O wykorzystywaniu odnawialnych źródeł energii jest coraz głośniej, m.in. za sprawą przyjętego w 2008 roku przez Unię Europejską planu „20-20-20”. Według niego, do 2020 r. emisja CO2 ma zmniejszyć się w porównaniu do roku 1990 o 20 proc. W tym samym okresie udział energii odnawialnej powinien zwiększyć się o 20 procent. O 20 procent  ma wzrosnąć także efektywność energetyczna.

Niemcy w czołówce

Realizacja tego planu sprawiła, że widoczny jest znaczny postęp w zakresie wykorzystania odnawialnych źródeł energii w UE. Od 2005 roku ich udział w bilansie energetycznym Wspólnoty wzrósł z 8,5 do 12,4 proc. Ten wzrost był i jest możliwy dzięki coraz większemu zaangażowaniu poszczególnych państw w realizację konkretnych projektów, w których wykorzystywana jest ta energia.

Coraz bliżej 20 procent udziału energii odnawialnej w ogólnym bilansie energetycznym państwa są Niemcy. A wszystko za sprawą wdrażania tutaj w życie coraz odważniejszych i, nierzadko, pionierskich rozwiązań. Jednym z nich jest właśnie kończony dom w Hamburgu, któremu energię będą dostarczać… algi. Zero energetyczny budynek BIQ, zaprojektowany przez architektów z grupy Splitterwerk, będzie pierwszym obiektem wykorzystującym glony jako źródło energii.

Architekci, we współpracy z Colt International, Arup. i SSC, zaprojektowali żyjącą fasadę, która składa się z bio-reaktywnych szklanych żaluzji wypełnionych glonami. Takie żaluzje chronią algi przed warunkami zewnętrznymi i tworzą swoisty mikroklimat, dzięki któremu się rozmnażają.

Energia i wytchnienie

W takiej „żaluzyjnej” konstrukcji bioreaktory przechwytują ciepło wytwarzane przez mikroglony w procesie fotosyntezy i zamieniają je w energię, która zasila budynek. W tych swoistych bioreaktorach powstaje również biomasa, która także może być wykorzystana do zasilania budynku w energię.

Skąd wziął się pomysł na algi jako źródło energii? Najogólniej mówiąc, z obserwacji natury. Są to mikroorganizmy o zdolnościach fotosyntetyzujących, które bardzo szybko rosną i nie  wymagają hodowli. W odpowiednich warunkach mogą one przekształcać energię słoneczną efektywniej niż zaawansowane panele słoneczne, podwajając swoją masę kilkukrotnie w ciągu dnia.  Poza tym biomasa z alg jest jednym z najbardziej obiecujących źródeł energii organicznej, głównie ze względu na fakt, że jest odnawialna.

Efekty pracy glonów poznamy już niebawem. Jak podkreślają twórcy hamburskiego budynku, wykorzystanie procesów biochemicznych do stworzenia „żywych” żaluzji jest bardzo innowacyjne. Dzięki nim budynek będzie generować energię odnawialną oraz zapewni cień w jego wnętrzu w słoneczne dni, a także będzie przyciągał oko ze względu na ciekawą architektonicznie bryłę i żywy, dosłownie i w przenośni, zielony kolor.

Kolejny do realizacji?

Może niebawem zostanie zrealizowany kolejny budynek zasilany glonami? Pod koniec ubiegłego roku studenci z Uniwersytetu w Cambridge, otrzymali pierwszą nagrodę na 3. Międzynarodowej Konferencji CIB: Smart and Sustainable Built Environments, za ich koncepcje „AlgaeHouse” - domu zasilanego glonami - będącego przykładem budynku zero energetycznego, który dodatkowo pochłania dwutlenek węgla z atmosfery.

Ich projekt to rozwiązanie stylowe i nowoczesne. Charakterystyczne dla domu ich pomysłu jest panoramiczne okno, ustawione pod kątem, które „uzbrojone” jest w dziesiątki rurek z glonami. Zostały one wyselekcjonowane pod względem efektywności fotosyntezy. Glony, pozbawione siarki, wytwarzają wodór, który może być podawany do komórki paliwowej i służyć do przetworzenia na energię elektryczną.

Fosa niczym lustro

 Algi wytworzą jak najwięcej  wodoru, gdy zapewnimy im stałą temperaturę, a tę można osiągnąć  dzięki wykorzystaniu „fosy” odbijającej światło słoneczne od lustra wody, w zależności od pory roku. Latem, kiedy słońce jest najwyżej, dużo światła słonecznego jest uwięzione pod powierzchnią wody, gdzie promieniowanie podczerwone, które niesie większość energii cieplnej, jest absorbowane.

Następuje filtrowanie światła, które następnie dociera do glonów. W miesiącach zimowych kąt padania promieni słonecznych jest mniejszy, tym samym algi w lepszy sposób korzystają z maksymalnej ekspozycji na ciepło bezpośrednich promieni słonecznych i światła odbitego od powierzchni fosy.

Posiłek dla glonów

Glony nie są w stanie produkować wodoru przez dłuższy okres. Jednak i na to młodzi naukowcy z Cambridge znaleźli sposób – wykorzystanie produktów ubocznych w celu optymalizacji produkcji energii. Np. innym źródłem wodoru podczas procesów zachodzących w reaktorze katalitycznym mogą  być tzw. nieproduktywne glony, jak i glony „wysuszone”, w których znajdują się lipidy, czyli cząsteczki służące do magazynowania energii.

Ta specyficzna biomasa glonów, która w przeciwnym wypadku byłaby odpadem, w systemie może być poddawana beztlenowej fermentacji i przekształcana w biogaz służący do ogrzewania wody. System korzysta także z innych odpadów jako wkładu do produkcji energii: „szarej wody” z łazienki oraz dwutlenku węgla z procesu ogrzewania i innych systemów domowych. Są one syntetyzowane w składniki odżywcza dla dalszej hodowli glonów.

Ten zamknięty system biologiczny jest w stanie produkować 4100 kWh rocznie, co, zdaniem  młodych twórców, wystarczy do zasilania skromnego dwuosobowego gospodarstwa domowego z wszystkimi standardowymi urządzeniami elektronicznymi.

Energia w skali mikro

Gdy jedni już kończą budowę domu, który w energię zasilą algi, a drudzy myślą o optymalizacji tej metody, inni chcą ją wykorzystać do produkcji… światła. Np. wśród urządzeń zasilanych energią słoneczną są również lampy. Dzięki słońcu mogą one działać niezależnie od dostępności sieci energetycznej. Niebawem do nich mogą dołączyć i te lampy, gdzie nie słońce, ale algi będą źródłem energii.

Gdy rozejrzymy się wokoło, to na pewno zobaczymy jakieś rośliny z zielonymi liśćmi. Zielony kolor to zasługa chlorofilu odpowiedzialnego za absorpcję światła. Dzięki niemu rośliny, czy bakterie mogą produkować niezbędną energię.

Zjawisko to postanowił wykorzystać francuski biochemik Pierre Calleja, który wpadł na pomysł lampy zasilanej algami. Jest to znacznych rozmiarów szklana rura z wodą, w której umieszczono glony. Pod wpływem światła i w obecności dwutlenku węgla glony wytwarzają energię. Ta z kolei magazynowana jest przez akumulatory lampy.

Alternatywne paliwo

Algi szybko rosną, zawierają więcej cukru niż tradycyjne zboża, co pomaga przy fermentacji, a żywią się CO2, na którego brak nie możemy narzekać. Wprawdzie wymagają dużo światła, ale nie potrzebują wiele wody – dlatego hodowlę można prowadzić np. na pustyni. Algi coraz częściej traktowane są jako alternatywa dla paliw kopalnianych. Specjaliści uważają, że te jednokomórkowce niebawem zrewolucjonizują światowy rynek energii.

Mikroalgi są organizmami niewielkimi, o wielkości od 2 do kilkudziesięciu mikrometrów (1000 mikrometrów to 1 mm). Mogą żyć w dużych skupiskach i, dzięki fotosyntezie, mogą przekształcać energię ze słońca. Ich zaletą jest m.in. to, że potrafią w sobie kumulować tłuszcze, które stanowić mogą nawet ponad 50 proc. ich masy. Z takich lipidów już produkuje się biopaliwa, stosowane jako paliwo lotnicze w amerykańskich siłach zbrojnych.

Obrotowy prostopadłościan

Duże możliwości energetyczne i absorbcyjne alg  powodują, że celem postawionym przez naukowców na całym świecie jest opracowanie taniej, wydajnej i szybkiej metody produkcji alg. Polska nauka nie pozostaje w tych  działaniach w tyle.

M.in. doktoranci z Instytutu Oceanografii Uniwersytetu Gdańskiego zaprojektowali fotobioreaktor do hodowli alg. Urządzenie opracowane przez Natalię Kujawską i Szymona Talbierza z UG pozwala na szybki wzrost biomasy mikroalg nie tylko w skali laboratoryjnej, ale również przemysłowej dzięki  mechanizmowi, który będzie kierował się w stronę słońca jak słonecznik. Wynalazek ten zwyciężył w konkursie posterowym na międzynarodowej konferencji Bioconnect 2012 w Poznaniu.

Fotobioreaktor ma zapewniać algom optymalne warunki do życia i namnażania się. Zwykle jest to płytkie naczynie, które może być wyposażone w czujniki temperatury, pH, stężenia tlenu i dwutlenku węgla. Urządzenie składa się m.in. ze szklanego prostopadłościennego naczynia umieszczonego na metalowej ramie. Wyposażone  jest ono w czujnik kąta promieniowania słońca i tak jak słonecznik podąża od świtu do zmierzchu za słońcem, dzięki temu hodowane organizmy otrzymują dużo światła.

Surowiec dla biogazowni

Z kolei inni polscy naukowcy z Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie prowadzą prace nad możliwością produkcji energii elektrycznej i cieplnej w mini elektrowniach instalowanych w domach. Surowcem energetycznym mają być właśnie glony. Projekt finansowany jest z programu unijnego Innowacyjna Gospodarka. Szacowany koszt przedsięwzięcia to ok. 40 mln zł. Prace mają się zakończyć w bieżącym roku.

Głównym celem badaczy jest stworzenie takich warunków, w których będzie możliwa produkcja gazu o najwyższej zawartości metanu i wodoru. W Polsce nadal jest niewiele biogazowi, które wykorzystują masę roślinną jako surowiec energetyczny. Tutaj z pomocą mogą przyjść glony. Są wysokoenergetyczne, rosną szybko przy minimalnych wymaganiach środowiskowych oraz stanowią konkurencję dla roślin żywnościowych.

W Polsce, by skorzystać z ich energii, nie trzeba budować specjalnych farm, jak np. w Australii czy USA. Zbiory można by robić w wodach Zatoki Gdańskiej, Zalewu Wiślanego, czy jezior mazurskich. Ich wykorzystanie jako materiału energetycznego byłoby też korzystne dla funkcjonowania ekosystemów wodnych, ponieważ częściowa eliminacja glonów z tych wód poprawiłaby tzw. troficzność oraz warunki bytowe organizmów wodnych oraz jakość wody.

Odnawianie przez rozmnażanie

Jak widać z powyższych przykładów, możliwości wykorzystania alg jako odnawialnego źródła energii jest wiele. Mogą być źródłem energii i ciepła w budynkach zero energetycznych, powodować świecenie lamp, być surowcem dla przydomowych elektrowni, a nawet… poruszać samoloty wojskowe. I jak się wydaje, w przypadku OZE nie powiedziały jeszcze ostatniego słowa.

Wincenty Bryński