Biopaliva z vodních řas

Matěj Bárta

Bachelor's thesis

Biofuels from algae

Abstract:

Biopaliva III. generace jsou, prozatím laboratorně zkoumaná, alternativa paliv. Základní složkou těchto paliv je olej, který získáváme z vodních řas. Biopaliva III. generace by měla nahradit biopaliva I. a II. generace. Biomasa, ze které získáváme biopaliva I. a II. generace, konkurující přímo i nepřímo potravinovému průmyslu. Kvalita biopaliv záleží na kvalitě a složení biomasy (obnovitelný materiál pocházející z rostlinné či živočišné produkce), ze které je palivo získáváno. K dnes nejvyužívanějším biopalivům patří bionafta a bioethanol.Tématika biopaliv je zastoupena i v různých zákonech legislativního rámce Evropské unie a České republiky. Zákony a směrnice se zaměřují převážně na pohonné hmoty, což jsou veškerá paliva sloužící k pohonu palivových motorů. Nejdůležitějším zákonem České republiky, který pojednává o biopalivech, je zákon č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší. Tímto zákonem se Česká republika snaží dosáhnout závazku vůči Evropské unii a Kjótskému protokolu k Rámcové úmluvě OSN o změně klimatu. Mezinárodní smlouva o změně klimatu byla přijata roku 1997 a v roce 2015 nahrazena Pařížskou dohodou. Plnění těchto závazků je založeno na snížení emisí skleníkových plynů za pomoci mísení biopaliv s fosilními palivy.Řasy představují nesourodou skupinu fotosyntetizujících organismů, které neřadíme do vyšších rostlin. Pro tuto uměle vytvořenou taxonomickou jednotku je velice složité určit, které organismy do této skupiny patří a které ne. Podle velikosti se dělí na makrořasy a mikrořasy. Organismy řazené k mikrořasám jsou pro tvorbu biopaliv vhodnější. Jedná se o organismy příliš malé na to, aby byly rozpoznatelné bez mikroskopu. Látky potřebné pro svůj růst získávají z okolního prostředí a za pomoci fotosyntézy. Požadavky na to aby se umělá kultivace takových organismů vyplatila, jsou rychlý nárůst biomasy, vysoký obsah oleje a nenáročnost na prostředí. Ke kultivaci v laboratořích slouží otevřené systémy, uzavřené fotobioreaktory a imobilizační nádrže. Otevřený systém představuje koryto o délce několika set metrů, ve kterém se otáčí míchací lopatka. Výhodou otevřených nádrží, jsou nízké pořizovací náklady, ale je velice složité udržet v kultivaru čistou kulturu. Fotobioreaktory jsou nejčastěji horizontálně zavěšené, uzavřené trubky, z průhledného materiálu a jsou dlouhé desítky metrů. V těchto reaktorech se lépe udržují optimální podmínky pro růst organismů. Jedná se hlavě o světlo, teplo, pH vody, salinitu a promíchávání. Optimální hodnota těchto kultivačních parametrů je pro jednotlivé kultury různá. Ke sklizni biomasy řas se vyžívá nejčastěji sedimentace a flotace, ale je možno využít flokulantu (látky, která snižuje negativní náboj řasových buněk a tak vytváří agregáty), nebo filtrační zařízení. Ze správně kultivovaných mikrořas můžeme teoreticky získat až desetinásobek oleje než z dosud využívaných olejonosných plodin jako je sója, kokosový ořech, palma olejná, či canola.Kdy a jestli vůbec budou biopaliva III. generace rentabilním zdrojem energie záleží na tom, zda se vědcům podaří zefektivnit kultivační metody a také na tom, zda takto získaná biomasa bude levnější než surová ropa.

Abstract:

Biofuels of the third generation, for the time being laboratory investigated only, are one of alternatives to fuels. The basic component of these fuels is oil, which we obtain from algae. Biofuels of 3rd generation should replace biofuels of 1st and 2nd generation. Biomass for these generations competes directly and indirectly with the food industry. The quality of biofuels depends on the quality and composition of biomass, which is renewable material from plant or animal production. The most widely used biofuels today are biodiesel and bioethanol.The theme of biofuels is also represented in various laws of the legislative framework of the EU and the Czech Republic. Laws and directives focus mainly on fuels, which are used to drive fuel engines. The most important law, dealing with biofuels, in the Czech Republic is Act No. 201/2012 Coll., on air protection. By this law, the Czech Republic wants to achieve a commitment which is based on the commitment of the EU and the Kyoto Protocol to the UNFCCC. This international treaty was adopted in 1997 and replaced in 2015 by the Paris Agreement. The fulfilment of these commitments is based on the reduction of greenhouse gas emissions through the blending of biofuels with fossil fuels.The Algae are a disparate group of photosynthetic organisms that we do not classify as higher plants. It is very difficult to determine which organisms belong to this artificially created taxonomic unit and which do not. They are divided into macroalgae and microalgae according to size. Organisms classified as microalgae are more suitable for the production of biofuels. These organisms are too small to be recognizable without a microscope. The substances needed for their growth are obtained from the environment and with the help of photosynthesis. The requirements for the artificial cultivation to pay off are: the rapid growth of biomass, the high oil content, and the low environmental demand. Open systems, closed photobioreactors, and immobilization tanks are used for cultivation in laboratories. The open system is a trough that is several hundred meters long, in which the mixing paddle rotates. The advantage of open tanks is low acquisition costs. It is very difficult to maintain a clean culture in the cultivar. Photobioreactors are closed tubes, which are most often horizontally suspended and made of transparent material. They are tens of meters long. Optimal conditions are better maintained in these reactors for the growth of the organism. These are light, heat, water pH, senility, and agitation. The optimal value of the cultural parameters varies in culture to culture. Most often used harvest methods of algal biomass are sedimentation and flotation, but it is possible to use a flocculant (a substance that reduces the negative charge of algal cells and thus forms aggregates) or a filtration device. From properly cultivated microalgae we can obtain up to ten times more oil, than from oil-bearing crops such as soybeans, coconut, oil palm or canola.When and if the production of the biofuels from algae will be viable source of energy depends on whether scientists succeed in streamlining cultivation methods and also on whether the biomass thus obtained will be cheaper than crude oil.

Keywords

biomasa, biopalivo, vodní řasy, energetika, pohonná hmot

Keywords

biomass, biofuel, algae, energy, fuel

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 7. 2020

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Vladimír Hönig, Ph.D. Ph.D.
• Reader: Jakub Mařík, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Bachelor programme / field:
Landscape Conservation and Use of Natural Resources / Landscape Conservation and Use of Natural Resources