Leveren microalgen straks onze motorbrandstof?

Samenvatting

Sommige soorten microalgen kunnen olie of ethanol produceren en zijn daardoor potentieel een alternatieve brandstofbron. Microalgen zijn veel efficiënter dan olie- of alcohol leveranciers dan landbouwgewassen als koolzaad, mais e.a. Er zijn soorten waarbij meer dan 50% van de droge stof uit olie bestaat, andere soorten kunnen zelf ethanol produceren.

Dankzij veel onderzoek in de laatste tien jaar, vooral in de Verenigde Staten, is de kostprijs van biodiesel en ethanol uit algen zeer sterk gedaald. bij een paar bedrijven tot rond de US$ 1,30 per gallon (€ 0,31 per liter). Dit werd mogelijk door bepaalde algensoorten door middel van genetische modificatie sneller te laten groeien en meer olie of ethanol te laten produceren. Verder hebben hieraan bijgedragen, verbeterde teeltmethoden, efficiëntere en goedkopere olie-onttrekking aan de algen, efficiëntere raffinage van de ruwe algenolie en goedkopere fotobioreactoren.

Ook de mogelijkheid dat men microalgen kan telen op land dat nauwelijks of geen andere economische waarde heeft, dat men afvalwater of zout water kan gebruiken en ‘afval’-CO₂ van de industrie kan benutten, hebben mede tot de sterke verlaging van de kostprijs van brandstof uit micro-algen geleid. De productie van brandstof uit microalgen zal in Nederland altijd duurder blijven dan, bijvoorbeeld, in (sub)tropische gebieden waar, gemeten over het gehele jaar, veel meer licht en een hogere temperatuur aanwezig is. Dit betekent een bijna 2½ keer grotere algenproductie per dag. Bovendien behoeft daar het water, waarin de micro-algen groeien, niet te worden verwarmd.
Nadeel kan zijn dat soms koeling nodig is om de optimale temperatuur te handhaven. Bij de huidige, lage olieprijs is de productie van olie uit microalgen in de meeste gevallen nog onvoldoende winstgevend. Een aantal algen-producerende bedrijven, vooral in de USA, ziet daarom voorlopig af van grootschalige investeringen voor de teelt van microalgen voor biobrandstof.

Andere leggen zich meer toe op de productie van voedingsmiddelen, o.a. omega-3 olie en eiwitten of producten voor de farmaceutische- en cosmetische industrie. Het lijkt echter aannemelijk, dat bij een prijs van ruwe fossiele olie boven ca. US$ 60 (€ 53,5) per vat, verschillende bedrijven grootschalig brandstof uit micro-algen gaan produceren. Olie en ethanol uit microalgen kan dan ook worden beschouwd als een veelbelovend alternatief voor fossiele brandstof.

Leveren microalgen straks onze motorbrandstof?

Donderdag 10 november 2016

door Ir. Kees van Loon, Lelystad

Inleiding

Biobrandstoffen uit plantaardige olie, suikerriet of mais worden steeds minder gezien als een alternatief voor fossiele energie. Ze concurreren nu eenmaal met voedsel en dat is onverantwoord bij een zich nog sterk uitbreidende wereldbevolking. Bovendien is de olieproductie per ha beperkt en vraagt de productie veel (fossiele) energie. Brandstof uit algen behoeft niet ten koste van voedselproductie te gaan. Daar microalgen een aanmerkelijk hoger lipidengehalte hebben dan macroalgen^[1]heeft het onderzoek zich gericht op microalgen. De laatste tien jaar is de kostprijs daarvan spectaculair gedaald. Bovendien kunnen microalgen veel meer olie per oppervlakte-eenheid produceren dan bovengenoemde gewassen.

Wat zijn microalgen?

Microalgen zijn ééncellige organismen, niet groter dan 2 – 10 μm doorsnede. Microalgen groeien zeer snel. Sommige soorten kunnen binnen 6 – 12 uur hun eigen gewicht verdubbelen^{[1a] .} Microalgen zijn in principe volledig te benutten. Ze bestaan uit koolhydraten, eiwitten en lipiden. Uit de koolhydraten kan alcohol worden gemaakt,de eiwitten kunnen dienen voor menselijke consumptie of als voer voor dieren, terwijl uit de lipiden biobrandstoffen kunnen worden gemaakt. Bovendien zijn er microalgensoorten die direct alcohol aanmaken.

Ook de farmaceutische- en de cosmetische industrie maakt gebruik van chemische stoffen die uit microalgen zijn geëxtraheerd. In veel landen wordt er onderzoek gedaan naar soorten en productiemethoden om rendabel olie uit microalgen te winnen. Koploper hierbij zijn de Verenigde Staten waar, zowel door overheidsinstellingen als particuliere bedrijven, al in de jaren 70 en 80, en opnieuw sinds ongeveer 2007 veel onderzoek is verricht, sterk gesubsidieerd door de overheid.
Er zijn tienduizenden soorten microalgen in de wereld. Daarin is dan ook al druk gezocht naar soorten met een snelle groei en een hoog lipidengehalte. Deze lipiden dienen als grondstof voor biobrandstof. Enkele soorten die geschikt zijn voor olieproductie zijn Chlorellaspp. met 28 – 32 % olie in de drogestof en Botryococcusspp. met 25-75% olie in de droge stof^[2].

Het kweken van microalgen

Microalgen kunnen zowel in zoet- als in zout water gedijen; ook afvalwater, mits niet chemisch vervuild, kan worden gebruikt. Voor de productie van fototrofe microalgen zijn zonlicht, CO₂ en water onontbeerlijk. Daarnaast zijn voedingsstoffen, vooral stikstof en fosfaat en verder kali en een aantal micro-elementen nodig. Microalgen die olie of ethanol kunnen produceren hebben als regel een optimum temperatuur voor groei en lipidenproductie van 20- 30°C^[3]. Microalgen kunnen zowel buiten, in ondiepe bassins,als binnen dan wel buiten in fotobioreactoren (doorzichtige buizen of zakken) worden geteeld.Van groot belang is een goede lichtvoorziening van de algen. Echter teveel licht kan weer remmend werken op de productie.

Open bassins: Het meest gebruikt worden ovale bassins, zogenaamde racewayponds, meestal bedekt met plasticfolie, waarin het water wordt rondgepompt door middel van waterraderen en waaraan CO₂ wordt toegevoegd. Bassins zijn ca. 30 cm diep en kunnen soms oppervlakten van meer dan 1 ha beslaan. Waterraderen zorgen ervoor dat de algen in beweging blijven zodat ze alle ongeveer evenveel zonlicht kunnen opvangen en ook geregeld in de schaduw komen^[3a].

Een groot voordeel van open bassins is dat ze relatief goedkoop zijn. Een bezwaar is dat ze gemakkelijk besmet kunnen worden met algen die minder produceren en met ziekteverwekkers en plaagdieren. Verder is het oogsten van de algen relatief duur. In verband met de lichtvoorziening van de algen kunnen de bassins niet dieper zijn dan ca. 30 cm waardoor ze veel ruimte vragen. In gebieden met een droog klimaat is er bovendien veel water nodig vanwege verdampingsverliezen.
Voor een hoge productie is het nodig dat voortdurend nutriënten en CO₂ aan het water worden toegevoegd. Ook moet de optimum watertemperatuur zoveel mogelijk worden gehandhaafd. Dat is in open bassins soms lastig te bereiken. Om goedkoop aan CO₂ te komen is een aantal startups voor de productie van algenolie in de buurt van een elektriciteitscentrale of andere industrie, die veel CO₂uitstoot, gebouwd.^[4].

Fotobioreactoren: De fotobioreactorenkunnen meters hoog worden opgebouwd mits ervoor wordt gezorgd dat ze voldoende belicht worden. Een goede belichting van de algen maakt het ook nodig dat het water binnen de buizen of zakken in beweging is. Verder moeten ook hier voortdurend nutriënten en CO₂ worden toegevoegd. Per volume-eenheid water is de biomassaproductie in bioreactoren gemiddeld 13 keer hoger dan in open bassins^[2].
Daar de microalgen in bioreactoren in een 30 keer hogere dichtheid per eenheid water aanwezig zijn is het oogsten hier veel goedkoper dan in open bassins^[2]. Een belangrijk nadeel van fotobioreactorenwaren eerder de hoge investeringskosten, ten opzicht van open bassins. In 2009 bedroeg de investering, voor een fotobioreactor nog US$ 1,5 miljoen per ha, die van een open bassin US$ 150.000 per ha ^[5]. Inmiddels lijkt dat verschil veel kleiner of zelfs verdwenen. Zo kan Algesol nu fotobioreactoren plaatsen voor US$ 52.000 (€ 46280) per ha ^[4]. Een kostenpost in warme gebieden blijft nog wel de noodzaak tot koeling bij hoge buitentemperaturen.

Fermentatie tanks: Het bedrijf TerraVia (voorheen Solazyme), in Californie, USA, teelt algen in ’t donker in fermentatietanks. Als voedsel krijgen de -genetisch gemodificeerde- algen suiker. Deze suiker wordt omgezet in olie, eiwit en talrijke andere stoffen. TerraVia was het eerste bedrijf in de USA dat met commerciële micro-algenteelt begon. Het verkocht in 2009 al 20.000 gallons (76.000 liter algenolie aan de US Navy.^[6].

Oogst

Het oogsten van microalgen vormt een belangrijke kostenpost bij de productie van biodiesel en bio-ethanol, namelijk 20-30% van de totale productiekosten, als in open bassins wordt geproduceerd. De oorzaak is vooral de geringe dichtheid van de algensuspensie, 0,2 – 0,5 g droge stof/L, bij de oogst. De oogstkosten bij de productie in fotobioreactoren zijn veel lager omdat hierbij de biomassa 30x zo geconcentreerd is dan in open bassins ^[2]. Het oogsten vraagt vooral veel energie. Als regel worden combinaties van oogstmethoden gehanteerd. Een veel gebruikte oogstgang is de volgende: het bewerkstelligen van vlokvorming van de algen door middel van toevoeging van organische of anorganische stoffen; de algenvlokken worden vervolgens naar de oppervlakte of naar de bodem van het bassin gedirigeerd, vanwaar ze door middel van centrifugatie of filtratie worden geoogst en ontwaterd ^{[ 6b,6c ]}. Er vindt nog veel onderzoek plaats naar verbetering van oogstmethoden om de oogstkosten verder te reduceren. Waarschijnlijk beschikken sommige bedrijven over efficiëntere (gepatenteerde) oogstmethoden dan die in de literatuur worden genoemd.

Extractie van olie

Om olie uit de algen te halen moeten de celwanden van deze eencellige organismen eerst worden gebroken. Dit is lastig omdat de wanden sterk elastisch zijn. Door de droge algen te persen kan ca. 75% van de olie worden geoogst. Door de algen vervolgens met een oplosmiddel, bv. hexaan te mengen kan 95% van de olie worden vrijgemaakt^[7]. Daar het drogen van de algen relatief duur is, zijn methoden gezocht en gevonden om de olie uit natte algen te halen. Dit kan bijvoorbeeld door de celwanden van de algen met akoestische golven te breken^[8], of door middel van ‘hydrothermalliquefaction’, een combinatie van hoge temperatuur en hoge druk,^[9]waarna de olie vrijkomt. In de USA zijn verschillende bedrijven bezig met onderzoek om de extractie van olie uit algen goedkoper te maken. Vervolgens moet de ruwe olie worden geraffineerd tot biodiesel, bio-benzine en bio-kerosine.

Bio-ethanol

Algen kunnen op twee manieren worden gebruikt voor de productie van ethanol. Er zijn algensoorten, de zogenaamde blauwalgen of cyanobacteriën, die -na genetische modificatie- tijdens hun groei direct alcohol kunnen maken. Daarnaast kan van het restant biomassa van algen, waaraan de olie is onttrokken, via gisting ethanol worden geproduceerd. Er is in de USA een tweetal bedrijven, Algenol en JouleUnlimited, dat gebruik maakt van genetisch gemodificeerde blauwalgen, cyanobacteriën, om met een gepatenteerde technologie ethanol te produceren^[10,11]Algenol doet dat in gesloten, verticaal opgehangen zakken van doorzichtig plastic gevuld met zout water, in de buitenlucht, op niet voor de landbouw bruikbare grond. CO₂ wordt toegevoerd vanaf een nabijgelegen elektriciteitscentrale. De ethanol wordt verder gezuiverd tot biobrandstof. Uit de biomassa worden lipiden en vetzuren geëxtraheerd die onder meer in biodiesel worden omgezet.
Ook wordt onderzocht of er andere waardevolle chemicaliën uit de algen kunnen worden gehaald. Op een oppervlak van 4 acres (1,6 ha) heeft Algenol op hun proefbedrijf in Florida in 2013 een productie van 8000 gallons (30.400 L) biobrandstof per acre (0,4 ha) per jaar geproduceerd, tegen een kostprijs van US$ 1.30 per gallon ( € 0,30 /L).
Daarvan was 6800 gallon(25800 L) ethanol en 1200 gallon (4600 L) benzine, biodiesel en vliegtuigbenzine.^[12]8000 gallons biobrandstof per acre is 19x de hoeveelheid ethanol die van 1 acre mais kan worden gehaald^[12]. Plannen van Algenol om over te gaan op grootschalige productie van biobrandstof uit algen zijn in 2015 in de ijskast gezet vanwege de lage olieprijs en de overvloedige productie van brandstoffen^[13]. Kerosine en biodiesel van TerraVia voldoen aan de eisen van de US Navy^[6].

Het bedrijf JouleUnlimited, in Massachusetts, USA, werkt ook met gemodificeerde cyanobacteriën. Men is erin geslaagd om het fotosynthetisch vermogen van deze bacteriën zeer sterk te verhogen. Daardoor kunnen ze -bij een grootschalige opzet- een productie halen van 25.000 gallons (95000 L) ethanol per acre (0,4 ha). Het bedrijf claimt een kostprijs van US$ 1,20 per gallon (€ 0,28 per L) biodiesel en US$ 1,23 per gallon(€ 0,29 per L) ethanol bij grootschalige productie.Zij willen in 2017 beginnen met de bouw van een 1000-acre ( 400 ha) groot productiebedrijf^[11].

Onderzoek

Verschillende universiteiten in de USA en daarvan afgeleide bedrijven richten zich in het consortium NAABB op selectie en genetische modificatie van microalgen om stammen te ontwikkelen met een snellere groei en/of een hoger oliegehalte^[14]. Hetzelfde gebeurt op een aantal particuliere bedrijven, zoals Sapphire Energy in Californië en Renewable Algal Energy in Tennessee.

Deze bedrijven produceren ook olie volgens hun eigen technologie. Sapphire Energy heeft overigens vorig jaar besloten om zich meer te gaan richten op chemische stoffen voor de voedingsindustrie, zoals omega-3 olie, en eiwit^[15].
Hetzelfde geldt voor TerraVia, dat al enkele jaren eerder heeft gediversifieerd, maar zich nu uitsluitend toelegt op olie en eiwitten voor de voedingsindustrie en grondstoffen voor de cosmetische industrie^[15]. Exxon Mobile heeft ook ingezet op algenolie maar na 4 jaar onderzoek (kosten US$ 100 miljoen) heeft men in 2013 besloten ermee te stoppen omdat men van mening was dat het nog wel 25 jaar zal duren alvorens rendabele productie van algenolie mogelijk is ^[16]. Onderzoeksvelden die aandacht verdienen om tot een lagere kostprijs van algenolie te komen zijn: ^[14]

het selecteren van micro-algenstammen met een hoger % olie in de droge stof en het veredelen en genetisch modificeren van stammen om het oliegehalte en de groeisnelheid te verhogen
het verbeteren van de huidige productie- en oogstsystemen
het ontwikkelen van een effectievere olie-extractiemethode
het ontwikkelen van waardevolle stoffen die uit microalgen kunnen worden bereid
ontwikkeling van (chemische) bijproducten naast brandstoffen
het beperken van de benodigde energie bij de productie en verwerking van algen
het terugwinnen van stikstof en fosfaat uit de algen

Op deze terreinen is al veel voortgang geboekt waardoor de kostprijs van algenolie al heel sterk is verlaagd, zoals hieronder is aangegeven. Er lijkt echter nog voldoende potentie aanwezig voor een verder kostprijsverlaging.

Kostprijs

In de USA is in 2009 een consortium van overheids instituten opgericht, universiteiten en verschillende bedrijven, de National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts (NAABB).

Gesubsidieerd door de overheid is op grote schaal onderzoek verricht om de kostprijs van olie uit algen te verlagen.
Kostte in 2009 de productie van ruwe algenolie nog US$ 240 per gallon(€ 56 per liter), in 2013 was dit teruggebracht tot US$ 7,50 per gallon (€ 1,76 per liter)^[14].
Bedrijven als Algenol en Joule Unlimited claimen zelfs een kostprijs van US$ 1,20 – 1,30 per gallon (0,28 – 0,30 per liter) voor zowel ethanol als biodiesel bij grootschalige productie, volgens eigen technologie.^[2]Echter in 2015, met een verzadigde oliemarkt en ruwe olieprijzen onder de US$ 50 valt er blijkbaar toch onvoldoende te verdienen of zijn de afzetrisico’s te groot met bovenstaande kostprijs. Verschillende bedrijven hebben dan ook besloten om voorlopig niet over te gaan tot commerciële productie. Bij een ruwe olieprijs boven ca. US$ 60 per vat, is de productie van algenolie waarschijnlijk wel interessant.

In Europa wordt ook onderzoek verricht naar de teelt van micro-algen om er zoveel- en zo goedkoop mogelijk nutriënten, veevoer, eiwit en brandstof mee te produceren. We zijn hier echter nog niet zo ver als in de USA. Een consortium van 7 West Europese landen, waaronder Nederland, doet onder de naam EnAlgae onderzoek^[17].

In Lelystad gebeurt dit in een open vijver van 1000 m² waar men per jaar een opbrengst haalt van 1538 kg algen droge stof. Bij grootschalige productie met dit systeem komt men tot een kostprijs van biodiesel van € 25 per liter en van bio-ethanol van € 33 per liter. Verder heeft men modelmatig berekend dat fotobioreactoren in de vorm van verticale panelen de laagste kostprijs opleveren, namelijk €4,53 per kg algen droge stof bij een productieomvang van 100 ha. Ook is nagegaan hoe de productieomstandigheden in Lelystad zich verhouden tot die in Sevilla (Spanje) en Willemstad (Curaçao).

Gebleken is dat de kostprijs in Sevilla 62% en op Curaçao 44% bedraagt van die in Lelystad. Dit is vooral een gevolg van meer licht en hogere temperaturen gedurende het jaar in Zuid Spanje en het Caribisch gebied^[18]. Deze cijfers geven wel aan dat West Europa niet bepaald een ideaal gebied is om grootschalig microalgen te telen. Daar komt bij dat de grondkosten in West Europa veel hoger zijn dan in (sub)tropische woestijngebieden in de USA , Zuid Amerika, Afrika en Azië.

Buiten de Verenigde Staten zijn ook enkele bedrijven actief bezig met de productie van biobrandstoffen uit microalgen. Dit zijn onder meer ALga Energy in Spanje, Euglena in Japan, BioFields in Mexico en Muradel in Australië^[4]

Conclusies

Uit micro-algen kan grootschalig zowel biodiesel, benzine, kerosine als ethanol worden gewonnen. Technologisch is hierbij de laatste 10 jaar enorme vooruitgang geboekt, met name in de U.S.A. waar de overheid en ook het bedrijfsleven aanzienlijk hebben geïnvesteerd in algenonderzoek. Bio-kerosine en biodiesel voldoen aan de eisen van de US Navy.

De kostprijs van ruwe algenolie is tussen 2010 en 2015 gedaald van ca. US$ 240 per gallon (€ 63 per liter) naar US$ 7,50 per gallon (€ 1,75 per liter).
Enkele particuliere bedrijven claimen een veel lagere prijs, namelijk een kostprijs van US$ 1,20 – 1,30 per gallon ( € 0,28 – 0,30 per liter) biodiesel of ethanol. De laagste kostprijs wordt bereikt in (sub)tropische gebieden waar zout water en extra CO₂(b.v. elektriciteitscentrale nabij)beschikbaar zijn.

Het klimaat in Nederland is minder geschikt voor de teelt van microalgen. De kostprijs van microalgen bedraagt in het Caribisch gebied minder dan de helft van die in Nederland. Grootschalige productie van microalgen voor brandstofproductie lijkt pas interessant bij een ruwe olieprijs boven US$ 60 per vat.

Meer onderzoek is nodig om de efficiency van productie en olie-onttrekking verder te verhogen. Verder is het gewenst om het energiegebruik bij productie en verwerking te beperken. Dit kan bijdragen aan een verlaging van de oogstkosten. Het ontwikkelen van goedkope methoden om mineralen als stikstof en fosfaat terug te winnen uit de oogstresten is zowel uit economisch- als milieuopzicht gewenst.

^Literatuur