For ICBT WBS 2014, Changsha, China Options for CO2 Bio-utilization Wei Wei, Nannan Sun Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences (SARI-CAS) 2014.09.19 http://www.sari.cas.cn
Options for CO2 Bio-utilization Background
CO2 and Climate Change CO 2 concentration has rapidly increased and led to the climate change.
CO 2 capture, utilization and storage (CCUS) might solve CO 2 problem Source:IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, 2005 Three key technologies:co 2 Capture CO 2 Utilization CO 2 Storage
CCUS Disposition of China Government The related policies and programs from China government 发 布 单 位 发 布 时 间 名 称 国 务 院 2006.02 国 家 中 长 期 科 学 和 技 术 发 展 规 划 纲 要 (2006-2020 年 ) 科 技 部 国 家 发 改 委 外 交 部 教 育 部 等 14 个 部 委 2007.06 中 国 应 对 气 候 变 化 科 技 专 项 行 动 国 务 院 2010.10 国 务 院 关 于 加 快 培 育 和 发 展 战 略 性 新 兴 产 业 的 决 定 科 技 部 2011.07 国 家 十 二 五 科 学 和 技 术 发 展 规 划 国 土 资 源 部 2011.08 国 土 资 源 十 二 五 科 学 和 技 术 发 展 规 划 科 技 部 社 会 发 展 科 技 司, 中 国 21 世 纪 议 程 中 心 2011.09 中 国 碳 捕 集 利 用 与 封 存 (CCUS) 技 术 发 展 路 线 图 研 究 国 务 院 2012.01 十 二 五 控 制 温 室 气 体 排 放 工 作 方 案 科 技 部 外 交 部 发 改 委 教 育 部 工 信 部 等 16 部 委 工 信 部 发 改 委 科 技 部 财 政 部 等 4 部 委 联 合 发 布 2012.05 中 国 十 二 五 应 对 气 候 变 化 科 技 发 展 专 项 规 划 2013.01 工 业 领 域 应 对 气 候 变 化 行 动 方 案 科 技 部 2013.02 十 二 五 国 家 碳 捕 集 与 封 存 科 技 发 展 专 项 规 划 国 家 发 展 和 改 革 委 员 会 2013.02 战 略 性 新 兴 产 业 重 点 产 品 和 服 务 指 导 目 录 国 务 院 2013.03 国 家 重 大 科 技 基 础 设 施 建 设 中 长 期 规 划 (2012-2030 年 ) 国 家 发 展 和 改 革 委 员 会 2013.04 关 于 推 动 碳 捕 集 利 用 和 封 存 试 验 示 范 的 通 知 http://www.sari.cas.cn
Technology Assessment of CO 2 utilization-2013
Urbanization-induced Environment Pollution 120% 100% 80% 86% City 75% Rural area 80% 90% 98% 85% 60% 40% 20% 0% 25% 20% 14% 15% 10% 2% Steel Cement Energy CO2 SO2 COD Emission Soil Degradation Water Pollution
CO2 Bio-utilization CO 2 Biological Utilization: A Two-fold means for Carbon reduction and Environment management
CO2 Bio-utilization: Features CO 2 Bio-utilization Carbon Reduction, Energy Solution, Environment Protection Capacity: 90 million t/a of CO 2 can be used assume bio-fertilizer is applied on 50% of the farmland in China Economic Benefits: Value-added products can be obtained Environmental Benefits: Can be used for waste water treatment, soil refinery, etc. Energy Security: Potential option for oil production
CO2 Bio-utilization at SARI 1. CO 2 fixation by microalgae
CO2 Bio-utilization at SARI 2. Biomass Conversion Biochar 生 物 碳 MW-assisted pyrolysis Non-hydrogen conversion Upgrading Clean carbon 清 洁 碳
Activity of CO 2 Biological Utilization CO 2 Solution: Algea & Biomass Conversion 微 藻 复 垦 土 地 水 系 修 复 微 藻 肥 微 藻 固 碳 微 藻 饲 料 生 物 质 利 用 绿 色 能 源 Integrated Solutions 吸 收 CO 2 良 田 有 机 蔬 菜 优 质 有 机 肥 高 蛋 白 饲 料 绿 色 能 源 / 化 工 环 境 保 护 http://www.sari.cas.cn
Focus - Microalgae & related Biochemical Engineering Sunlight CO 2 Wastewater Microalgae Cultivation Harvest 2 Chemicals Conversion Chemicals Bio-oil Feed Fertilizer Cleanwater
解 决 方 案 和 核 心 竞 争 力 微 藻 - 改 良 土 壤 微 藻 - 化 学 品 生 物 微 藻 肥 改 良 土 壤 生 物 炭 肥 提 高 含 炭 量 将 CO 2 微 藻 生 物 捕 集 与 生 物 基 化 学 品 制 备 的 高 度 耦 合, 对 微 藻 进 行 高 密 度 高 品 质 光 自 养 培 养, 固 定 大 量 工 业 废 气 中 CO 2, 采 收 后 的 藻 体 经 预 处 理 后 制 备 高 品 质 生 物 基 二 元 醇 http://www.sari.cas.cn
Microalgae for Biofertilizer Microalgal Biofertilizer 1 ton of microalgae absorbs 2 tons of CO2 Improve soil quality via organic planting Chemical Fertilizer 1 ton of chemical fertilizer release 2.72 tons of CO2 Degrade soil quality via soil erosion
Sustainable Agriculture based on Microalgae CO 2 +N resources Microalgae Plants& Animals N fixation Treatment N Compounds Organic fertilizer (rich in N,P, K) Microalgae Biofertilizer Improve soil Increase grain output Reduce CO 2 emission Replace Chemical Fertilizer Merits of Microalgae Fertilizer Improve fertility of soil Improve organic matter content of soil constantly Increase product quality Protect environment
Microalgae for Green Agriculture--Algae Species Screening Isolation Cultivation Analysis Native species High Growth rate N-fixation microalgae Screening and high stress resistance Screening and PBR design Screening and genetic modification PBR for High density cultivation
Field Test Lettuce Green Romaine Lettuce Green Romaine was cultivated with different fertilizers, algae with organic fertilizer showed the best result with 17% increase in average individual weight.
Microalgae for Chemicals Hydrothermal Liquefaction of Microalgae to Glycol Hydrothermal Liquefaction of Microalgae for Bio-oil Hydrothermal Liquefaction of Microalgae for Hydrochar
Yield(%) Hydrothermal Liquefaction of Microalgae to Glycol H 2 & Catalyst Sugar(50.1%) T & P Glycol Acetol (%) 1,2PDO(%) EG(%) Total(%) Time(h)
Hydrothermal Liquefaction of Microalgae for Bio-oil Microalgae No. Conversion Rate/% Yield/% HHV(KJ/g) Raw - - 16.11 1 85.36 40.45 24.21 2 77.50 26.36 24.45 3 76.31 23.00 35.81 4 77.45 30.74 27.66 5 82.58 30.62 32.34 6 88.88 25.65 36.78
Microalgae for Wastewater Treatment Wastewater N & P Nutrients for Algae
Distributed Biomass to Oil & Power System---Biomass & Agriculture Wastes Resource utilization of straw converted to bio-oil, bio-gas and bio-carbon and used to supply oil, chemicals and power Bio-carbon used to improve soil - supplement carbon for soil and improve soil fertilization Low-carbon energy supply and improving rural labor to find work locally
Hydrothermal Liquefaction of Microalgae for Hydro-char
纤 维 素 水 热 加 氢 较 好 的 得 到 了 二 醇 类 化 学 品 H 2 O 乙 二 醇 纤 维 素 加 氢 反 应 典 型 产 物 分 析 1,2- 丙 二 醇 丙 三 醇 甘 露 醇 和 山 梨 醇 丁 二 醇 丁 四 醇 http://www.sari.cas.cn
CONCLUSION: eco-ccr -Scenario Analysis in China Shale Gas Coal Nuclear Distributed oil & power system based on biomass Fuel &chemicals production system based on microalgae Biomass Three-dimensional Agriculture based on Microalgae and Soil Improvement System Distributed oil & power system based on biomass Regions that is rich in biomass and straw; eastern regions with high energy demand Three-dimensional Agriculture based on Microalgae and Soil Improvement System northeast/northern regions; salinealkali field in east coast regions; sandy field in northwest regions Fuel &chemicals production system based on microalgae West regions that is rich in coal; east regions with high energy demand
Acknowledgements 战 略 合 作 者 /Strategic Partners 技 术 合 作 者 /Technical Partners 上 海 科 技 大 学 学 术 合 作 者 /Academic Partners Ministry of Science & Technology Natural Science Foundation China Chinese Academy of Sciences Shanghai Government Thanks