Перейти к основному содержанию
Поиск

Научные исследования и разработки в области биотоплива нового поколения

Компания "ЭксонМобил" продолжает финансировать исследовательские проекты и проводить собственные исследования перспективных видов биотоплива. Эти проекты входят в обширный портфель инвестиционных проектов компании, направленных на развитие новых технологий, способных обеспечить рост предложения энергоносителей, сокращение атмосферных выбросов и повышение эффективности эксплуатации промысловых объектов. 

Мы финансируем широкий спектр программ по исследованию биотоплива, включая собственные постоянные исследования водорослей, а также программы получения  биотоплива нового поколения из альтернативного непищевого исходного сырья, т. е. целлюлозной биомассы.  Мы считаем, что процессы оптимизации состава биомассы и переработки ее в топливо все еще нуждается в радикальном усовершенствовании технологии и фундаментальных научных открытиях. В частности, научные открытия необходимы для того, чтобы обеспечить экономическую и природоохранную целесообразность перспективных видов биотоплива - снижениe выбросов парниковых газов в течение всего срока их производства и применения. Очевидно, что первым шагом в такого рода исследованиях является четкая постановка задачи и разбивка ее на более мелкие вопросы, решаемые в ходе научных исследований.

Стремясь создать биотопливо нового поколения, ученые и инженеры в университетах, государственных лабораториях и производственных компаниях исследуют самые разнообразные виды сырья и соответствующие процессы.  Мы сотрудничаем с некоторыми ведущими исследователями в этой области и сформировали собственный портфель исследовательских проектов в целях развития науки, которая с нашей точки зрения будет необходима для создания  биотоплива нового поколения, обеспечивающего природоохранные  преимущества.

Наши исследовательские проекты по созданию биотоплива нового поколения включают совместные исследования перспективного биотоплива на основе водорослей, с  компанией Синтетик Дженомикс Инкорпотэйтед" (Synthetic Genomics Inc.), Институтом природных ресурсов штата Колорадо и штатом Мичиган. Мы также изучаем различные процессы преобразования биомассы для таких видов непищевого исходного сырья, как цельно-целлюлозная биомасса, водоросли и низкомолекулярные углеводы из целлюлозы. Эти программы в настоящее время осуществляются совместно с Группой возобновляемой энергии (REG), Университетом штата Айова, Северо-западным университетом и Университетом штата Висконсин.

Водоросли

Преимущества водорослей

Существует множество преимуществ использования водорослей для производства биотоплива. Водоросли можно выращивать на землях, непригодных для других целей, с помощью воды, непригодной для производства продуктов питания. Помимо таких преимуществ, как использование непахотной земли и отсутствие необходимости в пресной воде, морские водоросли могут дать больше биотоплива на акр, чем другие источники. Кроме того, мы знаем, что из водорослей можно получать биотопливо, схожее по составу с современными видами транспортного топлива.

Кроме того, выращивание водорослей может обеспечить природоохранные преимущества. Водоросли потребляют СО2 и могут способствовать снижению выбросов парниковых газов сравнительно  с традиционными видами топлива. В 2012 г. исследователи из Массачусетского технологического института (MIT), компаний «ЭксонМобил» и «Синтетик Дженомикс Инкорпотэйтед» опубликовали оценку биотоплива из водорослей в рецензируемом журнале «Экологическая наука и технологии»(Environmental Science and Technology ) с заключением, что в случае решения основных исследовательских задач биотопливо на базе водорослей даст примерно на 50 % меньше выбросов парниковых газов в течение всего срока его производства и применения, чем топливо нефтяного происхождения.

В то же время в академических кругах ведутся горячие споры по вопросу углеродного следа биотоплива первого поколения, который Агентство охраны окружающей среды определяет как биотопливо, полученное из употребляемых в пищу культур (например, кукурузы).  Многие рецензируемые статьи в научной литературе свидетельствуют, что прямые выбросы парниковых газов в течение всего срока производства и применения такого топлива ниже, чем у ископаемого топлива. Однако косвенные последствия применения биотоплива первого поколения, включая изменения в сфере лесного и сельскохозяйственного землепользования, могут в итоге привести к увеличению выбросам парниковых газов сравнительно с нефтяными видами топлива.

В связи с этим компания «ЭксонМобил» ведет исследования биотоплива второго поколения с тем, чтобы определить его потенциальную роль в будущем нашей энергетики. Биотопливо второго поколения определяется как биотопливо, получаемое из непищевых культур, несжатых остатков на полях, или биологически вырабатываемого газа и, следовательно, оно не уменьшает общих пищевых ресурсов. К источникам такого биотоплива относятся водоросли, кукуруза грубого помола, просо или метан из продуктов жизнедеятельности микробов на свалках.

Как растут водоросли

Водоросли могут представлять собой разносторонний и очень полезный непищевой источник возобновляемых молекул, важных для производства биотоплива второго поколения. Некоторые штаммы водорослей могут быть оптимизированы для производства предшественников биодизельного топлива. Другие штаммы водорослей могут быть оптимизированы для получения сбраживаемых сахаров, с составами, похожими на полученные из кукурузных зерен для производства такого биотоплива первого поколения, как этанол.

Фундаментальные исследования биологии водорослей совместно с компанией «Синтетик Дженомикс Инкорпотэйтед» (SGI)

В настоящее время компании «ЭксонМобил» и «Синтетик Дженомикс Инкорпотэйтед» осуществляют программу фундаментальных исследований по разработке биотоплива нового поколения из водорослей. Наша цель состоит в получении видов биотоплива нового поколения из водорослей и определении оптимальных путей доведения этой передовой технологий до потребителя. Эта программа построена на базе множества научных выводов и достижений, полученных с 2009 года, когда мы приступили к совместной работе с компанией «Синтетик Дженомикс Инкорпотэйтед».

Для того, чтобы производство биотоплива из водорослей могло выйти на промышленный уровень, нам необходимо решить ряд существенных технических проблем, в связи с чем мы ищем ответы на некоторые основные вопросы, например:

  • Почему водоросли используют сравнительно небольшое количество доступной световой энергии?
  • Какие средства могут быть использованы для повышения эффективности использования водорослями света и улучшения их продуктивных свойств?
  • Как вырастить организм, который будет вырабатывать значительно больше бионефти?

Основная проблема состоит в том, что в естественном процессе водоросли поглощают значительно большее количество света, чем они могут эффективно преобразовать в биотопливо. На поверхность пруда попадает ограниченное количество света, и наша цель состоит в том, чтобы водоросли использовали его как можно эффективнее. Количество потерянного солнечного света сильно меняется в зависимости от вида водоросли и условий роста, но может доходить до 80 % и более. Фундаментальные исследования компаний «ЭксонМобил» и «Синтетик Дженомикс Инкорпотэйтед»  направлены на снижение потерь солнечного света и увеличение продуктивности биомассы за счет интенсификации фотосинтеза отдельных клеток водорослей. Для достижения этой цели группа специалистов компании «Синтетик Дженомикс Инкорпотэйтед»  занимается созданием клеток водорослей, которые поглощали бы лишь то количество света, которое они могут эффективно преобразовать.

Получение биотоплива из водорослей – долгосрочное направление исследований. С начала нашей совместной работы мы многому научились и продолжаем  вместе со специалистами «Синтетик Дженомикс Инкорпотэйтед» разрабатывать биологические инструменты, создавать возможности и накапливать опыт, необходимый для решения таких технических проблем.

Вопрос масштаба

По словам Виджая Сварупа, вице-президента компании «ЭксонМобил» по научным исследованиям и разработкам, «мы знаем, что некоторые виды водорослей производят бионефть. Задача состоит в том, чтобы найти и освоить водоросли, которые могут производить бионефть в промышленных объемах».

Для производства достаточного количества топлива из водорослей для удовлетворения даже малой доли спроса США на транспортное топливо потребуется их очень значительный объем. Население и экономика разных стран будут продолжать расти, и вместе с ними будет расти энергетический спрос и уровни выбросов CO2. В компании «ЭксонМобил» мы понимаем, что задача повышения эффективности, увеличения поставок энергоносителей и снижения атмосферных выбросов требует ряда комплексных решений. Технологические открытия будут играть решающую роль, и биотопливо на базе водорослей может стать одним из таких решений.

Конечная цель состоит в том, чтобы получить из водорослей такую бионефть, которая могла бы служить сырьем для наших НПЗ в качестве дополнительного источника получения обычного бензина, дизельного, авиационного и судового топлива.

Что дальше?

Компания "ЭксонМобил" продолжает финансировать исследовательские проекты и проводить собственные исследования перспективных видов биотоплива. Эти проекты входят в обширный портфель инвестиционных проектов компании, направленных на развитие новых технологий, способных обеспечить рост предложения энергоносителей, сокращение атмосферных выбросов и повышение эффективности эксплуатации промысловых объектов. 

Эта деятельность требует значительных ресурсов времени, крупных финансовых вложений, и научного опыта для решения серьезных задач получения экономичного, широко применимого биотоплива нового поколения. Кроме того, предсказать успех этой работы достаточно сложно -  он прямо зависят от темпов технического прогресса. На то, чтобы вывести биотопливо нового поколения на такой уровень, когда оно могло бы доставить реальные преимущества транспортному сектору, могут уйти десятки лет или больше.

Мы продолжаем оценивать наиболее перспективные варианты для дальнейших исследований биологии водорослей в рамках более широкого портфеля исследовательских проектов других видов биотоплива.


  • Исследования «ЭксонМобил» в области эффективности фотосинтеза дают фундаментальные знания, которые позволяют преодолевать препятствия на пути к увеличению продуктивности биомассы.


  • SGI применяет методы синтетической биологии и изучает другие фундаментальные научные дисциплины для создания высокопродуктивных штаммов водорослей.

Совместное исследование целлюлозы с Группой возобновляемой энергии (REG)

Компания «ЭксонМобил» заключила соглашение с Группой возобновляемой энергии (REG) о разработке технологии производства био-дизельного топлива путем ферментации возобновляемых сахаров из целлюлозы, получаемой из таких источников, как сельскохозяйственные отходы.  Специалисты Группы REG разработали и запатентовали технологию, предусматривающую использование микроорганизмов для преобразования сахаров в биодизельное топливо в одноэтапном процессе ферментации, аналогичном производству этанола. Биологические исследования специалистов «ЭксонМобил» и Группы REG будут направлены на поиск возможностей использовании сахаров из непищевых источников.

У специалистов Группы REG имеется большой опыт производства высокоэффективного биотоплива из отходов с низким содержанием углерода.  Путем исследований обе компании будут решать задачу ферментации существующих возобновляемых сахаров из целлюлозы, содержащих не только несколько видов сахаров, включая глюкозу и ксилозу, но также примеси, которые могут действовать как ингибиторы ферментации.

На первом этапе исследования наша главная задача - определить техническую возможность и потенциальные природоохранные преимущества такого метода. Если результаты окажутся положительными, можно будет сделать следующий шаг и рассмотреть возможности расширения исследования и определить, насколько может быть применим такой метод.

Партнерство с университетами

Колорадское горное училище / биотопливо из водорослей

Компания «ЭксонМобил» и Колорадское горное училище приступили к совместным исследованиям под руководством доцента факультета геохимии Мэтью Позевица, занимающегося исследования водорослей уже 13 лет. Главное направление исследования – получение фундаментального новых данных о процессах фотосинтеза и связывания углерода в водорослях, что поможет точнее сформулировать научно-технические задачи производства биотоплива из водорослей.

Университет штата Мичиган / биотопливо из водорослей

Компания «ЭксонМобил» ведет совместные исследования биотоплива из водорослей с Университетом штата Мичиган, направленные на развитие фундаментальных знаний о фотосинтезе в водорослях. Этот проект возглавляет профессор Дэвид Крамер, заслуженный профессор факультета фотосинтеза и биоэнергетики Университета штата Мичиган им. Джона Ханны. Главной цель сотрудничества - добиться повышения эффективности фотосинтеза водорослей с целью увеличения производства биотоплива.

Северо-западный университет / Быстрый пиролиз биомассы

Программа биотоплива «ЭксонМобил» в Северо-западном университете предусматривает определение технических проблем быстрого пиролиза биомассы и потенциальных путей их решения с помощью современных методов механического моделирования. Этой работой руководит Линда Дж. Броудбелт, профессор института Сарры Ребекки Роланд и руководитель кафедры Биохимической технологии Северо-западного университета. В рамках предыдущих исследований в ее группе была разработана модель пиролиза целлюлозы, одного из ключевых компонентов в производстве целлюлозной биомассы. В настоящее время группа работает над расширением этой модели, распространяя ее на  более сложные компоненты в составе целлюлозной биомассы.

Это исследование поможет точнее описать реакции пиролиза и найти способы подавления нежелательных реакций. Такие фундаментальные знания необходимы для оценки потенциальных возможностей технологии пиролиза.

Университет штата Висконсин / модернизация биомассы

Компания «ЭксонМобил» ведет совместную программу исследований с Университетом штата Висконсин по улучшению свойств биомассы. Программой руководит профессор Джордж Хубер, ведущий исследователь и новатор в области переработки биомассы. Программа ориентирована на преобразование исходных продуктов разложения биомассы в более ценные конечные продукты. Например, сахара или связанные с сахарами соединения могут быть получены из биомассы посредством первичных процессов разложения, таких как быстрый пиролиз или обработка кислотой и ферментами. В рамках этой совместной программы с Университетом штата Висконсин исследователи анализирует каталитические реакции с точки зрения их возможности преобразования таких сахаров в такие виды углеводородного топлива, как бензин и дизельное топливо.