kunne bruge slutproduktet direkte i bilen. Man kunne tilmed undersøge, om heavy oil på en miljøvenlig måde kunne omdannes til olie af høj kvalitet.
Problemerne ved vores forbrug af fossile brændstoffer er mange. Fortsætter vi i denne retning, vil konsekvenserne være omfattende, fastslår flere eksperter. Man er derfor nødt til at finde på nye alternativer. For at disse nye alternativer kan få vind i sejlene, kræver det folkelig såvel som politisk opbakning. Danmark skal være vært for en stor klimakonference i 2009, hvor der skal findes en afløser til Kyotoaftalen og man kunne håbe på seriøs støtte til nye tiltag, der kan forbedre klimasituationen herunder forskning og udvikling i biobrændstof fra alger.
Litteraturliste
Algatech
Astaxanthin - a superb natural antioxidant (2004)
http://algatech.com/astax.htm
(citeret d. 11/10/08)
Battelle
http://www.battelle.org/Environment/publications/envupdates/Fall2003/article9.stm
(u.å.)
(citeret d. 11/10/08)
Barman, Bhajendra N.
Characterization of feeds, intermediates, and products from heavy oil processes by high-temperature simulated distillation and thin-layer chromatography with flame ionization detection
Energy & Fuels Vol. 19, 2005
Bionordic
Beta-caroten (Bionordic, 2000)
http://www.bionordic.dk/indhold/html/vlignstoffer/betacaroten.html
(citeret d. 11/10/08)
Carbon Dioxide Information Analysis Centre
http://cdiac.esd.ornl.gov/trends/emis/tre_glob.html, 2004
(citeret d. 31/10/08)
Chisti, Yusuf
Biodiesel from microalgae
Biotechnology Advances Vol. 25, 2007 pp. 294–306
DMU
Giftige alger og algeopblomstringer
Temarapport nr. 27 fra DMU, 1999
http://www2.dmu.dk/1_viden/2_Publikationer/3_Temarapporter/rapporter/87-7772-476-3.pdf
(citeret d. 11/10/08)
DMU
Hvorfor opstår algeopblomstringer
Danmarks miljøundersøgelser, u.å.
http://www.dmu.dk/foralle/Vand/Giftige+alger+i+havet/Hvorfor+opst%C3%A5r+algeopblomstringer.htm
(citeret d. 11/10/08)
Energy Information and Bureau of Labour Statistics
Monthly annual Brent spot prices, u.å.
Fischer, Franz & Tropsch, Hans
Process for the production of paraffin-hydrocarbons with more than one carbon atom
Patended Feb. 11, 1930, patentnummer: 1,746,464
The Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology
Red lips from algae, 2000
http://www.igb.fraunhofer.de/WWW/Presse/Jahr/2000/en/PI_Algae.en.html
(citeret d. 31/10/08)
Grundwald, Michael
The clean energy scam
Time, 2008
http://www.time.com/time/printout/0,8816,1725975,00.html
(citeret d. 15/9/08)
Hänselt, Nikolaj
Klimaændringer vil føre til øget opblomstring af alger
Ingenøren, 2006
http://ing.dk/artikel/72582
(citeret d. 11/10/08)
GeoHive
Current world population, u.å.
http://www.geohive.com/earth/population1.aspx
(citeret d. 31/10/08)
Gressel, Jonathan
Transgenics are imperative for biofuel crops
Plant Science Vol. 174, 2008 pp. 246–263
International Energy Agency
Energy Policies of IEA Countries, 2003
http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2000/compendium_2003.pdf
(citeret d. 31/10/08)
Ke-Jian, Liao og Guo-Min, Liu
Esmaoc as pour point depressant for crude oil and heavy oil products
Petroleum science and technology Vol. 15, 1997 pp. 373-379
Mann J. E. og Myers J.
On pigments, growth and photosynthesis of Phaeodactylum tricornutum.
J Phycol Vol. 4, 1968 pp. 349–55
Molina Grima E, Fernández J, Acién Fernández FG og Chisti Y.
Tubular photobioreactor design for algal cultures.
Journal of Biotechnology Vol. 92, Issue 2, 2001, pp. 113-131
National Geographic
World Oil, 2004http://ngm.nationalgeographic.com/2004/06/world-oil/roberts-text
(citeret d. 31/10/08)
Pulz O.
Photobioreactors: production systems for phototrophic microorganisms.
Applied Microbiology and Biotechnology Vol. 57, Nr. 3, 2001
Sánchez Mirón A., Contreras Gómez A., García Camacho F., Molina Grima E. og Chisti Y.
Comparative evaluation of compact photobioreactors for large-scale monoculture of microalgae.
Journal of Biotechnology Vol. 70, 1999, Issues 1-3, pp. 249-270
Scmedes, Anne
Om fedtstoffets opbygning
http://www.netdoktor.dk/madogkrop/artikler/fedtopbygning.htm
Sidst opdateret: 26. 01. 2000
(citeret d. 11/10/08)
Spolaore P, Joannis-Cassan C, Duran E og Isambert A.
Commercial applications of microalgae
Journal of Bioscience and Bioengineering Vol. 101, Issue 2, 2006, pp. 87-96
UN Chronicle
Globeglance, Energy: 2000
Volume 37, nummer 2, 2000
US Department of Energy
http://www.eia.doe.gov/emeu/international/contents.html
(citeret d. 31/10/08)
Ven, Marco van de
Algaelink develops new extraction method
Algaelink, 2008
http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/story?id=51772
(citeret d. 11/10/08)
Yang, Y.F., Feng, C. P., Inamori, Y. og Maekawa, T
Analysis of energy conversion characteristics in liquefaction of algae
Resources, Conservation and Recycling Vol. 43, 2004, pp. 21–33
Yun Y. S., Lee S. B., Park J. M., Lee C. I. og Yang J. W.
Carbon dioxide fixation by algal cultivation using wastewater nutrients
Journal of Chemical Technology & Biotechnology Vol. 69, 1997, pp. 451–455
Xiufeng Li, Han Xu, Qingyu Wu
Large-Scale Biodiesel Production From Microalga Chlorella protothecoides Through Heterotrophic Cultivation in Bioreactors
Biotechnology and Bioengineering, Vol. 98, No. 4, 2007, pp. 764-771
Opslag
