Декарбонизация для организации или страны означает то, что выбросы углекислого газа сокращены до нуля или эти выбросы компенсированы за счёт внедрения углеродно отрицательных технологий.
Стратегия достижения углеродной нейтральности Казахстана до 2060 года должна предложить обществу направления нового технологического курса. Должен будет произойти глобальный энергетический переход, основанный на принципах декарбонизации и технологической модернизации.
Республика Казахстан подтвердила достижение углеродной нейтральности до 2060 года путём присоединения к Соглашению по лесным экосистемам, развития возобновляемых источников энергии до 50% к 2050-му и постепенного снижения потребления угля до 40% к 2030-му. Помимо уменьшения потребления традиционных видов топлива (угля, газа), будет происходить активное развитие безуглеродной энергетики: использование возобновляемых источников энергии, использование различных видов биотоплива, использование гидро-, электрического транспорта.
Стратегия достижения углеродной нейтральности Республики Казахстан до 2060 года, должна предусматривать приоритеты и механизмы по декарбонизации и достижению углеродной нейтральности и, в то же время, отражать реальную ситуацию, сложившуюся в базовых отраслях национальной экономики. В этой связи, задача по повышению привлекательности Казахстана в условиях усиления глобального энергетического и технологического перехода, поставленная Президентом Касым-Жомартом Токаевым на заседании Мажилиса Парламента 11 января 2022 года, свидетельствует о признании важности данных процессов для обеспечения стратегической конкурентоспособности страны на ближайшую перспективу.
Утилизация СО2 с помощью деревьев
Исходя из Соглашения по лесным экосистемам, в Казахстане планируется посадка 2 млрд деревьев – это лесной массив примерной площадью 200 тысяч гектар. В процессе фотосинтеза углекислый газ преобразуется в кислород, это полностью природный процесс, и он протекает практически неуправляемо и достаточно медленно. В результате площадь, которая освещается солнцем, используется нерационально.
Декарбонизация с помощью хлореллы
Наша организация разработала технологию улавливания и переработки углекислого газа с помощью микроводоросли хлорелла. Штамм хлореллы подобран так, что в нём максимально быстро и в большом количестве протекают все процессы фотосинтеза.
В зависимости от условий выращивания хлореллы, может быть достигнута скорость поглощения углекислого газа от 27,5 до 105,8 грамм с каждого кубического метра хлореллы за час, при этом будет выделено от 20 до 77 грамм кислорода.
Чтобы понять много это или мало, приведём пример: Человек в сутки в среднем потребляет 430 грамм кислорода и вдыхает 900 грамм углекислого газа.
Сравним эффективность утилизации микроводорослями с другим способом – поглощение углекислого газа лесными массивами.
Общеизвестно, что 1 Га леса поглощает 7,5 кг углекислого газа в час, и выделяет 5,5 кг кислорода.
В то же самое время, водоём площадью 1 Га и глубиной 40 см, заселённый хлореллой, поглощает от 110 до 423 кг углекислого газа в час, и выделяет 313 кг кислорода, в зависимости от климатической зоны расположения водоёма. То есть эффективность на единицу площади от 14,7 до 56,4 раз.
Такая огромная разница обусловлена тем, что клетки микроводоросли хлореллы практически целиком состоят из хлорофилла, который фотосинтезирует, в то время, как в лесных массивах в фотосинтезе участвуют только зелёные листья. К тому же, деревья имеют ещё ветки, ствол, корни, которые никак не принимают участие в фотосинтезе, а также требуют энергии для функционирования. Плотность посадки деревьев не даёт полного улавливания солнечного света.
Вернёмся к выбросам углекислого газа различными производствами, исходя из расчётов представленных выше. Чтобы предприятие, которое выделяет 1 000 кг СО2 в час стало углероднонейтральным, ему необходим водоём площадью от 2,3 до 9 Га в зависимости от климатической зоны расположения водоёма.
Однако, это не все достоинства применения микроводоросли для решения данной задачи – при делении и росте клеток в результате их жизнедеятельности образуется огромное количество биомассы микроводоросли, которая может быть использована в различных отраслях.
Так, существует четыре самых распространённых и простых метода утилизации биомассы клеток хлореллы.
Декарбонизация в естественных условиях
Первый и самый простой в техническом исполнении метод – это разведение рыбы в водоёме, который используется для поглощения углекислого газа Рисунок 1.
Если воду в одной части водоёма насыщать подающимся из магистралей углекислым газом, а водоём перегородить сетью, то в другой части водоёма будут создаваться превосходные условия для роста и развития рыбы. Сама хлорелла может выступать кормом для рыб напрямую, или её будет подъедать зоопланктон, который потом сам станет кормом для рыб. При этом варианте автоматически решается сразу несколько проблем: 1. утилизация хлореллы; 2. обеспечение кормовой базы для рыб; 3. обеспечение благоприятного гидрохмического состава воды для роста рыбы; 4. очистка и фильтрация воды от хлореллы и зоопланктона, которая может быть снова насыщена углекислым газом как оборотная. По сути, внутри водоёма запустятся естественные природные процессы Рисунок 2.
Углекислый газ переходит в сухую хлореллу
Второй способ утилизации биомассы клеток хлореллы (Рисунок 3) представляет из себя два дополнительных модуля: модуль сгущения биомассы и сушилка. Высушивать хлореллу из воды экономически нецелесообразно, так как в литре суспензии хлореллы в таком варианте будет находиться около 1 грамма сухой массы.
Поэтому в этом варианте необходим модуль сгущения, когда плотность клеток увеличивается в 100 или 200 раз и после этого происходит выпаривание лишней воды из концентрата хлореллы, попутно происходит нагрев, что обеззараживает сухую массу. Осветлённая вода после модуля сгущения может быть возвращена в водоём для последующего насыщения углекислым газом. В сухом виде биомасса хлореллы может легко перевозиться и долго храниться, сохраняя все свои полезные свойства. Один килограмм сухой массы хлореллы на рынке стоит от 5 до 30 долларов США в зависимости от чистоты продукта.
Углекислый газ в биотопливо
Третий способ утилизации биомассы хлореллы, наверное, самый экологичный (Рисунок 4).
Отличается этот способ от всех предыдущих ещё и тем, что технология позволяет дополнительно перерабатывать хозяйственно-бытовые стоки, что может быть очень выгодно для большого производства. А биомасса хлореллы после сгущения идёт на переработку с целью получения одного из видов биотоплива: биодизельное топливо, биобутанол, биогазолин, биогаз, метан, этанол, экологически чистое дизельное топливо и т.п.
Декарбонизация и сельское хозяйство
Четвёртый способ самый простой в техническом исполнении (Рисунок 5).
Этот способ также допускает возможность попутной утилизации хозяйственно-бытовых стоков, а биомасса хлореллы идёт на удобрение или для скармливания животным или птице. Так как биомасса хлореллы богата различными веществами (около 650), то во всём мире её активно используют как биодобавку для сельскохозяйственных животных и птиц.
В сухой массе хлореллы содержится:
45-55% – белка;
5-10% – липидов;
35% – углеводов;
до 10% – минеральных веществ.
По качеству продуцируемого белка хлорелла превосходит все известные кормовые добавки и пищевые продукты: в ней содержатся все необходимые аминокислоты, в том числе незаменимые.
Содержание аминокислот в хлорелле (г/кг сухого вещества) следующее:
Глютаминовая кислота 31,84;
Изолейцин 11,30;
Аспарагиновая кислота 25,66;
Пролин 9,78;
Лейцин 21,68;
Лизин 8,78;
Валин 17,58;
Тирозин 8,25;
Глицин 17,02;
Аргинин 8,17;
Треонин 13,66;
Цистин 7,53;
Фенилаланин 12,06;
Триптофан 5,11;
Аланин 20,13;
Метионин 4,82;
Серин 11,60.
По содержанию витаминов хлорелла превосходит все растительные корма и культуры сельскохозяйственного производства. В 1 г массы сухого вещества хлореллы содержится:
Каротина (провитамина А) 1000-1600 мкг;
Витамина К 6 мкг;
Витамина В1 2-18 мкг;
Витамина РР 110-180 мкг;
Витамина В2(рибофлавин) 21-28 мкг;
Витамина Е 100-350 мкг;
Витамина В6(пиридоксин) 9 мкг;
Пантотеновой кислоты 12-17 мк;
Витамина В12 0,05-0,1 мкг;
Фолиевой кислоты 485 мкг;
Витамина С 1300-5000 мкг;
Биотина 0,1 мкг;
Провитамина Д 1000 мкг;
Лейковарина 22 мкг.
По содержанию каротина хлорелла превосходит все растительные корма. Витамина С в хлорелле столько же, сколько в лимонном соке.
В состав минеральной части хлореллы входят:
4,79 % кальция;
2,51 % фосфора;
4,7 % железа;
0,47 % марганца;
0,009 % кобальта;
0,048 % меди, что в 6-10 раз превышает содержание минеральных веществ в таких культурах, как люцерна и клевер.
В общем, в хлорелле и её межклеточной жидкости содержится около 650 различных элементов. Эти элементы играют большую роль в питании и росте как растений, так и животных – это экологически чистые удобрения и стимуляторы роста.
Мы рассмотрели четыре основных способа утилизации биомассы хлореллы, однако, их может быть большое количество. Исходя из того списка веществ, которые содержатся в клетках хлореллы, можно организовывать производство по экстракции этих веществ для различных целей.
Мы живём во время глобального климатического кризиса, к которому привело необдуманное применение устаревших методик и технологий. Чтобы изменить ситуацию, надо менять уже устоявшиеся подходы, внедрять как можно больше инноваций и ресурсосберегающих технологий. Традиционные виды топлива, двигатели, генераторы электроэнергии себя изжили. Человечество подошло к точке бифуркации, в которой мы либо станем лучше и выйдем на новый виток развития технологий, либо погубим и себя и планету. Мир уже осознал всю важность этого события и начал принимать меры, но нельзя обратить вспять столь масштабные природные процессы, просто квотируя выбросы. Инновации и изменение мышления здесь играют самую важную роль. Мы должны не только экономить – нужно исправить ошибки, допущенные в прошлом.
