Передовые исследования биотоплива и водорослей: Нацеленность на технические возможности производства 10000 баррелей в день к 2025 году

ЭксонМобил продолжает финансировать и проводить исследования по усовершенствованным видам биотоплива. Эта работа является частью наших многочисленных инвестиций в новые технологии с преобразующим потенциалом для увеличения поставок энергии, сокращения выбросов и повышения эксплуатационной эффективности.

Статья

В ЭТОЙ СТАТЬЕ

Передовые исследования биотоплива и водорослей: Нацеленность на технические возможности производства 10000 баррелей в день к 2025 году

В 2012 году исследователи ИЗ MIT, ЭксонМобил и SGI опубликовали оценку альгалового биотоплива в рецензированных журнале «Экологическая наука и технология», в котором сделан вывод о том, что если удастся преодолеть ключевые препятствия в области исследований, то выбросы парниковых газов с биотопливом будут примерно на 50% ниже, чем выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла производимого из нефти топлива. В отличие от этого, в научном исследовательском сообществе ведутся жесткие дебаты по поводу углеродного следа биотоплива первого поколения, который EPA определяет как те, которые вырабатывается пищевыми культурами (например, кукуруза). Многие рецензирующие материалы в научной литературе свидетельствуют о том, что выбросы парниковых газов в прямом жизненном цикле ниже, чем выбросы ископаемых видов топлива, но что косвенные последствия разработки биотоплива первого поколения, включая изменения в лесном и сельскохозяйственном землепользовании, могут привести к более высоким совокупным выбросам ПГ, чем топливо, производное от нефти.

По этим причинам, ЭксонМобил проводит исследования биотоплива второго поколения, чтобы определить, как оно лучше всего вписывается в наше энергетическое будущее. Биотопливо второго поколения определяется как биотопливо, получаемое из несъедобных культур, остатков культур или биологически генерируемого газа, и поэтому не изымается из общего количества пищи или пресной воды. Например, водоросли, кукурузные стебли, трава или метан, выбрасываемый в результате деятельности микроорганизмов на свалках.

Портфолио исследований биотоплива

Мы финансируем большой портфель программ исследования биотоплива, включая наши текущие инициативы по водорослям, а также программы по преобразованию альтернативных, непродовольственных запасов биомассы, т.н. целлюлозной биомассы, в современное биотопливо. Мы верим, что наша работа с водорослями предлагает некоторые из самых больших обещаний для биотоплива следующего поколения, поэтому ЭксонМобил выделил сотни миллионов долларов на исследования водорослей. Мы сотрудничаем с ведущими исследователями и разработали наш портфель для созданий технологии, которая, по нашему мнению, будет необходима для производства передового биотоплива с экологическими преимуществами.

Наш расширенный портфель исследования биотоплива включает совместные исследования, сфокусированные на биотопливе на основе водорослей, с Synthetic Genomics, Inc. (SGI), Colorado School of Mines и штата Мичиган. Мы также изучаем различные процессы преобразования биомассы, которые могут использоваться с непищевыми сырьевыми запасами, такими как целая целлюлозная биомасса, запасы водорослей и сахара из целлюлозы. В настоящее время эти программы осуществляются совместно с Группой по возобновляемым источникам энергии (REG) и Висконсинским университетом.

Водоросли для производства биотоплива

Преимущества использования водорослей

Водоросли являются значительным улучшением по сравнению с альтернативными источниками биотоплива по нескольким причинам:

  • В отличие от производства этанола и биодизельного топлива, производство водорослей не конкурирует с источниками пищи, превращая водоросли в муку.
  • Поскольку водоросли могут быть произведены в соленой воде, включая морскую воду, их производство не будет нагружать ресурсы пресной воды так, как это делает этанол.
  • Водоросли потребляют CO2 и на протяжении жизненного цикла имеют гораздо более низкий уровень выбросов, чем кукурузный этанол, учитывая энергию, используемую для производства удобрений, очистки этанола, а также для ферм и транспортировки последнего.
  • Водоросли могут вырабатывать больше биотоплива на акр, чем растениеводческое биотопливо – в настоящее время около 1500 галлонов топлива на акр в год. Это почти в пять раз больше топлива на акр, чем от сахарного тростника или кукурузы.

Мы также знаем, что водоросли могут использоваться для производства биотоплива, аналогичного составу современного транспортного топлива.

Как растут водоросли

Водоросли могут обеспечить разнообразный и желанный непродовольственный источник важных возобновляемых молекул, которые могут быть использованы для производства биотоплива второго поколения. Некоторые виды водорослей можно оптимизировать для производства биодизельных прекурсоров. Другие штаммы водорослей могут быть оптимизированы как источник ферментированных сахаров, с составами, похожими на те, которые получены из зерен кукурузы, которые используются для производства биотоплива первого поколения, например этанола.

Основные исследования биологии водорослей с Synthetic Genomics

Сегодня ЭксонМобил и SGI проводят базовую программу исследования для разработки передового биотоплива из водорослей. Эти совместные усилия направлены на достижение технической способности производить 10 000 баррелей водорослей биотоплива в день к 2025 году. Наша цель заключается в разработке передовых вариантов биотоплива из водорослей и определении наилучших путей того, чтобы эти революционные технологии были доступны потребителям. Программа основана на многочисленных полученных нами данных и прогрессе, достигнутом с момента объявления о начале сотрудничества с SGI в 2009 году.

Используя передовые технологии клеточной инженерии в Synthetic Genomics, исследовательская группа ЭксонМобил-Synthetic Genomics совсем недавно модифицировала водоросли, чтобы повысить содержание нефти с 20% до более чем 40%. Просмотрите результаты исследования в журнале Nature Biotechnology.

Исследователи из лаборатории Synthetic Genomics в Ла-Холла обнаружили новый процесс увеличения добычи нефти путем определения генетического переключателя, который можно было бы точно настроить для регулирования преобразования углерода в нефть в водорослях Nannochloropsis gaditana. Команда установила концептуальный подход, который привел к тому, что водоросли удваивали свою липидную долю клеточного углерода по сравнению с родителем – при этом поддерживая рост.

Фото — ученые из Synthetic Genomics используют передовые технологии клеточной инженерии

«Эта ключевая веха в нашей передовой программе по биотопливу подтверждает нашу веру в то, что водоросли могут быть невероятно продуктивными как возобновляемые источники энергии с соответствующим положительным вкладом в нашу окружающую среду», – сказал Виджей Свароп, вице-президент по исследованиям и разработкам ЭксонМобил Research and Engineering Company. «Наша работа с Synthetic Genomics по-прежнему является важной частью более широкого исследования технологий снижения выбросов для снижения риска изменения климата.»

Водоросли считаются потенциальным устойчивым вариантом топлива, но на протяжении последнего десятилетия исследователям был затруднен поиск быстрорастущего вида с высоким содержанием нефти – две важные характеристики для масштабируемого и экономически эффективного производства нефти. Более медленный рост был неблагоприятным эффектом предыдущих попыток увеличить объем производства водорослей нефти. 

Основной целью сотрудничества ЭксонМобил и Synthetic Genomics было увеличение содержания липидов в водорослях, одновременно уменьшая содержание крахмала и белковых компонентов, не препятствуя росту водорослей. Ограничение доступности питательных веществ, таких как азот, является одним из способов увеличения добычи нефти в водорослях, но оно также может резко ограничить или даже остановить фотосинтез, замедляя рост водорослей и, в конечном счете, объем произведенной нефти.

Наша работа с Synthetic Genomics по-прежнему является важной частью нашего более широкого исследования технологий снижения выбросов для снижения риска изменения климата.
Доктор Виджай Сварап

Вице-президент по исследованиям и разработкам компании ЭксонМобил Research and Engineering Company

Способность поддерживать рост при увеличении содержания нефти является важным шагом вперед. Водоросли имеют другие преимущества по сравнению с традиционным биотопливом, потому что они могут расти в соленой воде и процветать в суровых экологических условиях, таким образом ограничивая нагрузку на продовольствие и снабжение пресной водой.

Нефть из водорослей также потенциально может быть переработана на обычных нефтеперерабатывающих заводах, производя топливо, не отличающиеся от удобного, энергоемкого дизельного топлива. Нефть, получаемая из водорослей, также обещает стать потенциальным сырьем для химической промышленности.

С 2009 года ЭксонМобил и Synthetic Genomics являются партнерами в исследовании и разработке нефти из водорослей, которая будет использоваться в качестве возобновляемой альтернативы традиционным транспортным видам топлива с более низким уровнем выбросов. Доктор Сварап сказал, что хотя прорыв это важный шаг, технология все еще в нескольких годах от достижения коммерческого рынка.

Полезные сведения

Партнерство с университетами в исследованиях в области биотоплива

Colorado School of Mines / Биотопливо из водорослей

ЭксонМобил и Colorado School of Mines создали совместное научно-исследовательское партнерство – во главе с профессором химии и геохимии шахт Мэттью Пасевицимом, который работает в области водорослей в течение 13 лет, сосредоточилось на разработке фундаментальных новых идей в фотосинтетических процессах и фиксации углерода в водорослях. Эти новые идеи обеспечат лучшее понимание научных и технических проблем, связанных с производством биотоплива из водорослей.

Штат Мичиган / Биотопливо из водорослей

ЭксонМобил сотрудничает в исследованиях биотоплива из водорослей с штатом Мичиган, который сфокусирован на продвижении фундаментальной науки фотосинтеза водорослей. Профессор Дэвид Крамер, профессор МШУ Джон Ханна, занимающие ведущие позиции в области фотосинтеза и биоэнергетики. Общая цель партнерства заключается в повышении эффективности фотосинтеза в водорослях для увеличения производства биотоплива.

Университет Висконсина / Улучшенная биомасса

Компания ЭксонМобил совместно с Висконсинским университетом создала совместную исследовательскую программу по процессам модернизации биомассы. Программа осуществляется под руководством профессора Джорджа Хубера, ведущего исследователя и новатора в области преобразования биомассы. В рамках программы основное внимание уделяется преобразованию первоначальных продуктов распада биомассы в более ценные конечные продукты. Например, сахара или их соединения могут быть произведены из биомассы посредством первичных процессов разложения, таких как быстрый пиролиз или обработка кислотой и ферментами. В рамках этой программы совместно с Висконсином осуществляется оценка каталитических реакций на преобразование этих сахаров в углеводородное топливо, например, бензин и дизельное топливо.

Узнайте больше о университетских партнерских программах ЭксонМобил

Цели исследований

Перед нами стоят некоторые значительные технические препятствия, прежде чем производство биотоплива из водорослей станет возможным в значительном коммерческом масштабе. Для решения этих проблем мы работаем над ответами на некоторые основные вопросы, такие как:

  • Почему водоросли используют относительно небольшое количество доступной световой энергии?
  • Какие инструменты можно использовать для повышения эффективности фотосинтеза водорослей и улучшения производственных характеристик?
  • Как развить организм, который будет производить значительно больше бионефти?

Главная проблема заключается в том, что водоросли естественным образом собирают значительно больше света, чем они могут эффективно преобразовать в биотопливо. Только некоторое количество света попадает на поверхность воды, и наша цель заключается в том, чтобы водоросли использовали этот свет максимально эффективно. Количество потерянного солнечного света сильно варьируется в зависимости от вида водорослей и условий роста, но может доходить 80 процентов или более. ЭксонМобил и SGI проводят фундаментальные исследования, чтобы уменьшить количество потерянного солнечного света и повысить производительность биомассы за счет улучшения фотосинтезионной эффективности отдельных клеток водорослей. Для достижения этой цели группа SGI работает над созданием клеток водорослей, которые поглощают только то количество света, которое они могут эффективно использовать.

Исследование и разработки биотоплива из водорослей является долгосрочной задачей. Мы многое узнали с тех пор, как ЭксонМобил и SGI начали совместную работу, и мы продолжаем создавать биологические инструменты, возможности и знания, которые необходимы для преодоления технических препятствий.

Проблемы масштаба

По словам Сварапа, «Мы знаем, что некоторые виды водорослей производят бионефть. Задача состоит в том, чтобы найти и развить водоросли, которые могут производить бионефть в масштабе с минимальными затратами.»

Потребуется значительное количество водорослей для производства достаточного количества топлива, чтобы удовлетворить даже небольшую часть спроса на топливо для автомобильных перевозок в США. Население и экономика будут продолжать расти вместе со спросом на энергию и выбросами CO2. Компания ЭксонМобил признает, что для повышения эффективности, расширения поставок и снижения выбросов потребуется набор решений. Технологические прорывы будут критически важны, и биотопливо на основе водорослей может внести свой вклад в этот набор решений.

Конечной целью является переработка бионефти из водорослей на наших нефтеперерабатывающих заводах в дополнение к поставкам обычного бензина, дизельного топлива, авиационного топлива и морского топлива

Что будет дальше с передовыми исследованиями биотоплива?

ЭксонМобил занимается широким спектром исследований по усовершенствованному биотопливу, сотрудничает с университетами, правительственными лабораториями и другими компаниями. Ожидается, что мировой спрос на энергию для транспортировки возрастет примерно на 25 процентов к 2040 году, и ускорение сокращения выбросов в транспортном секторе сыграет решающую роль в сокращении глобальных выбросов парниковых газов.

ЭксонМобил также активно изучает другие технологии снижения выбросов, включая улавливание и поглощение углерода. В 2016 году компания ЭксонМобил объявила о сотрудничестве с компанией FuelCell Energy, Inc., базирующейся в Коннектикуте, с целью содействия использованию углеродных топливных элементов для экономически эффективного улавливания выбросов углерода от электростанций при производстве водорода и дополнительной электроэнергии. С 2000 года компания ЭксонМобил потратила около 8 миллиардов долларов на разработку и развертывание энергетических решений с низким уровнем выбросов во всех своих операциях.

Для достижения этой цели требуется значительное количество времени, деньги и научные знания, с тем чтобы решить важные проблемы, связанные с разработкой экономического, крупномасштабного современного биотоплива. Кроме того, прогнозирование успеха затруднительно и напрямую зависит от темпов технологических инноваций. Для достижения такого масштаба, который мог бы принести значительную пользу сектору транспортного топлива, может потребоваться несколько десятилетий или больше.

Мы продолжаем оценивать наши лучшие варианты для продолжения исследований биологии водорослей как часть нашего более широкого портфеля исследований и разработок биотоплива за пределами водорослей.

Фото — Технический специалист по изучению водорослей ЭксонМобил, Меган Рухмель, работает с компанией Synthetic Genomics, Inc. (SGI) над созданием идеального типа масла, соответствующего водорослям, который может быть преобразован в биотопливо, готовое к использованию двигателем – для производства этого потребуются десятилетия.

Исследование целлюлозы с REG

Компания ЭксонМобил подписала соглашение с Renewable Energy Group (REG) об изучении производства биодизельного топлива путем ферментации возобновляемых целлюлозных сахаров из таких источников, как сельскохозяйственные отходы. REG разработала запатентованную технологию, которая использует микробы для преобразования сахара в биодизельное топливо в процессе одноэтапной ферментации, аналогичном производству этанола. Исследования ЭксонМобил и REG Life Sciences будут сосредоточены на использовании сахара из непродовольственных источников. 

REG имеет долгую историю инноваций в производстве передового биотоплива из низкоуглеродного сырья, отходов. В рамках исследования две компании будут решать проблему ферментации реальных возобновляемых целлюлозных сахаров, которые содержат различные типы сахара, включая глюкозу и ксилозу, а также примеси, которые могут препятствовать ферментации. 

Наша первая задача – определить техническую осуществимость и потенциальные экологические выгоды в ходе первоначального исследования. Если результаты положительные, мы можем сделать следующий шаг и исследовать потенциал для расширения наших усилий и масштабирования.

Сопутствующий контент

Усовершенствованное биотопливо

Мы работаем вместе с учеными в университетах, правительственных лабораториях и компаниях, чтобы добиться прогресса в науке, необходимой для производства современного биотоплива с экологическими преимуществами.

Исследования и инновации Раздел

Более чистая электроэнергия: снижение выбросов с помощью улавливания и хранения углерода

В течение более 30 лет инженеры и научные сотрудники компании ExxonMobil изучают, разрабатывают и применяют технологии, которые могут быть полезными в широком распространении улавливания и хранения углерода.

Улавливание углерода Статья

Улавливание и хранение углерода

Компания ЭксонМобил, которая обладает примерно одной пятой долей участия от общего мирового объема улавливания углерода, является лидером в одной из важнейших технологий нового поколения с низким уровнем выбросов парниковых газов и улавливает около 7 миллионов тонн углерода в год . С 1970 года компания ЭксонМобил уловила больше CO2, чем какая-либо другая компания, что составляет более 40 процентов от общего объема уловленного CO2.

Исследования и инновации Раздел

Усовершенствованная технология карбонатных топливных элементов для улавливания и хранения углерода

Продвижение экономичных и устойчивых технологий улавливания углекислого газа от крупных источников энергии, таких как электростанции, является важной частью исследования ЭксонМобил по поводу решений по снижению выбросов для снижения риска изменения климата.

Улавливание углерода Статья

Инновационные решения в отрасли энергетики: Основные направления исследований и разработок

Исследования и разработки являются неотъемлемой частью компании ExxonMobil с момента ее основания более 135 лет назад. Наши инновации помогли предоставить энергию, необходимую для современной жизни, —  от чистого, эффективного топлива, на котором работает современный транспорт, до природного газа, обеспечивающего свет и тепло в домах и на предприятиях.

В нынешнее время наш мир сталкивается с двойной проблемой: удовлетворение растущего спроса на энергию и одновременное снижение воздействия на окружающую среду, включая риски изменения климата. ExxonMobil внесит свой ценный вклад в решение этих проблем.

Исследования и инновации Статья