Передовые исследования биотоплива и водорослей: развитие технических возможности для производства 10000 баррелей в день к 2025 году

ExxonMobil продолжает финансировать и проводить собственные исследования по перспективным видам 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

Статья

В ЭТОЙ СТАТЬЕ

Передовые исследования биотоплива и водорослей: развитие технических возможности для производства 10000 баррелей в день к 2025 году

В 2012 году исследователи из MIT, ExxonMobil и SGI опубликовали отчет по оценке биотоплива из водорослей в рецензированном журнале «Экологическая наука и технология» (Environmental Science and Technology). В отчете сделан вывод о том, 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 выбросов парниковых газов сравнительно с топливом из нефти.

По этим причинам ExxonMobil проводит исследования биотоплива второго поколения, 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.

Портфолио исследований биотоплива

Мы финансируем большой портфель программ исследования биотоплива, включая наши текущие инициативы по исследованию водорослей, а также программы получения биотоплива нового поколения из альтернативного непищевого исходного сырья, например, целлюлозной биомассы. Мы считаем, что наша работа с водорослями имеет многообещающие перспективы для развития инновационных форм биотоплива, поэтому ExxonMobil выделяет сотни миллионов долларов на такие исследования. Мы сотрудничаем с ведущими представителями академической науки и сформировали наш портфель для созданий технологии, которая, по нашему мнению, будет необходима для производства передового биотоплива с экологическими преимуществами.

Наши исследовательские проекты по созданию биотоплива нового поколения включают совместные исследования перспективного биотоплива на основе водорослей, с компанией 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 (Renewable Energy Group, REG), Университетом штата Айова, Северо-западным университетом и Университетом штата Висконсин.

Водоросли и производство биотоплива

Преимущества использования водорослей

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

  • В отличие 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 истощать ресурсы пресной воды, как в случае с производством этанола.
  • 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 его обработки и транспортировки.
  • Водоросли могут вырабатывать больше биотоплива в пересчете на единицу площади, чем растениеводческое биотопливо: в настоящее время около 1500 галлонов топлива на акр в год. Это почти в пять раз больше топлива на акр, чем при использовании 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 ExxonMobil и SGI проводят базовую программу исследования для разработки передового биотоплива из водорослей. Совместные усилия направлены на достижение технической способности производить 10 000 баррелей водорослей биотоплива в день к 2025 году. Наша цель заключается как в разработке передового биотоплива из водорослей, так и в обеспечении доступности этих революционных технологий для потребителей. Программа включает в себя в том числе и весь объем полученных нами данных, она представляет собой весь тот прогресс, которого мы достигли с самого начала сотрудничества с SGI в 2009 году.

Используя передовые технологии клеточной инженерии в Synthetic Genomics, совместная исследовательская группа ExxonMobil и Synthetic Genomics совсем недавно модифицировала водоросли, чтобы повысить содержание нефти с 20% до 40%и более. 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 уверенность в том, что водоросли могут быть невероятно эффективным ресурсом в качестве возобновляемого источника энергии с том числе с позиции позитивного воздействия на окружающую среду», – сказал Виджей Свароп, вице-президент по исследованиям и разработкам ExxonMobil Research and Engineering Company. «Наша работа с Synthetic Genomics по-прежнему является важной частью более широкого исследования технологий уменьшения объема выбросов ради снижения риска изменения климата»

Водоросли – это потенциально устойчивый тип топлива. Однако на протяжении последнего десятилетия исследователям был затруднен поиск быстрорастущего вида водорослей с высоким содержанием нефти – две важные характеристики для масштабируемого и экономически эффективного производства нефти. Медленный рост был тем препятствием, с которым мы боролись последнее время, пытаясь увеличить объем производства получаемой из водорослей нефти. 

Основной целью сотрудничества ExxonMobil 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 направления исследований в области технологий с низким уровнем выбросов, нацеленных на снижение риска изменения климата.
Доктор Виджай Сварап

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

Способность поддерживать рост, увеличивая при этом содержание масел является важным шагом вперед. Водоросли имеют и другие преимущества по сравнению с традиционным биотопливом, потому что они могут расти в соленой воде и процветать в суровых экологических условиях, таким образом снижая нагрузку на производство продовольствия 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 ExxonMobil 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. По мнению Доктора Сварапа, несмотря на неоспоримые перспективы, данная инновация технология все еще находится на пути коммерциализации.

Полезные сведения

Партнерство с университетами в исследованиях в области биотоплива

Горный институт штата Колорадо. Биотопливо из водорослей

ExxonMobil и Горный Инититут штата Колорадо приступили к совместным научным исследованиям под руководством доцента геохимии Мэттью Позевица, занимающегося исследованиями водорослей вот уже более 13 лет. Главные направления исследований – получение фундаментального новых данных о процессах фотосинтеза и связывания углерода в водорослях, что поможет точнее сформулировать научно-технические задачи производства биотоплива из водорослей.

Штат Мичиган. Биотопливо из водорослей

ExxonMobil 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.

Университет Висконсина. Улучшенная биомасса

Компания ExxonMobil совместно с Университетом штата Висконсин ведет совместную исследовательскую программу по процессам улучшения свойств биомассы. Программой руководит профессор Джордж Хубер, ведущий исследователь и новатор в области преобразования биомассы. Программа ориентирована на преобразование исходных продуктов разложения 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 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.

Узнайте больше о университетских партнерских программах ExxonMobil

Цели исследований

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 относительно небольшое количество доступной световой энергии?
  • Какие средства могут быть использованы для повышения эффективности использования водорослями света и улучшения их характеристик?
  • 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» (не преобразованного) солнечного света сильно меняется в зависимости от вида водоросли и условий роста, но может доходить до 80 % и более. Фундаментальные исследования ExxonMobil и SGI направлены на снижение потерь от неиспользованного солнечного света и увеличение продуктивности биомассы за счет интенсификации фотосинтеза отдельных клеток водорослей. Для достижения этой цели группа SGI работает над созданием клеток водорослей, которые поглощали бы только 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 SGI разрабатывать биологические инструменты, создавать возможности и накапливать опыт, необходимый для решения таких технических проблем.

Проблемы масштаба

Словами доктора Сварапа, «мы знаем, что некоторые виды водорослей производят бионефть. Задача состоит в том, чтобы найти и разобраться в тех видах, которые могут производить бионефть в промышленном масштабе и с минимальными затратами

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 ExxonMobil 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.

Дальнейшие перспективы

ExxonMobil занимается широким спектром исследований по усовершенствованному биотопливу, сотрудничает с университетами, правительственными лабораториями и другими компаниями. Ожидается, что мировой спрос на энергию в транспортной сфере возрастет примерно на 25% к 2040 году, и сокращение выбросов в этом секторе сыграет решающую роль в снижении выбросов парниковых газов в глобальном масштабе.

ExxonMobil также активно исследует и другие технологии снижения выбросов, включая улавливание и поглощение углерода. Так, в 2016 году компания ExxonMobil объявила о сотрудничестве с компанией FuelCell Energy, Inc., базирующейся в штате Коннектикут, с целью стимуляции использования углеродных топливных элементов улавливания выбросов углерода от электростанций при производстве водорода и дополнительной электроэнергии с большей экономической эффективностью. С 2000 года компания ExxonMobil потратила около 8 миллиардов долларов на разработку и комплексное масштабирование инновационных решений с низким уровнем выбросов в своей операционной деятельности.

Для разработки экономически выгодного, легко масштабируемого современного биотоплива требуется много времени, кроме того, необходимы и значительные финансировые затраты и экспертные ресурсы. Кроме того, потенциальный успех не всегда гарантирован, к тому же он напрямую зависит от темпов технологических инноваций. Для достижения такого масштаба, который мог бы принести значительную пользу рынку транспортного топлива, может потребоваться несколько десятилетий или даже больше.

Мы продолжаем искать наиболее эффективные пути в области изучения биологии водорослей как части нашего более широкого направления исследований в области биотоплива.

Фото — Технический специалист по изучению водорослей ExxonMobil, Меган Рухмель, работает с компанией Synthetic Genomics, Inc. 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 Renewable Energy Group

Компания ExxonMobil 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 ExxonMobil и REG Life Sciences будут сосредоточены на использовании сахара из непродовольственных источников. 

REG обладает большим опытом в области разработки инновационных технологий по синтезу биотоплива нового поколения из низкоуглеродного сырья, отходов. В рамках исследования компании совместно будут решать проблему ферментации реальных возобновляемых целлюлозных сахаров, которые содержат различные типы сахара, включая глюкозу и ксилозу, а также изучать примеси, которые могут препятствовать ферментации. 

Наша первая задача – в ходе первоначального исследования определить техническую осуществимость и потенциальные экологические преимущества. Если результаты положительные, мы можем сделать следующий шаг и исследовать потенциал для расширения нашего проекта и масштабирования полученных результатов.

Другие материалы по теме

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 ExxonMobil, 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 ExxonMobil уловила больше CO2, чем какая-либо другая компания, что составляет более 40% 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