Программа водных видов была исследовательской программой в Соединенных Штатах , запущенной в 1978 году президентом Джимми Картером и финансировавшейся Министерством энергетики Соединенных Штатов , [1] которая в течение почти двух десятилетий изучала производство энергии с использованием водорослей . Первоначально финансирование Программы водных видов было направлено на разработку возобновляемого топлива для транспорта. Позже программа была сосредоточена на производстве биодизеля из водорослей. Исследовательская программа была прекращена в 1996 году. Исследовательский персонал собрал свою работу и выводы в отчете 1998 года.
Около 1978 года администрация Картера объединила все федеральные энергетические мероприятия при поддержке недавно созданного Министерства энергетики США (DOE). DOE инициировало исследования по использованию растительной жизни в качестве источника транспортного топлива. [2] Программа по водным видам (ASP) была небольшим исследовательским проектом, направленным на изучение использования водных растений в качестве источников энергии. Хотя ее история восходит к 1978 году, большая часть исследований с 1978 по 1982 год была сосредоточена на использовании водорослей для производства водорода . Программа переключила акцент на другие виды транспортного топлива, в частности биодизель, начиная с начала 1980-х годов. [2] В 1995 году DOE приняло решение прекратить финансирование исследований водорослей в рамках Программы биотоплива. Департамент решил сосредоточиться на одной или двух ключевых областях, крупнейшей из которых была разработка биоэтанола . Программа по водным видам завершилась в 1996 году.
Микроводоросли — это микроскопические организмы, способные расти посредством фотосинтеза . Многие группы растут быстро и более продуктивны, чем наземные растения и макроводоросли (морские водоросли). Размножение микроводорослей происходит в основном путем вегетативного ( бесполого ) деления клеток, хотя половое размножение может происходить у многих видов при соответствующих условиях роста. Микроводоросли эффективны для производства топлива и способны потреблять отходы (с нулевой энергией) в форме углерода ( CO2) и преобразование его в жидкую форму энергии высокой плотности (натуральное масло). [2]
Существует несколько основных групп микроводорослей , которые различаются по составу пигмента, биохимическим компонентам, ультраструктуре и жизненному циклу. Пять групп имели первостепенное значение для ASP: диатомовые водоросли (класс Bacillariophyceae), зеленые водоросли (класс Chlorophyceae), золотисто-коричневые водоросли (класс Chrysophyceae), примнезиофиты (класс Prymnesiophyceae ) и эустигматофиты (класс Eustigmatophyceae ). Сине-зеленые водоросли , или цианобактерии (класс Cyanophyceae), также были представлены в некоторых коллекциях. [2]
Одним из побочных преимуществ было улавливание отходов CO.
2из угольных электростанций. Исследователи были озабочены поиском видов водорослей с большим содержанием липидов, собрав в ходе поиска более 3000 североамериканских видов. Затем работа была сосредоточена на увеличении содержания липидов за счет сокращения поставок ключевых питательных веществ , таких как азот и кремний .
Другой ключевой целью исследования было проверить систему открытого пруда для массового производства , что привело к созданию систем прудов площадью 1000 квадратных метров (11 000 квадратных футов) в Розуэлле , штат Нью-Мексико . При достижении желаемой урожайности в 50 граммов (1,8 унции) водорослей на квадратный метр в день, было обнаружено, что низкие температуры препятствуют урожайности.
Основным направлением программы было производство биодизеля из водорослей с высоким содержанием липидов , выращиваемых в прудах, с использованием отработанного CO.
2из угольных электростанций. Липиды, о которых они говорят, являются другим названием триглицеридов или ТАГ, которые являются основной формой хранения натуральных масел. Программа изучала дефицит питательных веществ в водорослях, поскольку они хотели изучить липидный триггер. Гипотеза заключалась в том, что когда водоросли испытывают недостаток питательных веществ, выработка масла в клетках увеличивается, поэтому это может повлиять на общую производительность. Однако исследование показало, что при дефиците питательных веществ скорость выработки масла ниже. Более высокие уровни масла в клетках более чем компенсируются более низкими темпами роста клеток. [2]
Ацетил-КоА-карбоксилаза ( АССаза ) — это фермент, который катализирует ключевой метаболический этап в синтезе масел в водорослях. Программа была первой, которая выделила этот фермент из диатомовых водорослей. Исследователи открыли систему трансформации для диатомовых водорослей. Они хотели узнать, приведет ли повышение уровня активности АССазы в клетках к более высокой выработке масла. Однако никакого увеличения выработки масла не произошло. [2]
Программа изучала возможность крупномасштабного производства водорослей в открытых прудах. Они провели исследования в Калифорнии , на Гавайях , в Нью-Мексико и обнаружили, что долгосрочное надежное производство водорослей возможно. Испытания в Розуэлле, Нью-Мексико, доказали, что открытые пруды могут работать с чрезвычайно высокой эффективностью CO
2Использование. Тщательный контроль pH и других физических условий для введения CO
2в прудах допускалось более 90% использования. Однодневное производство, зарегистрированное в течение года, достигало 50 граммов (1,8 унции) водорослей на квадратный метр в день, что является долгосрочной целью. Низкие температуры отрицательно влияли на производство. [2]
Затраты на производство топлива для окружающей среды и общества оказались значительно ниже, чем затраты на производство обычного топлива.
ASP оценила соответствующий климат, землю и доступность ресурсов. Они обнаружили, что водоросли могут поставлять несколько квадов биодизеля (один квадр составляет 290 тераватт-часов ), намного больше, чем могут предоставить существующие масличные культуры. Системы микроводорослей используют меньше воды, чем традиционные масличные культуры. Земля не является ограничением. 200 000 гектаров (490 000 акров) могут производить один квадр топлива. Таким образом, ограничения ресурсов не являются аргументом против технологии. [2]
В период расцвета программа имела ежегодное финансирование в размере 2–2,75 млн долларов США. [3] После бума 1984 и 1985 годов финансирование резко сократилось до минимума в 250 000 долларов США в 1991 году. Общая стоимость Программы водных видов за двадцатилетний период ее существования составила 25,05 млн долларов США. [3]
В заключительном отчете программы за июль 1998 г. сделан вывод о том, что даже при самых оптимистичных показателях выхода липидов производство биодизеля из водорослей станет рентабельным только в том случае, если цены на нефтедизель вырастут вдвое по сравнению с уровнем 1998 г. Несмотря на высокую волатильность, цены на нефть обычно в три и более раз превышают среднюю цену 1998 г. в постоянных долларах.
Закон о восстановлении и реинвестировании в американскую экономику (ARRA) является крупнейшим увеличением финансирования научных исследований в истории США. Миллиарды долларов идут на энергетические исследования, разработки и внедрение в настоящее время и будут продолжаться. [3] Министр энергетики США Стивен Чу объявил в январе 2010 года о выделении 80 миллионов долларов на государственное финансирование исследований и разработок в области биотоплива. Основная часть финансирования пошла на исследования и разработки водорослей, а остальное — на инфраструктуру этанола. [4]
Однако прогнозы будущих цен на нефть являются движущейся целью. DOE ожидает, что цены на нефть останутся относительно стабильными в течение следующих 20 лет. Водорослевый биодизель стоит дорого по сравнению с другими и, возможно, не сможет конкурировать с такими дешевыми ценами на нефть. [5]
Ученые Национальной лаборатории возобновляемой энергии выделили около 3000 видов водорослей. Пятьдесят один сорт был охарактеризован как потенциально ценные штаммы, но осталось менее половины из них.
Несколько сотен штаммов хранились в Гавайском университете , который в течение многих лет каждые два месяца переносил, «пассировал», их в новые пробирки с богатыми питательными веществами. Когда в 2004 году грант Национального научного фонда закончился, сохранение коллекции стало нецелесообразным.
Обзор, опубликованный ранее в этом году, показал, что более половины генетического наследия было потеряно. 23 из 51 штамма, которые были тщательно изучены в ходе программы, выжили. Потери остальных водорослевых культур были еще хуже.
«На самом деле, самое ужасное, что из этих 3000 в Гавайском университете осталось, возможно, от 100 до 150 штаммов», — сказал Эл Дарзинс, возглавляющий возрождающуюся программу исследований водорослевого биотоплива в Национальной лаборатории возобновляемой энергии. [3]
В середине 1970-х годов, во время правления администрации Картера, все ведомства, связанные с энергетикой, были объединены в рамках недавно сформированного Министерства энергетики.
Иерархия между DOE и Программой по водным видам была следующей:
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )