وقود الطحالب

الديزل الحيوي هو وقود ديزل مُشتق من الدهون الحيوانية أو النباتية (الزيوت والشحوم). وقد أظهرت الدراسات أن بعض أنواع الطحالب قادرة على إنتاج 60% أو أكثر من وزنها الجاف على شكل زيت. ^{[ 12 ] [ 15 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} ولأن خلايا الطحالب تنمو في معلق مائي، حيث يسهل وصولها إلى الماء، فإن ثاني أكسيد الكربون_٢- بفضل العناصر الغذائية الذائبة، تستطيع الطحالب الدقيقة إنتاج كميات كبيرة من الكتلة الحيوية والزيوت القابلة للاستخدام إما في أحواض الطحالب عالية الإنتاجية ^{[ ٢٨ ]} أوفي المفاعلات الضوئية الحيوية. ويمكن تحويل هذه الزيوت إلىوقود حيوييُباع لاستخدامه في السيارات. وسيُوفر الإنتاج الإقليمي للطحالب الدقيقة ومعالجتها لإنتاج الوقود الحيوي فوائد اقتصادية للمجتمعات الريفية. ^{[ ٢٩ ]}

نظرًا لعدم حاجتها لإنتاج مركبات هيكلية كالسليلوز للأوراق أو السيقان أو الجذور، وإمكانية زراعتها عائمة في بيئة غنية بالعناصر الغذائية، تتميز الطحالب الدقيقة بمعدلات نمو أسرع من المحاصيل الأرضية. كما أنها قادرة على تحويل نسبة أعلى بكثير من كتلتها الحيوية إلى زيت مقارنةً بالمحاصيل التقليدية، على سبيل المثال 60% مقابل 2-3% لفول الصويا. ^{[ 25 ]} ويُقدّر إنتاج الزيت من الطحالب لكل وحدة مساحة بما يتراوح بين 58,700 و136,900 لتر/هكتار/سنة، اعتمادًا على محتوى الدهون، وهو ما يزيد من 10 إلى 23 ضعفًا عن ثاني أعلى محصول إنتاجًا، وهو نخيل الزيت، الذي يبلغ إنتاجه 5,950 لتر/هكتار/سنة. ^{[ 30 ]}

ركز برنامج الأنواع المائية التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ، خلال الفترة 1978-1996، على إنتاج وقود الديزل الحيوي من الطحالب الدقيقة. وأشار التقرير النهائي إلى أن وقود الديزل الحيوي قد يكون الطريقة الوحيدة المجدية لإنتاج كمية كافية من الوقود لاستبدال استهلاك الديزل العالمي الحالي. ^{[ 31 ]} وإذا ما استُبدل الإنتاج العالمي السنوي من الديزل التقليدي، والبالغ 1.1 مليار طن، بوقود الديزل الحيوي المُستخلص من الطحالب، فسيتطلب ذلك مساحة أرضية تبلغ 57.3  مليون هكتار، وهو ما يُعدّ ميزة كبيرة مقارنةً بأنواع الوقود الحيوي الأخرى. ^{[ 32 ]}

يمكن استخدام الطحالب لإنتاج " الديزل الأخضر " (المعروف أيضًا بالديزل المتجدد، أو معالجة الزيوت النباتية بالهيدروجين ^{[ 33 ]} ، أو الديزل المتجدد المشتق من الهيدروجين) ^{[ 34 ]} من خلال عملية تكرير بالمعالجة الهيدروجينية تُفكك الجزيئات إلى سلاسل هيدروكربونية أقصر تُستخدم في محركات الديزل . ^{[ 33 ] [ 35 ]} يتمتع هذا الديزل بنفس الخصائص الكيميائية للديزل المشتق من البترول ^{[ 33 ]،} مما يعني أنه لا يتطلب محركات أو خطوط أنابيب أو بنية تحتية جديدة للتوزيع والاستخدام. إلا أنه لم يُنتج بعد بتكلفة تُنافس تكلفة البترول . ^{[ 34 ]} في حين أن المعالجة الهيدروجينية هي حاليًا الطريقة الأكثر شيوعًا لإنتاج هيدروكربونات شبيهة بالوقود عبر إزالة الكربوكسيل/إزالة الكربونيل، إلا أن هناك عملية بديلة تُقدم عددًا من المزايا المهمة مقارنةً بالمعالجة الهيدروجينية. وفي هذا الصدد، تجدر الإشارة بشكل خاص إلى أعمال كروكر وآخرون ^{[ 36 ]} وليرشر وآخرون ^{[ 37 ]} . في مجال تكرير النفط، تُجرى أبحاثٌ حاليًا لتحويل الوقود المتجدد تحفيزيًا عن طريق إزالة الكربوكسيل . ^{[ 38 ]} ونظرًا لوجود الأكسجين في النفط الخام بنسب منخفضة نسبيًا، حوالي 0.5%، فإن إزالة الأكسجين في تكرير البترول لا تُعدّ مصدر قلق كبير، ولا توجد محفزات مُصممة خصيصًا لمعالجة المركبات المؤكسجة بالهيدروجين. لذا، فإن أحد التحديات التقنية الحاسمة لجعل عملية إزالة الأكسجين بالهيدروجين من زيت الطحالب مجدية اقتصاديًا يرتبط بالبحث والتطوير لمحفزات فعّالة. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

يمكن إنتاج البيوتانول من الطحالب أو الدياتومات باستخدام مصفاة حيوية تعمل بالطاقة الشمسية فقط . يتميز هذا الوقود بكثافة طاقة أقل بنسبة 10% من البنزين، وأعلى من كثافة طاقة كل من الإيثانول والميثانول . في معظم محركات البنزين، يمكن استخدام البيوتانول بدلاً من البنزين دون أي تعديلات. في العديد من الاختبارات، كان استهلاك البيوتانول مماثلاً لاستهلاك البنزين، وعند مزجه مع البنزين، يوفر أداءً أفضل ومقاومةً أعلى للتآكل مقارنةً بالإيثانول أو وقود E85 . ^{[ 41 ]}

يمكن استخدام المخلفات الخضراء المتبقية من استخلاص زيت الطحالب لإنتاج البيوتانول. بالإضافة إلى ذلك، فقد ثبت أن الطحالب الكبيرة (الأعشاب البحرية) قابلة للتخمير بواسطة بكتيريا من جنس كلوستريديا لإنتاج البيوتانول ومذيبات أخرى. ^{[ 42 ]} كما أن عملية الأسترة التبادلية لزيت الأعشاب البحرية (إلى وقود الديزل الحيوي) ممكنة أيضًا باستخدام أنواع مثل شيتومورفا لينوم ، وأولفا لاكتوكا ، وإنتيرومورفا كومبريسا ( أولفا ). ^{[ 43 ]}

يتم التحقيق في الأنواع التالية باعتبارها أنواعًا مناسبة لإنتاج الإيثانول و/أو البيوتانول : ^{[ 44 ]}

• ألاريا إسكولينتا
• لاميناريا ساكارينا
• Palmaria palmata ^{[ 45 ]}

البنزين الحيوي هو بنزين منتج من الكتلة الحيوية . ومثل البنزين المنتج بالطرق التقليدية، يحتوي على ما بين 6 ( الهكسان ) و 12 ( الدوديكان ) ذرات كربون لكل جزيء ويمكن استخدامه في محركات الاحتراق الداخلي . ^{[ 46 ]}

يتكون الغاز الحيوي بشكل رئيسي من الميثان ( CH₄ ₎ وثاني أكسيد الكربون ( CO₂ ₎ ، مع آثار ضئيلة من كبريتيد الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والهيدروجين . تتميز الطحالب الكبيرة بمعدل إنتاج عالٍ للميثان مقارنةً بالكتلة الحيوية النباتية. يُعد إنتاج الغاز الحيوي من الطحالب الكبيرة أكثر جدوى من الناحية التقنية مقارنةً بأنواع الوقود الأخرى، ولكنه غير مجدٍ اقتصاديًا نظرًا لارتفاع تكلفة الطحالب الكبيرة كمادة خام. ^{[ 47 ]} يمكن تحويل الكربوهيدرات والبروتينات الموجودة في الطحالب الدقيقة إلى غاز حيوي من خلال الهضم اللاهوائي، والذي يشمل مراحل التحلل المائي والتخمر وإنتاج الميثان. يمكن أن يؤدي تحويل الكتلة الحيوية للطحالب إلى ميثان إلى استعادة قدر كبير من الطاقة، ولكنه يكون أكثر ربحية عندما يكون محتوى الدهون في الطحالب أقل من 40%. ^{[ 48 ]} ​​يُعدّ إنتاج الغاز الحيوي من الطحالب الدقيقة منخفضًا نسبيًا نظرًا لارتفاع نسبة البروتين فيها، ولكن يمكن هضم الطحالب الدقيقة مع منتجات ذات نسبة كربون إلى نيتروجين عالية، مثل نفايات الورق. ^{[ 49 ]} هناك طريقة أخرى لإنتاج الغاز الحيوي وهي التغويز، حيث يُحوّل الهيدروكربون إلى غاز اصطناعي من خلال تفاعل أكسدة جزئية عند درجة حرارة عالية (عادةً من 800  إلى 1000  درجة مئوية). يُجرى التغويز عادةً باستخدام عوامل حفّازة، بينما يتطلب التغويز غير المحفّز درجة حرارة تصل إلى حوالي 1300  درجة مئوية. يمكن حرق الغاز الاصطناعي مباشرةً لإنتاج الطاقة أو استخدامه كوقود في محركات التوربينات. كما يمكن استخدامه كمادة خام لإنتاج مواد كيميائية أخرى. ^{[ 50 ]}

يمكن إنتاج غاز الميثان، ^{[ 51 ]} المكون الرئيسي للغاز الطبيعي ، من الطحالب بطرق مختلفة، وهي التغويز والتحلل الحراري والهضم اللاهوائي . في طريقتي التغويز والتحلل الحراري، يُستخلص الميثان تحت درجة حرارة وضغط مرتفعين. أما الهضم اللاهوائي ^{[ 52 ]} فهو طريقة مباشرة تتضمن تحلل الطحالب إلى مكونات بسيطة، ثم تحويلها إلى أحماض دهنية باستخدام ميكروبات مثل البكتيريا المنتجة للأحماض، يليها إزالة أي جزيئات صلبة، وأخيرًا إضافة العتائق المنتجة للميثان لإطلاق خليط غازي يحتوي على الميثان. وقد أظهرت العديد من الدراسات بنجاح إمكانية تحويل الكتلة الحيوية من الطحالب الدقيقة إلى غاز حيوي عبر الهضم اللاهوائي. ^{[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]} لذلك، ولتحسين التوازن الطاقي الإجمالي لعمليات زراعة الطحالب الدقيقة، اقتُرح استعادة الطاقة الموجودة في الكتلة الحيوية المهدرة عبر الهضم اللاهوائي إلى ميثان لتوليد الكهرباء. ^{[ 58 ]}

يستخدم نظام Algenol، الذي تقوم شركة BioFields بتسويقه في بويرتو ليبرتاد ، سونورا ، المكسيك، مياه البحر وعوادم المصانع لإنتاج الإيثانول. كما أظهرت طحالب Porphyridium cruentum إمكانية استخدامها في إنتاج الإيثانول نظرًا لقدرتها على تراكم كميات كبيرة من الكربوهيدرات. ^{[ 59 ]}

أجرت شركتا لوفتهانزا وفيرجن أتلانتيك تجارب لاستخدام الطحالب كوقود حيوي منذ عام 2008، على الرغم من قلة الأدلة التي تثبت أن استخدام الطحالب مصدر مناسب للوقود الحيوي للطائرات. [60] وبحلول عام 2015، كان استزراع إسترات ميثيل الأحماض الدهنية والألكينونات ^{من طحالب إيزوكرايسيس} قيد البحث كمصدر محتمل للوقود الحيوي للطائرات . ^{[ 61 ]}

في مايو 2022، أعلن علماء من جامعة كامبريدج عن ابتكارهم جهازًا لحصاد الطاقة من الطحالب، يستخدم ضوء الشمس الطبيعي لتشغيل معالج دقيق صغير ، حيث قام الجهاز بتشغيل المعالج لمدة ستة أشهر في البداية، ثم استمر في العمل لمدة عام كامل. يبلغ حجم الجهاز تقريبًا حجم بطارية AA ، وهو عبارة عن وعاء صغير يحتوي على الماء والطحالب الخضراء المزرقة. لا يُنتج الجهاز كمية كبيرة من الطاقة، ولكنه يُمكن استخدامه في أجهزة إنترنت الأشياء ، مما يُغني عن الحاجة إلى البطاريات التقليدية مثل بطاريات الليثيوم أيون. الهدف هو توفير مصدر طاقة أكثر استدامة بيئيًا يُمكن استخدامه في المناطق النائية. ^{[ 62 ]}

أدى نقص المعدات والمنشآت اللازمة لبدء زراعة الطحالب بكميات كبيرة إلى إعاقة الإنتاج الضخم للطحالب لإنتاج الوقود الحيوي. والهدف هو الاستخدام الأمثل للعمليات والمعدات الزراعية الحالية. ^{[ 81 ]}

تتجنب الأنظمة المغلقة (غير المعرضة للهواء الطلق) مشكلة التلوث بالكائنات الحية الأخرى التي يحملها الهواء. وتكمن مشكلة النظام المغلق في إيجاد مصدر رخيص لثاني أكسيد الكربون المعقم._2. وجد العديد من المجربين أنأول أكسيد الكربون_{يُعدّ استخدام 2} من مدخنة مصنع طريقة فعّالة لزراعة الطحالب. ^{[ 82 ]} ولأسباب اقتصادية، يعتقد بعض الخبراء أن زراعة الطحالب لإنتاج الوقود الحيوي يجب أن تتم كجزء مننظام التوليد المشترك للطاقة، حيث يمكن الاستفادة من الحرارة المهدرة والمساعدة في امتصاص التلوث. ^{[ 83 ]}

لإنتاج الطحالب الدقيقة على نطاق واسع في بيئة خاضعة للتحكم باستخدام نظام المفاعل الضوئي الحيوي، ينبغي دراسة استراتيجيات مثل موجهات الضوء، وجهاز توزيع الضوء، ومواد بناء المفاعل الضوئي الحيوي المطلوبة بعناية. ^{[ 84 ]}

تقوم معظم الشركات التي تسعى إلى استخدام الطحالب كمصدر للوقود الحيوي بضخ المياه الغنية بالمغذيات عبر أنابيب بلاستيكية أو زجاجية من البوروسيليكات (تسمى " المفاعلات الحيوية ") المعرضة لأشعة الشمس (وتسمى المفاعلات الضوئية الحيوية أو PBR). ^{[ 85 ]}

يُعد تشغيل مفاعل حيوي ضوئي أكثر صعوبة وتكلفة من استخدام بركة مفتوحة، ولكنه قد يوفر مستوى أعلى من التحكم والإنتاجية. ^{[ 26 ]} إضافةً إلى ذلك، يمكن دمج المفاعل الحيوي الضوئي في نظام توليد مشترك مغلق الدائرة بسهولة أكبر بكثير من البرك أو الطرق الأخرى.

تتكون أنظمة الأحواض المفتوحة من أحواض بسيطة مدفونة في الأرض، وغالبًا ما يتم خلط المياه فيها بواسطة عجلة مجدافية. تتميز هذه الأنظمة بانخفاض متطلبات الطاقة وتكاليف التشغيل والتكاليف الرأسمالية مقارنةً بأنظمة المفاعلات الضوئية الحيوية ذات الدائرة المغلقة. ^{[ 86 ] [ 85 ]} يستخدم جميع منتجي الطحالب التجاريين تقريبًا، الذين ينتجون منتجات طحالب عالية القيمة، أنظمة الأحواض المفتوحة. ^{[ 87 ]}

جهاز تنقية المياه بالطحالب هو نظام مصمم أساسًا لتنقية المياه من المغذيات والملوثات باستخدام طبقات الطحالب. يحاكي هذا الجهاز طبقات الطحالب في الشعاب المرجانية الطبيعية، حيث يسحب المياه الغنية بالمغذيات من مصادر المياه العادمة أو الطبيعية، ويضخها على سطح مائل. ^{[ 88 ]} يُغطى هذا السطح بغشاء بلاستيكي خشن أو شبكة، مما يسمح لأبواغ الطحالب الموجودة بشكل طبيعي بالاستقرار والاستيطان عليه. بمجرد استقرار الطحالب، يمكن حصادها كل 5-15 يومًا، ^{[ 89 ]} ويمكنها إنتاج 18 طنًا متريًا من الكتلة الحيوية للطحالب لكل هكتار سنويًا. ^{[ 90 ]} على عكس الطرق الأخرى التي تركز بشكل أساسي على نوع واحد من الطحالب عالي الإنتاجية، تركز هذه الطريقة على مزارع الطحالب المتعددة الموجودة بشكل طبيعي. وبالتالي، يكون محتوى الدهون في الطحالب في نظام المعالجة الحرارية المائية عادةً أقل، مما يجعلها أكثر ملاءمةً لإنتاج وقود مُخمّر، مثل الإيثانول أو الميثان أو البيوتانول. ^{[ 90 ]} في المقابل، يمكن معالجة الطحالب المحصودة بعملية التسييل الحراري المائي ، مما يُتيح إنتاج الديزل الحيوي والبنزين ووقود الطائرات. ^{[ 91 ]}

تتميز أنظمة المعالجة الحرارية المائية (ATS) بثلاث مزايا رئيسية مقارنةً بالأنظمة الأخرى. أولها الإنتاجية العالية الموثقة مقارنةً بأنظمة الأحواض المفتوحة. ^{[ 92 ]} ثانيها انخفاض تكاليف التشغيل وإنتاج الوقود. ثالثها القضاء على مشاكل التلوث بفضل الاعتماد على أنواع الطحالب الموجودة طبيعيًا. تبلغ التكاليف المتوقعة لإنتاج الطاقة في نظام ATS 0.75 دولارًا أمريكيًا/كجم، مقارنةً بالمفاعل الضوئي الحيوي الذي تبلغ تكلفته 3.50 دولارًا أمريكيًا/كجم. ^{[ 90 ]} علاوةً على ذلك، ولأن الغرض الأساسي من نظام ATS هو إزالة المغذيات والملوثات من الماء، ولأن هذه التكاليف أقل من طرق إزالة المغذيات الأخرى، فقد يشجع ذلك على استخدام هذه التقنية لإزالة المغذيات كوظيفة أساسية، مع إنتاج الوقود الحيوي كميزة إضافية. ^{[ 93 ]}

في كثير من الأحيان، تُجفف الطحالب، ثم يُستخدم مذيب مثل الهكسان لاستخلاص مركبات غنية بالطاقة، كالدهون الثلاثية، من المادة المجففة. ^{[ 1 ] [ 95 ]} بعد ذلك، يمكن معالجة المركبات المستخلصة وتحويلها إلى وقود باستخدام الإجراءات الصناعية القياسية. على سبيل المثال، تتفاعل الدهون الثلاثية المستخلصة مع الميثانول لإنتاج وقود الديزل الحيوي عبر عملية الأسترة التبادلية . ^{[ 1 ]} يؤثر التركيب الفريد للأحماض الدهنية لكل نوع على جودة وقود الديزل الحيوي الناتج، وبالتالي يجب مراعاته عند اختيار أنواع الطحالب كمادة خام. ^{[ 26 ]}

يستخدم نهج بديل يُسمى التسييل الحراري المائي عملية مستمرة تُعرّض الطحالب الرطبة المحصودة لدرجات حرارة وضغوط عالية - 350 درجة مئوية (662 درجة فهرنهايت) و 3000 رطل لكل بوصة مربعة (21000 كيلو باسكال) . ^{[ 96 ] [ 97 ] [ 98 ]}   

تشمل المنتجات النفط الخام، الذي يمكن تكريره بشكل أكبر ليصبح وقود طائرات أو بنزين أو ديزل باستخدام عملية تحسين واحدة أو أكثر. ^{[ 99 ]} يمكن لعملية الاختبار تحويل حوالي 79% من الكربون الموجود في الطحالب إلى وقود. ^{[ 96 ]}

شركة الفقاعات_٢- يمكن لأنظمة زراعة الطحالب أن تزيد الإنتاجية والمحصول بشكل كبير (حتى نقطة التشبع). عادةً، حوالي ١٫٨ طن منثاني أكسيد الكربونسيتم استخدام ₂ ^{لكل طن من الكتلة الحيوية للطحالب (الجافة) المنتجة، على الرغم من أن هذا يختلف باختلاف أنواع الطحالب. [ 101 ]} يقوم معمل تقطير غلينتوريت فيبيرثشايربترشيحثاني أكسيد الكربون_{يتم إنتاج طنينين من ثاني} أكسيد الكربون أثناء عملية تقطير الويسكي باستخدام مفاعل حيوي للطحالب الدقيقة. يمتص كل طن من الطحالب الدقيقة طنين منثاني أكسيد الكربون._٢- تقوم شركة Scottish Bioenergy، التي تدير المشروع، ببيع الطحالب الدقيقة كغذاء غني بالبروتين وعالي القيمة لمصايدالأسماك. وفي المستقبل،ستستخدم الشركة مخلفات الطحالب لإنتاجطاقة متجددةمن خلالالهضم اللاهوائي. ^{[ ١٠٢ ]}

يُعدّ النيتروجين عنصرًا أساسيًا قيّمًا يُمكن استخدامه في نمو الطحالب. وتتوفر مصادر نيتروجين متنوعة كمغذٍّ للطحالب، بقدرات متفاوتة. وقد وُجد أن النترات هي المصدر المُفضّل للنيتروجين، من حيث كمية الكتلة الحيوية المُنمّاة. أما اليوريا، فهي مصدر متوفر بسهولة ويُظهر نتائج مُقاربة، مما يجعلها بديلًا اقتصاديًا لمصدر النيتروجين في زراعة الطحالب على نطاق واسع. ^{[ 103 ]} وعلى الرغم من الزيادة الواضحة في النمو مُقارنةً بالوسط الخالي من النيتروجين، فقد تبيّن أن التغييرات في مستويات النيتروجين تُؤثّر على محتوى الدهون داخل خلايا الطحالب. في إحدى الدراسات ^{[ 104 ]} ، أدّى حرمان الطحالب من النيتروجين لمدة 72 ساعة إلى زيادة إجمالي محتوى الأحماض الدهنية (لكل خلية) بمقدار 2.4 ضعف. وقد تحوّل 65% من إجمالي الأحماض الدهنية إلى ثلاثي الغليسيريدات في الأجسام الزيتية، مُقارنةً بالمزرعة الأولية، مما يُشير إلى أن خلايا الطحالب استخدمت التخليق الحيوي للأحماض الدهنية. من الضروري أن يكون محتوى الدهون في خلايا الطحالب بكمية كافية، مع الحفاظ على أوقات انقسام الخلايا المناسبة، لذلك يتم البحث في المعايير التي يمكنها زيادة كليهما إلى أقصى حد.

يُعدّ ماء الصرف الصحي الناتج عن معالجة مياه الصرف الصحي، أو مياه الأمطار الزراعية، أو مياه الفيضانات، مصدرًا محتملاً للمغذيات ، وهي جميعها ملوثات رئيسية ومخاطر صحية حاليًا. مع ذلك، لا يُمكن تغذية الطحالب مباشرةً بهذه المياه، بل يجب معالجتها أولًا بواسطة البكتيريا من خلال الهضم اللاهوائي . إذا لم تُعالج مياه الصرف الصحي قبل وصولها إلى الطحالب، فإنها ستلوثها في المفاعل، وستقضي على الأقل على جزء كبير من سلالة الطحالب المرغوبة. في محطات الغاز الحيوي ، غالبًا ما تُحوّل النفايات العضوية إلى خليط من ثاني أكسيد الكربون والميثان والأسمدة العضوية. تكون الأسمدة العضوية الخارجة من الهاضم سائلة، ومناسبة تقريبًا لنمو الطحالب، ولكن يجب تنظيفها وتعقيمها أولًا. ^{[ 105 ]}

يُوصى بشدة باستخدام مياه الصرف الصحي ومياه المحيطات بدلاً من المياه العذبة نظرًا للاستنزاف المستمر لموارد المياه العذبة. مع ذلك، يمكن للمعادن الثقيلة والمعادن النزرة والملوثات الأخرى في مياه الصرف الصحي أن تُقلل من قدرة الخلايا على إنتاج الدهون حيويًا، كما تؤثر على وظائف أخرى في آليات الخلية. وينطبق الأمر نفسه على مياه المحيطات، ولكن بتراكيز مختلفة. لذا، يُعد السماد الزراعي المصدر المُفضل للعناصر الغذائية، إلا أن المعادن الثقيلة تُشكل مشكلة، خاصةً لسلالات الطحالب الحساسة لهذه المعادن. في أنظمة الأحواض المفتوحة، يُمكن استخدام سلالات من الطحالب قادرة على التعامل مع التراكيز العالية من المعادن الثقيلة لمنع الكائنات الحية الأخرى من غزو هذه الأنظمة. ^{[ 79 ]} في بعض الحالات، ثبت أن سلالات من الطحالب قادرة على إزالة أكثر من 90% من النيكل والزنك من مياه الصرف الصناعي في فترات زمنية قصيرة نسبيًا. ^{[ 106 ]}

ركزت معظم الأبحاث في مجال الوقود الحيوي الطحلبي على زراعة نوع واحد من الطحالب الدقيقة، أو ما يُعرف بالزراعة الأحادية. ومع ذلك، أثبتت النظرية البيئية والدراسات التجريبية أن الزراعة المتعددة للنباتات والطحالب، أي مجموعات من أنواع متعددة، تميل إلى إنتاج غلة أكبر من الزراعة الأحادية. ^{[ 121 ] [ 122 ] [ 123 ] [ 124 ]} كما أظهرت التجارب أن المجتمعات الميكروبية المائية الأكثر تنوعًا تميل إلى أن تكون أكثر استقرارًا بمرور الوقت من المجتمعات الأقل تنوعًا. ^{[ 125 ] [ 126 ] [ 127 ] [ 128 ]} ووجدت دراسات حديثة أن الزراعة المتعددة للطحالب الدقيقة أنتجت غلة دهنية أعلى بكثير من الزراعة الأحادية. ^{[ 129 ] [ 130 ]} كما تميل الزراعة المتعددة إلى أن تكون أكثر مقاومة لتفشي الآفات والأمراض، فضلًا عن مقاومتها لغزو النباتات أو الطحالب الأخرى. ^{[ 131 ]} وبالتالي، فإن زراعة الطحالب الدقيقة في نظام الزراعة المتعددة قد لا تزيد فقط من إنتاجية واستقرار إنتاجية الوقود الحيوي، بل تقلل أيضًا من الأثر البيئي لصناعة الوقود الحيوي الطحلبي. ^{[ 110 ]}

من أهم مزايا استخدام الطحالب الدقيقة كمادة خام مقارنةً بالمحاصيل التقليدية سهولة زراعتها. ^{[ 150 ]} إذ يمكن زراعة الطحالب في أراضٍ لا تُعتبر مناسبة لزراعة المحاصيل المعتادة. [80] إضافةً إلى ذلك، فقد ثبت أن مياه الصرف الصحي، التي عادةً ما تعيق نمو النباتات، فعّالة جدًا في زراعة الطحالب. [150] وبفضل ذلك، يمكن زراعة الطحالب ^{دون استغلال الأراضي} الصالحة ^{للزراعة التي تُستخدم} عادةً لإنتاج المحاصيل الغذائية، ما يسمح بتوفير الموارد الأفضل لإنتاج المحاصيل العادية. كما تتطلب الطحالب الدقيقة موارد أقل للنمو، ولا تحتاج إلى عناية كبيرة، ما يجعل نموها وزراعتها عمليةً سهلةً للغاية. ^{[ 80 ]}

تُستخدم العديد من المواد الأولية التقليدية لإنتاج الديزل الحيوي، مثل الذرة وزيت النخيل، كعلف للماشية في المزارع، فضلاً عن كونها مصدراً غذائياً قيماً للإنسان. ونتيجةً لذلك، فإن استخدامها كوقود حيوي يقلل من كمية الغذاء المتاحة لكليهما، مما يؤدي إلى زيادة تكلفة كل من الغذاء والوقود المُنتَج. ويمكن استخدام الطحالب كمصدر للديزل الحيوي للتخفيف من هذه المشكلة بعدة طرق. أولاً، لا تُستخدم الطحالب كمصدر غذائي أساسي للإنسان، مما يعني أنه يمكن استخدامها حصرياً كوقود، وبالتالي سيكون تأثيرها ضئيلاً على صناعة الأغذية. ^{[ 151 ]} ثانياً، يمكن استخدام العديد من مستخلصات المخلفات الناتجة عن معالجة الطحالب لإنتاج الوقود الحيوي كعلف حيواني كافٍ. وهذه طريقة فعالة لتقليل النفايات، وبديل أرخص بكثير من الأعلاف التقليدية القائمة على الذرة أو الحبوب. ^{[ 152 ]}

أثبتت زراعة الطحالب كمصدر للوقود الحيوي فوائد بيئية عديدة، وبرزت كبديل أكثر ملاءمة للبيئة من أنواع الوقود الحيوي الحالية. فهي، على سبيل المثال، تستخدم مياه الجريان السطحي، وهي المياه الملوثة بالأسمدة والمغذيات الأخرى الناتجة عن الزراعة، كمصدر أساسي للمياه والمغذيات. ^{[ 150 ]} وبذلك، تمنع هذه الزراعة اختلاط المياه الملوثة بالبحيرات والأنهار التي تُزودنا حاليًا بمياه الشرب. إضافةً إلى ذلك، فإن الأمونيا والنترات والفوسفات، التي تجعل المياه غير صالحة للشرب عادةً، تُعد مغذيات ممتازة للطحالب، مما يعني الحاجة إلى موارد أقل لزراعتها. ^{[ 80 ]} تتميز العديد من أنواع الطحالب المستخدمة في إنتاج الديزل الحيوي بقدرتها الفائقة على تثبيت ثاني أكسيد الكربون، أي أنها قادرة على امتصاصه من الغلاف الجوي واستخدامه كمصدر للطاقة. ولهذا السبب، وجدت هذه الطحالب استخدامًا في الصناعة لمعالجة غازات المداخن والحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ^{[ 80 ]}

تتطلب عملية زراعة الطحالب الدقيقة كميات كبيرة من المياه. وتشير دراسات دورة الحياة إلى أن إنتاج لتر واحد من وقود الديزل الحيوي المُستخلص من الطحالب الدقيقة يحتاج إلى ما بين 607 و1944 لترًا من الماء. ^{[ 153 ]} ومع ذلك، يمكن نظريًا استخدام مياه الصرف الصحي الوفيرة و/أو مياه البحر ، التي تحتوي أيضًا على عناصر غذائية متنوعة، لهذا الغرض بدلًا من المياه العذبة.

لا تزال تقنية وقود الديزل الحيوي المستخلص من الطحالب حديثة نسبياً. فعلى الرغم من بدء الأبحاث في هذا المجال منذ أكثر من 30 عاماً، إلا أنها توقفت خلال منتصف التسعينيات، ويعود ذلك أساساً إلى نقص التمويل وانخفاض تكلفة البترول نسبياً. ^{[ 19 ]} ولم تحظَ أنواع الوقود الحيوي المستخلص من الطحالب باهتمام يُذكر خلال السنوات القليلة التالية؛ ولم تشهد انتعاشاً إلا مع ذروة أسعار الغاز في أوائل العقد الأول من الألفية الثانية، وذلك في إطار البحث عن مصادر وقود بديلة. ^{[ 19 ]}

أدى الاهتمام المتزايد بزراعة الأعشاب البحرية لعزل الكربون، والحد من التخثث، وإنتاج الغذاء، إلى ظهور مزارع تجارية للأعشاب البحرية منذ عام ٢٠١٧. ^{[ ١٥٤ ]} وسيساهم انخفاض تكاليف الزراعة والحصاد، بالإضافة إلى تطوير الصناعة التجارية، في تحسين الجدوى الاقتصادية للوقود الحيوي المُستخلص من الطحالب الكبيرة. وقد تسبب تغير المناخ في انتشار كثيف لحصائر الطحالب البنية الكبيرة، التي تجرفها الأمواج إلى شواطئ البحر الكاريبي. ويتم التخلص من هذه الحصائر حاليًا، ولكن هناك اهتمام بتطويرها لتصبح مادة خام لإنتاج الوقود الحيوي. ^{[ ١٥٥ ]}

يختلف وقود الديزل الحيوي المُنتَج من معالجة الطحالب الدقيقة عن أنواع وقود الديزل الحيوي الأخرى في محتواه من الدهون المتعددة غير المشبعة. ^{[ 150 ]} تُعرف الدهون المتعددة غير المشبعة بقدرتها على الحفاظ على سيولتها في درجات الحرارة المنخفضة. ورغم أن هذا قد يبدو ميزة في الإنتاج خلال فصل الشتاء، إلا أن هذه الدهون تُؤدي إلى انخفاض استقرار الوقود خلال درجات الحرارة الموسمية العادية. ^{[ 151 ]}

وُضعت سياسات عديدة منذ أزمة النفط عام 1975 لتشجيع استخدام الوقود المتجدد في الولايات المتحدة وكندا وأوروبا. في كندا، شملت هذه السياسات فرض ضرائب استهلاكية تُعفي البروبان والغاز الطبيعي، والتي امتدت لتشمل الإيثانول المُصنّع من الكتلة الحيوية والميثانول عام 1992. كما أعلنت الحكومة الفيدرالية استراتيجيتها للوقود المتجدد عام 2006، والتي تضمنت أربعة عناصر: زيادة توافر الوقود المتجدد من خلال التنظيم، ودعم توسيع الإنتاج الكندي للوقود المتجدد، ومساعدة المزارعين على اغتنام الفرص الجديدة في هذا القطاع، وتسريع تسويق التقنيات الجديدة. وسرعان ما حذت المقاطعات الكندية حذوها.

شملت السياسات في الولايات المتحدة خفض الدعم المقدم من الحكومة الفيدرالية وحكومات الولايات لقطاع النفط، والذي كان يبلغ عادةً 2.84  مليار دولار. وهذا المبلغ يفوق المخصصات الفعلية لقطاع الوقود الحيوي. نوقش هذا الإجراء في قمة مجموعة العشرين في بيتسبرغ، حيث اتفق القادة على أن " دعم الوقود الأحفوري غير الفعال يشجع على الاستهلاك المُسرف، ويُضعف أمننا الطاقي، ويعيق الاستثمار في مصادر الطاقة النظيفة، ويُقوّض الجهود المبذولة لمواجهة خطر تغير المناخ". إذا ما تم الوفاء بهذا الالتزام وإلغاء الدعم، فسيتم إنشاء سوق أكثر عدلاً يُمكن للوقود الحيوي المُستخلص من الطحالب أن يُنافس فيها. في عام 2010، أقرّ مجلس النواب الأمريكي تشريعًا يسعى إلى منح الوقود الحيوي المُستخلص من الطحالب تكافؤًا مع الوقود الحيوي السليلوزي في برامج الإعفاء الضريبي الفيدرالية. وقد تم تطبيق قانون تشجيع الوقود المتجدد المُستخلص من الطحالب (HR 4168) لمنح مشاريع الوقود الحيوي إمكانية الحصول على إعفاء ضريبي على الإنتاج بقيمة 1.01 دولار لكل جالون، بالإضافة إلى خصم استهلاك إضافي بنسبة 50% على ممتلكات محطات الوقود الحيوي. كما أصدرت الحكومة الأمريكية قانون الوقود المحلي لتعزيز الأمن القومي، الذي تم تنفيذه عام 2011. وتُعدّ هذه السياسة تعديلاً لقانون الممتلكات والخدمات الإدارية الفيدرالية لعام 1949، ولأحكام الدفاع الفيدرالية، بهدف تمديد مدة عقود وزارة الدفاع متعددة السنوات لشراء الوقود الحيوي المتقدم إلى 15 عاماً. وعادةً ما تقتصر البرامج الفيدرالية وبرامج وزارة الدفاع على فترة خمس سنوات ^{[ 156 ] .}

وقد استجاب الاتحاد الأوروبي أيضاً بمضاعفة الاعتمادات المخصصة للجيل الثاني من الوقود الحيوي المستخلص من الطحالب أربع مرات، وهو ما تم إقراره كتعديل لتوجيهات الوقود الحيوي وجودة الوقود. ^{[ 157 ]}