Inleiding
De Algae Biomass Summit werd voor het eerst gehouden. De opkomst was boven verwachting. De summit werd bezocht door een internationaal gezelschap van ruim 300 personen uit het bedrijfsleven, techniek, wetenschap, de financiële sector en de overheid. Na afloop van de conferentie is door de organisatie het voorstel gedaan om een Algae Trade Association op te richten. In de staat Texas bestaat sinds kort een gelijksoortige associatie. Dit verbond bevindt zich, net als de Algae Trade Association, nog in de oprichtingsfase. Deze conferentie onderschrijft dat de laatste jaren de aandacht voor algen enorm is toegenomen, vooral de interesse in het mogelijke gebruik van algen als grondstof voor biobrandstoffen. Er vindt op dit gebied dan ook veel onderzoek en ontwikkeling plaats, en de bedrijven die zich op een of andere manier bezighouden met algen schieten als paddenstoelen de grond uit. Toch is het gebruik van algen niet nieuw, en is de route naar commercieel aantrekkelijke toepassing nog lang.
Geschiedenis van algengebruik
Het gebruik van algen voor bijvoorbeeld de productie van biobrandstoffen is geen nieuwe vinding. Een van de eerste publicaties over algen verscheen ruim een eeuw geleden. De Amerikaanse wetenschappers D. Jackson en J. Ellms vonden in 1896 een type microalg dat bijna pure waterstof produceerde. In de jaren vijftig is met de bouw van een proefopstelling op het dak van de Universiteit van Massachusettes (MIT) de eerste stap gezet in het onderzoek naar de kweek van microalgen op grotere schaal. In de daarop volgende decennia is onder anderen aan UC Berkeley en aan het Stanford Research Institute (SRI) veel onderzoek gedaan naar de mogelijkheden om afvalwater te zuiveren met algen. De Amerikaanse overheid begon toen ook de mogelijkheden in te zien, en startte eind jaren zeventig het Aquatic Species Program, uitgevoerd door het National Renewable Energy Laboratory (NREL) in opdracht van het US Department of Energy (DOE), dat zich richtte op onderzoek naar olieproductie uit microalgen voor biobrandstoffen.
Wat zijn algen
Algen zijn aquatische één- of meercellige organismen die zonlicht omzetten in chemische energie. Om te kunnen groeien hebben algen zonlicht, water, koolstofdioxide en mineralen nodig. Een fotosynthetisch proces in de alg zet deze stoffen om in glucose, waarbij zuurstof vrijkomt. Er zijn heel veel verschillende soorten algen op aarde. Algen komen zowel in zoet- als zoutwater voor. Er is veel onderzoek gedaan naar welke soorten algen geschikt zijn voor welke type toepassing, onder andere door NREL.
Uit algen kunnen een reeks van energieproducten onttrokken worden, zie ook figuur 1. Sommige algen produceren waterstof. De productie van waterstof is praktisch gezien echter technisch lastig en vaak niet efficiënt. Grootschalige productie is tot op heden dan ook nog niet gerealiseerd. Daarnaast kunnen uit algen suikers en lipiden (vetten) worden onttrokken. De suikers kunnen worden omgezet in bijvoorbeeld biodiesel en bio-ethanol. De olie-extracten kunnen verwerkt worden in biodiesel.
Figuur 1. De potentie van algen. (bron: ‘Biofuels from Algae in Biowar I : Foods and fuels’ Edwards, dec 2007)
Wat sommige algensoorten bijzonder maakt, is dat zij, vergeleken met andere oliehoudende gewassen als soja, jatropha, zonnebloemen en palm een relatief hoog oliegehalte hebben. De olieopbrengst per hectare is dus significant hoger dan voor andere gewassen (zie figuur 2). Theoretisch gezien zou, nadat de lipiden uit de algen gehaald zijn voor de productie van biodiesel, de resterende massa met de nog aanwezige glucose omgezet kunnen worden in bio-ethanol. Een bedrijf dat hier naar eigen zeggen een technologie voor ontwikkeld heeft is Inventure Chemical in Seattle, Washington. Zij zeggen zowel biodiesel als bio-ethanol uit dezelfde algenmassa te kunnen produceren. Tenslotte kunnen algen direct (mee)gestookt worden bij de productie van energie en warmte.
Waarom algen?
Algen bieden een aantal voordelen boven traditionele gewassen die ingezet worden voor biobrandstofproductie zoals maïs, hout en diverse grassoorten. Enkele voordelen van algen liggen op het vlak van landgebruik, watergebruik en de mogelijkheid om CO2 af te vangen.
Landgebruik
Een van de discussies die momenteel erg speelt gaat over het landgebruik voor voedsel versus voor energie. Een toenemend gebruik van gewassen voor energieproductie zou een stijging van de voedselprijzen tot gevolg hebben, enerzijds doordat voedselgewassen zoals maïs direct voor energie ingezet worden, anderzijds doordat vruchtbare landbouwgronden dan gebruikt worden voor het verbouwen van energiegewassen in plaats van voedselgewassen. Hoewel deze theorie door veel onderzoek ook tegengesproken wordt, bieden algen op dit gebied een groot voordeel, omdat ze niet concurreren met voedselgewassen.
Daarnaast is er een discussie over de netto CO2-emissies van landgebruik. Leggen de energiegewassen nu minder CO2 vast vergeleken met bijvoorbeeld regenwouden? Dit is een belangrijk aspect in het bepalen van de netto CO2-winst van biobrandstoffen. Algen groeien in water, en kunnen daarom gekweekt worden in bassins op gronden die niet vruchtbaar zijn, zoals bijvoorbeeld woestijngronden.
Watergebruik
Een transitie naar biobrandstoffen en bio-energie zal, volgens onderzoek door Sandia National Laboratories in opdracht van het US-DOE, een significante toename in het (wereldwijde) watergebruik tot gevolg hebben. Sandia toont in dit onderzoek aan dat de hoeveelheid grond- en oppervlaktewater die in de VS onttrokken wordt vanaf midden jaren tachtig tot het jaar 2000 nagenoeg gelijk gebleven is. Volgens Sandia kan dit betekenen dat al het beschikbare schone water al bijna maximaal benut wordt.
Door de voorspelde groeiende vraag naar schoon water voor de productie van energiegewassen zal er een tekort ontstaan. Een mogelijke oplossing voor dit probleem is het gebruik van niet-schoon water voor de productie van energiegewassen. In tegenstelling tot veel andere gewassen vereist algenproductie geen schoon water. Algen kunnen even goed gekweekt worden in zout-, brak- of afvalwater, en dit is voldoende aanwezig. Doordat algen verschillende mineralen uit het water onttrekken, hebben ze ook nog een zuiverende werking, en laten ze in veel gevallen schoner water achter. Dit laatste is niet nieuw: het gebruik van algen voor waterzuivering vindt al jaren op verschillende manier plaats.
CO2-afvang
Algen hebben voor hun groei meer CO2 nodig dan dat zij uit de lucht onttrekken. Dit CO2-tekort kan gecompenseerd worden door extra CO2 door de algenbassins te laten stromen, bijvoorbeeld CO2 afkomstig van industriële processen en elektriciteitsproductie. Deze manier om CO2-emissies terug te dringen vindt in de praktijk al plaats, en zal naar verwachting in de toekomst verder gaan toenemen. Zo zal in het voorjaar van 2008 Solix Biofuels in Fort Collins, Colorado, één van de eerste commerciële algengroei-installaties in gebruik nemen. De installatie zal gevoed worden met CO2 die vrijkomt van de naastliggende bierbrouwerij New Belgium.
Huidige knelpunten
Er vindt nog steeds geen grootschalige commerciële productie van energie uit algen plaats. Het is nu nog niet mogelijk om een efficiënte en stabiele grootschalige kweek van microalgen te realiseren tegen lage kosten. Knelpunten liggen op het vlak van kosten, kwaliteitsbeheersing, en productie en oogst van de algen.
Kosten van het kiezen van de juiste soort
Er bestaan vele duizende soorten algen, met verschillende eigenschappen. Het selecteren van de gewenste algensoort is hierdoor kostbaar en tijdrovend. NREL heeft als onderdeel van het Aquatic Species Program ruim 3.000 soorten algen onderzocht, en de eigenschappen vastgelegd. Een andere manier om algen met de juiste eigenschappen te krijgen is genetische modificatie. Aangezien het proces van aanvraag tot uiteindelijk wettelijke goedkeuring van het gebruik van een dergelijke soort jaren kan duren, is dit een kostbare en tijdrovende oplossing.
Kweken
Het is lastig om een homogene samenstelling van de algenmassa te behouden tijdens de groei. Daarnaast moeten algen een bepaalde opbrengst per oppervlak bereiken om commercieel aantrekkelijk te zijn. Er zijn momenteel veel bedrijven, universiteiten en laboratoria die hierop inspelen door het bedenken van nieuwe systemen om algen op grote schaal te kweken. Algen kunnen op twee manieren gekweekt worden: in bassins, open systemen genoemd, of in bioreactoren, ook wel gesloten systemen genoemd. Het voordeel van open bassins is dat ze relatief goedkoop zijn, en goed geschikt voor grootschalige productie van algen. Nadelen zijn het snelle verdampen van water uit de bassins en de grote kans op wildgroei van ongewenste algensoorten. Gesloten systemen zijn meer geschikt voor behoud van homogeniteit van de algensoort. Een nadeel is echter dat de kosten voor deze systemen veel hoger zijn.
Oogst en verwerking
Het oogsten van algen op een goedkope manier is nog niet eenvoudig. Een van de huidige oogstmethodes is vriesdrogen. Dit is effectief maar erg kostbaar, gezien het hoge energieverbruik. Vervolgens moeten de gewenste bestanddelen van de algen, zoals de olie, geëxtraheerd worden. Veelgebruikte methodes hiervoor zijn centrifuges of het ‘losweken’ van de olie door middel van oplosmiddelen als hexaan, benzeen, methanol of aceton. De eerste methode is erg energie-intensief, en veel van de geschikte oplosmiddelen zijn ontvlambaar.
Ook is het verwijderen van de oplosmiddelen aan het einde van het proces kostbaar. Ook op dit gebied gebeurt nog veel onderzoek. Het Californische biotechnologie bedrijf Solazymes heeft recentelijk een contract afgesloten met de grootste biodieselfabrikant van de VS, Imperium Renewables, over de levering van grote hoeveelheden algenolie. Dit zou kunnen beteken dat deze onderneming de eerste in de wereld is die grootschalig en, waarschijnlijk, kostenefficiënt olie uit algen kan halen.
Conclusie
Rond algen vinden veel ontwikkelingen plaats. Er zijn echter nog voldoende barrières te overwinnen voordat grootschalige productie van algen op een economisch efficiënte manier plaatsvindt. Tot die tijd zullen deze derde-generatie-biobrandstoffen niet kunnen concurreren met traditionele fossiele brandstoffen.
Frank Roeloffzen is stagiair bij TWA Silicon Valley
Bronnen en meer informatie
1. http://www.biodieselmagazine.com/article.jsp?article_id=2073
2. http://www.solazyme.com/about.shtml
3. http://media.cleantech.com/1279/solazyme-algae-imperium-renewables
4. http://www.solazyme.com/news080122_2.shtml
5. Publication of Kent Seatech Bioenergy Division. Nov 2007.
6. http://nature.berkeley.edu/blogs/news/2006/05/aurora_biofuels_takes_top_priz_1.php
7. http://www.science.doe.gov/sbir/awards_abstracts/sbirsttr/cycle25/phase1/042.htm
8. Diversified Energy: www.diversified-energy.com
9. Inventure Chemical: www.inventurechem.com
10. Interview KUOW with M.Tegen (CEO Inventre Chemical) 10-5-2007
11. http://media.cleantech.com/1686/let-them-eat-algae
12. Global Green Solutions: www.globalgreensolutionsinc.com>
13. ‘Kipliner’s Biofuels Market Alert’ July 16, 2007
14. ‘LiveFuels kicks it up’ 31 mei, 2007 beschikbaar op: www.cleantech.com
15. http://www.nrel.gov/news/press/2007/535.html
16. http://www.nytimes.com/2008/02/08/science/earth/08wbiofuels.html?_r=1&scp=1&sq=&st=nyt&oref=slogin
|