Geavanceerd onderzoek naar biobrandstoffen en algen: gericht op de technische capaciteit om tegen 2025 10.000 vaten per dag te produceren

In 2012 publiceerden onderzoekers van MIT, ExxonMobil en SGI een analyse van algenbiobrandstoffen in het intercollegiaal getoetste tijdschrift Environmental Science and Technology. Hierin werd geconcludeerd dat wanneer belangrijke hindernissen worden overwonnen, algenbiobrandstoffen ongeveer 50 procent minder broeikasgasemissies per levenscyclus opleveren dan van aardolie afgeleide brandstoffen. Er is echter een verhit debat gaande in de academische onderzoeksgemeenschap over de koolstofvoetafdruk van de eerste generatie biobrandstoffen, die de EPA definieert als brandstoffen gegenereerd uit eetbare gewassen (zoals maïs). Veel intercollegiaal getoetste artikelen in de wetenschappelijke literatuur suggereren dat de directe broeikasgasemissie tijdens de levenscyclus lager is dan van fossiele brandstoffen, maar dat indirecte gevolgen van de productie van de eerste generatie biobrandstoffen, inclusief veranderingen in bos- en landbouwgrondgebruik, kunnen leiden tot een hogere totale broeikasgasemissie dan van aardolie afgeleide brandstoffen.

Om deze redenen doet ExxonMobil onderzoek naar biobrandstoffen van de tweede generatie om te bepalen hoe deze het beste in onze energietoekomst passen. Tweede generatie biobrandstoffen worden gedefinieerd als brandstoffen geproduceerd uit niet-eetbare gewassen, gewasresten of biologisch gegenereerd gas. Deze brandstoffen doen dus geen beroep op de totale voedsel- of zoetwatervoorziening. Voorbeelden zijn algen, maïsstengels, vingergras of methaan uitgestoten door microbiële activiteit op stortplaatsen.

Onderzoeksportfolio biobrandstoffen

We financieren een brede portfolio van onderzoeksprogramma's voor biobrandstoffen, inclusief onze voortdurende inspanningen op het gebied van algen en programma's voor het omzetten van alternatieve, niet op voedsel gebaseerde biomassa-grondstoffen, d.w.z. biomassa uit cellulose, naar geavanceerde biobrandstoffen. Wij geloven dat ons onderzoek naar algen een van de grootste beloftes biedt voor biobrandstoffen van de volgende generatie, en daarom heeft ExxonMobil honderden miljoenen dollars toegezegd aan algenonderzoek. We werken samen met vooraanstaande onderzoekers en hebben onze portfolio ontworpen om de wetenschap te ondersteunen die volgens ons nodig is om geavanceerde biobrandstoffen met milieuvoordelen te leveren.

Onze geavanceerde onderzoeksportfolio voor biobrandstoffen omvat samenwerkingen voor gezamenlijk onderzoek gericht op biobrandstoffen op basis van algen met Synthetic Genomics, Inc. (SGI), Colorado School of Mines en de staat Michigan. We onderzoeken ook een verscheidenheid aan conversieprocessen voor biomassa die kunnen worden gebruikt met niet op voedsel gebaseerde grondstoffen zoals volledige cellulosemassa, algengrondstoffen en uit cellulose afkomstige suiker. Deze programma's worden momenteel uitgevoerd met de Renewable Energy Group (REG) en de Universiteit van Wisconsin.

Algen voor de productie van biobrandstoffen 

Voordelen van het gebruik van algen

Algen zijn om verschillende redenen een aanzienlijke verbetering ten opzichte van alternatieve biobrandstofbronnen:

• In tegenstelling tot ethanol en biodiesel zijn we voor de productie van algen niet aangewezen op voedselbronnen, waardoor we niet voor het dilemma staan van voedsel versus brandstof.
• Omdat algen kunnen worden geproduceerd in brak water, inclusief zeewater, is de productie ervan minder belastend voor de zoetwatervoorraden dan de productie van ethanol.
• Algen verbruiken CO₂ en hebben op basis van de levenscyclus een veel lager emissieprofiel dan maïsethanol, rekening houdend met de energie die wordt gebruikt om kunstmest te maken, het ethanol te destilleren en het te bewerken en te transporteren.
• Algen kunnen meer biobrandstof per hectare opleveren dan plantaardige biobrandstoffen. Momenteel ongeveer 14.000 liter brandstof per hectare, per jaar. Dat is bijna vijf keer meer brandstof per hectare dan van suikerriet of maïs.

We weten ook dat algen kunnen worden gebruikt om biobrandstoffen te produceren die qua samenstelling vergelijkbaar zijn met de huidige transportbrandstoffen.

Hoe algen groeien

Algen kunnen een diverse en zeer wenselijke bron vormen van de belangrijke hernieuwbare moleculen die kunnen worden gebruikt om biobrandstoffen van de tweede generatie te produceren. Sommige algenstammen kunnen worden geoptimaliseerd om voorlopers van biodiesel te produceren. Andere algenstammen kunnen worden geoptimaliseerd als een bron van fermenteerbare suikers, met samenstellingen die vergelijkbaar zijn met samenstellingen op basis van maïskorrels, die worden gebruikt om biobrandstoffen van de eerste generatie, zoals ethanol, te produceren.

Fundamenteel algenbiologisch onderzoek met Synthetic Genomics

ExxonMobil en SGI voeren een fundamenteel onderzoeksprogramma uit om geavanceerde biobrandstoffen uit algen te ontwikkelen. Met deze gezamenlijke inspanning willen we toewerken naar de technische mogelijkheid om tegen 2025 10.000 vaten algenbiobrandstof per dag te produceren. Onze doelstelling is om geavanceerde biobrandstoffen op basis van algen te ontwikkelen en de beste trajecten te identificeren om deze baanbrekende technologieën beschikbaar te maken voor consumenten. Het programma bouwt voort op de vele inzichten die we hebben verkregen en de vooruitgang die we hebben geboekt sinds we in 2009 onze eerste alliantie met SGI hebben aangekondigd.

Met behulp van geavanceerde celtechnologieën bij Synthetic Genomics heeft het onderzoeksteam van ExxonMobil-Synthetic Genomics recentelijk een algenstam aangepast om het oliegehalte van de algen te verhogen van 20 procent tot meer dan 40 procent. Bekijk de resultaten van het onderzoek in het intercollegiaal getoetste tijdschrift Nature Biotechnology. 

Onderzoekers van het laboratorium van Synthetic Genomics in La Jolla hebben een nieuw proces ontwikkeld voor het verhogen van de olieproductie door een genetische schakelaar te identificeren die kan worden aangepast om de omzetting van koolstof in olie in de algensoort Nannochloropsis gaditana te reguleren. Het team heeft een 'proof-of-concept'-aanpak ontwikkeld met als resultaat dat de algen hun lipidenfractie van cellulaire koolstof verdubbelen in vergelijking met de oorsprong, terwijl de groei behouden blijft.

"Deze belangrijke mijlpaal in ons geavanceerde biobrandstoffenprogramma bevestigt onze overtuiging dat algen ongelooflijk productief kunnen zijn als een hernieuwbare energiebron met een overeenkomstige positieve bijdrage aan ons milieu," aldus Vijay Swarup, vice-president voor onderzoek en ontwikkeling bij ExxonMobil Research and Engineering Company. "Onze samenwerking met Synthetic Genomics blijft een belangrijk onderdeel van ons bredere onderzoek naar technologieën met een lagere uitstoot om het risico op klimaatverandering te verminderen."

Algen worden beschouwd als een mogelijke duurzame brandstofoptie, maar onderzoekers zijn er het afgelopen decennium niet in geslaagd een soort met een hoog oliegehalte en snelle groei te ontwikkelen - twee kritieke eigenschappen voor schaalbare en kostenefficiënte olieproductie. Eerdere pogingen om het productievolume van algenolie te vergroten, hadden als bijwerking dat de groei vertraagde. 

Een belangrijk doel van de samenwerking tussen ExxonMobil en Synthetic Genomics was het verhogen van het vetgehalte van algen, terwijl de zetmeel- en eiwitcomponenten werden verlaagd zonder de groei van de algen te remmen. Het beperken van de beschikbaarheid van voedingsstoffen, zoals stikstof, is een manier om de olieproductie in algen te verhogen, maar het kan ook de fotosynthese verminderen of zelfs stoppen, waardoor de algengroei en uiteindelijk het geproduceerde olievolume wordt belemmerd.

De mogelijkheid om de groei te ondersteunen en tegelijkertijd het oliegehalte te verhogen, is een belangrijke vooruitgang. Algen hebben andere voordelen ten opzichte van traditionele biobrandstoffen omdat ze kunnen groeien in zout water en gedijen in barre omgevingscondities, waardoor de druk op voedsel en zoetwatervoorraden wordt beperkt.

Olie uit algen kan mogelijk ook worden verwerkt in conventionele raffinaderijen, waarbij brandstoffen worden geproduceerd die niet anders zijn dan handige, energiedichte diesel. Olie geproduceerd uit algen is ook veelbelovend als een potentiële grondstof voor de chemische productie.

Sinds 2009 zijn ExxonMobil en Synthetic Genomics partners in onderzoek naar en ontwikkeling van olie uit algen voor gebruik als een hernieuwbaar alternatief met minder uitstoot dan traditionele transportbrandstoffen. Swarup zegt dat, hoewel de doorbraak een belangrijke stap is, het nog jaren zal duren voordat de technologie beschikbaar is voor de commerciële markt.

De onderzoeksuitdaging

We worden geconfronteerd met een aantal belangrijke technische obstakels die de productie van algenbiobrandstoffen op commerciële schaal vooralsnog in de weg staan. Om deze uitdagingen te overwinnen, proberen we enkele fundamentele vragen te beantwoorden, zoals:

• Waarom gebruiken algen een relatief kleine hoeveelheid beschikbare lichtenergie?
• Welke hulpmiddelen kunnen worden gebruikt om de efficiëntie van het lichtgebruik van algen te verbeteren en om de productie-eigenschappen te verbeteren?
• Hoe ontwikkel je een organisme dat aanzienlijk meer bio-olie zal produceren?

De centrale uitdaging is dat algen van nature aanzienlijk meer licht oogsten dan ze effectief kunnen omzetten in biobrandstoffen. Slechts een vaste hoeveelheid licht raakt het oppervlak van een vijver en ons doel is dat de algen dit licht zo efficiënt mogelijk gebruiken. De hoeveelheid verspild zonlicht varieert sterk, afhankelijk van de algensoort en de groeiomstandigheden, maar kan oplopen tot 80 procent of meer. ExxonMobil en SGI doen fundamenteel onderzoek om de hoeveelheid verspild zonlicht te verminderen en de biomassaproductiviteit te verhogen door de fotosynthetische efficiëntie van individuele algencellen te verbeteren. Om dit doel te bereiken, werkt het SGI-team aan de ontwikkeling van algencellen die alleen de hoeveelheid licht absorberen die ze effectief kunnen gebruiken.

Onderzoek naar en ontwikkeling van algenbiobrandstoffen is een langdurig proces. We hebben veel geleerd sinds ExxonMobil en SGI zijn begonnen met samenwerken, en we breiden de onderzoeksmethoden, vaardigheden en inzichten uit die nodig zijn om de technische obstakels te overwinnen.

De uitdaging van de schaal

Volgens Swarup: “Weten we dat bepaalde soorten algen bio-oliën produceren. De uitdaging is om algen te vinden en te ontwikkelen die op een kostenefficiënte basis op grote schaal bio-oliën kunnen produceren.”

Er is een aanzienlijke hoeveelheid algen nodig om voldoende brandstof te produceren om zelfs aan een klein deel van de vraag naar brandstof voor wegtransport in de VS te voldoen. Bevolking en economieën zullen blijven groeien, samen met de vraag naar energie en CO₂-emissies. Bij ExxonMobil erkennen we dat een geïntegreerde reeks oplossingen nodig is om de efficiëntie te verhogen, het aanbod uit te breiden en de emissies te verminderen. Doorbraken in de technologie zullen van cruciaal belang zijn en biobrandstoffen op basis van algen kunnen bijdragen aan deze reeks oplossingen.

Het uiteindelijke doel is om bio-oliën uit algen te laten verwerken in onze raffinaderijen ter aanvulling van de levering van conventionele benzine, diesel, vliegtuigbrandstoffen en scheepvaartbrandstoffen.

Hoe ziet de toekomst van geavanceerd onderzoek naar biobrandstoffen eruit?

ExxonMobil is bezig met een breed scala van onderzoek naar geavanceerde biobrandstoffen, in samenwerking met universiteiten, overheidslaboratoria en andere bedrijven. De wereldwijde vraag naar transportgerelateerde energie zal tot 

2040 naar verwachting met ongeveer 25 procent toenemen en een versnelde reductie van emissies door de transportsector zal een cruciale rol spelen bij het verminderen van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen.

ExxonMobil doet ook actief onderzoek naar andere technologieën voor het verlagen van emissies, waaronder CO_2-opvang en opslag. In 2016 kondigde ExxonMobil een samenwerking aan met FuelCell Energy, Inc. in Connecticut om het gebruik van carbonaatbrandstofcellen te bevorderen. Hiermee worden CO_2-emissies van energiecentrales economisch vastgelegd en wordt tegelijkertijd waterstof en extra elektriciteit gegenereerd. Sinds 2000 heeft ExxonMobil ongeveer $ 8 miljard uitgegeven om energie-oplossingen met lagere emissies te ontwikkelen en in te zetten in zijn activiteiten.

Dit traject vergt een aanzienlijke investering van tijd, geld en wetenschappelijke expertise om de aanzienlijke uitdagingen bij de ontwikkeling van economische, grootschalige geavanceerde biobrandstoffen aan te pakken. Daarnaast is succes moeilijk te voorspellen en hangt dit rechtstreeks af van het tempo van technologische innovatie. Het kan tientallen jaren duren voordat de productie van geavanceerde biobrandstoffen een wezenlijke bijdrage kan leveren aan de sector voor transportbrandstoffen.

Als onderdeel van onze bredere portfolio van onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma's voor biobrandstoffen buiten de algen evalueren we voortdurend wat de beste mogelijkheden zijn om ons onderzoek naar algenbiologie voort te zetten.

Cellulosisch onderzoek met REG

ExxonMobil heeft een overeenkomst met Renewable Energy Group (REG) ondertekend om onderzoek te doen naar de productie van biodiesel door hernieuwbare cellulosesuikers te fermenteren uit bronnen zoals landbouwafval. REG heeft een gepatenteerde technologie ontwikkeld waarbij microben tijdens een fermenteringsproces bestaande uit één stap suikers omzetten in biodiesel, vergelijkbaar met de productie van ethanol. Het onderzoek van ExxonMobil en REG Life Sciences richt zich op het gebruik van suikers uit andere bronnen dan voedselbronnen. 

REG kent een lange geschiedenis van innovatie in de productie van geavanceerde biobrandstoffen uit afvalstoffen met een laag koolstofgehalte. Met het onderzoek gaan de twee bedrijven de uitdaging aan om hernieuwbare cellulosesuikers te fermenteren die meerdere soorten suikers bevatten, waaronder glucose en xylose, maar ook onzuiverheden die de fermentering kunnen remmen. 

Onze eerste uitdaging is om de technische haalbaarheid en potentiële milieuvoordelen te bepalen tijdens het initiële onderzoek. Als de resultaten positief zijn, kunnen we de volgende stap zetten en bepalen hoe we het onderzoek kunnen uitbreiden en de schaalbaarheid kunnen vergroten.