წყალმცენარეები – ყველაზე ენერგოეფექტიანი ბიოსაწვავი

ენერგორესურსების დეფიციტის პრობლემა და ამ პრობლემის ალტერნატიული ენერგიის წყაროებით გადაწყვეტის მცდელობა სიახლეს არ წარმოადგენს. ალტერნატიული ენერგიის წყაროებზე გადასვლა განპირობებულია არა მარტო წიაღისეული ენერგორესურსების გაძვირებით, არამედ კლიმატის გლობალური ცვლილების საშიშროებით, რაც ანთროპოგენური ფაქტორებით არის გამოწვეული.

---

თანამედროვე ენერგეტიკის განვითარების ერთ-ერთ მიმართულებას ბიოსაწვავი წარმოადგენს. იგი ბიომასისგან მიიღება და ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული ენერგიის წყაროა სამყაროში. საწვავის წარმოების თანამედროვე ტენდენციების შესწავლისას მეცნიერებმა დაადასტურეს, რომ უახლოეს 20-30 წელიწადში ბიოსაწვავი ენერგიის უალტერნატივო წყარო გახდება და სხვა სახის ენერგომატარებლებს შეცვლის. ამიტომ ბიოსაწვავის ინდუსტრიის განვითარების საკითხი სულ უფრო აქტუალური ხდება. გლობალური ენერგეტიკული და ეკოლოგიური უსაფრთხოების უზრუნველყოფის მიზნით მეცნიერები აქტიურად ცდილობენ დაამკვიდრონ აზრი, რომ აუცილებელია ენერგეტიკის დამოკიდებულება წიაღისეულ საწვავზე შემცირდეს.

ბიოსაწვავის არსებული კლასიფიკაცია დაფუძნებულია გამოყენებული ნედლეულის სახეებზე. პირველი თაობის ბიოსაწვავს განეკუთვნება ბიოსაწავი, რომელიც ადამიანის და ცხოველის საკვებად განკუთვნილი ნედლეულისაგან მიიღება. მეორე თაობას განეკუთვნება ბიოსაწვავი, რომელიც საკვებად გამოუყენებელი ნედლეულისაგან, ტყის, ხის გადამამუშავებელი წარმოების და სასოფლო-სამეურნეო პროდუქტების ნარჩენებისაგან მიიღება. მესამე თაობის ბიოსაწვავს განეკუთვნება ბიოსაწვავი, რომელიც მიკროწყალმცენერეების ბიომასისაგან მიიღება. ამ ნედლეულისაგან ბიოსაწვავის წარმოება გამართლებულია, რადგან წყალმცენარეები სპეციალურად ენერგეტიკული მიზნით გამოყავთ და მას მსოფლიოში განახლებადი წყაროებიდან ბიოსაწვავის მისაღებ პერსპექტიულ ნედლეულად განიხილავენ. ეს პირველ რიგში განპირობებულია წყალმცენარეების სწრაფი გამრავლებით, რაც უხვ ბიომასას გვაძლევს და წელიწადში მოსავლის 40-ჯერ აღების შესაძლებლობას ქმნის. დედამიწაზე ყოველდღიურად წარმოქმნილი ორგანული ნივთიერებების დაახლოებით 80% სწორედ წყალმცენარეებზე მოდის.

წყალმცენარეებისაგან ბიოსაწვავის მიღება ალტერნატიული ენერგეტიკის ერთ-ერთი ახალი მიმართულებაა. უკანასკნელ წლებში ენერგეტიკის ამ დარგისადმი ინტერესი მნიშვნელოვნად გაიზარდა. ეკონომისტების შეფასებით შესაძლებელია 2018 წელს ზღვის წყალმცენარეებისაგან მიღებული ბიომასის მოცულობამ 100 მილიონი დოლარი შეადგინოს.

წყალმცენარეები თავისი ენერგეტიკული დახასიათებით მნიშვნელოვნად აღემატება სხვა დანარჩენ განახლებად ენერგეტიკულ წყაროებს. აშშ-ში ბიოსაწვავის მისაღებად წყალმცენარეები გამოყავთ ღია ტბორებსა და ბიორეაქტორებში.

დიდ ბრიტანეთში 2010 წლის ზაფხულში წყალმცენარეებისგან მიღებული საწვავით თვითმფრინავის პირველი სადემონსტრაციო გაფრენა განხორციელდა. დასავლეთის ქვეყნებში აქცენტი პირველ რიგში უფრო ცხიმიანი წყალმცენარეების გამოსაყვანად კეთდება, რომლებიც უფრო მეტი რაოდენობით ცხიმს და, შესაბამისად, ბიოსაწვავს იძლევა. ზოგიერთი წყალმცენარე მშრალი მასის 80 %-მდე ცხიმს შეიცავს. წყალმცენარეებიდან მიღებული საწვავი თვისებებით ნავთობს არ ჩამოუვარდება. ამასთანავე მისი მიღება დაკავშირებული არ არის ჭაბურღილების მოწყობასთან. მისი გამოყენების შემთხვევაში მწარმოებელი ქვეყნები ეკონომიურად და პოლიტიკურად ნავთობმწარმოებელ ქვეყნებზე დამოკიდებული არ იქნებიან.

სხვა ბიოლოგიურ ნედლეულთან შედარებით წყალმცენარეების ენერგიის წყაროდ გამოყენების მთელი რიგი უპირატესობები არსებობს. მათი წარმოება არ მოითხოვს განსაკუთრებულ ძალისხმევას და ხარჯებს. მიკროწყალმცენარეები იზრდება სწრაფად და დიდი მოცულობის ბიომასას იძლევა მოკლე დროში. ისინი იზრდება როგორც ზღვის, ასევე მტკნარ (როგორც სუფთა, ასევე დაბინძურებულ) წყალში. მათ ჭირდება მხოლოდ წყალი და სინათლე, რაც აუცილებელია ფოტოსინთეზისათვის, ხოლო საკვებად — აზოტი და ფოსფატი, რომელიც ზღვის წყალში საკმარისად არის. წყალმცენარეები იზრდება სწრაფად, ყოველ 48 საათში მოცულობა ორმაგდება.

გამოთვლების თანახმად 1ჰა ფართობი წყალმცენარეებისგან წელიწადში 19 ათასი ლიტრი საწვავის მიღება შეიძლება.

გამომცემლობა ბიოფუელს Biofuels Digest-ის რედაქტორი ჯიმ ლეინი მესამე თაობის ბიოსაწვავს, რომელიც წყალმცენარეებისაგან და სხვა ერთუჯრედიანი ორგანიზმებისაგან მიიღება, ბიოენერგეტიკაში მიმდინარე კვლევებიდან „ყველაზე მღელვარე ექსპერიმენტს“ უწოდებს.

წყალმცენარეებს იაფი და ენერგოეფექტიანი ბიოსაწვავის საწარმოებლად უდიდესი პოტენციალი გააჩნია. წყალმცენარეები აწარმოებენ ლიპიდებს და უჯრედულ ცხიმებს, რომლებიც შესაძლებელია იყოს ექსტრაგირებული და გარდაქმნილი განახლებად საწვავად, მაგალითად ბიოდიზელად ან ავიასაწვავად. ისინი შეიცავენ ლიგნინებს და ცელულოზას, რაც ნედლეულის ბიოსაწვავად გარდაქმნის პროცესს აუმჯობესებს.

წყალმცენარეების ერთ-ერთი უპირატესობა გამოიხატება იმაში, რომ ისინი პრაქტიკულად დანაკარგების გარეშე გამოიყენება. ის, რაც არ ხმარდება ნავთობის და ცხიმის წარმოებას, შესაძლებელია გამოყენებული იქნას ცხოველის საკვებად, ჰიგიენის, კოსმეტიკური პროდუქციის და სხვა საგნების დასამზადებლად. წყალმცენარეებისაგან ასევე იღებენ შაქარს და ცხიმს, რომელიც შესაძლებელია გამოყენებული იქნას სხვადასხვა სახის ბიოსაწვავის მისაღებად, მაგალითად წყალმცენარეებისაგან ანაერობული დუღილის გზით შეიძლება მეთანის, ხოლო დუღილის გზით ეთანოლის წარმოება.

წყალმცენარეების მოყვანის ორი მეთოდი არსებობს – ღია და დახურულ სივრცეში. ღია სისტემას განეკუთვნება ბუნებრივი წყალსაცავები, ტბორები, ხელოვნური აუზები, სადაც მოყავთ მიკროწყალმცენარეები. მათი მოყვანის მოცემული მეთოდები ვერ უზრუნველყოფს მიღებული ბიომასის მაღალ გამოსავლიანობას და სტანდარტულ ხარისხს. არსებობს აგრეთვე მათი პათოგენური მიკროორგანიზმებით დაბინძურების საფრთხე.

დახურული სისტემები წარმოადგენს ბიორეაქტორებს, სადაც ოპტიმალური პირობებია (ტემპერატურა და განათება) და უფრო მეტად პერსპექტიულია მაღალი ცხიმის შემცველი მიკროწყალმცენარეებისაგან ბიომასის მისაღებად.

წყალმცენარეებისაგან ბიოსაწვავის მიღების სამი მეთოდი არსებობს:

1. დაწნეხვა ან ცხიმის გამოყოფა;
2. სელექტიური ექსტრაქცია ზეკრიტიკულ მდგომარეობაში (Su­per­c­ri­ti­cal Fluid Extraction);
3. სელექტიური დაყოფა და გასუფთავება ჰექსანის გამოყენებით (Hexane Sol­vent Oil Extraction).

მწვანე წყალმცენარეები მეტაბოლურად უნივერსალურ ორგანიზმებს წარმოადგენენ და უშუალოდ მზის სხივების მოქმედების ხარჯზე აწარმოებენ განახლებად ბიომასას. მათ შეუძლიათ ცელულოზის, გლუკოზის, პოლიმერის, როგორც საკუთარი უჯრედების კედლების სინთეზირება. აგროვებენ სახამებელს, როგორც სათადარიგო საკვებ ნივთიერებას და ასევე, რაც უფრო მნიშვნელოვანია, აგროვებენ მნიშვნელოვანი რაოდენობის ლიპიდებს და ცხიმოვან მჟავებს, როგორც ენერგიის წყაროს. წყალმცენარეებისაგან მიღებული ცხიმები ქიმიურად ძალიან ჰგავს ზეთოვანი კულტურების პროდუქტებს და გროვდება ტრიაცილგლიცერიდების სახით, რაც წყალმცენარეებში ეკოსაწვავის მომავალი ეკონომიკის ქიმიურ საფუძველს წარმოადგენს. ქიმიური ბუნებით ტრიაცილგლიცერიდები აწარმოებენ მოლეკულას, რომელიც სამი გრძელი ცხიმმჟავა ჯაჭვისაგან შედგება და გლიცერინის ერთ მოლეკულაშია გაერთიანებული. ტრიაცილგლიცერიდები (ცხიმები და ლიპიდები) მარტივი სპირტების და კატალიზატორის თანხლებისას ეთერიფიკაციის პროცესში გარდაიქმნება ცხიმმჟავას რთულ ეთერებად, ცხიმმჟავებად (ბიოდიზელი). რასაც ეწოდება გაეთერების პროცესი, ის სრულდება ან ქიმიურად ტუტე ჰიდროქსიდების, ან ბიოქიმიურად ფერმენტების დახმარებით, რომელსაც ლიპაზა ეწოდება. რადგან ბიოდიზელის ფიზიკურ-ქიმიური თვისებები ძალიან მიმსგავსებულია ნავთობ-დიზელის საწვავთან. წყალმცენარეების ცხიმი ბიოდიზელის წარმოებისათვის ერთ-ერთ ალტერნატიულ წყაროს წარმოადგენს. მისი ერთ-ერთი უპირატესობა გამოიხატება იმაში, რომ კონკურენციას სასურსათო ბაზარს არ უწევს.

ნანოტექნოლოგიებმა შესაძლებელი გახადა არსებითად შეამციროს წყალმცენარეებისაგან ცხიმის მიღების ღირებულება. ცხიმის მიღების ისეთი მარტივი მეთოდები, როგორიცაა გაწურვა და ექსტრაქცია, საწყისი ნედლეულის გამოსავლიდან იძლევა 50%-ზე მეტ საწვავს, მაგრამ ამ ეტაპზე საწვავის ამ გზით წარმოება უფრო ნაკლებრენტაბელურია, ვიდრე ნავთობის მოპოვება და ენერგიის მიღების სხვა მეთოდები. წყალმცენარეებისაგან მიღებული საწვავის ღირებულება შეიძლება არსებითად შემცირდეს იმ შემთხვევაში, თუ წარმოებული ორგანიზმები არ დაიღუპება მათგან ლიპიდების და ცხიმმჟავების გამოყოფისას, არამედ ისინი განაგრძობენ სიცოცხლეს და კვლავ ექნებათ უნარი გამოიმუშავონ ორგანული ნაერთები და მოახდინონ მათი აკუმულირება. ამ ამოცანის განხორციელება შეძლეს აშშ-ს ეიმსი-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის და აიოვას შტატის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა.. (U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory, Iowa Sta­te University). მათ გამოიგონეს ნანონაწილები, რომლებსაც ღრუბლისებრი მეზოფორული სტრუქტურა აქვთ და გააჩნიათ მათგან ცხიმის შეწოვის უნარი წყალმცენარეების დაზიანების გარეშე. ახალ ტექნოლოგიაში ინტეგრირებულია ნანოტექნოლოგიის ქიმიის და კატალიზის მიდგომები. მეზოფორისებური (ნანოზომის ფორები) ნანონაწილები წყალმცენარეების ცოცხალ უჯრედებში ახდენენ ცხიმის ექსტრაგირებას, ხოლო ცხიმის შემდგომი მაღალეფექტიანი გამოყოფისათვის გამოიყენება სპეციალურად გამომუშავებული და დაპატენტებული კატალიზატორი ჩატილინ. ბიო და ნანოტექნოლოგიების გაერთიანებამ მიიღო სახელწოდება ნანოფარმინგ. ახალი მეთოდის დანერგვა სამ ეტაპად განხორციელდება: საწყის ეტაპზე შეირჩევა წყალმცენარეების ის სახეობები, რომელიც კულტივაციისა და ცხიმის წარმოებისათვის ყველაზე მეტად გამოსადეგია. შემდგომ ნანონაწილების და კატალიზური ტექნოლოგიის დახმარებით ხდება ექსტრაქციის ოპტიმიზირება, სისტემიდან ცხიმის გამოყოფა და მისი გადამუშავება ბიოდიზელად. მესამე ეტაპი მოიცავს ტექნოლოგიების მასშტაბურობის გაზრდას და საწარმოო ფორმატში მის უშუალო ტესტირებას.

დღეს მესამე თაობის ბიოსაწვავის წარმოება ექსპერიმენტულ ხასიათს ატარებს. მოსალოდნელია, რომ მალე მათი წარმოება ეკონომიურად რენტაბელური გახდება. მაგალითად იაპონიაში, სადაც ძალიან დიდი რაოდენობის წყალმცენარეები მოყავთ, მათი უტილიზაცია, სანაპიროზე დაგროვება საკმაოდ დიდ პრობლემას წარმოადგენს. იაპონელმა მეცნიერებმა შეიმუშავეს ბიომასის დუღილის ისეთი სისტემა, რომელიც გამოიყენება სანაპიროზე გამორიყული წყალმცენარეების საწვავად გარდასაქმნელად და შემდგომ ელექტროენერგიის მისაღებად. კომპანია Tok­yoGas-მიერ შემუშავებული სისტემის მიხედვით წყალმცენარეებისაგან მიღებული ბიომასის დუღილი მიმდინარეობს მიკროორგანიზმების გამოყენებით, რის შედეგადაც გამოიყოფა მეთანი. მეთანისაგან მიღებული საწვავი მიემართება გაზზე მომუშავე ძრავაში, რომელიც ელექტროგენერატორს ამუშავებს. Tok­yoGas-ის საცდელ სადგურში ამგვარი დანადგარი დღეში ერთ ტონა წყალმცენარეებს გადაამუშავებს, რაც 20 ათასი სმ. მ³ მეთანია. გენერატორის სიმძლავრის ასამაღლებლად წყალმცენარეებისაგან მიღებულ გაზს ურევენ ბუნებრივ გაზს. ამის შედეგად გენერატორის დანადგარი 10 კვტ. ელ. ენერგიას გამოიმუშავებს, რაც დაახლოებით 20 სახლის გასათბობადაა საკმარისი. ბიორეაქტორი, რომელიც გამოიყენება ამ ტექნოლოგიურ ციკლში, გამჭვირვალე კოლბებს წარმოადგენს, რომლებშიც იზრდება და იკვებება წყალმცენარეები. პროცესი საშუალებას იძლევა მივიღოთ სპირტები, ბიოდიზელი, ცხოველებისათვის მაღალხარისხოვანი საკვები პროდუქტი. საწარმოო დანადგარმა შესაძლებელია მოგვცეს დაახლოებით 80ტ/ჰა წყალმცენარეები წელიწადში. პირველი და მეორე თაობის ბიოსაწვავისაგან განსხვავებით წყალმცენარეებისაგან მიღებულ ბიოსაწვავს გააჩნია რიგი უპირატესობები: წყალმცენარეები შეიძლება მოვიყვანოთ როგორც მიწაზე, რომელიც უვარგისია სოფლის მეურნეობის და საკვები პროდუქტების მოსაყვანად, ასევე წყალსაცავებში და ტბორებში. წყალმცენარეების ზოგი სახეობებიდან ბუნებრივი ფოტოსინთეზის მეშვეობით წარმოიქმნება ბიოცხიმები. წყალმცენარეებს ზრდისთვის ესაჭიროებათ ნახშირორჟანგი და უზრუნველყოფენ ატმოსფეროში სათბური გაზების მოცულობის შემცირებას. წყალმცენარეებისაგან წარმოებულ ბიოცხიმს და საბოლოოდ მისგან მიღებულ ბიოსაწვავს ისეთი მოლეკულური სტრუქტურა გააჩნია, რომელიც დღეს არსებული ნავთობის და ნავთობპროდუქტების ანალოგიურია, ეს კი არსებულ სატრანსპორტო ტექნიკასა და ინფრასტრუქტურასთან მის შეთავსებას უზრუნველყოფს. ფოტოსინთეზის გზით მიღებული წყალმცენარეებისაგან მიღებული ბიოცხიმის წარმატებით გამოყენების შემთხვევაში შესაძლებელი გახდება მისი გამოყენება ყველა სახის საწვავის საწარმოებლად (ბენზინი, დიზელის საწვავი და საწვავი რეაქტიული ძრავებისათვის), რომლებიც დღევანდელი პროდუქციის სპეციფიკას ესადაგება.

ბერკლის უნივერსიტეტის (კალიფორნია) სამეცნიერო საბჭოს დასკვნით წყალმცენარეებისაგან ბიოსაწვავის მიღების მეთოდების დამუშავების და გავრცელებისათვის აუცილებელია სულ მცირე ათი წელიწადი. მართალია, დღეს არსებობს კომპანიები, რომლებმაც უკვე მიიღეს წყალმცენარეებთან მუშაობის შედეგად დამაჯერებელი შედეგები, მაგრამ ამ ტექნოლოგიებს დახვეწა და, რაც მთავარია, საწარმოო პროცესის გაიაფება სჭირდება.

იმის გათვალისწინებით, რომ საქართველოში ტბებს, წყალსაცავებს და ზღვის აკვატორიას რამდენიმე ათასი კვადრატული კილომეტრი უჭირავს, ბიოსაწვავის წარმოება წყალმცენარეებისაგან შესაძლოა ჩვენთანაც გახდეს ალტერნატიული ენერგეტიკის დარგში ერთ-ერთი პერსპექტიული მიმართულება.

თამარ შამათავა