Some years ago, I set out to try to understand if there was a possibility to develop biofuels on a scale that would actually compete with fossil fuels but not compete with agriculture for water, fertilizer or land.
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.
So here's what I came up with. Imagine that we build an enclosure where we put it just underwater, and we fill it with wastewater and some form of microalgae that produces oil, and we make it out of some kind of flexible material that moves with waves underwater, and the system that we're going to build, of course, will use solar energy to grow the algae, and they use CO2, which is good, and they produce oxygen as they grow. The algae that grow are in a container that distributes the heat to the surrounding water, and you can harvest them and make biofuels and cosmetics and fertilizer and animal feed, and of course you'd have to make a large area of this, so you'd have to worry about other stakeholders like fishermen and ships and such things, but hey, we're talking about biofuels, and we know the importance of potentially getting an alternative liquid fuel.
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.
Why are we talking about microalgae? Here you see a graph showing you the different types of crops that are being considered for making biofuels, so you can see some things like soybean, which makes 50 gallons per acre per year, or sunflower or canola or jatropha or palm, and that tall graph there shows what microalgae can contribute. That is to say, microalgae contributes between 2,000 and 5,000 gallons per acre per year, compared to the 50 gallons per acre per year from soy.
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.
So what are microalgae? Microalgae are micro -- that is, they're extremely small, as you can see here a picture of those single-celled organisms compared to a human hair. Those small organisms have been around for millions of years and there's thousands of different species of microalgae in the world, some of which are the fastest-growing plants on the planet, and produce, as I just showed you, lots and lots of oil.
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.
Now, why do we want to do this offshore? Well, the reason we're doing this offshore is because if you look at our coastal cities, there isn't a choice, because we're going to use waste water, as I suggested, and if you look at where most of the waste water treatment plants are, they're embedded in the cities. This is the city of San Francisco, which has 900 miles of sewer pipes under the city already, and it releases its waste water offshore. So different cities around the world treat their waste water differently. Some cities process it. Some cities just release the water. But in all cases, the water that's released is perfectly adequate for growing microalgae. So let's envision what the system might look like. We call it OMEGA, which is an acronym for Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae. At NASA, you have to have good acronyms.
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.
So how does it work? I sort of showed you how it works already. We put waste water and some source of CO2 into our floating structure, and the waste water provides nutrients for the algae to grow, and they sequester CO2 that would otherwise go off into the atmosphere as a greenhouse gas. They of course use solar energy to grow, and the wave energy on the surface provides energy for mixing the algae, and the temperature is controlled by the surrounding water temperature. The algae that grow produce oxygen, as I've mentioned, and they also produce biofuels and fertilizer and food and other bi-algal products of interest.
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.
And the system is contained. What do I mean by that? It's modular. Let's say something happens that's totally unexpected to one of the modules. It leaks. It's struck by lightning. The waste water that leaks out is water that already now goes into that coastal environment, and the algae that leak out are biodegradable, and because they're living in waste water, they're fresh water algae, which means they can't live in salt water, so they die. The plastic we'll build it out of is some kind of well-known plastic that we have good experience with, and we'll rebuild our modules to be able to reuse them again.
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.
So we may be able to go beyond that when thinking about this system that I'm showing you, and that is to say we need to think in terms of the water, the fresh water, which is also going to be an issue in the future, and we're working on methods now for recovering the waste water.
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.
The other thing to consider is the structure itself. It provides a surface for things in the ocean, and this surface, which is covered by seaweeds and other organisms in the ocean, will become enhanced marine habitat so it increases biodiversity. And finally, because it's an offshore structure, we can think in terms of how it might contribute to an aquaculture activity offshore.
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.
So you're probably thinking, "Gee, this sounds like a good idea. What can we do to try to see if it's real?" Well, I set up laboratories in Santa Cruz at the California Fish and Game facility, and that facility allowed us to have big seawater tanks to test some of these ideas. We also set up experiments in San Francisco at one of the three waste water treatment plants, again a facility to test ideas. And finally, we wanted to see where we could look at what the impact of this structure would be in the marine environment, and we set up a field site at a place called Moss Landing Marine Lab in Monterey Bay, where we worked in a harbor to see what impact this would have on marine organisms.
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.
The laboratory that we set up in Santa Cruz was our skunkworks. It was a place where we were growing algae and welding plastic and building tools and making a lot of mistakes, or, as Edison said, we were finding the 10,000 ways that the system wouldn't work. Now, we grew algae in waste water, and we built tools that allowed us to get into the lives of algae so that we could monitor the way they grow, what makes them happy, how do we make sure that we're going to have a culture that will survive and thrive. So the most important feature that we needed to develop were these so-called photobioreactors, or PBRs. These were the structures that would be floating at the surface made out of some inexpensive plastic material that'll allow the algae to grow, and we had built lots and lots of designs, most of which were horrible failures, and when we finally got to a design that worked, at about 30 gallons, we scaled it up to 450 gallons in San Francisco.
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.
So let me show you how the system works. We basically take waste water with algae of our choice in it, and we circulate it through this floating structure, this tubular, flexible plastic structure, and it circulates through this thing, and there's sunlight of course, it's at the surface, and the algae grow on the nutrients.
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.
But this is a bit like putting your head in a plastic bag. The algae are not going to suffocate because of CO2, as we would. They suffocate because they produce oxygen, and they don't really suffocate, but the oxygen that they produce is problematic, and they use up all the CO2. So the next thing we had to figure out was how we could remove the oxygen, which we did by building this column which circulated some of the water, and put back CO2, which we did by bubbling the system before we recirculated the water. And what you see here is the prototype, which was the first attempt at building this type of column. The larger column that we then installed in San Francisco in the installed system.
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.
So the column actually had another very nice feature, and that is the algae settle in the column, and this allowed us to accumulate the algal biomass in a context where we could easily harvest it. So we would remove the algaes that concentrated in the bottom of this column, and then we could harvest that by a procedure where you float the algae to the surface and can skim it off with a net.
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.
So we wanted to also investigate what would be the impact of this system in the marine environment, and I mentioned we set up this experiment at a field site in Moss Landing Marine Lab. Well, we found of course that this material became overgrown with algae, and we needed then to develop a cleaning procedure, and we also looked at how seabirds and marine mammals interacted, and in fact you see here a sea otter that found this incredibly interesting, and would periodically work its way across this little floating water bed, and we wanted to hire this guy or train him to be able to clean the surface of these things, but that's for the future.
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.
Now really what we were doing, we were working in four areas. Our research covered the biology of the system, which included studying the way algae grew, but also what eats the algae, and what kills the algae. We did engineering to understand what we would need to be able to do to build this structure, not only on the small scale, but how we would build it on this enormous scale that will ultimately be required. I mentioned we looked at birds and marine mammals and looked at basically the environmental impact of the system, and finally we looked at the economics, and what I mean by economics is, what is the energy required to run the system? Do you get more energy out of the system than you have to put into the system to be able to make the system run? And what about operating costs? And what about capital costs? And what about, just, the whole economic structure?
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?
So let me tell you that it's not going to be easy, and there's lots more work to do in all four of those areas to be able to really make the system work. But we don't have a lot of time, and I'd like to show you the artist's conception of how this system might look if we find ourselves in a protected bay somewhere in the world, and we have in the background in this image, the waste water treatment plant and a source of flue gas for the CO2, but when you do the economics of this system, you find that in fact it will be difficult to make it work. Unless you look at the system as a way to treat waste water, sequester carbon, and potentially for photovoltaic panels or wave energy or even wind energy, and if you start thinking in terms of integrating all of these different activities, you could also include in such a facility aquaculture. So we would have under this system a shellfish aquaculture where we're growing mussels or scallops. We'd be growing oysters and things that would be producing high value products and food, and this would be a market driver as we build the system to larger and larger scales so that it becomes, ultimately, competitive with the idea of doing it for fuels.
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.
So there's always a big question that comes up, because plastic in the ocean has got a really bad reputation right now, and so we've been thinking cradle to cradle. What are we going to do with all this plastic that we're going to need to use in our marine environment? Well, I don't know if you know about this, but in California, there's a huge amount of plastic that's used in fields right now as plastic mulch, and this is plastic that's making these tiny little greenhouses right along the surface of the soil, and this provides warming the soil to increase the growing season, it allows us to control weeds, and, of course, it makes the watering much more efficient. So the OMEGA system will be part of this type of an outcome, and that when we're finished using it in the marine environment, we'll be using it, hopefully, on fields.
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.
Where are we going to put this, and what will it look like offshore? Here's an image of what we could do in San Francisco Bay. San Francisco produces 65 million gallons a day of waste water. If we imagine a five-day retention time for this system, we'd need 325 million gallons to accomodate, and that would be about 1,280 acres of these OMEGA modules floating in San Francisco Bay. Well, that's less than one percent of the surface area of the bay. It would produce, at 2,000 gallons per acre per year, it would produce over 2 million gallons of fuel, which is about 20 percent of the biodiesel, or of the diesel that would be required in San Francisco, and that's without doing anything about efficiency.
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.
Where else could we potentially put this system? There's lots of possibilities. There's, of course, San Francisco Bay, as I mentioned. San Diego Bay is another example, Mobile Bay or Chesapeake Bay, but the reality is, as sea level rises, there's going to be lots and lots of new opportunities to consider. (Laughter)
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)
So what I'm telling you about is a system of integrated activities. Biofuels production is integrated with alternative energy is integrated with aquaculture.
Het gaat over een systeem van geïntegreerde activiteiten. Productie van biobrandstoffen is geïntegreerd met alternatieve energie en die is weer geïntegreerd met aquacultuur.
I set out to find a pathway to innovative production of sustainable biofuels, and en route I discovered that what's really required for sustainability is integration more than innovation.
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.
Long term, I have great faith in our collective and connected ingenuity. I think there is almost no limit to what we can accomplish if we are radically open and we don't care who gets the credit. Sustainable solutions for our future problems are going to be diverse and are going to be many. I think we need to consider everything, everything from alpha to OMEGA. Thank you. (Applause) (Applause) Chris Anderson: Just a quick question for you, Jonathan. Can this project continue to move forward within NASA or do you need some very ambitious green energy fund to come and take it by the throat? Jonathan Trent: So it's really gotten to a stage now in NASA where they would like to spin it out into something which would go offshore, and there are a lot of issues with doing it in the United States because of limited permitting issues and the time required to get permits to do things offshore. It really requires, at this point, people on the outside, and we're being radically open with this technology in which we're going to launch it out there for anybody and everybody who's interested to take it on and try to make it real. CA: So that's interesting. You're not patenting it. You're publishing it. JT: Absolutely. CA: All right. Thank you so much. JT: Thank you. (Applause)
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)