Ενέργεια από άλγη. Μέρος 2: Συστήματα καλλιέργειας
Τα συστήματα καλλιέργειας αλγών διαφέρουν σημαντικά αναλόγως του είδους των αλγών (μικροάλγη και μακροάλγη) που χρησιμοποιούνται. Εξαιτίας του μικρού τους μεγέθους (μm) τα μικροάλγη θα πρέπει να καλλιεργούνται σε συστήματα που έχουν σχεδιαστεί αποκλειστικά για το σκοπό αυτό. Τα συστήματα αυτά εγκαθίστανται στην ξηρά ή ως επιπλέοντα στο νερό. Αντίθετα τα φύκη μπορούν να αναπτυχθούν άμεσα και στην ανοιχτή θάλασσα. Σήμερα, η Κίνα και η Ιαπωνία παραμένουν οι κύριοι παραγωγοί καλλιεργούμενων φυκών. Τα φύκη αυτά χρησιμοποιούνται ως διατροφικό προϊόν (είτε ως απευθείας βρώσιμο προϊόν είτε επεξεργασμένο σε διάφορα τρόφιμα ως σταθεροποιητής ή γαλακτωματοποιητής). Σημειώνεται πως μέρος της καταναλισκόμενης ποσότητας φυκών προέρχεται από τη συλλογή ελεύθερων πληθυσμών. Η πρακτική, όμως, αυτή εκτός της διαταραχής που είναι δυνατόν να προκαλέσει στα υδατικά οικοσυστήματα είναι και ασύμφορη σε μεγάλη κλίμακα.
Σε ότι αφορά τα μικροάλγη, η ανάπτυξη των συστημάτων καλλιέργειάς τους άρχισε μόλις το 1950 στο πλαίσιο ερευνών για την αξιοποίηση των αλγών ως εναλλακτική πηγή πρωτεΐνης, η οποία δύναται να υποστηρίξει διατροφικά τη συνεχή αύξηση του πληθυσμού. Η ενεργειακή κρίση στη δεκαετία του 1970 έδωσε το έναυσμα για την έναρξη της ερευνητικής δραστηριότητας της ενεργειακής αξιοποίησης των αλγών.
Τα συστήματα καλλιέργειας των αλγών θα πρέπει να δύνανται να ελέγχουν πλήρως τις εξής παραμέτρους: ηλιακή ακτινοβολία, θερμοκρασία νερού, οργανικός άνθρακας και θρεπτικά συστατικά νερού. Ο έλεγχος των ανωτέρω παραμέτρων φαίνεται, όμως, να είναι δύσκολος για συστήματα μεγάλης κλίμακας. Διάφορά συστήματα έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια και ανταποκρίνονται στις προαναφερθείσες προϋποθέσεις. Τα συστήματα αυτά μπορεί να ποικίλουν από απλά ανοικτά συστήματα όπου η καλλιέργεια αλγών έρχεται σε άμεση επαφή με το περιβάλλον μέχρι αυστηρώς ελεγχόμενα και ακριβότερα κλειστά συστήματα. Η απαραίτητη τεχνολογία συστημάτων καλλιέργειας αλγών που αφορά στην παραγωγή βιοκαυσίμων βρίσκεται ερευνητικό επίπεδο και αναμένεται να εφαρμοστεί σε βιομηχανική κλίμακα. Βασικό ζητούμενο αυτών των συστημάτων είναι το χαμηλό κόστος καθώς το προϊόν τους θα πρέπει να είναι ανταγωνιστικό των καυσίμων.
Ανοιχτά συστήματα καλλιέργειας αλγών
Τα απλούστερα ανοιχτά συστήματα καλλιέργειας αλγών είναι αβαθείς, μη αναδευόμενες δεξαμενές. Τα μεγέθη αυτών κυμαίνονται από λίγα m2 έως και 250 εκτάρια. Τα άλγη εφοδιάζονται τον απαραίτητο άνθρακα μέσω του CO2. H μεταφορά του τελευταίου από τον ατμοσφαιρικό αέρα στο νερό μέσω φυσικών φαινομένων διάλυσης, περιορίζει την ανάπτυξη των αλγών, καθιστώντας την απόδοση της καλλιέργειας χαμηλή. Άλλα μειονεκτήματα των συστημάτων αυτών είναι η αργή μεταφορά των θρεπτικών συστατικών σε όλη τη μάζα της καλλιέργειας.
Επίσης, σημαντικό μειονέκτημα αποτελεί η επίπλευση των νεκρών αλγών και καθίζηση των ζωντανών αλγών, με αποτέλεσμα τον περιορισμό της διαθέσιμης ηλιακής ακτινοβολίας. Μέρος των προαναφερθέντων προβλημάτων μπορούν να προληφθούν με την εφαρμογή ανάδευσης. Επίσης, διατάξεις εμφύσησης φυσαλίδων αερίου μέσα στη μάζα του υγρού βοηθούν τόσο στην ανάδευσή του όσο και στην παροχή ποσότητας CO2. Το ρόλο του αερίου δύναται να έχει ο ατμοσφαιρικός αέρας, το συμπιεσμένο CO2 αλλά και τα καυσαέρια στα οποία περιέχεται CO2. Στα κύρια μειονεκτήματα αυτών των συστημάτων περιλαμβάνονται η αδυναμία ελέγχου της θερμοκρασίας (εκτός των περιπτώσεων που είναι διαθέσιμη πηγή πλεονάζουσας θερμότητας στο πλαίσιο της ίδιας της μονάδας) και η συχνή εισβολή επιβλαβών αλγών (παρασιτικών, ανεπιθύμητων ανταγωνιστικών αλγών).
Κλειστά συστήματα καλλιέργειας αλγών
Τα μειονεκτήματα των ανοικτών συστημάτων μπορούν να αμβλυνθούν με τα κλειστά συστήματα. Στην πιο απλή μορφή τους, αποτελούνται από σάκους ή επιμήκη περιβλήματα πολυαιθυλενίου στην περίπτωση των συστημάτων διαλείποντος έργου. Τα μεγέθη αυτών ανέρχονται στα 1000 λίτρα, αλλά η ευαισθησία τους στις περιβαλλοντικές συνθήκες και ο μικρός προσδόκιμος χρόνος ζωής καθιστά αυτά τα συστήματα ακατάλληλα για εξωτερική χρήση. Έχουν όμως αναπτυχθεί και περισσότερο εξελιγμένα συστήματα (βιοαντιδραστήρες) που έχουν ως βάση πιο ανθεκτικά και διαφανή υλικά (γυαλί, υλικά πολυκαρβονικών ενώσεων αλλά και πολυαιθυλενίου). Τα συστήματα αυτά παρέχουν συνεχή λειτουργία, υψηλό επίπεδο ελέγχου και αυξημένες αποδόσεις βιομάζας, η οποία οδηγεί σε μικρότερες απαιτήσεις χώρου και σε μικρότερο κόστος συλλογής προϊόντος. Σημαντική παράμετρος αυτών των συστημάτων αποτελεί η διαστασιολόγησή τους. Καθώς συνήθως αυτά τα συστήματα αποτελούνται από σωλήνες διαφανών υλικών οι διαστάσεις αλλά και η διάταξη των τελευταίων καθορίζουν σε σημαντικότατο βαθμό την αποδοτική λειτουργία της καλλιέργειας. Ακριβέστερα, η διαστασιολόγηση και διάταξη των σωλήνων συνδέεται με τα επίπεδα πρόσληψης ακτινοβολίας από τα άλγη, την κατανομή των θρεπτικών συστατικών και του CO2 μέσα στο σύστημα και τη δυναμικότητα αυτού.
Υπεράκτια συστήματα καλλιέργειας αλγών
Σε ότι αφορά την υπεράκτια καλλιέργεια αλγών με σκοπό την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας πρέπει να τονισθεί πως δεν περιλαμβάνεται η συγκομιδή φυσικά αναπτυσσόμενων πληθυσμών. Κυρίως τα συστήματα υπεράκτιας καλλιέργειας αλγών αφορούν φύκη που μπορούν να αναπτυχθούν σε βυθιζόμενα σχοινιά ή παρόμοιες άλλες τεχνητές διατάξεις. Επιπλέον, τα συστήματα αυτά δεν πρέπει να χωροθετούνται σε περιοχές που αξιοποιούνται εντατικά για άλλους σκοπούς (περιοχές ναυσιπλοΐας, περιοχές όπου υπάρχουν λιμένες, περιοχές αναψυχής, κ.λπ.). Τα συστήματα αυτά κάποιες φορές αποτελούνται από κατακόρυφα σχοινιά, τα οποία επιτρέπουν την αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας από τα καλλιεργούμενα φύκη μέχρι το μέγιστο βάθος. Άλλες φορές αποτελούνται σε οριζόντιες διατάξεις όπου ελαχιστοποιείται η ποσότητα του υλικού που απαιτείται ανά μονάδα επιφανείας, ή από υβριδικές διατάξεις που συνδυάζουν οριζόντιες και κάθετες γραμμές.
Ενδεικτική βιβλιογραφία:
FAO (2009): Algae-Based Biofuels: A Review of Challenges and Opportunities for Developing Countries.[http://www.fao.org/fileadmin/templates/aquaticbiofuels/ docs/0905_FAO_Review_Paper_on_Algae-based_Biofuels.pdf]
J. Sheehan et al. (1999): A Look Back at the U.S. Department of Energy’s Aquatic Species Program—Biodiesel from Algae. NREL [http://www.nrel.gov/ docs/legosti/fy98/24190.pdf]
http://www.oilgae.com
Τα συστήματα καλλιέργειας αλγών διαφέρουν σημαντικά αναλόγως του είδους των αλγών (μικροάλγη και μακροάλγη) που χρησιμοποιούνται. Εξαιτίας του μικρού τους μεγέθους (μm) τα μικροάλγη θα πρέπει να καλλιεργούνται σε συστήματα που έχουν σχεδιαστεί αποκλειστικά για το σκοπό αυτό. Τα συστήματα αυτά εγκαθίστανται στην ξηρά ή ως επιπλέοντα στο νερό. Αντίθετα τα φύκη μπορούν να αναπτυχθούν άμεσα και στην ανοιχτή θάλασσα. Σήμερα, η Κίνα και η Ιαπωνία παραμένουν οι κύριοι παραγωγοί καλλιεργούμενων φυκών. Τα φύκη αυτά χρησιμοποιούνται ως διατροφικό προϊόν (είτε ως απευθείας βρώσιμο προϊόν είτε επεξεργασμένο σε διάφορα τρόφιμα ως σταθεροποιητής ή γαλακτωματοποιητής). Σημειώνεται πως μέρος της καταναλισκόμενης ποσότητας φυκών προέρχεται από τη συλλογή ελεύθερων πληθυσμών. Η πρακτική, όμως, αυτή εκτός της διαταραχής που είναι δυνατόν να προκαλέσει στα υδατικά οικοσυστήματα είναι και ασύμφορη σε μεγάλη κλίμακα.
Σε ότι αφορά τα μικροάλγη, η ανάπτυξη των συστημάτων καλλιέργειάς τους άρχισε μόλις το 1950 στο πλαίσιο ερευνών για την αξιοποίηση των αλγών ως εναλλακτική πηγή πρωτεΐνης, η οποία δύναται να υποστηρίξει διατροφικά τη συνεχή αύξηση του πληθυσμού. Η ενεργειακή κρίση στη δεκαετία του 1970 έδωσε το έναυσμα για την έναρξη της ερευνητικής δραστηριότητας της ενεργειακής αξιοποίησης των αλγών.
Τα συστήματα καλλιέργειας των αλγών θα πρέπει να δύνανται να ελέγχουν πλήρως τις εξής παραμέτρους: ηλιακή ακτινοβολία, θερμοκρασία νερού, οργανικός άνθρακας και θρεπτικά συστατικά νερού. Ο έλεγχος των ανωτέρω παραμέτρων φαίνεται, όμως, να είναι δύσκολος για συστήματα μεγάλης κλίμακας. Διάφορά συστήματα έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια και ανταποκρίνονται στις προαναφερθείσες προϋποθέσεις. Τα συστήματα αυτά μπορεί να ποικίλουν από απλά ανοικτά συστήματα όπου η καλλιέργεια αλγών έρχεται σε άμεση επαφή με το περιβάλλον μέχρι αυστηρώς ελεγχόμενα και ακριβότερα κλειστά συστήματα. Η απαραίτητη τεχνολογία συστημάτων καλλιέργειας αλγών που αφορά στην παραγωγή βιοκαυσίμων βρίσκεται ερευνητικό επίπεδο και αναμένεται να εφαρμοστεί σε βιομηχανική κλίμακα. Βασικό ζητούμενο αυτών των συστημάτων είναι το χαμηλό κόστος καθώς το προϊόν τους θα πρέπει να είναι ανταγωνιστικό των καυσίμων.
Ανοιχτά συστήματα καλλιέργειας αλγών
Τα απλούστερα ανοιχτά συστήματα καλλιέργειας αλγών είναι αβαθείς, μη αναδευόμενες δεξαμενές. Τα μεγέθη αυτών κυμαίνονται από λίγα m2 έως και 250 εκτάρια. Τα άλγη εφοδιάζονται τον απαραίτητο άνθρακα μέσω του CO2. H μεταφορά του τελευταίου από τον ατμοσφαιρικό αέρα στο νερό μέσω φυσικών φαινομένων διάλυσης, περιορίζει την ανάπτυξη των αλγών, καθιστώντας την απόδοση της καλλιέργειας χαμηλή. Άλλα μειονεκτήματα των συστημάτων αυτών είναι η αργή μεταφορά των θρεπτικών συστατικών σε όλη τη μάζα της καλλιέργειας.
Επίσης, σημαντικό μειονέκτημα αποτελεί η επίπλευση των νεκρών αλγών και καθίζηση των ζωντανών αλγών, με αποτέλεσμα τον περιορισμό της διαθέσιμης ηλιακής ακτινοβολίας. Μέρος των προαναφερθέντων προβλημάτων μπορούν να προληφθούν με την εφαρμογή ανάδευσης. Επίσης, διατάξεις εμφύσησης φυσαλίδων αερίου μέσα στη μάζα του υγρού βοηθούν τόσο στην ανάδευσή του όσο και στην παροχή ποσότητας CO2. Το ρόλο του αερίου δύναται να έχει ο ατμοσφαιρικός αέρας, το συμπιεσμένο CO2 αλλά και τα καυσαέρια στα οποία περιέχεται CO2. Στα κύρια μειονεκτήματα αυτών των συστημάτων περιλαμβάνονται η αδυναμία ελέγχου της θερμοκρασίας (εκτός των περιπτώσεων που είναι διαθέσιμη πηγή πλεονάζουσας θερμότητας στο πλαίσιο της ίδιας της μονάδας) και η συχνή εισβολή επιβλαβών αλγών (παρασιτικών, ανεπιθύμητων ανταγωνιστικών αλγών).
Κλειστά συστήματα καλλιέργειας αλγών
Τα μειονεκτήματα των ανοικτών συστημάτων μπορούν να αμβλυνθούν με τα κλειστά συστήματα. Στην πιο απλή μορφή τους, αποτελούνται από σάκους ή επιμήκη περιβλήματα πολυαιθυλενίου στην περίπτωση των συστημάτων διαλείποντος έργου. Τα μεγέθη αυτών ανέρχονται στα 1000 λίτρα, αλλά η ευαισθησία τους στις περιβαλλοντικές συνθήκες και ο μικρός προσδόκιμος χρόνος ζωής καθιστά αυτά τα συστήματα ακατάλληλα για εξωτερική χρήση. Έχουν όμως αναπτυχθεί και περισσότερο εξελιγμένα συστήματα (βιοαντιδραστήρες) που έχουν ως βάση πιο ανθεκτικά και διαφανή υλικά (γυαλί, υλικά πολυκαρβονικών ενώσεων αλλά και πολυαιθυλενίου). Τα συστήματα αυτά παρέχουν συνεχή λειτουργία, υψηλό επίπεδο ελέγχου και αυξημένες αποδόσεις βιομάζας, η οποία οδηγεί σε μικρότερες απαιτήσεις χώρου και σε μικρότερο κόστος συλλογής προϊόντος. Σημαντική παράμετρος αυτών των συστημάτων αποτελεί η διαστασιολόγησή τους. Καθώς συνήθως αυτά τα συστήματα αποτελούνται από σωλήνες διαφανών υλικών οι διαστάσεις αλλά και η διάταξη των τελευταίων καθορίζουν σε σημαντικότατο βαθμό την αποδοτική λειτουργία της καλλιέργειας. Ακριβέστερα, η διαστασιολόγηση και διάταξη των σωλήνων συνδέεται με τα επίπεδα πρόσληψης ακτινοβολίας από τα άλγη, την κατανομή των θρεπτικών συστατικών και του CO2 μέσα στο σύστημα και τη δυναμικότητα αυτού.
Υπεράκτια συστήματα καλλιέργειας αλγών
Σε ότι αφορά την υπεράκτια καλλιέργεια αλγών με σκοπό την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας πρέπει να τονισθεί πως δεν περιλαμβάνεται η συγκομιδή φυσικά αναπτυσσόμενων πληθυσμών. Κυρίως τα συστήματα υπεράκτιας καλλιέργειας αλγών αφορούν φύκη που μπορούν να αναπτυχθούν σε βυθιζόμενα σχοινιά ή παρόμοιες άλλες τεχνητές διατάξεις. Επιπλέον, τα συστήματα αυτά δεν πρέπει να χωροθετούνται σε περιοχές που αξιοποιούνται εντατικά για άλλους σκοπούς (περιοχές ναυσιπλοΐας, περιοχές όπου υπάρχουν λιμένες, περιοχές αναψυχής, κ.λπ.). Τα συστήματα αυτά κάποιες φορές αποτελούνται από κατακόρυφα σχοινιά, τα οποία επιτρέπουν την αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας από τα καλλιεργούμενα φύκη μέχρι το μέγιστο βάθος. Άλλες φορές αποτελούνται σε οριζόντιες διατάξεις όπου ελαχιστοποιείται η ποσότητα του υλικού που απαιτείται ανά μονάδα επιφανείας, ή από υβριδικές διατάξεις που συνδυάζουν οριζόντιες και κάθετες γραμμές.
Ενδεικτική βιβλιογραφία:
FAO (2009): Algae-Based Biofuels: A Review of Challenges and Opportunities for Developing Countries.[http://www.fao.org/fileadmin/templates/aquaticbiofuels/ docs/0905_FAO_Review_Paper_on_Algae-based_Biofuels.pdf]
J. Sheehan et al. (1999): A Look Back at the U.S. Department of Energy’s Aquatic Species Program—Biodiesel from Algae. NREL [http://www.nrel.gov/ docs/legosti/fy98/24190.pdf]
http://www.oilgae.com
Είπαμε επίσης ότι ο τίτλος της κάθε ανάρτησης δεν πρέπει να είναι γενικός...Ακόμα,οι επικεφαλίδες των κεφαλαίων να είναι με bold...
ΑπάντησηΔιαγραφήκαλά έχω μια ερώτηση αν έχω μια σκάλα χωράφι και θέλω να παράγει βιοντίζελ απο άλγη πόσο θα μ κοστήσει πόσους τόνους λάδι λαι βιοντίζελ θα μ παράγει ανα μέρα?
ΑπάντησηΔιαγραφήΑυτό το σχόλιο αφαιρέθηκε από τον συντάκτη.
ΑπάντησηΔιαγραφήκαλά έχω μια ερώτηση αν έχω μια σκάλα χωράφι και θέλω να παράγει βιοντίζελ απο άλγη πόσο θα μ κοστήσει πόσους τόνους λάδι λαι βιοντίζελ θα μ παράγει ανα μέρα?
ΑπάντησηΔιαγραφή