Jonathan Trent: Energie uit vlottende buizen met algen

Enkele jaren geleden begon ik na te denken over de mogelijkheid om biobrandstoffen ontwikkelen op een schaal die met fossiele brandstoffen kon concurreren maar niet in concurrentie zou zijn met de landbouw voor water, meststoffen of land.

Dit heb ik gevonden. Maak net onderwater een container en vul die met afvalwater en microalgen die olie produceren. Maak hem van flexibel materiaal dat met de golfslag kan meebewegen. Uiteraard gaat het systeem werken met zonne-energie om de algen te laten groeien. Die verbruiken koolstofdioxide (CO2) en produceren zuurstof (O2) terwijl ze groeien. De algen groeien in een container die zijn warmte afgeeft aan het omringende water. Je kunt ze oogsten en er biobrandstoffen van maken, maar ook cosmetica, kunstmest en veevoeder. Natuurlijk zal dit een groot oppervlak beslaan en moet je rekening houden met andere belanghebbenden als vissers, schepen enzovoort. Maar het gaat over biobrandstoffen. We weten hoe belangrijk een potentiële alternatieve vloeibare brandstof is.

Maar waarom microalgen? Hier zie je een grafiek met de verschillende typen van gewassen waaruit biobrandstoffen kunnen worden gewonnen. Bijvoorbeeld geeft soja 500 liter per hectare per jaar. Je ziet ook zonnebloem, canola, jatropha en palm. Die hoge grafiek toont wat microalgen kunnen opleveren. Microalgen geven tussen 20.000 en 50.000 liter per hectare per jaar vergeleken met de 500 liter per hectare per jaar van soja.

Wat zijn microalgen? Microalgen zijn micro -- dat wil zeggen extreem klein -- zoals je hier kunt zien op een foto van eencellige organismen naast een mensenhaar. Deze kleine organismen bestaan al miljoenen jaren en er zijn duizenden verschillende soorten microalgen in de wereld. Enkele soorten horen tot snelst groeiende planten op de planeet en produceren veel, veel olie.

Maar waarom moet dit buitengaats gebeuren? Het moet in de nabijheid van kuststeden, er is geen keuze, omdat we afvalwater nodig hebben en de meeste zuiveringsinstallaties daar te vinden zijn. San Francisco heeft zo'n 1500 kilometer rioolbuizen onder de stad en loost zijn afvalwater buitengaats. Verschillende steden over de hele wereld behandelen hun afvalwater anders. Sommige steden verwerken het. Sommige steden lozen het gewoon. Maar in alle gevallen is het water dat wordt vrijgegeven perfect geschikt voor de teelt van microalgen. Hoe zou zo'n systeem eruit kunnen zien? Wij noemen het OMEGA, wat een acroniem is voor Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae. (buitengaatse membraanbehuizingen voor de teelt van algen) Bij de NASA moet je goede acroniemen hebben.

Hoe werkt het? Ik liet het al even zien. We pompen afvalwater en CO2 in onze drijvende structuur. Het afvalwater bevat voedingsstoffen om de algen te laten groeien. Ze leggen het CO2 vast dat anders de atmosfeer zou ingaan als broeikasgas. Zonne-energie gebruiken ze om te groeien en de golfslag levert energie voor het mengen van de algen, terwijl de temperatuur zich aanpast aan de temperatuur van het omringende water. De algen produceren zuurstof, maar ook biobrandstoffen, kunstmest, voedsel en andere belangrijke algenproducten.

Het systeem is beveiligd. Wat bedoel ik daarmee? Het is modulair. Als er iets totaal onverwachts gebeurt met een van de modules. Bijvoorbeeld lekken of blikseminslag. Het afvalwater dat weglekt, is water dat nu toch al in die kustgebieden terechtkomt. Daarbij zijn die algen biologisch afbreekbaar. Omdat ze in afvalwater leven, zijn het zoetwateralgen. Ze kunnen niet overleven in zout water. Daar gaan ze dus dood. Met het toegepaste plastic hebben wij goede ervaringen. We zullen onze modules kunnen hergebruiken en herstellen.

Misschien kunnen we zelfs verder gaan dan met dit systeem en methodes bedenken om het zoetwater - dat schaarser gaat worden - in de toekomst te gaan herwinnen.

We moeten ook nadenken over de structuur zelf. Ze biedt een oppervlak voor dingen in zee. Op dit oppervlak kunnen zeewier en andere organismen groeien. Dit zal een verbeterde mariene habitat geven en de biodiversiteit verhogen. Omdat het een buitengaatse structuur is, kan het ook bijdragen aan buitengaatse aquacultuur.

Nu lijkt je dit misschien een prachtig idee en wil je weten wat we kunnen doen om uit te vissen of het werkt. Ik heb laboratoria opgezet in Santa Cruz op de 'California Fish and Game'-faciliteit. Daar hebben we grote zeewatertanks om sommige van deze ideeën uit te testen. Wij zetten ook experimenten op in San Francisco bij een van de drie waterzuiveringsinstallaties, weer een mogelijkheid om ideeën uit te testen. We wilden ook weten wat het effect van deze structuur op het mariene milieu zou zijn. We zetten een veldsite op op een plek genaamd Moss Landing Marine Lab in Monterey Bay, waar we in een haven wilden nagaan welke gevolgen dit zou hebben op mariene organismen.

Het laboratorium in Santa Cruz diende om alles uit te proberen. We kweekten er algen, lasten plastic, bouwden hulpmiddelen en maakten vooral veel fouten, of, zoals Edison zei, we vonden de 10.000 manieren waarop het systeem niet zou werken. We kweekten algen in afvalwater, ontwierpen methodes om vat te krijgen op het leven van algen zodat we hun groei konden controleren. Wat maakt ze gelukkig, hoe zorgen we ervoor dat we een cultuur krijgen die overleeft en gedijt? Het belangrijkste te ontwikkelen onderdeel waren de zogeheten fotobioreactoren of PBRs. Dit waren de op het wateroppervlak vlottende structuren uit goedkoop plastic waarin de algen konden groeien. De meeste ontwerpen vielen enorm tegen. Toen we eindelijk een ontwerp hadden dat werkte, - eentje van een goede 100 liter - schaalden we het op tot 1700 liter in San Francisco.

Ik laat zien hoe het systeem werkt. Wij laten afvalwater met algen van onze keuze circuleren in dit drijvende systeem, een buisvormig, flexibel systeem van plastic. Het circuleert door dit ding, er is zonlicht aan de oppervlakte, en de algen groeien door de voedingsstoffen.

Het lijkt een beetje op je hoofd in een plastic zak steken. Maar algen stikken niet door CO2 zoals wij. Maar algen stikken niet door CO2 zoals wij. Ze kunnen stikken door de zuurstof die ze produceren. Niet echt verstikken, maar de zuurstof die ze produceren kan problemen geven doordat ze de CO2 opgebruiken. Daarom moesten we erachter komen hoe we de zuurstof konden kwijtraken. Dat gebeurde in deze kolom waarin we een deel van het water lieten circuleren. We lieten er CO2 doorheen borrelen voordat we het water terug in het systeem brachten. Hier zie je het prototype van deze kolom. Hier zie je het prototype van deze kolom. Hier de grotere kolom die we vervolgens in San Francisco installeerden. Hier de grotere kolom die we vervolgens in San Francisco installeerden.

Die kolom had nog een andere interessante eigenschap. De algen bezonken in de kolom zodat we de algenbiomassa gemakkelijk konden verzamelen. We verwijderden de algen onderaan in de kolom. Dat lukte door een procedure waarbij we de algen lieten opstijgen. Bovenaan worden ze dan afgeschuimd met een net.

We wilden ook nagaan wat het effect van dit systeem op het mariene milieu zou zijn. Ik vertelde al dat we dit uittesten in Moss Landing Marine Lab. Natuurlijk werd dit materiaal overgroeid met algen en moesten we een schoonmaakprocedure ontwikkelen. We gingen ook na hoe zeevogels en zeezoogdieren erop reageerden. Hier zie je een zeeotter die dit ongelooflijk interessant vond, en zich af en toe een weg baande door dit zwevende waterbed. Misschien kunnen we deze kerel ooit africhten om het oppervlak schoon te maken. Maar dat is voor de toekomst.

We pakten het aan op vier gebieden. We pakten het aan op vier gebieden. Ons onderzoek ging over de biologie van het systeem, over hoe de algen groeiden, maar ook over wat ze aten en wat hen doodde. We deden ingenieurswerk om te begrijpen hoe we een dergelijke structuur konden bouwen, niet alleen op kleine schaal, maar ook op de enorme schaal die uiteindelijk nodig zal zijn. Ik zei al dat we letten op vogels en zeezoogdieren en op de milieu-impact van het systeem. Tot slot bekeken we ook de economie. Wat ik bedoel met economie is de energie die nodig is om het systeem te laten werken. Krijg je meer energie uit het systeem dan je er moet insteken om het systeem te laten werken? Hoe zit het met operationele kosten? Hoe zit het met kapitaalkosten? Hoe zit het met de hele economische structuur?

Ik kan je nu al vertellen dat het niet gemakkelijk zal zijn. Op alle vier gebieden is nog veel werk nodig om het systeem te laten functioneren. Maar we hebben niet veel tijd. Ik wil jullie tonen hoe dit systeem er zal gaan uitzien. We zijn in een beschermde baai ergens in de wereld. Op de achtergrond zie je de afvalwaterzuiveringsinstallatie en een bron van rookgas voor de CO2. Maar uit de economie van dit systeem blijkt dat het moeilijk zal zijn om het te laten werken. Behalve als je het ziet als een manier om afvalwater te behandelen, koolstof vast te leggen en mogelijkheden voor fotovoltaïsche panelen, golfenergie of zelfs windenergie. Als je in termen van integratie van al deze verschillende activiteiten begint te denken, kan je daar ook nog aquacultuur aan koppelen. Eronder zou zich een schelpdierenaquacultuur kunnen bevinden, waar we je mosselen of oesters kan kweken. Je zou er oesters kunnen kweken en hoogwaardige producten en levensmiddelen. Als je het systeem op steeds grotere schaal uitbreidt, kan het uiteindelijk concurreren met het idee dat we het doen voor de brandstoffen.

Een belangrijk punt duikt steeds op. Plastic op zee heeft een echt slechte reputatie en daarom denken we 'cradle to cradle' '('van wieg tot wieg'). Wat gaan wij doen met al dit plastic dat we in ons mariene milieu gaan nodig hebben? Ik weet niet of je er al van op de hoogte bent maar in de velden in Californië wordt een hoop plastic nu als afdekking gebruikt. Dit plastic vormt kleine serres op het oppervlak van de bodem. Dit verwarmt de bodem tijdens het groeiseizoen, houdt ook het onkruid in bedwang en maakt het besproeien veel efficiënter. Het OMEGA-systeem zal hier deel van gaan uitmaken. Als het plastic in het mariene milieu afgedankt wordt, gaan we het hopelijk op de velden kunnen gebruiken.

Waar gaan we het gebruiken en hoe gaat het er op zee uitzien? Hier is een beeld van wat we in San Francisco Bay kunnen doen. San Francisco produceert 250 miljoen liter afvalwater per dag. Met een vijfdaagse retentietijd zal het 1230 miljoen liter moeten bevatten. Dan zou je ongeveer 520 hectare voor deze drijvende OMEGA-modules in San Francisco Bay nodig hebben. Dat is minder dan één procent van de oppervlakte van de baai. Het zou aan 20.000 liter per hectare per jaar meer dan 75 miljoen liter brandstof produceren. Dat is ongeveer 20 procent van de dieselolie die San Francisco zou nodig hebben. En dan hebben we het nog niet over efficiëntie gehad.

Waar kan dit systeem worden ingezet? Er zijn veel mogelijkheden. Natuurlijk in San Francisco Bay. San Diego Bay is een ander voorbeeld, Ook Mobile Bay of Chesapeake Bay. Als de zeespiegel stijgt, gaan er veel meer nieuwe mogelijkheden komen. (Gelach)

Het gaat over een systeem van geïntegreerde activiteiten. Productie van biobrandstoffen is geïntegreerd met alternatieve energie en die is weer geïntegreerd met aquacultuur.

Ik begon met het zoeken naar innovatieve productie van duurzame biobrandstoffen, en onderweg ontdekte ik dat wat echt vereist is voor duurzaamheid, eerder integratie dan innovatie is.

Op lange termijn heb ik veel vertrouwen in onze collectieve en verbonden vindingrijkheid. Ik denk dat er bijna geen limiet is aan wat we kunnen bereiken als we radicaal open zijn en dat het ons niet kan schelen wie de eer krijgt. Duurzame oplossingen voor onze problemen zullen in de toekomst divers zijn en er zullen er veel gaan komen. Ik denk dat we over alles moeten nadenken, alles van alfa tot OMEGA. Bedankt. (Applaus) Chris Anderson: Even een vraagje, Jonathan. Kan dit project bij NASA blijven of heb je een ambitieuzer groenenergiefonds nodig om het aan te pakken? Jonathan Trent: bij NASA is het nu in een fase gekomen dat ze het nu willen uitbreiden naar iets dat buitengaats zou gaan. Het is lastig om het in de Verenigde Staten te doen vanwege beperkte vergunningen en de tijd die nodig is om vergunningen te krijgen om buitengaats dingen te doen. Er moeten nu buitenstaanders bij komen. We zijn radicaal open met deze technologie. We gaan ze lanceren voor iedereen die geïnteresseerd is om ervoor te gaan. CA: Dat is interessant. Je neemt er geen octrooi op. Je publiceert het. JT: Absoluut. CA: Heel hartelijk bedankt. JT: Ik dank je. (Applaus)