079_D 3.3-3.5 Life-Cycle Assessment and Environmental Assessment

120
Proposal full title: Algae and aquatic biomass for a sustainable production of 2 nd generation biofuels Proposal acronym: AquaFUELs Type of funding scheme: Cooperation Theme 5 Energy Deliverables 3.3 and 3.5 Lifecycle assessment and environmental assessment Name of the coordinating person: Mr. Raffaello Garofalo Coordinator email: ebb@ebb‐eu.org Coordinator phone: +32 2 7632477 Coordinator fax: +32 2 7630457 Disclaimer: the views expressed in this document are purely the authors' own and do not reflect the views of the European Commission REV Date Organisation Beneficiaries involved Dissemination level Rev 0 29/03/2011 Dongxu Xu, Raphael Slade, Ausilio Bauen IMPERIAL BGU, EBB, IMPERIAL, IMIC, NE PU Rev 1 10/05/2011 F. Gabriel Acien UAL UAL PU Rev 2 15/05/2011 Dongxu Xu, Raphael Slade, Ausilio Bauen IMPERIAL IMPERIAL PU Rev3 10/06/2011 Benoit Queguineur, Jessica Ratcliff ISC ISC PU FINAL 15/06/2011 Dongxu Xu, Raphael Slade, Ausilio Bauen IMPERIAL IMPERIAL PU

description

Algae and aquatic biomass for a sustainable production of 2nd generation biofuels

Transcript of 079_D 3.3-3.5 Life-Cycle Assessment and Environmental Assessment

  

 

Proposal full title: 

Algae and aquatic biomass for a sustainable production of 2nd generation biofuels 

 

Proposal acronym: 

AquaFUELs 

 

Type of funding scheme: 

Cooperation  

Theme 5 ­ Energy 

 

Deliverables 3.3 and 3.5 

Life­cycle assessment and environmental assessment 

 

Name of the coordinating person: 

Mr. Raffaello Garofalo  Coordinator email:   ebb@ebb‐eu.org Coordinator phone:   +32 2 7632477 Coordinator fax:   +32 2 7630457  

 

Disclaimer: the views expressed in this document are purely the authors' own and do not reflect the views of 

the European Commission 

REV  Date    Organisation  Beneficiaries involved 

Dissemination level 

Rev 0  29/03/2011  Dongxu Xu, Raphael Slade, Ausilio Bauen 

IMPERIAL  BGU, EBB, IMPERIAL, IMIC, NE 

PU 

Rev 1  10/05/2011  F. Gabriel Acien  UAL  UAL  PU 

Rev 2  15/05/2011  Dongxu Xu, Raphael Slade, Ausilio Bauen 

IMPERIAL  IMPERIAL  PU 

Rev3  10/06/2011  Benoit Queguineur,  Jessica Ratcliff  

ISC  ISC  PU 

FINAL  15/06/2011  Dongxu Xu, Raphael Slade, Ausilio Bauen 

IMPERIAL  IMPERIAL  PU 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

1

Table of contents 

 

1.  Introduction ....................................................................................................... 9 

1.1  Objective and structure of this Report................................................................... 9 

1.2  The Aquafuels project .......................................................................................... 10 

 

2.  An introduction to algae cultivation and use .................................................... 11 

2.1  Algae Strains ......................................................................................................... 12 

2.1.2  The US Aquatic Species Program (ASP) ....................................................... 14 

2.2  Micro‐algae Production Systems: Raceway Ponds and Photo‐bioreactors.......... 14 

2.2.2  Open Pond Systems..................................................................................... 15 

2.2.3  Closed Systems ............................................................................................ 16 

2.3  Recovery of Biomass: harvesting.......................................................................... 21 

2.3.2  Lipid and product extraction ....................................................................... 22 

2.4  Conversion to Biofuels.......................................................................................... 23 

2.5  Biomass productivity ............................................................................................ 24 

2.5.2  Solar Conversion Efficiency.......................................................................... 25 

2.5.3  Lipid biosynthesis and oil producing algae strain selection ........................ 27 

 

3.  Life Cycle Assessments of algae biomass production ........................................ 28 

3.1  Introduction to Life Cycle Assessment ................................................................. 28 

3.2  System Boundaries ............................................................................................... 30 

3.2.2  LCA boundary selection: EU Guidelines ...................................................... 30 

3.2.3  LCA boundary selection: RMEE method ..................................................... 30 

3.2.4  Allocation guidelines ................................................................................... 31 

3.2.5  Impact Assessment...................................................................................... 31 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

2

4.  Review of micro‐algae LCA ............................................................................... 33 

4.1  Functional Unit ..................................................................................................... 34 

4.2  System boundaries ............................................................................................... 35 

4.3  Allocation strategies ............................................................................................. 35 

4.4  Sources of data ..................................................................................................... 36 

4.5  Algae composition and strain assumptions.......................................................... 37 

4.6  Productivity assumptions ..................................................................................... 38 

4.7  Global Warming Potential .................................................................................... 39 

4.8  Other critiques levied at algae LCA....................................................................... 40 

4.9  Conclusions on the existing LCA studies............................................................... 41 

 

5.  Meta‐analysis of micro‐algae production systems ............................................ 42 

5.1  Meta‐model approach and assumptions. ............................................................ 42 

5.1.2  Meta‐model system description and boundaries ....................................... 43 

5.1.3  Functional Unit and basis for comparison................................................... 45 

5.2  Results .................................................................................................................. 46 

5.3  Conclusions........................................................................................................... 54 

 

6.  Environmental impacts of micro‐algae production ............................................56 

6.1  Water Resources................................................................................................... 56 

6.2  Land Use ............................................................................................................... 57 

6.3  Nutrient and Fertilizer Use ................................................................................... 58 

6.4  Carbon fertilisation............................................................................................... 58 

6.5  Fossil Fuel Inputs .................................................................................................. 59 

6.6  Eutrophication ...................................................................................................... 59 

6.7  Genetic Modified Algae ........................................................................................ 60 

6.8  Algal toxicity ......................................................................................................... 61 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

3

6.9  Conclusions........................................................................................................... 61 

 

7.  Review of macro‐algae LCA ...............................................................................62 

 

8.  Environmental impacts of macro‐algae production .......................................... 66 

8.1  Land use and near‐shore area use........................................................................ 66 

8.1.2  Cultivation at sea......................................................................................... 66 

8.1.3  Tank based cultivation on land.................................................................... 67 

8.1.4  On‐shore  facilities  for  sea  and  tank  cultivation,  wild  harvest  and  bloom 

harvest……….................................................................................................................... 67 

8.2  Use of Near‐shore/Off‐shore space...................................................................... 67 

8.3  Freshwater Use..................................................................................................... 68 

8.4  Fertiliser and nutrients ......................................................................................... 68 

8.4.2  Cultivation at sea:........................................................................................ 68 

8.4.3  Land‐based tank cultivation ........................................................................ 70 

8.5  Macro‐algal Domestication and Genetic Engineering.......................................... 71 

8.6  Ecosystem Effects ................................................................................................. 72 

8.6.2  Cultivation at Sea......................................................................................... 72 

8.6.3  Land‐based Tank Cultivation ....................................................................... 73 

8.6.4  Wild Harvest................................................................................................ 73 

8.6.5  Harvest of blooms ....................................................................................... 74 

8.7  Environmental Contamination ............................................................................. 74 

8.8  Conclusions........................................................................................................... 75 

 

9.  Conclusions and recommendations .................................................................. 75 

9.1  Conclusions for micro‐algae LCA, and environmental impacts ............................ 75 

9.2  Conclusions for macro‐algae LCA and environmental impacts ............................ 77 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

4

10.  References ........................................................................................................78 

 

11.  Annex 1: Heterotrophic Microalgae...................................................................87 

 

12.  Annex 2: Review of existing micro‐algae LCA Studies........................................ 89 

12.1  Kadam 2001/2 ..................................................................................................... 89 

12.1.2  Functional Unit and System Boundaries ..................................................... 89 

12.1.3  Source of Data ............................................................................................. 89 

12.1.4  Process......................................................................................................... 90 

12.1.5  Results ......................................................................................................... 91 

12.1.6  Discussion.................................................................................................... 91 

12.2  Lardon et al. 2009............................................................................................... 91 

12.2.2  Functional Unit and System Boundaries ..................................................... 92 

12.2.3  Source of Data ............................................................................................. 92 

12.2.4  Process......................................................................................................... 92 

12.2.5  Results ......................................................................................................... 93 

12.2.6  Discussion.................................................................................................... 95 

12.3  Clarens et.al. (2010) ........................................................................................... 95 

12.3.2  Functional Unit and System Boundaries ..................................................... 95 

12.3.3  Source of Data ............................................................................................. 96 

12.3.4  Process......................................................................................................... 96 

12.3.5  Results ......................................................................................................... 97 

12.3.6  Discussion.................................................................................................... 98 

12.4  Jorquera et.al. (2010) ....................................................................................... 100 

12.4.2  Functional Unit and System Boundaries ................................................... 100 

12.4.3  Results ....................................................................................................... 101 

12.4.4  Discussion.................................................................................................. 101 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

5

12.5  Sander& Murthy (2010) ................................................................................... 102 

12.5.2  Functional Unit and System Boundaries ................................................... 102 

12.5.3  Source of Data ........................................................................................... 102 

12.5.4  Process....................................................................................................... 103 

12.5.5  Results ....................................................................................................... 103 

12.5.6  Discussion.................................................................................................. 106 

12.6  Stephenson et.al. (2010) .................................................................................. 106 

12.6.2  Functional Unit and System Boundaries ................................................... 106 

12.6.3  Source of Data ........................................................................................... 107 

12.6.4  Process....................................................................................................... 107 

12.6.5  Results ....................................................................................................... 108 

12.6.6  Discussion.................................................................................................. 110 

12.7  Campbell et.al. (2010) ...................................................................................... 110 

12.7.2  Functional Unit and System Boundaries ................................................... 110 

12.7.3  Source of Data ........................................................................................... 110 

12.7.4  Process....................................................................................................... 111 

12.7.5  Results ....................................................................................................... 111 

12.7.6  Discussion.................................................................................................. 113 

 

13.  Annex 3: Expert Stakeholders participating in this study .................................114 

 

14.  Annex 4: Questionnaire...................................................................................115 

 

15.  Annex 5: Assumptions of Normalized Modelling .............................................118 

 

16.  Annex 6: Example of data normalization .........................................................119 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

6

 

List of Figures 

 

Figure 2.1 : A raceway pond and farm .................................................................................... 16 

Figure 2.2: Tubular photobioreactor system & Flat plate Photobioreactor............................ 19 

Figure 2.3: Algal biomass conversion strategies...................................................................... 23 

Figure 2.4: Yearly sum of global solar irradiance averages over the period of 1981 to 2000. 26 

Figure 2.5: World map of algae biomass productivity ............................................................ 26 

Figure 3.1: The analytical stages in Life Cycle Assessment ..................................................... 29 

Figure 5.1: Algae LCA meta‐modeling approach..................................................................... 43 

Figure 5.2: Description of meta‐model process ...................................................................... 44 

Figure 5.3: Definition of Net Energy Ratio (NER) .................................................................... 45 

Figure 5.4: NER Biomass production: comparison of published values with normalised values 

for algal biomass production. ............................................................................... 47 

Figure  5.5:  Net  Energy  Ratio  for  biomass  production  in  raceway  ponds:  comparison  of 

published values with normalised values............................................................. 49 

Figure 5.6: Net Energy Ratio for biomass production  in photobioreactors PBRs: comparison 

of published values with normalised values for algal biomass production.......... 50 

Figure 5.7: Illustrative estimates for carbon dioxide emissions from algal biomass production 

in raceway ponds.................................................................................................. 51 

Figure 5.8: Illustrative estimates for carbon dioxide emissions from algal biomass production 

in photobioreactors PBRs. .................................................................................... 52 

Figure 5.7: Net Energy Ratio for biomass and lipid production in raceway ponds: comparison 

of normalised values............................................................................................. 53 

Figure  5.8:  Net  Energy  Ratio  for  biomass  and  lipid  production  in  PBRs:  comparison  of 

normalised values................................................................................................. 54 

Figure 10.1: General system boundaries for the comparison of electricity production via coal 

firing vs. coal/algae co‐firing in Kadam’s study .................................................... 89 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

7

Figure 10.2: Simplified flow diagram for microalgae production in Kadam’s study ............... 90 

Figure 10.3: Process chain overview from Lardon’s study ...................................................... 93 

Figure 10.4: Comparison of impacts categories in Lardon et al ’s study................................. 95 

Figure 10.5: Schematic of system considered in Clarens study .............................................. 97 

Figure 10.6: System Process in Jorquera’s study................................................................... 100 

Figure 10.7: Process flow diagram from Sander & Murthy’s study ...................................... 104 

Figure  10.8:  Energy  and  Emissions  associated  with  unit  process                            

in Sander & Murthy’s study................................................................................ 105 

Figure 10.9: Process chain for production of 1 ton biodiesel in Stephenson et al’s study ... 108 

Figure  10.10:  LCA  results  for  base  case  production  of  biodiesel                            

from Stephenson et al’s study ............................................................................ 109 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

8

 

List of Tables 

 

Table 2.1 : Overview on commercially produced micro‐algae ................................................ 13 

Table 2.2: Overall Comparison of Open versus Closed Systems.............................................. 18 

Table 2.3: Illustrative energy requirements of a tubular photo‐bioreactor’s design .............. 19 

Table 2.4: Advantages and disadvantages of alternative closed photobioreactor designs..... 20 

Table 4.1: LCA studies on algae derived fuels ......................................................................... 33 

Table 4.2: Function units used in the LCA studies ................................................................... 35 

Table 4.3: Algae composition assumption in LCA studies ....................................................... 38 

Table 4.4: Algae productivity assumptions used in LCA studies.............................................. 38 

Table 4.5: Overview of Global Warming Potential claims in algae biomass LCA..................... 40 

Table  10.1:  Most  important  material  and  energy  flows  generated  by  the  production 

of 1kg of biodiesel from Lardon et al’s study ....................................................... 94 

Table 10.2: Life cycle burdens of Algae, Corn, Canola, and Switch grass in Virginia............... 98 

Table 10.3: Comparative analysis of three cultivation methods from Jorquera’s study ....... 101 

Table 10.5: GHG emissions (kg CO2 equivalent) for 1 ton km truck use ............................... 111 

 

Error! No table of contents entries found. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

9

 

1. Introduction 

1.1 Objective and structure of this Report 

This  report  explores  the  environmental  impacts  of  algae  production  and  the merits  of  Life 

Cycle  Assessment  (LCA)  as  a  tool  for  examining  the  future  environmental  performance  of 

transport fuels produced from algal biomass. Specifically, this report examines: 

• The  current  production methods  and  future  possibilities  of  using  algae  to  produce 

biofuels. 

• The current status of Life Cycle Assessments of algae derived fuels that are available in 

the academic  literature;  the strengths and weakness of  these studies are assessed  in 

detail. 

• The environmental impacts from micro‐algae and macro‐algae cultivation 

 

The report is structured as follows: 

• Chapter  1  describes  the  objectives  and  structure  of  the  report,  and  introduces  the 

AquaFUELS project of which this research is part.  

• Chapter  2  introduces  the  basic  concepts  of  algae  cultivation  and  processing  and 

reviews the options for cultivation, harvesting and biofuel production. 

• Chapter  3  describes  the  principles  of  life  cycle  assessment  and  the  alternative 

approaches to setting system boundaries, and allocating impacts to products. 

• Chapter  4  presents  an  analysis  of  the  micro‐algae  LCA  that  are  available  in  the 

academic  literature.  Strengths  and  weaknesses  are  identified  and  the  studies  are 

critiqued. This critique draws on both literature sources and data gathered from expert 

stakeholders.  

• Chapter  5  presents  a meta‐model  of  the  energetics  of micro‐algae  production.  The 

data  presented  in  the  LCA  studies  is  re‐analysed  and  normalised  to  permit  a 

comparison of the alternative production systems in terms of 1) the energy produced, 

and 2) the energy required to construct and operate the system. 

• Chapter  6  reviews  the  major  environment  impacts  which  could  influence  sitting 

decisions for micro‐algae cultivation. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

10

• Chapter 7 reviews LCA for macro‐algae 

• Chapter  8  review  the  major  environmental  impacts  associated  with  macro‐algae 

cultivation. 

• Chapter 9 presents overall conclusions and recommendations.  

1.2 The Aquafuels project 

The work  presented  in  this  report was  undertaken within  the  context  of  an  EU  sponsored 

project:  Aquafuels  (AquaFUELs,  2010).  This  project  aims  to  bring  together  and  co‐ordinate 

existing  knowledge,  and  to  establish  the  state  of  the  art  for  research,  technological 

development and demonstration activities regarding the exploitation of algal biomass for 2nd 

generation  biofuels  production.  A  secondary  objective  of  the  project  is  to  put  robust  and 

credible  information about algae  into  the public domain, and  thereby  counter  some of  the 

more extravagant claims that have been expressed in the media.  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

11

 

2. An introduction to algae cultivation and use 

Algae are a  large and diverse group of plant‐like aquatic organisms which range  from multi‐

cellular macroalgae  –  e.g.  seaweeds  such  as  giant  kelp, which  can  grow  up  to  60m  –  to 

unicellular microalgae  –  as  small  as  3µm. Depending  on  the  species,  algae  can  be  farmed 

(algaculture)  in either  freshwater or  saline  conditions  (Carlsson, et al., 2007,  Schenk, et al., 

2008). Most algae are photoautotrophic, converting solar energy into chemical forms through 

photosynthesis and a variety of biochemical pathways. However many species display some 

degree  of  heterotrophism,  utilizing  organic  carbon  as  their  primary  source  of  carbon  and 

energy  (Barsani  and  Gualtieri,  2006).  Heterotrophic  algae  are  reviewed  in  Annex  1.  The 

mechanisms of algal photosynthesis are very  similar  to photosynthesis  in higher plants and 

their  products  are molecularly  equivalent  to  conventional  agricultural  crops  (Graham  and 

Wilcox, 2000). Although both micro and macro‐algae are of interest within the context of the 

Aquafuels project,  there  is an emphasis within  this  report upon micro‐algae. The  reason  for 

this  is that despite macro‐algae having being cultivated on a  larger scale globally than micro‐

algae, there are few assessments of the impacts in the scientific literature.  

 

Microalgae  are  a  broad  group  of  unicellular  and  simple  multi‐cellular  photosynthetic 

microorganisms that  lack complex cell structure and organization. As a source of biomass for 

biofuels, potential advantages of algae include:  

• high photosynthetic yields (up to a maximum of 5‐6% conversion of light c.f. 1‐2% for 

the majority of terrestrial plants);  

• the ability to grow in fresh, salt and waste water; 

• high overall oil content (dependent on species and growth conditions); 

• ability to produce non‐toxic and biodegradable biofuels as well as high concentrations 

of  commercially  valuable  compounds  such  as  proteins,  carbohydrates,  lipids  and 

pigments; 

• the ability to be used in conjunction with wastewater treatment; 

• possibility of  cultivation on unproductive desert  land,  thereby  reducing  competition 

for agricultural land.  

Regarding biofuel production, microalgae can provide different types of biofuels, including: 

methane (produced by anaerobic digestion of algal biomass); biodiesel (from algal fatty acids); 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

12

ethanol  (produced by  fermentation of  starch); and hydrogen  (produced biologically)  (Chisti, 

2007, Wang, et al., 2008).  

2.1 Algae Strains 

The final products from algae aquaculture are determined by the species, strain, and growth 

conditions.  The  US  Aquatic  Species  Program  (ASP)  looked  at  over  3000  species;  including 

strains  that  can  exist  in myriad  of  different  environments. One  point  they  focused  on was 

getting, and then growing, a strain in its native environment, as this was considered to have a 

greater  chance  of  success  (Sheehan,  1998b).  The  factors which make  an  algal  strain more 

suitable for biofuel production include the following properties: 

• a high lipid productivity; 

• a high photosynthetic efficiency; 

• robustness  to growth environment  (and  in particular  the ability  to survive  the shear 

stress from mixing); 

• be able to withstand or dominate wild strains in the event of contamination; 

• have a high CO2 sinking capacity; 

• able to grow in a variety of temperatures and seasons; 

• be able to provide (valuable) co‐products; 

• be  able  to  self  flocculate,  or  display  some  of  those  characteristics  (Brennan  and 

Owende, 2010). 

 

There  are  currently  no  algal  strains  that  meet  all  these  criteria.  There  may  also  be 

additional requirements depending on the location. 

The  dominant  species  currently  in  commercial  production  are  Isochrysis,  Chaetoceros, 

Chlorella,  Arthrospira  (Spirulina)  and  Dunaliella  (Carlsson,  et  al.,  2007).  An  overview  of 

commercially grown algae is shown in Table 2.1. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

13

Table 2.1  Overview on commercially produced micro‐algae 

 Source: (Pulz and Gross, 2004) 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

14

2.1.2 The US Aquatic Species Program (ASP)  

The  United  States  National  Renewable  Energy  Lab  (NREL)  initiated  its  Aquatic  Species 

Program (ASP) in 1978. This programme undertook comprehensive research on algae derived 

fuels. After 20 years of research, and 3000 algae strains screened, the project terminated at 

1996 due to low oil prices in that decade (Sheehan, 1998b). The overall conclusion for the ASP 

project was that low cost production of biofuels from algae was not likely to be feasible within 

short or medium term. Although the final report from NREL indicated that the biodiesel from 

algae would only become cost effective  if conventional diesel prices  rose  to  twice  the 1998 

levels which was 27 U.S. dollar per barrel.  

Factors that have contributed to the renaissance of  interest  in algae derived fuels,  include 

policies at regional and national  levels, concerns about  the security of supply of  fossil  fuels, 

and sustained high oil prices.  

2.2 Micro‐algae Production Systems: Raceway Ponds and Photo‐bioreactors  

Algal  production  systems may  be  classified  as  either  photoautotrophic  or  heterotrophic. 

Photoautotrophic systems use light as the energy source1, while heterotrophic production use 

organic  substances  (such  as  glucose)  to  provide  the  energy  the  algae  require.  Some  algae 

strains  can  combine  these  in  a  mixotrophic  process.  Currently,  the  dominant  method  is 

photoautotrophic production of algae as  it  is  the most economically and  technically  viable, 

and shall be the only method discussed here (Brennan and Owende, 2010). 

There  are  two  alternative methods  for  growing  photoautotrophic  algae:  Open  Systems 

(Raceway  Pond  System)  and Closed  Systems  (Photo‐bioreactors  (PBRs).  These  systems,  and 

their variations, are discussed below. An overall comparison is presented in Table 2.4. 

1 The reaction in photosynthesis can be summarized as 6CO2 + 12H2O + photons   C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Eight photons 

must be absorbed to fix one CO2 and two H2O molecules, yielding one base carbohydrate (CH2O) molecule. As the average 

energy  of  “photosynthetically  available  radiation  (PAR)  photons  is  around  217  kJ  (accounting  for  about  43%  of  incident 

sunlight on the Earth’s surface), while the energy content of a single carbohydrate (CH2O) is about 467 kJ/mol, it follows that 

the maximum efficiency is roughly 11.6%. In actuality, most plants only have 0.5‐2% efficiency, due to other limitations such 

water  and nutrient  availability,  as well  as  an  excess or  lack of  sunlight, while  algae  can have  as much  as  3‐8%  efficiency 

(Lardon et al., 2009; Vasudevan & Briggs, 2008). 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

15

2.2.2 Open Pond Systems 

Currently,  the  majority  of  commercially  grown  algae  are  produced  using  open  pond 

systems. These can include natural water bodies such as lakes, lagoons, and ponds, or artificial 

systems such as raceway ponds. The latter is the most common, and has been used since the 

1950’s. In a typical raceway pond the area is divided into a rectangular grid containing a closed 

loop oval shaped channel ~0.2m deep (shallower systems are not commercial, but have been 

reported for research purposes. Ponds have to be kept shallow  in order to allow the sunlight 

to penetrate the water. In most designs some form of mixing and circulation equipment is also 

required to stabilize algae growth and prevent sedimentation. Examples of a typical Raceway 

pond and an Open Pond  farm are shown  in Figure 2.1. One of  the  largest of  these  types of 

systems is the Werribee wastewater treatment plant in Melbourne, Australia, which is 11,000 

ha and relies on gravitational flow (Brennan and Owende, 2010, Schenk, et al., 2008). 

Raceway ponds that need extra infrastructure (e.g. a paddle wheel) for mixing and tend to 

be more expensive to construct than a simple gravity led ponds, as the construction material 

(i.e. concrete or compacted earth) has to be able to withstand the shear stress from mixing. 

For an Open Pond Raceway, a  typical harvest‐growth‐harvest cycle  is around 4 days  (Sander 

and Murthy, 2010). 

A  comprehensive  study  undertaken  by  the  US  Department  of  Energy with  a  variety  of 

different  strains  showed  that  algae  selected  on  the  basis  of  laboratory  results  would  not 

compete  as  well  as  those  that  spontaneously  colonized  and  subsequently  dominated  the 

pond, although  these adventitious  species may not have all  the desirable biofuel properties 

(Sheehan, 1998b). One method  to overcome  this  is  to  carefully  cultivate and  select  species 

that  can  dominate  the  system,  such  as  using  the  local  species,  or  extremophiles  that  can 

survive well  in very particular environments (e.g. extreme temperatures, pH, or salinity). For 

example, Spirulina  thrives at high pH  levels  (9 – 11.5), while Dunaliella  salina grows well  in 

saline water  (Schenk,  et  al.,  2008).  Another  option  is  to  cultivate  the  algae  in  greenhouse 

conditions  to  control  the  temperatures and  limit  contact with  contaminating  species  (Hase, 

2000). 

Their main advantages of raceway pond systems are that they are relatively easy to operate 

and maintain, chiefly due to the simplicity of the design, and have a low energy requirement. 

The main  is disadvantage  is  that  since  they are open  to  the air,  there  is higher evaporative 

losses and lower utilization of the available CO2 due to diffusion to the atmosphere, which can 

lead to changes in the composition of the growth medium harmful for the algae. A comparison 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

16

of  open  versus  closed  systems  is  provided  in  Table  2.2  (Schenk,  et  al.,  2008,  Brennan  and 

Owende, 2010, Chisti, 2007, Oilgae, 2010).  

Figure 2.1 A raceway pond and farm 

 

Source: (Sheehan, 1998b)   

2.2.3 Closed Systems  

The other option for cultivating algae  is using a closed system, or photo‐bioreactor (PBR). 

These  systems have  gained  in popularity  as more high‐value products have been produced 

from algae. PBRs  tend  to be more complex and expensive  than open systems, but allow  for 

better control of the algae culture environment: they can prevent contamination and can be 

successfully used  to  cultivate  single  species; operate at high biomass  concentration;  can be 

erected over any open space; offering better control of the temperature; and reduce water or 

CO2 loss (Amin, 2009, Chisti, 2007, Pulz, 2001a). 

Tubular photobioreactor consists of an array of transparent tubes (either plastic or glass) of 

0.1m or less in diameter (to allow the sunlight to penetrate the dense medium and allow for 

high biomass productivity).  In a  typical  system  the micro‐algal broth  is  circulated  round  the 

system  from a central  reservoir, which also serves  to degas  the medium  (preventing oxygen 

accumulation), harvest  the broth,  and  introduce new broth.  Sedimentation  is prevented by 

either mechanical  or  airlift  pumps.  The  latter  is more  inflexible,  but  does  allow  CO2  and 

oxygen to be exchanged between the medium and the gas. The system is continuously mixed 

to prevent  sedimentation, even at night when no growth occurs  (Amin, 2009, Brennan and 

Owende, 2010, Chisti, 2007).  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

17

In order to maximize production, incident light needs to be diluted over the surface of the 

reactors. This prevents a small area of algae from being oversaturated with  light. One of the 

simplest  approaches  to  sunlight dilution  is  to  orient photo‐bioreactors  vertically,  instead of 

horizontally,  to  catch  the  sunlight  over  a  large  surface  area  (Benemann,  2010a).  More 

generally,  the  tubes can be  laid out horizontally, vertically  (as shown  in Figure 2.2),  laid out 

north to south to maximize solar collection, or coiled around a central support structure. The 

ground may also be covered by white plastic to increase the reflectance. 

Minimizing  the  auxiliary  energy demand  is  also  an  important design parameter.  In most 

PBR designs energy  is required for pumping and mixing to ensure good mass transfer of CO2 

andO2. Mixing also helps to prevent the cells from staying too long in dark or bright zones of 

the reactor, something that can reduce productivity. Energy may also be needed to cool the 

reactors.  Pumping  energy  requirements  can  be  reduced  by minimizing  the  hydrodynamic 

pressure  of  the  system.  This  can  be  achieved  by  increasing  the  diameter  of  the  tubes 

(something that may also reduce the overall cost), but the diameter cannot be  increased too 

far;  otherwise  light  may  not  be  able  to  penetrate  the  core  of  the  tube.  From  a  design 

perspective there is also a limit on the length of a continuous tube, as the pH may vary within 

the  system,  CO2 may  be  depleted,  and most  importantly,  photosynthesis  produces  oxygen 

which can inhibit algal growth (Brennan and Owende, 2010, Chisti, 2007, Patil, et al., 2008). 

Tubular  systems  require  periodic  cleaning,  and  this  increases  the  operational  cost  and 

water  demand.  They  are  also  more  expensive  than  raceway  ponds  due  to  the  higher 

infrastructure costs. Illustrative energy requirements of a tubular PBR are shown in Table 2.3. 

The comparative advantages and disadvantages of alternative closed photobioreactor designs 

are outlined in Table 2.4. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

18

Table 2.2: Overall Comparison of Open versus Closed Systems 

  

Source: (Pulz, 2001b) 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

19

Table 2.3: Illustrative energy requirements of a tubular photo‐bioreactor’s design 

Total incident solar energy  I=150w/m2 

Photo conversion efficiency (PCE)  PCE=5% 

Auxiliary energy demand  50W/m3 

Areal water coverage  50L/m2 

Areal auxiliary energy demand  2.5W/m2 

 

Source: (Lehr,2009) 

Figure 2.2: Tubular photobioreactor system & Flat plate Photobioreactor  

 

Source: (Chisti, 2008a) 

There are many alternative Tubular Photo‐bioreactor designs,  including flat plate, annular 

or column PBRs. Flat plate PBRs  increase the surface area of  illumination and allow  for high 

density of cells over a thin layer. Column Photobioreactors offer better control and volumetric 

mass transfer rates, and are aerated from the bottom. Their performance is equal to or better 

than  tubular  Photobioreactors.  Flat  plate  systems were  researched  a  lot  in  the  early  days, 

while column reactors are receiving a  lot of attention now, although both systems are still  in 

pilot scale(Brennan and Owende, 2010).  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

20

Table 2.4: Advantages and disadvantages of alternative closed photobioreactor designs  

PBR  System  Advantages  Disadvantages 

Tubular photobioreactor 

• Large illumination surface area• Suitable for outdoor cultures • Relatively cheap • Good biomass productivities • Allows culture of single species• More control and accurate 

addition of nutrients and water 

• Higher energy requirements • Some degree of wall growth • Fouling • Requires large land space • Gradients of pH, dissolved 

oxygen and CO2 along the tubes 

• Demonstrated at pilot scale but not scaled up, not commercial 

Flat plate photobioreactor 

• High biomass productivities • Easy to sterilize • Low oxygen build‐up • Readily tempered • Good light path • Large illumination surface area• Suitable for outdoor cultures 

• Difficult to scale‐up • Difficult temperature control • Small degree of hydrodynamic 

stress • Some degree of wall growth • Only at pilot scale 

Column photobioreactor 

• Compact • High mass transfer • Low energy consumption • Good mixing with low shear 

stress • Easy to sterilize • Reduced photo‐inhibition and 

photo‐oxidation 

• Small illumination area • Expensive compared to open 

ponds • Shear stress • Sophisticated construction • Only at pilot scale 

 

Source: (Schenk, et al., 2008, Brennan and Owende, 2010, Chisti, 2007, Oilgae, 2010) 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

21

2.3 Recovery of Biomass: harvesting 

The choice of harvesting method will depend on the type of species involved (i.e. size, density, 

etc.), the quantity that needs to be processed and the desired final product. Generally, there 

are two main steps: 

• Bulk harvesting – separate the biomass from the broth to achieve a slurry with 2‐7% solid 

content  (involving  a  concentration  factor  of  100‐800)  (e.g.  flocculation,  gravity 

sedimentation). 

• Thickening – concentrate the slurry (i.e. centrifugation, filtration, ultrasonic aggregation). This  is generally  the more energy  intensive step  (Brennan and Owende, 2010, Molina 

Grima, et al., 2003). 

 

The harvesting process  can be highly energy  intensive  and be quite  complex due  to  the 

relatively small size of some microalgal cells (3‐30µm diameter), as well as the relatively dilute 

nature of the algal broth (it can be less than 0.5 kg / m3). Some species are easier to harvest 

than others, for example, Spirulina (which is 20‐100µm long) can be harvested relatively easily. 

Overall, harvesting can contribute as much as 20‐30% to the final cost of production. Notably, 

the cost of recovery  from photobioreactors may be significantly smaller than  from raceways 

because  the  biomass  concentration  is  greater  (Brennan  and  Owende,  2010,  Chisti,  2007, 

Molina Grima, et al., 2003).  

Flocculation  is  an  effective  method  to  aggregate  the  cells  and  increase  the  effective 

‘particle’  size,  which  facilitates  the  downstream  processing.  It  is  important  to  choose 

flocculants  that  are  non‐toxic,  effective  in  low  concentrations  and  will  not  increase  the 

amount  of  downstream  processing. Micro‐algal  cells  generally  have  a  negative  charge  so 

multivalent metal salts are often effective coagulants  (i.e. Ferric Chloride  (FeCl3), Aluminium 

Sulphate  (Al2(SO4)3,  alum)  and  Ferric  Sulphate  (Fe2(SO4)3)).  Alum  is  already widely  used  in 

wastewater treatment. Other options include Polyferric Sulphate (PES), pre‐polymerized metal 

salts, or cationic polymers (polyelectrolyte’s) (Molina Grima, et al., 2003) 

Filtration  is a relatively slow process, but may be a feasible option for  low value products 

where a higher  level of moisture  is acceptable. Conventional filtration can be used for  larger 

algal species, while membrane or ultra‐filtration may be necessary for smaller species. For low 

volumes of broth, filtration may be the more economically sound option. 

Gravity  sedimentation  can  be  used  for  larger  species,  but  centrifugation  is  usually  the 

preferred method of recovery. It is a more energy intensive method, but is also faster and can 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

22

handle  larger  volumes.  It  also  requires more maintenance  and  has  higher  costs,  but  can 

increase the slurry concentration by up to 150 times and be up to 95% efficient (Brennan and 

Owende, 2010, Molina Grima, et al., 2003, Oilgae, 2010). 

2.3.2 Lipid and product extraction 

Once harvested, the biomass has to be processed rapidly as  it  is easily perishable. At this 

stage it is typically 5‐15% solid content, but can perish in only a few hours. Algal biomass tends 

to have a water content of 80‐90% and low energy density, which, along with the inferior heat 

content, makes the biomass harder to use for heat and power generation, necessitating pre‐

treatment  (Patil, et al., 2008). This can be achieved by dehydration or drying, which are the 

most  common methods  to  treat  the  slurry,  although more  expensive  than  just mechanical 

dewatering. Drying methods include: spray drying, drum drying, freeze‐drying, or solar drying. 

The  choice  depends  on  the  desired  product.  Solar  drying  for  example  is  the  cheapest  and 

simplest option, but also takes the  longest, while  freeze and spray drying are expensive and 

can  cause  damage  to  the  cells  (although  freeze‐drying may  help  extraction  of  oils).  It  is 

important to establish a balance between the drying efficiency and cost effectiveness, as well 

as the impact on the final product. Temperatures greater than 60°C, for example, can decrease 

the  lipid  yield or denature other  components  in  the biomass  (Brennan and Owende, 2010, 

Molina Grima, et al., 2003). 

To extract  the  contents of  the  cells,  cell disruption  is often necessary.  This  can be done 

mechanically  or  chemically.  Mechanical  methods  can  include  using  high  pressure 

homogenisers, bead mills (agitation with glass or ceramic beads), or ultra‐sonication (for small 

scale only). Chemical methods  include using organic  solvents  (e.g. hexane), or  supercritical 

fluid extraction,  and may prevent  the necessity of drying  the  cells  first  (saving  a  lot of  the 

energy  and  costs),  but may  present  health  and  safety  issues  (Molina  Grima,  et  al.,  2003, 

Oilgae,  2010).  It  is  currently  commonly  done  using  the  same  approximate method  as  for 

soybean extraction (hexane solvents), so the algal biomass should have approximately 9 – 11% 

moisture content, but this is still the subject of much discussion (Sheehan, et al., 1998a). The 

choice of extraction method depends on the final product. 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

23

2.4 Conversion to Biofuels 

There  are multiple  strategies  to  convert  algae  to  energy,  depending  on  the  choice  of  final 

product  (i.e.  electricity,  biofuel,  etc.)  Some  of  the  strategies  that  can  be  employed  are 

illustrated in 2.3.  

Figure 2.3: Algal biomass conversion strategies 

 

Source: (Brennan and Owende, 2010)  

Many  of  the  methods  of  processing  the  algal  oil/biomass  are  developed  from  those 

conventionally  used  for  other  systems  (i.e.  the  conversion  of  vegetable  oil  to  biodiesel  or 

soybean conversion). Most of these techniques are well established and researched, such as 

transesterification – a chemical reaction between triglycerides and alcohol (such as methanol 

or ethanol) in the presence of a catalyst (such as sodium hydroxide) to produce biodiesel and 

the  by‐product  glycerol. Glycerol  also  has  commercial  value.  The  final  output  is  similar  to 

diesel, and the process is relatively simple, so this has been a favoured method for conversion 

of vegetable oils (Demirbas, 2009). 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

24

Some methods do not require the oil to be extracted, and can convert the whole biomass 

into fuels (such as pyrolysis, gasification, and anaerobic digestion). Other methods, such as the 

Fischer‐Tropsch method  for biomass gasification could also provide  the heat needed  for  the 

drying phase (since it is an exothermic reaction). Newer and lower cost methods are emerging 

as well, such as the extraction and simultaneous transesterification of oils using supercritical 

ethanol  or  methanol.  Some  work  at  high  temperatures  (such  as  pyrolysis  or  direct 

combustion), while  others  (such  as  anaerobic  digestion) work  at  room  temperature. Many 

have potential  for  large scale systems. However, due to the abundance of methods, and the 

relative  uncertainty  of  which  will  be  the  preferred  conversion method,  they  shall  not  be 

discussed further (Brennan and Owende, 2010, IEA, 2010). 

2.5 Biomass productivity  

There  are  several  factors  to  be  considered  for  optimal  algae  growth. Mostly,  they  should 

recreate as best as possible the natural process of algal growth, which includes:  

• Sunlight –  this can be  the  limiting  factor as  it means no algae  is produced at night and 

commercial production is limited to areas with a high incidence of solar radiation. This 

can be complemented with artificial  lighting, but this adds to the energy consumption 

of the system, so is used almost exclusively at pilot scale production.  

• Nutrients –  these  include Nitrogen  (N), Phosphorus  (P),  Iron  (Fe)  and  Silicon  (Si). Most 

algae  require N  to be  in  soluble  form  (such as nitrate, ammonium or urea), although 

some can  fix atmospheric nitrogen directly. Phosphorus  is required  in  lesser amounts, 

but is less readily bioavailable, so must be supplied in excess of the required amounts, 

while Silicon is only important to certain species of algae (such as diatoms). 

• CO2  – microalgae  can  fix  this  from  three  sources,  namely:  the  atmosphere;  discharge 

gases  from  heavy  industries  (such  as  power  plants);  or  soluble  carbonates.  Most 

microalgae  can  utilize  considerably  higher  amounts  of  CO2  than  under  normal 

conditions  (up to 150,000 ppm), so excess carbon can be  fed to the system. Typically, 

microalgal  biomass  contains  50%  carbon  by  dry weight,  so  producing  100  tonnes  of 

algal biomass fixes 183 tonnes of carbon dioxide. 

• Temperature – although there are strains of algae that can survive extreme temperatures, 

generally,  the  optimal  temperature  is  around  20°‐30°C  (Brennan  and Owende,  2010, 

Chisti, 2007, Kadam, 2001). 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

25

2.5.2 Solar Conversion Efficiency 

Photosynthetic Efficiency (PE) is one of the major factors used to evaluate the growth rate 

of  terrestrial plants, and  is defined as  the  fraction of  light energy which  is  fixed as chemical 

energy  during  photo‐autotrophic  growth.  In  common with  terrestrial  plants,  there  are  two 

metabolic pathways by which algae  fix CO2, known as  the C3  (Calvin cycle) or C4 pathways. 

Most algae use the C3 pathway which has a maximum theoretical efficiency of ~12% (Tredici, 

2010).  The  maximum  that  can  be  practically  achieved,  however,  is  ~5%.  This  is  roughly 

equivalent to the photosynthetic efficiency of a  leaf. The C4 pathway  is more efficient (up to 

twice the photosynthetic efficiency of C3 plants. (Lundquist, et al., 2010)) and can be found in 

diatoms and sugar cane. Many algae strains, however, have evolved to tolerate low light level 

and are not only unable to use  large amounts of energy at peak  light  intensities but actually 

performed worse  under  conditions  of  high  exposure  to  light.  This  is  the  principle  of  light 

dilution in photobioreactor design. 

Solar radiation is, nevertheless, one of the most important factors influencing algal growth, 

and in areas of high insolation (>6 kWh/m2/day), the theoretical maximum production rate for 

algae  is  approximately 100  g/m2/day  (Darzins, et  al., 2010). The minimum  level  considered 

adequate for algal growth is ~1.5 kWh/m2/day.  

The yearly average solar  irradiance  in different parts of  the globe  is shown  in Figure 2.4. 

And, using the 1.5 kWh/m2/day criteria it appears that the majority of the earth‘s land surface 

is  to be  suitable  for  algae production.  To  achieve high  levels of production  throughout  the 

year, however,  it  is desirable that there  is  little seasonal variation. For practical purposes the 

suitable locations are those areas where insolation is not less than 3000 hours/yr (average of 

250  hours  /month)  (Necton,  1990,  AquaFUELs,  2011b).  Most  commercial  microalgae 

production to‐date has occurred in low‐latitude regions. Israel, Hawaii and southern California 

are  home  to  several  commercial microalgae  farms.  Figure  2.5  shows  the  potential  yield  of 

algae biomass at 5% photosynthetic efficiency (Tredici, 2010). Productivity is highest in warm 

countries close  to  the equator where  there  is  little  seasonal variation  in  sunlight  levels and 

temperatures. (AquaFUELs, 2011b). 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

26

Figure 2.4: Yearly sum of global solar irradiance averages over the period of 1981 to 

2000. 

 

Source: (Meteotest); database Meteonorm (www.meteonorm.com) 

Figure 2.5: World map of algae biomass productivity  

 

 

Source: (Tredici, 2010);  (tonnes ha‐1 year‐1) at 5% photosynthetic efficiency considering an energy content of 20 MJ           

kg‐1 dry biomass. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

27

2.5.3 Lipid biosynthesis and oil producing algae strain selection 

The most common  lipids  in algal cells are Triacylglycerides  (TAG), which are  formed  from 

fatty acids and glycerol. The  lipid  content  in algae  can  range  from 1%  to 50% and  can vary 

greatly with the growth conditions. TAG storage is an important adaptation for photosynthetic 

organisms  that  feast  and  famine  with  the  diurnal  cycle  as  TAG  produced  during  the  day 

provides a carbon and energy source for the night.  

In eukaryotic  algae,  lipid  content  is normally  inversely proportional  to  growth  rate; with 

lipid  is  increasing when growth  is  inhibited by  lack of nutrients,  such  as nitrogen or  silicon 

(Lundquist,  et  al.,  2010).  The  fatty  acid  composition  of membrane  fluidity  and  triglyceride 

carbon  chains  can  vary  in  length  depending  upon  the  algae  species,  and  environmental 

conditions  during  growth.  The  growth  limitation  is  not  thought  to  be  due  to  reduced 

biosynthetic  rates  but  rather  to  reduction  in  other  cellular  components,  leaving  a  higher 

proportion of lipid overall (Lundquist, et al., 2010). 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

28

 

3. Life Cycle Assessments of algae biomass production 

This  chapter  introduces  basic  concept  of  Life  Cycle  Assessment  and  describes  the  current 

methodologies for conducting Life Cycle Assessment studies. 

3.1 Introduction to Life Cycle Assessment  

Life‐Cycle  Assessment  (LCA)  is  a  process  formalised  by  the  International  Standards 

Organisation(ISO,  1997)  to  evaluate  the  environmental  burdens  associated with  a  products 

and processes. LCA seeks to identify and quantify energy and materials consumed and waste 

released  to  the  environment,  thereby  enabling  the  evaluation  and  comparison  of 

environmental  improvement  options.  The  assessment  includes  the  entire  life  cycle  of  the 

product,  process,  or  activity,  encompassing  extracting  and  processing  raw  materials; 

manufacturing, transportation and distribution; use, re‐use, maintenance; recycling, and final 

disposal” (SETAC, 1993).   

In contrast to other environmental management tools, which tend to focus on specific life 

stages of a product or process,  LCA analyses  the entire  life  cycle,  looking up and down  the 

supply‐chain,  from  raw  material  extraction  to  final  disposal.  LCA  is  not  site  specific  and 

includes burdens and impacts outside the immediate factory gates. The argument in favour of 

the LCA approach is that, whilst traditional environmental assessment tools may overlook the 

problem of burden shifting or displacement, LCA ensures  that environmental  impacts which 

have  been  identified  and  reduced  at  one  stage  of  the  life  cycle  are  not  replaced  by  other, 

possibly greater, environmental impacts elsewhere.  

The  application  of  LCA methodology  encompasses  four  phases,  Illustrated  in  Figure  3.1, 

below.  

• Goal and scope definition: sets the boundaries for the analysis, defines the level of detail 

and the functional basis for comparison. 

• Inventory Analysis: quantifies emissions, energy and  raw materials  for each process and 

presents these in a process flow chart. 

• Impact Assessment: quantifies and groups effects of the resource use and emissions into a 

number of environmental impact categories which may be weighted for importance 

• Interpretation:  reports  the  results  and  evaluates  the  opportunities  to  reduce  the 

environmental impact of the product or service. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

29

Figure 3.1: The analytical stages in Life Cycle Assessment 

 

Source: (De Smet, et al., 1996) 

Although LCA is a popular tool it has a number of widely recognised limitations: 

• The quality of  an  LCA depends on  the quality  and  availability of  accurate data.  For 

many  processes  and  materials  such  data  does  not  (yet)  exist  or  is  not  readily 

accessible. 

• LCA methods  are  inherently  subjective.  Numerous  assumptions must  be made  in 

particular relating to the definition of boundaries, the choice of data sources and the 

weighting and allocation of impacts 

• LCA is a bottom‐up analysis tool which is best used to compare alternative products or 

services 

• LCA do not take account of rebound effects where environmental and cost efficiency 

improvements are cancelled out by greater consumption. 

 

System boundaries, allocation strategies and impact assessment, in particular, merit further 

discussion. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

30

3.2 System Boundaries 

The  system boundaries  selected determine what processes and activities are  included  in 

the overall LCA. Many sub‐processes, such as the manufacture of equipment, could potentially 

be  included  and  their  inclusion/exclusion  can  strongly  influence  the  outcome  of  the  study. 

Various  approaches  to  setting  boundaries  have  been  proposed  and  are  described  in more 

detail below. 

3.2.2 LCA boundary selection: EU Guidelines  

The EC has published a guide for good LCA practice, and recommends that all the important 

processes and activities are  included, with only processes of minor  importance excluded.  It 

warns against misleading  results due  to  cut‐off  criteria are  that are weak,  irrelevant, not  in 

accordance with  the  intended application, or when  they  focus on a single  flow without due 

consideration of all their individual environmental impacts. Another potential problem area is 

if there is a lack of proper screening and iteration in the LCA methodology, which may lead to 

the  exclusion of  activities without  justifying whether  they  are  significant or not,  leading  to 

misleading conclusions (EC, 2010). 

Article 17  in the 2009 Renewable Energy Directive deals with the sustainability criteria for 

biofuels, and states that raw materials for biofuels should not come from protected land (e.g. 

land with high biodiversity). This  implies  the  system boundaries  should, where possible, be 

drawn back to include extraction of raw materials from the earth (EC, 2009). 

3.2.3 LCA boundary selection: RMEE method 

One proposed method to systematically and quantitatively set the system boundaries is the 

Relative Mass, Energy, and Economic value (RMEE) protocol. In this protocol, the relevant data 

about individual processes is gathered before the system boundary is drawn. A predefined cut‐

off  ratio  is  then  applied  to  the  functional unit on  the basis of mass,  energy  and economic 

value.  Starting  with  the  process  units  closest  to  the  functional  unit,  the  RMEE  ratios  are 

calculated  for  each  input,  and  if  larger  than  the  cut  off  ratio,  it  is  included  in  the  system 

boundary. This  is repeated until all upstream processes are below the cut off threshold. This 

helps  reduce  the  subjectivity  inherent  in  LCAs  (Sander  and Murthy,  2010,  Raynolds,  et  al., 

2000a, Raynolds, et al., 2000b).  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

31

3.2.4 Allocation guidelines 

Allocation of the various  input and output streams credited to any co‐products created  is 

considered  one  of  the  weaknesses  of  current  biofuel  LCAs.  Co‐  or  by‐products  are  any 

products that are obtained from the process in addition to the desired product.  

The  ISO  recommends avoiding allocation  if possible, preferring  to divide  the unit process 

into  sub‐processes  or  expanding  the  system  to  include  the  functions  of  the  co‐products.  If 

allocation  is necessary,  it  should  reflect  the physical  relationship between co‐products  (or  if 

not possible, other relationships such as the economic value), reflecting the way in which the 

inputs  and  outputs  are  changed,  although  not  necessarily  in  proportion  to  simple 

measurements such as the mass flow (ISO, 1997, SAIC, 2006). 

These guidelines can be broken down  into several concrete methods of allocation. One  is 

the use of direct substitution, where the by‐product (i.e. heat) from a process can be directly 

used  elsewhere;  thereby  replacing what would  otherwise  have  been  used.  This method  is 

useful when there is a direct use for the by‐product, but in situations when the by‐product is 

viewed as waste  is  less useful. Other methods exist, such as allocation on an arbitrary basis 

(i.e. equal value), or on  the basis of economic, calorific value or mass. Each has advantages 

and disadvantages; for example, allocation based on market value is highly variable over time 

and  in some cases, where one product far outweighs another, may also be  impractical (SAIC, 

2006, Stephenson, et al., 2010).  

3.2.5 Impact Assessment 

Numerous impact categories can be assessed. The most common ones selected are: 

• Greenhouse gas emissions:   

• Energy use: any energy  recovered  from waste  is historically given as  the higher heating 

value (HHV) of the materials being burned 

• Water use: impact on water, including: 

o Water consumed during process 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

32

o Waterborne  emissions:  discharges  into  any  receiving  waters  after  treatment, 

measured as a value of  the biological oxygen demand  (BOD), chemical oxygen 

demand (COD), or suspended/dissolved solids 

• Solid waste: any waste sent to landfills 

• Land use  

Economics of the process (Heijungs, et al., 1992): 

 

Generally  speaking  it  is desirable  that  the outcome  should be quantitative given  in either a 

range  of  values,  or,  depending  on  the  information  available,  cover  a  variety  of  different 

production methods (Heijungs, et al., 1992, Boguski, et al., 1996).   

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

33

 

4. Review of micro‐algae LCA  

Despite a high  level of  interest, no  industrial scale processes designed specifically  for micro‐

algal biofuel production yet exist. Only a  limited number of LCA have been conducted, and, 

because of the lack of data from operating plant, they are somewhat speculative. A systematic 

review  of  the  literature  in  late  2010  identified  7  LCA  assessments,  listed  in  Table  4.1.  For 

reference,  a  detailed  description  of  each  study  is  provided  in  Annex  2.  No  life  cycle 

assessments of macro‐algae production were found. 

This  chapter  reviews  the main  features  of  the  studies  –  i.e.  choice  of  functional  unit, 

boundaries,  allocation  strategies, etc. A discussion of  each of  each of  these  aspects  is  also 

provided. The basis of this discussion is comments and criticisms that have been made in the 

literature, and  information gathered  from stakeholders.  Input  from stakeholders was elicited 

using a questionnaire and  semi‐structured  interviews.  (Stake holders  consulted are  listed  in 

Annex 3; the questionnaire used to elicit their input is described in Annex 4.)  

Table 4.1: LCA studies on algae derived fuels 

Author & year  Description  

Kadam  2002  

This study compares a conventional coal‐fired power station with one in which coal is co‐fired with algae cultivated using recycled flue gas as a source of CO2. The system is based in the southern USA, where there is a high incidence of solar radiation. 

Lardon et.al.  2009 

This study considers a hypothetical system consisting of an open pond raceway covering 100ha, and cultivating Chlorella vulgaris. Two operating regimes are considered:  normal levels of nitrogen fertilisation, and low nitrogen fertilisation. The stated objective was to identify obstacles and limitations requiring further research.  

Clarens et.al. 2010 

This study compares algae cultivation with corn, switch grass and canola.  The study was based in Virginia, Iowa and California in the US, each of which have different levels of solar radiation and water availability five impact categories: energy consumption (MJ), water use (m3), greenhouse gas emissions (kg CO2 equivalent), land use (ha), and eutrophication (kg PO4) 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

34

Jorquera et al. 2010 

This study compares the energetic balance of oil rich microalgae production. Three systems are described: raceway ponds, tubular horizontal PBR, and flat‐plate PBRs. No specific location was assumed, and the study only considers the cultivation stage and the system energetics 

Sander & Murthy 2010 

This was a well‐to‐pump study that aimed to determine the overall sustainability of algae biodiesel and identify energy and emission bottlenecks. The primary water source was treated wastewater, and this was assumed to contain all the necessary nutrients except for carbon dioxide. Filtration and centrifugation were compared for harvesting. Lipids were extracted using hexane, and then transesterified.  

Stephenson et. al. 2010 

This study is a well‐to‐pump analysis, including a sensitivity analysis on various operating parameters. Two systems were considered, a raceway pond and an air‐lift tubular PBR. The location of the study is in the UK, which has lower solar radiation than the other studies. 

Campbell et.al. 2010 

This study looked at the environmental impacts of growing algae in raceway ponds using seawater. Lipids were extracted using hexane, and then transesterified. The location of this study was in Australia, which has a high solar incidence, but limited fresh water supply. 

4.1 Functional Unit 

The function units used in the LCA studies are listed in Table 4.2. It can be seen that a diverse 

range  of  units  has  been  used.  Although,  as  (Clarens,  et  al.,  2010)  notes,  the  choice  of 

functional unit may not be that important for an individual study, as it is only used to assess a 

given aspect of a life cycle. Nevertheless, the widespread use of incomparable units prevents 

easy comparison between studies. (Benemann, 2010b) recommends a functional unit of “CO2 

emissions  per  gallon  of  biodiesel  or  similar  biofuel  delivered  to  the  plant  gate”.    Fonseca 

(Fonseca,  August  2010)  goes  further  and  suggests  that  the  calculation,  unit  capacity  and 

conditions  should  be  standardized  across  studies;  he  recommends  the  following  functional 

units: “for assessing the energetic balance ‐ energy produced/1 unit of energy consumed in the 

whole process, and for environmental balance – GHG emissions/1 unit of energy produced (of 

the whole process, and of each relevant step)”. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

35

Table 4.2: Function units used in the LCA studies 

Author & year  Functional unit  

Note 

Kadam  2002 

1MW  Of electricity 

Lardon et.al.  2009 

1MJ  Of fuel used in a diesel engine (assumed to be identical to other biofuels) 

Clarens et.al. 2010 

317 GJ  Equivalent to the approximate per capita primary energy consumption of one American 

Jorquera et al. 2010 

100,000 kg  Biomass dry weight per annum 

Sander & Murthy 2010 

1000 MJ  Energy in the form of algal biodiesel produced using existing technology at a filling station (equal to 24kg dry algal biomass) 

Stephenson et. al. 2010 

1 Tonne  Biodiesel blended with conventional diesel, delivered toa UK filling station and used in an average UK car 

Campbell et.al. 2010  0.89 MJ  The diesel fuel equivalent to transport one tonne of freight one kilometre in a an articulated truck (the most common form of freight transport in Australia) 

4.2 System boundaries 

The  studies  all  adopt  different  approaches  to  setting  the  system  boundaries.  For  example, 

(Jorquera,  et  al.,  2010)  only  considers  the  cultivation  phase, whereas  Clarens  et  al.  (2010) 

considers both cultivation and harvesting. Sander & Murthy (2010) adopt the RMEE protocol 

(described in Chapter 4) to define their system boundaries, and this means that they are the 

only study to consider the production of algae inoculums. Stephenson et al. (2010) found that 

the manufacture of equipment (PVC  lining and the PBR tubes) required a  large energy  input, 

yet many of the studies did not include this aspect.  

Production processes can only be fairly compared  if the system boundaries are the same. 

Nevertheless,  there  may  be  good  reasons  for  varying  the  selected  boundary.  Greenwell 

(2010), for example, argues against making a standardized system, as a  local consortium  in a 

developing  country will  have  different  considerations  (environmental,  economic,  energetic, 

and societal) to a large company in the U.S. 

4.3 Allocation strategies 

Only two of the studies, Sander & Murthy (2010) and Stephenson et al.(2010), consider how 

impacts should be allocated to products and co‐products. Sander & Murthy (2010) show how 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

36

the  choice  of  co‐products  could  have  a  major  impact  on  the  final  GHG  emissions  and 

energetics  of  the  system,  while  Stephenson  et  al.(2010)  demonstrated  the  potential 

importance of using  the  residual biomass  for methane production. Neither deals exclusively 

with one form of allocation, although Stephenson et al.(2010) did show that alternative uses 

of minor co‐products (glycerol) – which consequently change the allocation method – did not 

make a big difference overall. It may be argued that Campbell et al. (2010) should be included 

in  this  list  as  includes  electricity  generation  from  the  algal  cake. More  generally,  there  are 

numerous  of  previous  assessments  of  biofuels  that  have  shown  how  important  allocation 

calculations are on the final outcome (Gnansounou, et al., 2009). 

Different experts prefer different methods of allocation and  there  is  little consensus. For 

example Clarens (2010b) and Fonseca (2010) prefer market valuation, while Greenwell (2010) 

prefers the simplest option. 

Benemann (2010b) argues that biofuels should be considered a co‐product of wastewater 

treatment and not the other way around, and eventually that biofuels should be a separate 

business.  Biomass  from  algae  grown  for  feeds  would  have  a  higher  market  value  sold 

elsewhere than they would from biofuels, so co‐products would not be generated and there 

would be no need to allocate. However, a survey undertaken by the EABA (2010) shows that 

many members of the  industry are  interested  in producing energy  in conjunction with some 

other product.  

4.4 Sources of data 

There  is  significant  variation  in  the parameter  values used  in  the  studies.  The majority  are 

based on pilot or  lab  scale  values  and different methods have been used  to estimate how 

these values scale to a full size system. Many studies use data which is over 15 years old; for 

example, one of the most frequently cited papers is a one by (Benemann and Oswald, 1996), 

which discussed    the  various possibilities  for  algae production. Other  commonly used data 

sources for the studies include the EcoInvent database, various LCI databases, and GREET.  

One of the major criticisms of the current studies  is their  lack of transparency about data 

sources,  and  the  lack  critical  thinking  about how  reliable  the  sources  and  assumptions  are 

(Benemann, 2010b; Greenwell, 2010). For  the most part  the studies do credit  their sources, 

however, many  refer  to  their own  earlier work  (e.g. Campbell  et al. bases his  system on  a 

previous paper written in 2009).  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

37

Some experts also believe that scope for technical advance is significant. Consequently, the 

literature may be outdated and  the assumptions unduly negative, or  incorrectly  chosen. As 

Fonseca (2010) says:  

“Available options  for optimization  in each step of the technology are many, but  just  few 

have been analysed in the referred LCA. The negative values some LCA demonstrate for algae 

biotechnology do not mirror  reality because  the  initial  conditions and  technological options 

were not correctly chosen”. 

Another consideration to keep in mind about the data use is that some of the authors may 

be LCA experts, but not experts in the field of algae cultivation. Greenwell (2010) sums this up 

by saying:  

“[LCA studies] tend to be conducted by either LCA specialists who are not specialists in the 

technology, or do not have  enough aspects of  the process  covered.    For  example, palm oil 

would  look pretty  good  by  energetic  or  economic  LCA,  but  societal pressures  prevented  its 

take‐up”.   

Clearly, due  to  the hypothetical nature of  the current work, arguments about  the values 

used are bound  to happen, and until an actual  system  is  created, basing  the work on pilot 

systems with critical thinking of the effects of scaling up is the best that studies can do. 

4.5 Algae composition and strain assumptions 

The major  components of algal biomass are  carbohydrates, proteins and  lipid. Each  species 

differs  in  their  physiological  composition  of  these  components.  The  relative  proportion  of 

components will  also  depend  upon  the  growth  regime.  The  values  used  in  the  studies  are 

shown in Table 4.3. It can be seen that the lipid varies from 17.5‐43%, carbohydrate from 20‐

53%, and protein  from 5.5‐32%. These composition assumptions may significantly affect  the 

final result. It should also be noted that a high  lipid content will usually comes at the cost of 

lower productivity, and  this will also affect  the  result of  the LCA. High  lipid content will not 

necessarily  always be beneficial, however,  as Greenwell  (2010)  argues:  “many  [LCA] do not 

address  the problem  that biodiesel only  can use a very  limited  range of  the oil produced  in 

algae. [This is usually ignored] because the production chemists usually have no input into the 

LCA” (Greenwell, 2010). 

 

 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

38

Table 4.3: Algae composition assumption in LCA studies  

Lardon et al.   Kadam 

Normal  N 

Low N 

Jorquera et al. 

Clarens et al. 

Sander  & Murthy

Stephenson  et al. 

Campbelll et al. 

Algae strain  ND Chlorella  vulgaris 

Nanno‐ chloropsis 

sp. ND  ND 

Chlorella vulgaris 

ND 

Lipids  30.0  17.5  30.0  29.6  ‐  30.0  45.01  43 

Carbohydrates 20.0  49.5  52.9  ‐  ‐  31.0  49.3  ‐ 

Proteins  32.0  28.2  6.7  ‐  ‐  37.5  5.5  ‐ 1 Original study assumed 40% TAG, and 5% free fatty acid 

ND = Not defined in study 

4.6 Productivity assumptions 

The productivity estimates used in the LCA studies are compared in Table 4.4. These estimates 

illustrate the range of optimism about possible algae growth rates, and describe a range from 

26‐112  t/ha/a, with an average of ~54  t/ha/a. For comparison a number of other estimates 

that can be found  in the  literature are also shown (Chisti, 2008b; Griffiths & Harrison, 2009; 

Sawayama et al., 1999). These studies indicate a less optimistic maximum annual productivity 

of ~60t/ha/a. 

It should be noted, however, that some studies report productivity per unit volume rather 

than per unit area. Moreover,  the  length of  the growing  season assumed  is not necessarily 

transparent.  Consequently,  some  manipulation  of  the  figures  provided  in  the  papers  is 

required before they can be compared on an equal basis.  

From the perspective of conducting comparable LCA in the future, the best choice of unit is 

probably the average annual productivity, expressed per unit area. 

Table 4.4: Algae productivity assumptions used in LCA studies 

Production rate quoted in studyStudy  Per day 

(g/m2/d) Per annum (t/ha/a) 

Normalised annual production ratea  (t/ha/a)

2001  17.1  33.17  42.75b Kadam 

2002  45.0  104  112.50 Normal N  24.8  ‐  61.88 

Lardon et al Low N  19.3  ‐  48.13 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

39

California  12.9e  47.1  32.26 Virginia  11.0 e  40.2  27.53 Clarens et al.c Iowa  14.1 e  34.5  35.35 Raceway  10.5 e  38.5  26.36 Flat‐plate PBR  27.0 e  98.6  67.50 Jorquera et al. Tubular PBR  25.5 e  92.9  63.64 

Sander & Murthy 

n/a  ‐  ‐  ‐ 

Raceway  27.4 e  68.49 Stephenson et al.  PBR  27.4 e 

100 68.49 

Low  15.0  54.8  37.50 Campbell et al. 

High  30.0  109.6  75.00 LITERATURE    

Chlorella vulgaris  16.0  ‐  40.00 Nannochloropsis  15.0  ‐  37.50 

Griffiths & Harrison 

Average  24.0  ‐  60.00 Chisti    25.00  ‐  62.50 Sawayama et al.d 

B. braunii  4.11  15  10.27 

a  unless  otherwise  stated,  it  is  assumed  that  the  quoted  annual  production  rate  is  for  365  days.  The 

normalised production rate assumes 250 days of production per year, corresponding  to a May  to October  in a 

seasonal country where winter inhibits growth. bNormalised value assumes 100% of culture area  is productive, whereas original study assumes only 86% of 

area is productive. cClarens et al. varied their production values over the year (the average is given here) dChisti  (2008b)  questions  the  validity  of  this  productivity  estimate,  claiming  it  is  only  16%  of  current 

production in the tropics. e Value calculated from figures presented in the original study.  

 

There is a general consensus among the experts questioned that algae growth rate in terms 

of  biomass  productivity  and  lipid  productivity  are  far  too  optimistic  and  do  not  take  into 

account  the  losses  that  would  occur  with  scaling  up  the  process.  It  is  assumed  that  the 

productivity values given are based on the year average, for, as Greenwell (2010) points out:  

“comparing mean productivity on a given day is not the same as averaging over a whole year”. 

4.7 Global Warming Potential 

Comparisons made to conventional biofuels and fossil fuels depend on the reference systems 

used and direct comparison  is not straightforward. An overview of the relative GWP savings 

claimed  in the reviewed studies  is shown  in Table 4.5. Caution  is required, however, because 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

40

the  studies  use  very  different  boundary  and  allocation  assumptions.  Nevertheless,  it  can 

clearly  be  seen  that  there  is  a wide  range  of  estimates  ranging  from  significant  savings  to 

additional emissions.  

Table 4.5: Overview of Global Warming Potential claims in algae biomass LCA. 

Author & year  Reference system  CO2 balance Kadam  2002 

Electricity from coal firing 

‐36.72%  (direct injection of the flue gas) ‐2.46% (monoethanolamine (MEA) extraction of CO2 from flue gas 

Lardon et.al.  2009 

Diesel  ‐25% 

Clarens et.al. 2010 

Corn / canola / switchgrass 

+244% / +189%  / +233% 

Jorquera et al. 2010 

NA  NA 

Sander & Murthy 2010 

Gasoline  ‐117% (dewatering using filter press)a +14% (dewatering using centrifuge) 

Stephenson et. al. 2010 

Diesel  ‐ 78% (Raceway ponds)  + 273% (PBR) 

Campbell et.al. 2010 

Diesel per freight km.Tonne 

‐66% ‐122% 

a This study assumes that co‐produced algal residue displaces animal feed.  

4.8 Other critiques levied at algae LCA 

Other,  more  general  critiques  levied  at  algae  LCA  include  concerns  about  the  quality, 

representativeness, and application of  the studies. As  illustrated by  the  following comments 

from expert stakeholders: 

• LCA as a very complex tool to use on such a young industry… [Fonseca (2010)] • “LCAs should at least mention the temporary nature of the production pathways in use, or 

possibly  assess  the "representativity  gap" of  other  LCAs  performed  on  experimental pathways but  intending to derive findings applicable to algae production for biofuels”. [Vernon 2010.] 

• LCA studies cannot so easily be adapted to such a new industry, and do not give a holistic view  of  the whole  sustainability  (the  “global wrapping”),  including  the  use  of  land, water, etc.  [Leu (2010) ] • From an industry point of view, it is happening the worst possible thing; a pollution of publications on microalgae production LCA which refer to each other and in many cases are careless and get strange conclusions (which are interesting to publish)”. (Vieira, 2010) 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

41

• [Referring to the Clarens et.al. 2010 report] The report was based upon obsolete data and grossly outdated business models, and overlooked tremendous improvements in technology and processes across the production cycle. [These] obsolete data and faulty assumptions seriously undermine the credibility of the study’s conclusions. (ABO, 2010)  

• “The fundamental problem here  is that biofuels are subsidized and therefore we get  into the  quandary  of  converting  low  price  fossil  fuels  into  high  price  subsidized  biofuels, which  is why we  now  have  to  do  LCAs.   Actually,  a  better measure may  be  process sustainability over a 100 year period,  in which all non‐renewable  inputs are accounted for.   For example  for algae, use of phosphates has a very small  impact on LCAs but a potentially  very  large  impact  on  sustainability,  as  phosphate  mining  is  a  rapidly depleting  resource.      If  this  is  not  accounted  for  as  a major  factor  in an  LCA, which currently focuses mainly on greenhouse gases, it is not useful”. [Benemann ] 

4.9 Conclusions on the existing LCA studies 

This review of existing LCA supports the following conclusions: 

• The  studies  reviewed  here  consider  a wide  range  of  conceptual  designs,  but, with  the 

exception  of  the  study  by  (Stephenson,  et  al.,  2010),  they  all  provide  only  partial 

descriptions of algal biofuel production systems. Studies such as (Kadam, 2001) which only 

consider the production stage, will naturally provide a more positive energy balance than 

studies that include subsequent energy intensive processing steps.  

• Comparison is also hindered by the use of inconsistent boundaries and functional units.  

• The  studies  use  a  range  of  allocation methods,  some  of which,  it may  be  argued,  are 

overcomplicated given the immaturity of the industry.  

• It  is  also  evident  that,  in  the  absence  of  commercial  production  facilities  there  is  little 

primary data upon which process  assumptions  can be based. The production processes 

analyzed  appear  to  be  assembled  from  component  parts,  rather  than  designed  as 

integrated systems. 

• The validity of some of the results and the usefulness are called into question, by experts 

in the field. Prominent causes of concern include the hypothetical nature of the LCA, and 

that  without  more  detailed  information  about  the  system,  the  strain  used,  and  the 

possible amount of oil that can be extracted, the conclusions that may be drawn from the 

existing LCAs are tenuous at best. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

42

 

5. Meta‐analysis of micro‐algae production systems 

Comparing the results of the existing LCA studies is challenging because of the inconsistencies 

in boundaries, allocation strategies etc. used in the different studies (Described in Chapter 5). 

To enable a comparison of algae production systems in terms of 1) the energy produced, and 

2) the energy required to construct and operate the system, an LCA meta‐model was built and 

populated  using  data  from  the  original  studies.  This  chapter  describes  the meta‐modelling 

approach, and the results obtained. 

5.1 Meta‐model approach and assumptions. 

The  objectives  of  the  meta‐model  were  two‐fold;  firstly,  to  enable  a  more  detailed 

examination  of  the  assumptions  used  in  the  existing  LCA,  and  secondly,  to  compare  the 

studies in terms of the energy produced and consumed. The model was built in Excel using a 

simplified,  but  complete,  description  of  the  processes  involved  in  cultivation,  harvesting  of 

algal biomass, and extraction of algal oil. 

The modelling approach (shown  in Figure 5.1) was undertaken  in three stages. Firstly, the 

data  and  assumptions  contained  in  the  original  studies  were  identified  and  transcribed. 

Secondly, the units were normalized. Lastly, the process descriptions were normalized to fit a 

consistent  system  boundary,  and  to  allow  comparison  using  a  single  functional  unit.  An 

overview  of  the  assumptions  used  to  normalize  the  studies  are  described  below,  detailed 

assumptions for the normalization of each study are described in Annex 5 & 6.  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

43

Figure 5.1: Algae LCA meta‐modeling approach 

 

5.1.2 Meta‐model system description and boundaries 

The meta‐model process system is shown in Figure 5.2. In Stage 1, the algae are cultivated 

and harvested. At  this  stage both  raceway pond and closed  (PBR)  systems are  included  for 

comparison. For each study the efficiency with which nutrients and CO2 are captured is based 

on the original study. The residence time of the algae strain in the cultivation system – where 

algae cell has to accumulate the  lipid (TAG) to a certain  level for biodiesel production – also 

follows  the  original  studies.  The  boundaries  include  the  manufacture  of  the  principal 

equipment  (e.g.  the PVC  lining  for  the  raceway pond systems and system maintenance and 

operations).  

In Stage 2, the slurry of mature algae cells is transported to a dewatering and drying stage. 

The amount of drying required is determined by the oil extraction process (Stage 3). Most of 

the  LCA  studies  adopt  hexane  extraction  as  they  assume  algal  oil  extraction will  be  very 

similar to soybean oil extraction2. This process requires that the paste has to be dried up to a 

solid content of ~90% before being processed in oil mill3. In order to achieve this a belt dryer 

2 It should be noted that some experts contest this assumption

3 A belt dryer, usually is used for wastewater treatment plant sludge, is assumed as it is one of the less energy

demanding drying process. Heating supplied in the system comes from natural gas combustion.

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

44

was  chosen  as  the  preferred  technology  for  biomass  drying  based  on  data  presented  in 

Lardon et al., (Lardon, et al., 2009). 

 

Stage 3  is oil extraction. The extraction efficiencies  are based on  the data  from original 

studies. Co‐products from oil extraction – mainly carbohydrate and protein – are assumed to 

be used as feedstock to produce biogas in Stage 4 (Sialve, et al.). This biogas is then used in a 

gas boiler to generate heat for the drying process. Any excess gas is converted into electricity, 

which is also used for system operations.  

Figure 5.2: Description of meta‐model process 

 1. Harvesting (Raceway ponds / PBR)

2. Dewatering; drying

3. Oil extraction

Algae Lipid

Algae Cake

Algae

Nutrients; Carbon dioxide; Energy

Residue (Carbohydrate,

Protein)

Flue gas; nutrients

Flocculant; Energy

Hexane; Energy

4. Biogas production and

combustion

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

45

5.1.3 Functional Unit and basis for comparison 

The  functional  units  selected  for  comparing  energetic  performance  were  1MJ  dry  algal 

biomass and 1MJ algal lipid. Alternative processes were compared in terms of the Net Energy 

Ratio (NER) of biomass and  lipid production, defined  in Figure 5.3. If the NER  is greater than 

unity, the process consumes more energy than it produces. 

Figure 5.3: Definition of Net Energy Ratio (NER) 

 

 

To  calculate  the NERBiomass  three processes  stages  are  considered:  algal biomass  cultivation, 

drying and dewatering and oil extraction. No co‐product allocation is applied and we assume 

that  the energy content of  the dry biomass  is equal  to  the  lower heating value of  the algal 

biomass  specified  in  the  original  LCA  studies.  For  those  studies  that  didn’t  specify  heating 

values,  estimates were made  by  summing  the  heating  values  of  the  biomass  compositions 

given. 

Primary Energy Inputs were assumed to include the energy content of the fossil fuel inputs 

only;  i.e. the embedded energy from the production of the fossil fuel  itself  is excluded from 

the boundary. The energy associated with building  the plant was also  included  (assuming a 

20yr lifetime for concrete and 5yrs for PVC (Stephenson, et al., 2010)). 

For illustrative purposes, the CO2 emissions for algae biomass cultivation are estimated by 

multiplying  the primary energy  inputs by  the default emissions  factors described  in  the EU 

renewable energy directive (2009/28/EC)4. 

4 The default emissions factors outlined in the renewable energy directive(2009/28/EC) are – diesel: 83.80gCO2.MJ-1; electricity: 91 gCO2.MJ-1; Heat: 77 gCO2.MJ-1. The emissions factor for the embodied energy in fertiliser and for production of PVC lining (in the case of raceway ponds) and tubes (in the case of PBRs) was assumed to be the same as for heat.

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

46

 

The calculation of  the NERLipid assumes  that co‐products are  treated by anaerobic digestion. 

Anaerobic digestion  is appropriate  for processing high moisture  content,  such as 80%~90% 

moisture organic wastes.  (Two of the existing LCA studies took anaerobic digestion  for algal 

residual  application)5.  It  has  been  estimated  that  the  conversion  of  algal  biomass  into 

methane  could  recover as much energy as obtained  from  the extraction of  cell  lipid, while 

leaving  a  nutrient  rich  waste  product  which  could  be  recycled  into  a  new  algal  growth 

medium.  

In  the  normalized  case, we  assume  anaerobic  digestion  could  convert  60%  of  the  algal 

residue to methane  (on an energy basis)  (Sialve, et al.). This methane  is then  fed  into a gas 

boiler to generate heat and offset natural gas demand for the drying process. The efficiency of 

the  gas  boiler  is  assumed  to  be  75%  (Stephenson,  et  al.,  2010).  In  the  Stephenson  et  al’s 

study,  they  took homogenization before  lipid extraction:  this means  that  the algae biomass 

could  have  higher moisture  content  in  the  subsequent  processing  stage  and  that  not  all 

residue  was  required  to  produce  heat  for  the  biomass  drying  and  dewatering  process. 

Consequently, we applied another  scenario  to normalize Stephenson et al’s case, assuming 

that the gas boiler was replaced by a gas‐engine combined heat and power system (CHP). The 

generated heat and electricity is then used to offset fossil fuel used in the production process 

(34% efficiency in electricity generation; 41% efficiency in heat generation; overall efficiency is 

75%) (Macadam, 2010). 

5.2 Results 

The  seven  studies describe eleven alternative processing  systems. The primary energy  input 

for biomass production for each alternative system, before and after normalization,  is shown 

in  Figure  5.4,  It  can be  seen  that  in  all  cases  the primary energy  input  for  the normalized 

process  is  equal  to,  or  less  attractive  than,  the  original  case.  It  is  also  noticeable  that  the 

closed systems, especially tubular PBR, demonstrate poor energetic performances compared 

to raceway ponds.  

Six, out of eight, of  the  raceway pond  systems have a Primary Energy  Input  less  than 1, 

suggesting that a positive energy balance may be achievable for these systems, although this 

benefit  is marginal  in  the  normalized  case.  The  normalized  Primary  Energy  Inputs  for  PBR 

systems are all greater than 1. The best performing PBR is the flat‐plate system. This appears 

5 Sander and Murthy (2010) and Stephenson et al(2010)

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

47

to outperform  tubular systems as  it benefits  from a  large  illumination surface area and  low 

oxygen build‐up.  

Figure 5.4: NER Biomass production: comparison of published values with 

normalised values for algal biomass production. 

 NC: Normal Cultivation; LN: Low Nitrogen Cultivation; FP: Filter Press; C: Centrifuge; Flat‐plate PBR: Flat‐plate 

Photobioreactor; Tubular PBR: Tubular Photobioreactor. RP: Raceway Pond 

*=Normalised system boundary 

 

The energy  inputs to raceway pond systems are shown  in Figure 5.5, expanded to show the 

energy input into the different stages. 

The  three  studies where normalisation has  the greatest  impact are Kadam,  Jorquera and 

Campbell. Originally these studies only considered the cultivation stage; the addition of drying 

and dewatering processes and lipid extraction changes the NER from ~0.05‐0.1 to 0.5‐0.75. For 

these  studies,  even  if  drying  and  lipid  extraction were  excluded,  the  normalised  value  for 

cultivation  is  less  favourable.  This  is  because  the  original  studies  did  not  include  system 

construction.  (The  normalised  system  also  includes  transport  of  fertiliser  (data  from 

Campbell),  and  the  embodied  energy  in  the  fertiliser,  but  these  factors  are  comparatively 

insignificant.)  

Sander & Murthy  use  high  values  for  the  energy  required  for  algae  culture,  drying  and 

harvesting,  and  these  systems will  deliver  less  energy  output  that  they  require  input.  The 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

48

original  assumptions  about  the  algal  species  and  its  productivity  are  unclear  but  the  data 

appears to come from studies completed  in the 1980’s, and so may not be representative of 

more recent designs. 

Stephenson et.al  is the only LCA that gives a complete description of  the cultivation, and 

harvesting  process,  and  so  normalisation  makes  no  difference  in  this  case.  The  energy 

demands of the cultivation stage are higher than other studies because the authors assume 

more electricity  is  required at  this  stage  to overcome  frictional  losses  (which  they estimate 

from  first  principles).  Less  energy  is  required  for  drying  than  other  studies  because,  in  a 

subsequent step, the authors assume the use of an oil extraction process that can accept wet 

biomass (homogenisation with heat recovery).  

Another source of variation is that each study selects a different composition for the algae 

produced and a different productivity  for the growth phase; this affects the energy required 

per  functional unit produced.  If the productivity of the algae  is assumed to be  low, then, all 

else  being  equal,  it  follows  that  the  energy  required  to  produce  1MJ  dry  biomass will  be 

greater (as the mixing requirement per unit time etc. will not be reduced). One complicating 

factor  is  that  growing  the  algae  under  lower  productivity  conditions,  such  as  nitrogen 

starvation, may allow the algae to accumulate more lipid and so may result in a higher calorific 

value for the biomass overall. It is clearly important that productivity and composition values 

correspond with one another. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

49

Figure 5.5: Net Energy Ratio for biomass production in raceway ponds: comparison 

of published values with normalised values. 

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50Ra

ceway Pond

Raceway Pond*

Normal Cultivation

Normal Cultivation*

Low Nitrogen

 

Low Nitrogen

 *

Raceway Pond

Raceway Pond*

Raceway Pond

Raceway Pond*

Raceway Pond

Raceway Pond*

Filte

r Press

Filte

r Press*

Centrifugatio

n

Centrifugatio

n*

Kadam(RP) Lardon(NC) Lardon(LN) Jorquera(RP) Cambell(RP) Stephenson(RP) Sander&Murthy(FP)Sander&Murthy(C )

NER

 Biomass

Prim

ary En

ergy Inpu

t(MJ/MJ D

ry Algal Biomass)

Lipid Extraction  Biomass Drying and Dewatering Algae Cultivation and Harvesting 

NC: Normal Cultivation; LN: Low Nitrogen Cultivation; FP: Filter Press; C: Centrifuge; RP: Raceway Pond 

*=Normalised system boundary 

 

At the cultivation stage, the most  important contributions to the energy demand come from 

the  electricity  required  to  circulate  the  culture  0.02‐0.79MJ/MJdrybiomass,  and  the  embodied 

energy  in  system  construction  0.05‐0.14MJ/MJdrybiomass  (8‐70%).  The  embodied  energy 

contained  in  the nitrogen  fertiliser  ranges  from 0.02‐0.09 MJ/MJdrybiomass  (6‐40%)  (this  range 

excludes the Kadam study which includes a fertiliser value of 0.05g nitrogen per kg dry algae (a 

value  that appears  infeasably  low given  that  this study assumes  the biomass contains >30% 

protein). 

 

The  energy  inputs  to  PBR  systems  are  shown  in  Figure  5.6  All  the  normalised  systems 

consume  more  energy  than  they  produce.  Biomass  drying  and  de‐watering  are 

proportionately less important than the energy consumed in cultivation and harvesting. This is 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

50

partly  because  greater  algal  biomass  concentrations  can  be  achieved  in  PBR  systems,  and 

partly because PBRs consume more energy for cultivation and harvesting than raceway ponds.  

In the tubular PBRs, the electricity used to pump the culture medium around the system 

and  overcome  frictional  losses  accounts  for  2.5‐5.0MJ/MJdrybiomass  (~86‐92%  of  the  energy 

input to the cultivation and harvesting stage) (0.22MJ/MJdrybiomass (22%) for the flat‐plate PBR). 

System construction accounts  for  the majority of  the remainder: 0.34‐0.36MJ/MJdrybiomass  (6‐

12%).  

Figure 5.6: Net Energy Ratio for biomass production in photobioreactors PBRs: 

comparison of published values with normalised values for algal biomass 

production. 

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

Flat‐plate PBR Flat‐plate PBR* Tubular PBR Tubular PBR* Tubular PBR Tubular PBR*

Jorquera(FP PBR) Stephenson(T PBR) Jorquera(T PBR)

NER

 Biomass

Prim

ary En

ergy Inpu

t (MJ/MJ D

ry Algal Biomass)

Lipid Extraction  Biomass Drying and Dewatering Algae Cultivation and Harvesting  FP PBR: Flat‐plate Photobioreactor; T PBR: Tubular Photobioreactor 

*Normalised system boundary 

 

The carbon dioxide emissions associated with algal biomass production are shown  in Figures 

5.7  and  5.8.  The  results  essentially mirror  the  results  for  the  energy  consumption  and  the 

majority of emissions are associated with the drying phase and the consumption of electricity. 

Notably, emissions associated with algal biomass production in raceway ponds are comparable 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

51

with the emissions from the cultivation and production stages of rape methyl ester biodiesel. 

Production in PBRs, however, demonstrates emissions greater than conventional fossil diesel. 

An important caveat to this analysis is that the carbon emissions are highly dependent on the 

emissions  factors  used  for  the  different  energy  inputs  into  the  system  (and  in  particular 

electricity) and generic factors may not be appropriate in all situations.  

Figure 5.7: Illustrative estimates for carbon dioxide emissions from algal biomass 

production in raceway ponds 

0

50

100

150

200

Carbon

 Emission

sgCO2e.M

J‐1

System

Oil extraction Drying Cultivation

Rape Biodiesel ‐RED 2009/28/EC default value (cultivation & production) 

Diesel ‐RED 2009/28/EC default value 

 NC: Normal Cultivation; LN: Low Nitrogen Cultivation; FP: Filter Press; C: Centrifuge; RP: Raceway Pond 

*=Normalised system boundary 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

52

Figure 5.8: Illustrative estimates for carbon dioxide emissions from algal biomass 

production in photobioreactors PBRs. 

0

100

200

300

400

500

600

Jorquera(FP PBR) Jorquera(FP PBR)* Stephenson(T PBR) Stephenson(T PBR)*

Jorquera(T PBR) Jorquera(T PBR)*

Carbon

 Emission

sgCO2e.M

J‐1

System

Oil extraction Drying Cultivation

Rape Biodiesel ‐RED 2009/28/EC default value (cultivation & production) 

Diesel ‐RED 2009/28/EC default value 

 

FP PBR: Flat‐plate Photobioreactor; T PBR: Tubular Photobioreactor 

*Normalised system boundary 

 

The  impact  of  expanding  the  system  boundary  to  include  lipid  production  (and  energy 

recovery  from  residues)  is  shown  in  Figures  5.7  and  5.8,  for  raceway  and  PBR  systems. As 

might be expected, the NER for lipid production is less favourable than for biomass production 

as there are losses in the conversion of the residue to heat and electricity and all the burdens 

of the system are allocated to the lipid6. 

Only  two  normalised  systems,  Stephenson  et  al  (Stephenson,  et  al.,  2010)  and  Kadam 

(Kadam,  2001)  yield more  energy  in  the  lipid  than  they  consume.  It  is  also  apparent  that 

NERlipid  and NERbiomass  values do not  vary by  a  constant proportion;  this  is due  to  reported 

differences  in  the composition of  the algae. For example,  the NERbiomass  for  the Stephenson 

6 The energy reported for lipid extraction in the various studies is ~0.04-0.06MJ/MJdry algal biomass. This compares with an energy demand of ~0.5-0.7MJ/MJdry algal biomass for production in a raceway pond and ~1-6MJ/MJdry algal

biomass in a PBR.

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

53

and Lardon systems  is similar, but Stephenson’s system  is preferable7 for producing biodiesel 

because the lipid proportion is greater. Another factor that contributes to the difference is the 

oil extraction efficiency (for example, Lardon assumes ~70% oil extraction efficiency, whereas 

Sander and Murthy assume ~90%).  

Overall, these results indicate that producing biodiesel as the main product is likely to have 

limited benefits, if assessed in terms of the system energetics. These results also illustrate the 

importance of comparing systems within consistent boundaries, and  it should be noted that 

an alternative allocation  system,  for example, producing high  value protein  for animal  feed 

and allocating the impacts on the basis of market value, could change this result.  

Figure 5.7: Net Energy Ratio for biomass and lipid production in raceway ponds: 

comparison of normalised values. 

 NC: Normal Cultivation; LN: Low Nitrogen Cultivation; FP: Filter Press; C: Centrifuge; RP: Raceway Pond 

*Normalised system boundary 

 

7 I.e. it has a lower NERlipid

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

54

Figure 5.8: Net Energy Ratio for biomass and lipid production in PBRs: comparison 

of normalised values  

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Jorquera(FP PBR)* Stephenson(T PBR)* Jorquera(T PBR)*

Net Ene

rgy R

atio

Prim

ary E

nergy Inp

ut (M

J/MJ o

utpu

t)

Net Energy Ratio in Photobioreactor

Net Energy Ratio (NER) for Oil production Net Energy Ratio (NER) for Biomass production

 

FP PBR: Flat‐plate Photobioreactor; T PBR: Tubular Photobioreactor 

*Normalised system boundary 

5.3 Conclusions 

The LCA studies that are accessible  in the  literature describe a range of production systems, 

but the results are difficult to compare. The normalized model presented in this chapter allows 

the energetic performance of these systems to be examined on a more consistent basis and 

provides some insight into the assumptions used in each of the studies. We consider that this 

analysis supports the following conclusions: 

• Raceway Pond Systems consistently demonstrate a  lower  (more desirable) NER  for both 

biomass and lipid production than PBR Systems  

• The  NER  for  biomass  and  lipid  production  in  the  normalized  system  described  is 

unattractive,  or  at  best, marginal.  This  suggests  that  algae  production may  be most 

attractive where energy is not the main product.  

• The carbon emissions  from algae biomass produced  in  raceway ponds  is comparable  to 

the emissions from conventional biodiesel. 

• The carbon emissions from algae biomass produced in PBRs is greater than the emissions 

from  conventional  diesel.  The  principle  reason  for  this  is  the  electricity  used  for 

pumping the algal broth around the system. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

55

• The most optimistic values for algae production  in the  literature come from the systems 

that are the least complete. The addition of additional process steps makes the NER less 

attractive in all cases.  

• While  the  meta‐model  includes  some  additional  process  steps,  others  might  also 

reasonably be  included  in a complete system. These  include:  the energy embodied  in 

chemical  flocculant,  and  hexane  loss  during  harvesting  and  lipid  extraction.  In  hot 

climates PBRs may also  require cooling. The addition of  these processes would make 

the NER less attractive. 

• There  is a significant variation  in the energy consumed  in the cultivation and harvesting 

phase per MJ algae (biomass or lipid) produced. Key assumptions that affect this are the 

productivity of the algae, its calorific value and lipid content. (As discussed in Chapter 5, 

assuming both a high productivity and high lipid content may be over optimistic.) 

• Assumptions  in  the  original  studies  are  often  obscure,  or  open  to  interpretation.  For 

example, the study by Kadam includes less nitrogen as an input than is contained in the 

algae anticipated as an output. This may be an oversight, or the authors may have made 

some additional assumption that is not explicit: it is possible that the missing nitrogen 

may be recycled or come from some other source. 

• Algae production requires a number of energy demanding processes. However, within the 

LCA  studies  considered here  there  is no  consistent hierarchy of energy  consumption. 

Aspects  that will  need  to  be  addressed  in  a  viable  commercial  system  include:  the 

energy  required  for  pumping,  the  embodied  energy  required  for  construction,  the 

embodied energy in fertilizer, and the energy required for drying and de‐watering.  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

56

 

6. Environmental impacts of micro‐algae production 

Algae  production  could  have  a  wide  variety  of  environmental  impacts  beyond  the 

consumption  of  energy  in  the  production  process.  Impacts  will  vary  depending  on  the 

production  technology  and  location,  and  may  be  positive,  e.g.  contributing  to  water 

remediation, or negative e.g. emissions of hexane or fertilizer. This chapter reviews the major 

environment impacts which could influence sitting decision for the cultivation of micro‐algae. 

6.1 Water Resources 

A  reliable,  low  cost  water  supply  is  an  important  factor  in  the  overall  success  of  biofuel 

production from micro‐algae. Per litre re of biofuel, a minimum 1.5 litres of water are required 

(assuming a lipid content of 50%) (René H and Maria J, 2010). In practice, however, water use 

in production systems will be much  larger:  fresh water needs  to be added  to  raceway pond 

systems  to  compensate water  evaporation; water  is  also  used  for  cooling  Closed  Systems 

(PBRs). 

Evaporation  may  be  particularly  high  in  raceway  pond  systems  that  are  shallow  and 

mechanically mixed (Lundquist, et al., 2010). The evaporation rate may also affect the “blow 

down rate (BDR)”, which is defined as the quantity of water discharged divided by the quantity 

of water supplied to the pond (Lundquist, et al., 2010). In normal operation the BDR is set to 

ensure that the water salinity does not exceed a certain optimal point for algae production. 

One suggestion  is that algae cultivation could utilize water with few competing uses, such 

as  seawater  and  brackish water  from  aquifers.  Brackish water,  however, may  require  pre‐

treatment  if  the  chemical  constituents  of  the water  could  inhibit  algae  growth.  This  pre‐

treatment could raise the energy demand of the process (Darzins, et al., 2010). 

The distance to the water source is also an important factor in locating the cultivation site, 

as 100 meters elevation could mean that 6% of the energy produced by the algae would be 

used for pumping (Lundquist, et al., 2010). Consequently, coastal regions are more obviously 

suitable for sustainable large scale algae production systems.  

Using  algae with wastewater  treatment  is  another  option  for  algae  cultivation  that  has 

been greatly discussed. Clarens et al. (2010) considers the different types of wastewater that 

can be used, and argue that that using wastewater can greatly  improve the final outcome of 

the  LCA.  (Benemann,  2010b)  argues  that  the  final  use  of wastewater will  be  limited,  and 

Greenwell  (2010),  suggests  that  the  best  choice  in  the  end would  be  seawater,  as  “once 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

57

wastewater becomes the basis of a process, it is then no longer waste and will begin to have a 

value”. “Waste,” he considers, “will be useful in micro‐scale operations or where remediation 

is important”. An important consideration in the use of waste water is the acceptability of the 

co‐products  for  large markets such as animal  feed.  In Europe,  for example,  the Animal Feed 

Regulation bans the use of wastewater and all derived products in animal feed. 

Campbell  et  al.  (2010)  and  Kadam  (2001)  use marine water,  but  do  not  expand  on  the 

implications  of  this  (i.e. whether  it would  need  desalination  and what  the  environmental 

consequences of this would be). 

Stephenson et al. (2010) (and to a  lesser extent Clarens et al. (2010)) are the only studies 

that consider the country specific nature of the water usage and shows that it would be lower 

in open systems in the UK due to higher rainfall than it would in other countries. None of the 

LCA studies reviewed  in the report consider the  implications of using freshwater: where this 

water would  be  sourced  from,  the  consequences  on  nearby  agriculture  (or  if  it  could  be 

recycled within  the  local  system),  and  the  consequences  of  using  it  in water‐scarce  areas. 

Although most experts agree this  is the  least  favourable option  for water supply. Neither do 

any of  the LCA studies consider  the added‐value  that could be achieved by algae helping  to 

treat wastewater. 

6.2 Land Use 

One of the suggested benefits of algae production is that it could use marginal land, and thus 

would  entail  little  additional  competition  on  land  required  for  food  production.  Land  use 

change has non‐obvious life cycle impacts, however, physical constrains from topography and 

soil could  limit  the  land availability  for  the raceway pond system: such as  the  installation of 

large  shallow ponds  requires  relatively  flat  terrain; Soil  issues also have  to be concerned as 

their porosity/ permeability  could  affect  the need  for pond  lining  and  sealing, which  could 

contribute to the environmental burdens (Lundquist, et al., 2010). 

Clarens  et  al.  (2010)  shows  that  algae  requires  less  land  than  other  biofuels,  while 

Stephenson et al. (2010) and Campbell et al. (2010) both mention that non‐arable land can be 

used, but none of  the  studies  truly  take  into  account  the  impact of  this  and quantitatively 

shows  how  this  compares  to  first  generation  biofuels  which  require  cropland.  This  is  an 

important  feature  of  algae  growth,  and  is  one  of  the  arguments  in  favour  of  the  overall 

sustainability, yet is not demonstrated in the LCA studies.  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

58

6.3 Nutrient and Fertilizer Use 

Algae  cultivation  requires  several  fertilizers,  primarily  Nitrogen  (N),  Phosphorus  (P)  and 

Potassium (K). The requirement for fertilization cannot be avoided as the algal biomass  itself 

consists  of  ~7% Nitrogen  and  ~1%  Phosphorus.  Substituting  fossil  fuels with  algal  biomass 

would require a lot of fertilizer (René H and Maria J, 2010). For instance, if the EU substituted 

all existing  fuels with  from algae biofuels  this would  require ~25 million  tonnes of Nitrogen 

and 4 million tonnes of Phosphorus. Supplying this would double the current EU capacity for 

fertilizer production (van Egmond, et al., 2002).  

Recycling  nutrients  from  waste  water  could  potentially  provide  some  of  the  nutrients 

required. Also, locating large algae cultivation system near waste water treatment could help it 

holds the potential both for fuel production and waste water remediation. 

6.4 Carbon fertilisation 

Currently,  large  point  sources  of  CO2  are  concentrated  close  to major  industrial  and  urban 

areas. Research  from  the  IPCC on Carbon Capture and Storage  (CCS)  identifies  that, a  small 

proportion of large CO2 sources are close to oceans, which are potential storage locations for 

CO2  and  are  likely  to be  the preferred  location  for  algal biofuel production  (Darzins, et  al., 

2010).  The  proximity  of  the  cultivation  to  a  carbon  source  has  been  identified  by  various 

experts as one of the possible limitations for growth. If we assume that a minimum of 1.8 ton 

of CO2  is needed to produce 1 ton of algal biomass (Kliphuis, et al., 2010), ~1.3 billion ton of 

CO2 would be  required  to produce  the 0.4 billion m3 of biodiesel needed  to  supply  the EU 

transport market (European Environment Agency, 2008). The distance across which CO2 may 

need  to  be  transported  to  the  cultivation  site  may  be  a  concern  as  long  CO2  transport 

distances could  increase the emission and energy consumption dramatically. Campbell et al. 

(2010)  is  the  only  LCA  study  to  explore  the  implications  of  this,  showing  that  transporting 

(liquefied) carbon greatly reduces the overall sustainability of the project, while using flue gas 

or carbon from  industry  is more beneficial. It should be noted that separating CO2 from flue 

gas is a highly energy consuming process (~4MJ.kg‐1) (Gambini, 2000) and so the direct use of 

flue  gas would  be  preferable. While  the  studies  generally  considered  flue  gas  as  the main 

carbon  source  this  needs  further  investigation  as  it may  limit  the  areas  of  growth  (a  large 

amount of  land would have  to be available near a power plant). Power plants also produce 

CO2 24 hours per day, but algae will only consume it during daylight, an algal system, therefore 

will only ever be able to use a small proportion of the CO2 produced from a power plant.   

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

59

The EU 2009 Renewable Energy Directive does not give any incentive to use CO2 emissions 

(or wastewater), although  if PBRs could capture 80% of the CO2  fed to them, they could  fall 

under the EU Emissions Trading Scheme  (ETS), resulting  in  financial  incentive  for  industry to 

partake  in algae production (Vernon, 2010). There  is a danger, however  in viewing algae as a 

sequestration method as CO2 use by algal cultures is not CO2 sequestration – that comes from 

algal biofuels replacing fossil fuels” (Benemann, 2010a). Campbell et al. (2010) differentiated 

between  the  carbon  released  from  fossil  fuels  (which  would  add  new  carbon  to  the 

atmosphere)  and  that  by  biomass  burning  (which  only  re‐releases  carbon  previously 

captured): this is an important differentiation to make. 

6.5 Fossil Fuel Inputs 

As  discussed  in  the  previous  chapter,  the majority  of  the  of  the  fossil  fuel  inputs  to  algae 

cultivation  come  from  electricity  consumption  during  cultivation  sector  and  natural  gas 

consumption from the biomass drying process. Algae are quite sensitive to temperature, and 

maintaining a high  level of productivity  could also  require  temperature  control.  If  required, 

both heating and cooling could require additional fossil fuel. The environmental performance 

could,  however,  be  improved  by  system  integration  that  to  utilize  the waste  heating  from 

power generation for drying the algal biomass. 

6.6 Eutrophication 

Nutrient  pollution  is  termed  eutrophication  and  can  lead  to  highly  undesirable  changes  in 

ecosystem structure and function, including:  

• Increased biomass of freshwater phytoplankton and periphyton 

• Changes in vascular plant production, biomass, and species composition  

• Reduced water clarity 

• Decreases in the perceived aesthetic value of the water body 

• Taste and water supply filtration problems 

• Possible health risks in water supplies 

• Elevated pH and dissolved oxygen depletion in the water column 

• Increased probability of fish kills (Lardon, et al., 2009). 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

60

The  impact  of  algal  aquaculture  on  eutrophication  could  be  positive  or  negative. Negative 

impacts could occur  if  residual nutrients  in  spent culture medium are allowed  to  leach  into 

local  aquatic  systems. On  the other hand, positive  impacts  could occur  if  algae production 

were  to  be  integrated  into  the  treatment  of  water  bodies  already  suffering  from 

eutrophication. For example, Agricultural Research Service scientists  found that 60%~90% of 

nitrogen runoff and 70%~100% of phosphorus runoff can be captured from manure effluents 

using an algal turf scrubber (ATS) (AquaFUELs, 2011a). Remediation efforts of polluted water 

bodies  suffering  from  algal  blooms  may  also  provide  significant  amounts  of  free  waste 

biomass, and this could be used for biofuel production. 

In the case of macro‐algae, it has been suggested that cultivating it close to fish farms and 

shrimp  ponds  could  reduce  nitrate  and  phosphate  pollution  from  the  farm  and  provide  a 

source of agar (Troell, et al., 1997). 

6.7 Genetic Modified Algae 

In the search for algae that can deliver both a high biomass productivity and a high oil content, 

genetic modification is one possible option (Lundquist, et al., 2010). Applications of molecular 

genetics range from speeding up the screening and selection of desirable strains, to cultivating 

modified algae on a  large scale. Traits that could be desirable  include herbicide resistance to 

prevent  contamination  of  cultures  by  wild  type  organisms.  The  legal  status  of  genetically 

modified algae  is  somewhat unclear.  In  the U.S,  there  is question about whether applicable 

laws  and  regulations  constrain  the  use  of  Genetic  Modified  Algae(GMA)  for  biofuel 

production, and there is the possibility that some companies may go ahead and use of GMA in 

open  systems  under  current  regulation  (or  their  absence)  (Lundquist,  et  al.,  2010).  Open 

systems present a particular challenge  in terms of containment, as some culture  leakage and 

transfer  (e.g. by waterfowl)  is unavoidable. Closed bioreactors may appear more secure but 

Lundquist et al., (2010) comments that PBRs are only cosmetically different from open ponds 

and culture leakage is unavoidable. 

In the European Union the use of genetically modified organisms is closely regulated and if 

algae were genetically modified they would come under the control of European legislation 

aiming to prevent the release genetically modified organisms (GMOs) and their entry into the 

food chain8. There are, however, a number of projects that seek to deliver value added 

8 Key legislation includes: • Directive 2001/18, as amended by Directive 2008/27/EC on the deliberate release into the environment

of genetically modified organisms;

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

61

products through genetic engineering in the EU including the Framework Programme 7 ‐ 

Genetic Improvement of Algae for Value Added Products (GIAVAP) project. 

6.8 Algal toxicity 

Algal toxicity may be a concern where co‐products are used to produce food. Many algae 

species can produce a wide variety of toxins ranging from simple ammonia to physiological 

active polypeptides and polysaccharides. Effects can range from acute effects (e.g. the algae 

responsible for paralytic shellfish poison may cause death) to the chronic (e.g. the toxins 

produced in red tides – carrageenans – can induce carcinogenic and ulcerative tissue changes 

over long periods of time). Toxin production is species and strain specific and may also 

depend on environmental conditions. The presence or absence of toxins is thus difficult to 

predict (Collins, 1978) (Rellán, et al., 2009).  

From the perspective of producing biofuels, perhaps the most important issue is that 

where co‐products are used in the human food chain producers will have to show that the 

products are safe. Where algae are harvested from the wild for human consumption the 

principal concern is contamination from undesirable species. From an economic perspective 

algal toxins may be important and valuable products in their own right with applications in 

biomedical, toxicological and chemical research. 

6.9 Conclusions 

Micro‐algae  culture  can  have  a  diverse  range  of  environmental  impacts.  Many  of  these 

impacts  are  location  specific,  e.g. water  and  land  use.  Impacts  such  as  the  use  of  genetic 

engineering are uncertain, but may affect what  systems are viable  in particular  legislatures. 

The  impacts  presented  here  are  the  ones  identified  as  most  important  in  the  existing 

literature, but should not be considered exhaustive. In any algae cultivation scheme it should 

be  anticipated  that  environmental monitoring  will  play  an  important  role  and  will  be  an 

ongoing requirement.   

• Regulation (EC) No 1830/2003 concerning the traceability and labelling of genetically modified

organisms and the traceability of food and feed products produced from genetically modified organisms;

• Directive 2009/41/EC on the contained use of genetically modified micro-organisms. •

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

62

 

7. Review of macro‐algae LCA  

In  the  1970’s  the  Energy  Research  and  Development  Authority  and  the  American  Gas 

Association  took over  the Marine Biomass Concept programme working on  cultivation  and 

bioconversion of the giant kelp Macrocystis pyrifera (extensive review and discussion in Bird & 

Benson (1987)). The project was  largely unsuccessful and research subsequently abandoned. 

In  1994,  Gao & McKinley  then  published  a  paper  entitled  ‘Use  of macroalgae  for marine 

biomass production and CO2 remediation: a review’ (Gao and McKinley, 1994). Little research 

was stimulated until recently when resurgence of interest in the potential of algal biofuels has 

become  intense.  Thus,  in  spite  of  the  relative  longevity  of  the  idea,  and  much  current 

speculation  about  possibilities,  there  are  very  few  published  studies  relating  to  the  social, 

economic,  environmental  (including  energy  balances)  and  technical  challenges  of  using 

macroalgae  as  a  third  generation  biofuel  feedstock.  To  our  knowledge  no  full  Life‐Cycle 

Analyses (LCA’s) exist in the published literature, in part this is due to lack of data with which 

to populate the models.  

 

Testimony to the fact that there is still very little available data, there are a number of recent 

publications addressing algal biofuels in which macro‐algae are given scant mention, and often 

only  in the context of stressing the  lack of  information ( see for example, Chung et al. 2010; 

Singh et al. 2011; John et al. 2011; Singh & Olsen 2011).  

One partial LCA study on macro‐algae has been completed by Aresta et al. {, 2005 #600}. 

These  authors  report on  the development of  computing  software  for  a macro‐algal biofuel 

production LCA and give some preliminary outputs of the model. They claim that the model 

can be adapted to assess biofuel from either micro‐ or macroalgae and is summarised in Table 

7.1.  They  state  preliminary  results  of  analysis  for  Chaetomorpha  linum  and  Pterocladiella 

capillacea  grown  in  ponds  and  lipid  extracted  by  scCO2.  In  the  best  case  there was  a  net 

energy gain  in  the order of 11000MJ/t dry algae, which compared  to 9500MJ/t dry, gasified 

microalgae. They state  that distribution of separated CO2 was more energetically  favourable 

than  the distribution of  flue gas, and  that  the application of  fresh nutrients  (as opposed  to 

wastewater/aquaculture  recycled  nutrients)  gave  a  barely  positive  energy  balance,  if  not 

negative.  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

63

A recent hypothetical analysis, was carried undertaken by Goh & Lee (2010) on the macro‐

algal  production  capacity  in  Sabah,  Malaysia.  Along  with  figures  for  carbohydrate  yields, 

fermentation efficiencies and net calorific value for ethanol derived from literature, this gave a 

total available energy estimate of 6.50 x 106 GJ per year. The authors go on to discuss some 

challenges and constraints but in this case none of these are quantified 

Table 7.1: Summary of Aresta et al. (2005) study of macro‐algae LCA 

Aim  To establish the energetic benefits of biofuel production from macroalgae 

Assumptions  • The ponds/bioreactors are situated at the coast • Nutrients are recycled from wastewater or an associated fishery • Gas transport is within the range of 100km 

CO2 Capture  • Considers capture from power plants ranging in size from 100‐600MW and powered by coal, oil or natural gas. 

• Transport of either flue gas (if algae are resistant to NOx, SO2) or separated pure CO2 

Production System  Temperature, salinity, irradiance, aeration, stirring, fertilisation 

Harvest  Not elucidated 

Drying  By solar energy or recovered heat 

Conversion  Considers a range of processes: combustion; extraction by supercritical CO2 

or organic solvents, pyrolysis, gasification, liquefaction, anaerobic 

fermentation 

Source: {Aresta, 2005 #600} 

 

 

Despite the paucity of studies, there are a number of ongoing research projects, the outputs 

of which will include LCA for macro‐algae. These are listed below. 

 

BioMara ‐ http://www.biomara.org/ 

Sustainable Fuels  from Marine Biomass  is a  joint UK and  Irish  Interreg  IVA Project. Socio‐

economic outputs will include a microeconomic cost‐benefit analysis; a macroeconomic study 

of  the  impacts  of  the  development  of  a mari‐fuels  industry  in  Scotland  and  the  North  of 

Ireland; a  techno‐economic evaluation of  systems and options  including biorefinery, energy 

scenarios  and  infrastructure.  Macroalgae  outputs  will  include  an  Environmental  Impact 

Assessment  (EIA);  optimisation  of methane  yield  from  anaerobic  digestion  and  scaling  up; 

bioethanol production and scaling up. 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

64

Energetic Algae ‐ http://www.nweurope.eu/index.php?act=project_detail&id=4124 

An  Interreg  IVB Project  running  from 2009‐2015.  The project  aims  to establish  an up  to 

date  inventory  of  current  and  planned  pilot  cultivation  sites with  information  sharing  and 

establishment  of  best  practice.  It will  also  identify  political,  economic,  social  and  technical 

opportunities to exploit algal biomass in North West Europe. 

 

SuperGen ‐ http://www.supergen‐bioenergy.net/ 

Supergen  II  is  the second phase of a UK based bioenergy research consortium  funded by 

the  EPSRC.  ‘Systems’  is  one  of  the  Supergen  II  themes  and  includes  resource  assessment; 

technical,  economic,  environmental  and  social  systems  analyses; multi‐criteria  assessment; 

pathways, policies and  impacts.  ‘Technical performance, economic  feasibility, environmental 

impact and social implications of entire Bioenergy systems are to be evaluated over their full 

life‐cycle.’ Marine biomass is included as a sub‐theme within the Resources theme.  

7.1 Conclusions  

No LCA for macro‐algae are available in the literature, although a number of research projects 

are expected to publish on this subject in the near future. It is thought that LCAs will improve 

the  rationale  behind  each  step  of biofuel  production  and  therefore  give  a  key  to  the  least 

harmful and most efficient way of producing biofuel from macroalgal biomass. 

The  environmental  impacts  of  macro‐algae  production  are  also  uncertain,  despite 

cultivation on artificial structures having been undertaken for decades now  in SE Asia. Unlike 

micro‐algae cultivation, water use is not considered a major obstacle. In cultivated systems the 

most significant impacts are likely to be the provision of nutrients, and competition for the use 

of the near‐shore area. Where macro‐algae are harvested from the wild, overharvesting may 

risk damage to ecosystems that are dependent on macro‐algae as the bottom trophic level.  

Specific environmental impacts include the following issues: 

• Land‐Based Tank cultivation offers the advantage of possible  integration of seaweed 

into  systems  as  biofilters  with  terrestrial  aquaculture/wastewater,  however  land 

availability may be an issue for the scale required in biofuel production. 

• Kelp  harvesting  has  been  the main  source  of  seaweed  biomass  in  Europe  so  far. 

Despite the resilience of kelp beds, resources are limited and the effect of harvesting 

on associated biological communities is uncertain. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

65

• Harvesting  macroalgal  blooms  in  European  coastal  localities  mitigates  a  high 

environmental  cost  (risk  of  anoxia,  decomposition  and  nutrient  release,  noxious 

gases). The  removal of  large quantities of biomass and associated sediment  (mostly 

sand) might have some  impact on coastal erosion however,  latest techniques aim at 

harvesting the biomass before it is stranded on beaches. 

 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

66

 

8. Environmental impacts of macro‐algae production 

Four  alternative  scenarios  can  be  envisaged  for  harnessing  macro‐algal  production  for 

biofuels: cultivation at sea; tank‐based cultivation on  land; harvest of the wild resource, and 

harvest of nuisance bloom  species. The potential  impacts, both positive  and negative,  vary 

between  these alternatives methods;  they will also be affected by  scale. There  is, however, 

very  little  published  data  relating  to  the  environmental  impacts  of  cultivated macro‐algae 

production  for  biofuels.  In  light  of  this,  this  chapter  simply  aims  to  summarise what  little 

published  data  is  available,  and  give  reference  to  other  related  studies  that may  highlight 

future research needs and direction. The  impacts of each cultivation scenario are considered 

in terms of  land and sea‐surface area required, water, fertiliser and nutrients, and ecosystem 

effects.   

8.1 Land use and near‐shore area use 

8.1.2 Cultivation at sea 

Laminaria production occurs both on  land and at sea. The hatchery phase, where spores are 

released, gametophytes cultivated, culture rope seeded and seedlings grown to transplant size 

however  requires  relatively  little  space  due  to  the  minute  nature  of  the  early  stages  – 

seedlings are  transplanted  to sea when  they are between 3‐15mm. Large‐scale, commercial 

production of kelps is only carried out in Asia but taking an example from Saccharina japonica 

cultivation  in China,  36kg of  gametophytes was produced  over  a  3 month period  (from  an 

initial  inoculation of 0.75kg) using 100 x 20l bottles. This would be sufficient to produce 400 

million sporelings, enough to seed 1300 hectares (Zhang, et al., 2008). Even at this scale  it  is 

clear that this could be easily accommodated within the space of a normal laboratory (30‐50m 

shelf space). Somewhat more space is required in order to seed the rope used to transfer the 

seedlings to sea. This is hard to predict as it depends on longline set‐up, type of culture rope 

used, nursery facilities etc. but based on extrapolations from pilot scale work in Ireland, a tank 

of 1 cubic meter would be sufficient to produce enough seeded rope for 200m of longline, or 

enough  seeded  string  for  a minimum  of  1000m  of  longline.  Over  one  hectare  this would 

require 25 cubic meter tanks for seeded rope or 5 tanks for seeded string.  

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

67

8.1.3 Tank based cultivation on land  

Cultivation  in  tanks  is more  appropriate  for  small,  fast‐growing  species  that  need  repeated 

harvesting  in order to maintain an appropriate stocking density, such as Ulva sp. Bruhn et al. 

(2010)  achieved  a maximum  biomass  production  of  45t  dry weight  ha‐1yr‐1  under  ambient 

(outside)  light  conditions  and with minimal  fertiliser  input  (latitude  56°N).  They  cite  other 

studies reporting energy intensive cultivation yields of 74 t dry weight ha‐1yr‐1, and non‐energy 

intensive  yields  of  26  t  dry  weight  ha‐1yr‐1  (Ryther  et  al.  1984,  in  (Bruhn,  et  al.,  2010)). 

Obviously yields will vary according  to methods of cultivation;  the  figures here  just serve  to 

give an idea of the area of land that might be required for cultivation of bioenergy significant 

yields. Due  to  the necessity of a salt‐water supply, any  tank‐based system must be coastally 

located. Conflict with other land‐ or resource‐users is more likely to be in the form of the coast 

as a shared  landscape/leisure amenity, rather than  in direct competition with agricultural or 

industrial interests. 

8.1.4 On‐shore facilities for sea and tank cultivation, wild harvest and bloom harvest 

Land  is not  required on a  large‐scale  for macro‐algae production except  in  the case of  land‐

based  tank  production.  However,  because  of  the  seasonality  of  algae  production,  some 

method of storage  is required. The state  in which the algae are stored (wet, semi‐dry or dry) 

will affect the type of storage facility and space required.  

All macroalgae production systems will also require on‐shore  facilities  in terms of offices, 

warehouses  and  perhaps  seaweed  drying  facilities. Harbour  and  pier  facilities  are  required 

with space  for unloading  large quantities of  seaweed, as are bio‐refinery  facilities,  including 

fermentation/digestion, separation and purification units. It is not envisaged that any of these 

features will  require more  shore  area  than  a normal  aquaculture operation  and processing 

facility  requires.  Besides,  the  required  land‐space  does  not  require  arable  land,  is  not  in 

competition  with  agricultural  land,  and  therefore  the  land  area  required  for macro‐algae 

cultivation can reasonably be excluded from the land for food vs energy debate. 

8.2 Use of Near‐shore/Off‐shore space   

Space  in  the  near‐shore  coastal  environment  is  likely  to  be  limited,  particularly  in  Europe 

where  there  is  intense  competition  for  coastal  resources.  Realistic  projections  of  potential 

yields  (e.g.  maximum  30  dry  tonnes  hectare‐1,  based  on  repeated  annual  harvests  of 

Saccharina  japonica  in China) give some  idea of  the area  required depending on  the size of 

biorefinery/biofuel installation intended. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

68

Further offshore space  is  less  limited and  this has been suggested as a potential solution 

(e.g.  (Buck  and  Buchholz,  2004)),  but  there  are  a  number  of  technical,  environmental  and 

economic questions to resolve before this becomes a reality.  

8.3 Freshwater Use 

Freshwater  requirements  for  production  of marine macroalgae  are  absolutely minimal  and 

limited to equipment care and maintenance.  

8.4 Fertiliser and nutrients 

8.4.2 Cultivation at sea:  

In Europe cultivation at sea has been practiced on a very small‐scale. The use of fertilisers has 

not been carried out/assessed, even experimentally  ‐ all growth/biomass estimates reported 

being  those  naturally  attained.  The  FAO  Culture  of  Kelp Manual  states  that  the  need  for 

fertiliser  depends  on  the minimum N  growth  requirements  of  kelp  and  the  hydrodynamic 

regime of the farm area (FAO, 1989). Key considerations are the ability of the water body to 

distribute nutrients, and the continual influx of non‐nutrient depleted water. The FAO states a 

general  requirement  (for Saccharina  japonica) of 20 mg NO3‐N.m‐3, but as  little as 6‐10 mg 

NO3‐N.m‐3 will  still  support  production  of  30  d.t.ha‐1 where  there  is  rapid water  exchange. 

They give an annual fertiliser input of 2250 kg ha‐1, although what fertiliser is used, or the total 

N content is not stated.  

While kelps grow and survive well in nutrient poor waters (for example, exposed locations 

on  the west  coast  of  Ireland  support  80 wet  t.ha‐1), N  uptake  is  positively  correlated with 

characteristics such as heat  tolerance / decay  resistance and sorus  (gamete)  formation, and 

can therefore be central to extending the growth season (and therefore the final yield of the 

crop), or to producing high quality reproductive sporophytes. Maximising the growth season 

has been found to dramatically enhance yield and so the importance of this point should not 

be underestimated.  

Every  site  will  also  be  different.  The  Nitrates  Directive  /  Water  Framework  Directive 

(Directive  2000/60/EC)  gives no  specific protocol or  criteria  for  fertilisation  at  sea  although 

provides  a  comprehensive  format  for monitoring  of  biological  and  physico‐chemical water 

quality aimed at attaining or maintaining/improving ‘good’ status in water bodies. Criteria are 

such  that  fertilisation  in  certain water bodies might not be out of  the question  in  terms of 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

69

compliance with the directive, but the public response would also need to be considered  in 

terms of acceptability.   

 

There are other options for providing sufficient nutrients for  luxuriant kelp growth that have 

been proposed and in some cases experimentally, or commercially, verified. The high capacity 

of kelps  to  remove  inorganic N and P  from  the environment makes  them potential nutrient 

‘scrubbers’  from  environments  receiving  a  high  nutrient  loading  or  from  those  that  are 

eutrophic. There  is quite a  large body of work  that has  started  to elucidate  the  capacity of 

various macro‐algae  to  remove nutrients  from wastewater  sources, or  from other  forms of 

higher trophic  level aquaculture (Integrated Multi‐Trophic Aquaculture  (IMTA) concept – e.g. 

(Abreu, et al., 2009), or  see Chopin et al.  (2001)  for  review). While  the nutrient budgets of 

each aquaculture installation will be site and species specific, as an example, Sanderson (2006) 

estimated that the area of S. latissima needed for remediation of a 500 tonne salmon farm in 

Scotland, over the two year growth cycle, would be between 20 and 100 hectares, dependent 

on the exact N  incorporation  into the seaweed. Based on δ15N  isotope tracking, the effect of 

fish farm nitrogen was detected at 500m+ (Sanderson, 2006) and up to 1350m (Handley, et al., 

2004) from the source, suggesting that a macroalgae farm of sufficient size could be  located 

within the area directly impacted.  

Likewise,  remediation  of  eutrophic  areas  resulting  from  land‐based  nutrient  inputs  is  a 

possibility; however, while this may ameliorate an existing problem  it does not provide a full 

solution. Moreover,  the Water  Framework Directive  is  aiming  to  remove  the  source  of  the 

eutrophication problems. The  ideal  future situation must be  that  there  is no eutrophication 

problem  to  remedy  in  the  first place. Where  it  is deemed  suitable as a mitigation method, 

however,  Fei  (2004)  identified  four  pre‐requisites  in  order  that  macroalgae  fulfils  the 

mitigation role: that there  is the possibility of  large scale aquaculture  in the eutrophic area; 

that  scientific  and  technical  problems  of  cultivation  are  solved;  that  there  are  no  harmful 

ecological side‐effects; that cultivation  is economically attractive.  In Europe, all four of these 

questions remain at least partially unanswered.  

 

The feasibility of offshore macro‐algal production has been demonstrated at a concept  level, 

with  carrier  structures  able  to withstand  offshore  conditions  (  >8  nautical miles  from  the 

coast, fully exposed to all oceanographic conditions – (Buck and Buchholz, 2004) – in this case 

6  m  wave  height  and  over  2  m.s‐1  current  speed  (Buck  and  Buchholz,  2004)  (Buck  and 

Buchholz, 2005). Seaweed (Saccharina latissima) grew in fully and partially exposed locations 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

70

although  no  biomass  yield  was  reported  for  the  fully  exposed  sites,  and  yields  of  4kg 

wet.weight.m‐1 was achieved at the partially exposed  location. Optimisation of yield was not 

the objective of this study, so, although the yield seems rather low, future improvements may 

be possible. However, nutrient distribution  in the offshore environment  is both spatially and 

temporally  variable,  and  oceanic waters  are  predominantly  oligotrophic  so  it may  be  that 

some  form  of  fertilisation  is  necessary  in  order  to  achieve  economically  viable  yields. 

Proposals  include  integration  with  offshore  aquaculture,  possibly  itself  integrated  into 

offshore  wind  farms  e.g.  (Buck,  et  al.,  2008),  in  order  that  the  infrastructure  and 

technical/maintenance costs are shared. Artificial up‐welling of nutrient rich deep water has 

been suggested as a method of fertilising the relatively nutrient poor surface waters and this 

has been successfully trialled  in circumstances related to enhancing primary productivity e.g. 

Masuda et  al.  (2010)  (Japan),  and  in Norwegian  fjords  to  enhance primary production  and 

thereby carrying capacity for mussel cultivation (Aure, et al., 2007). Filgueira et al. (2010) also 

incorporated up‐welling  into  a model of  aquaculture‐environment  interactions  and  carrying 

capacity. Technical and biological/ecological research  into up‐welling systems  is  in  its  infancy 

and the environmental consequences of this are unknown. 

Another possibility is the reduction of the need for fertiliser input through strain selection. 

There  is  the possibility of enhancing nutrient uptake characteristics by selective breeding or 

careful  selection  of  parent  source  populations  –  e.g.  Macrocystis  pyrifera  in  California 

(Kopczak,  et  al.,  1991).  Successful  breeding  of  heat‐tolerant  strains  allowing  growth  over  a 

longer season has also been carried out, e.g. Zhang et al. (2011). 

8.4.3 Land‐based tank cultivation 

As for sea cultivation, tank cultivation can also be integrated into other aquaculture systems in 

order to bio‐remediate the waste‐water of  fed aquaculture at the same time as producing a 

valuable crop. There are many examples of this on experimental/pilot scales (e.g. Neori et al. 

(2003) – Ulva lactuca with gilthead seabream, (Rodruigeza and Montaño, 2007)‐ Kappaphycus 

spp. (carrageenophytes), with the milkfish Chanos chanos). In this case cultivation has a clear 

environmental benefit, but care must be taken with release of cultivation water back into the 

environment  and  continual monitoring will  be  necessary  as  nutrient  rich  cultivation water 

released into environment could stimulate a eutrophic event. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

71

8.5 Macro‐algal Domestication and Genetic Engineering 

Agronomically, macroalgae  cultivation  is  in  its  infancy by  comparison with  terrestrial  crops. 

Domestication  of  kelp  began  in  earnest  in  China  during  the mid  1950’s when  the  summer 

sporeling method was  introduced (FAO, 1989) and strain selection began to be developed  in 

the early 1960’s (Zhang, et al., 2011). Strain selection has led to dramatic increases in yields in 

recent years and is considered vital to development of an economically viable industry. In spite 

of  this,  there  are  potentially  negative  consequences  of  large‐scale  release  into  the 

environment of modified crops. Byrne & Stone  (2011) state,  in  relation  to  terrestrial biofuel 

crops:  ‘The  biosecurity  risks  of  biomass  feedstock  production  for  bioenergy  need  to  be 

evaluated  since  the  functional  traits  for  bioenergy  crops  are  also  typical  of weed  species.’ 

Escape  outside  of  the  cultivation  environment  and  establishment  in  the  wild  can  lead  to 

establishment of environmental weeds which may impact on the ‘structural and compositional 

features of biodiversity in agricultural landscapes’ (ibid.) as well as on ecosystem services. The 

authors  propose  a  risk  assessment  formula  for  assessing  invasiveness,  potential  impact  of 

establishment  (of  either  selectively  bred,  or  genetically modified  organisms),  and  risks  of 

genetic pollution for transgenic organisms. Genetic pollution relates to hybridisation between 

domesticated and native crops (both between species, and within cultivars/populations). The 

impacts  relate  to  expression  of  hybrid  vigour  and  introgression  of  foreign  genes  (e.g. 

(Bergelson, et  al., 1998) –  ‘genetic engineering  can  substantially  increase  the probability of 

transgene escape) or through out‐breeding depression and reduction of reproductive output. 

Several authors  stress  that  the  consequences of genetic pollution are hard  to evaluate and 

advise  extreme  caution  (e.g.  Latham  et  al.  (2006),  also  see  articles  in  Current  Opinion  in 

Environmental Sustainability 2011, Vol.3, pp. 1‐112). There are numerous examples of escapes 

and  establishment of  transgenic organisms  including  some having  long‐term environmental 

and  economic  costs,  for  example  the  escape  of  Sorghum  halepense,  an  introduced  forage 

grass in the USA (see Raghu et al. (2006)), and Agrostis stolonifera (creeping bentgrass), also in 

the  USA  (see  Moon  et  al.  (2010),  also  for  discussion  of  strategies  of  biocontainment  of 

transgenes  for sustainable use of biotechnology). Having said  this, while  transgenic kelp  is a 

reality (see Qin et al. (2004,  , 2005,  , 1999),  it has been  limited to closed systems which the 

authors stress must remain the case (Qin, et al., 2005).  

Further to the above, problems common to  large‐scale monocultures, particularly of non‐

native  species  are  those  of  pest  and  disease  introduction  or  enhancement  and  the  risk  of 

transfer to wild populations. These also have the potential to affect yield and therefore should 

be considered in environmental and economic projections.  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

72

Sheppard et al.  (2011)  conclude:  ‘We believe  these  future  threats posed by a  large new 

non‐food agricultural sector driven by the bioeconomy have not been given adequate thought 

or acceptance by  industry and policy makers and  in many cases have gone  ignored.’ As  the 

macroalgal  cultivation  industry  is  in  the  very  early  stages,  the  opportunity  to  ensure  full 

consideration of unresolved  issues, and  incorporate knowledge from terrestrial systems need 

not be missed.  

8.6 Ecosystem Effects 

8.6.2 Cultivation at Sea 

Again there is little published data. Effects on the benthos have been demonstrated by Eklof et 

al. (2005) (2006). Both these are tropical examples and relate to off‐bottom cultivation above 

seagrass beds. Physical and biological changes were documented in sediment quality (became 

finer),  decreased  sediment  organic  matter,  decreased  macroalgae  and  seagrass  diversity, 

decreased  abundance  and  biomass  of  macrofauna,  and  a  shift  in  seagrass  community 

structure  –  these  changes,  via  speculated mechanisms  of  shading,  emergence  stress  and 

mechanical abrasion, are typically associated with a decrease in ecological quality. In the same 

tropical  system,  Bergman  et  al.  (2009)  (2001)  demonstrated  changes  (trophic  identity, 

abundance, species richness and community composition) in fish assemblages associated with 

seaweed cultivation that were regarded as positive in some cases and negative in others. The 

observed  differences  between  lagoons  were  thought  to  be  due  to  farming  intensity  and 

substratum character. 

Flow modification on a bay scale have been predicted by Grant & Bacher (2001), in Sungo 

Bay,  China.  The  bay  occupies  approximately  140km2  with  a maximum  depth  of  15m  and 

virtually  the whole  bay  is  taken  up with  aquaculture  of  the  kelp  Laminaria  japonica  (3300 

hectares in 1994) and the scallop Chlamys farreri (1333 hectares in 1994). A model of altered 

current speeds and particle exchange was developed which predicted a 54% reduction in flow 

and  41%  reduction  in  particle  exchange  rate within  the main  cultivation  area.  The  authors 

state  that  ‘disregard  for  physical  barriers  associated  with  culture  will  result  in  a  serious 

overestimation of the particle renewal term and thus an overestimation of carrying capacity.’ 

They also acknowledge the need for field measurements to validate and refine the model.   

 

Productivity of Laminaria forests  is high and has been estimated, based on biomass, to be  in 

the range of 800‐1900 gCm‐2 (Sjotun, et al., 1995), 603‐1750 gCm‐2 (Mann, 1973). Productivity 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

73

is  actually  greater  than  would  appear  based  on  biomass  alone  because  of  the  continual 

attrition of the lamina which results in a steady supply of particulate organic matter (POM), in 

addition  to exudation of excess  fixed carbon contributing  to  the  supply of dissolved organic 

carbon (DOC) in the system. Abdullah & Fredriksen (2004) (2004) estimated total productivity 

of L. hyperborea, i.e. including DOC (estimated at 26% of fixed carbon) and POM, to be as high 

as 3000 gCm‐2. This large supply of organic matter subsidises trophic systems outside the kelp 

ecosystem itself. For example, in South Africa, kelp derived detritus accounted for 65% of POM 

in  the  intertidal  zone  –  consumers  in  the  intertidal  were  shown  to  be  dependent  on 

productivity in the sub‐tidal and this effect was important even at sites along the coast where 

there was no immediate kelp forest (Bustamante and Branch, 1996). Steneck et al. (2002) cite 

further studies demonstrating carbon contributions to  intertidal, offshore, shallow and deep 

soft‐sediment,  and  terrestrial  ecosystems.  Large‐scale macroalgal  cultivation  will  therefore 

also contribute to the DOC and POM  in the  local ecosystem (although regular harvesting will 

alter the overall dynamics) and this will perhaps be a positive effect. However quantification 

of  the contribution of organic matter and  the  impact on  the ecosystem has not so  far been 

studied.  

8.6.3 Land‐based Tank Cultivation 

There is limited potential for effects due to the semi‐enclosed nature of the system, except for 

the potential stimulation of a eutrophication event by release of nutrient enhanced water.  

8.6.4 Wild Harvest 

Kelp forest ecosystems have a high intrinsic ecological stability (Steneck, et al., 2002) meaning 

that  in  themselves  they  are  relatively  resilient  and  can  withstand  considerable  physical 

disturbance, including that of harvesting. However, kelp individuals and ecosystems support a 

very diverse and abundant flora and fauna e.g. Christie et al. (2003), Norderhaug et al. (2003) 

and  studies have  shown  that  the  resilience of  the associated  communities  tends  to be  less 

than  that of kelp  forest  itself and  the  recovery  times post‐harvest slower  than  for  the kelps 

(Christie, et al., 1998). Further to this, multi‐trophic interactions are largely unknown, but see 

Lorentsen et al. (2010) for a comprehensive study of trophic  interactions between kelps and 

associated fauna and consequences of harvesting.  

 High productivity means  that kelp ecosystems  tend  to provide  trophic subsidies  to other 

inter‐related ecosystems (e.g. (Abdullah and Fredriksen, 2004) (Jørgensen and Christie, 2003)) 

so de‐stabilisation of  kelp ecosystems has  the potential  to have  far‐reaching  consequences. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

74

The effect will be very much dependent on  scale of  the harvest. Norway has experience of 

long‐term  kelp  harvesting with  apparent  stability  (Vea  and  Ask,  2010)  but  a  recent  paper 

suggests  that  the effects of  the harvest  (in  terms of  local and offshore ecosystems) are not 

fully appreciated at present and may be more detrimental than previously thought (Lorentsen, 

et al., 2010). 

For a  full discussion of  the potential effects of harvesting see Ratcliff  (Ratcliff  J  (in press), 

2010). 

8.6.5 Harvest of blooms 

Liu et al. (2009) found large‐scale porphyra aquaculture in combination with a eutrophic water 

body  stimulated  a massive  (400km2)  Enteromorpha  prolifera  bloom  in  China.  Removal  of 

bloom  biomass  is  important  to  prevent  the  formation  of  the  anoxic  conditions  that  follow 

during  the  degradation  of  the  biomass,  which  can  be  extremely  detrimental  to  other 

organisms. Bloom events resulting  from eutrophic water bodies are not uncommon and can 

result  in  substantial quantities of biomass however,  they may be unpredictable  in  terms of 

time and space which results in logistical difficulties for harvesting and processing, particularly 

in terms of transport of a wet, bulky material, which will impact the GHG emissions budget for 

the process. Further to this, as mentioned above, the ideal is that the eutrophication initially 

stimulating  the bloom  is dealt with  in  the  first place  rather  than attempting  to mitigate  the 

effects of a different problem.  

 

8.7 Environmental Contamination 

During the nursery stage of cultivation antibiotics (chloromycetin) and germanium dioxide are 

sometimes  used  in  order  to  control  contamination  of  the  gametophyte  and  juvenile 

sporophyte  cultures with  alginic  acid  decomposing  bacteria  and  diatoms  (respectively).  In 

terms of contamination, standard  laboratory procedures avoiding  release of  these agents  to 

the  environment  should  be  sufficient  to  avoid  potential  negative  environmental 

consequences. 

Solid waste will be mainly  in  the  form of  ropes, buoys and structural components of  the 

farm. Longevity is of obvious importance from an economic perspective however, particularly 

in  terms  of  rope  requirements, which  over  a  large‐scale  farm will  amount  to  a  substantial 

quantity,  consideration of materials will be  important.  In China,  seeding has predominantly 

been  carried  out  on  palm‐fibre  rope  which  is  biodegradable.  However,  in  Europe,  trial 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

75

cultivation projects have tended to use synthetics – either polypropylene or polyvinyl alcohol 

based vinylon fibre. Potential for re‐use or recycling should be assessed.  

Airborne emissions during both production (above the macro‐algal crop) and storage have 

not been measured. However, kelps are known to emit volatile short‐lived organic compounds 

like organo‐iodines and molecular iodine which play a major role in the iodine biogeochemical 

cycle.  The  emissions  are  significant  especially when  kelps  are  subjected  to  stress  such  as 

emersion,  exposure  to  ultraviolet  radiation  or  elevated  ozone.  These  volatile  organic 

compounds  could  contribute  to marine  aerosol  formation  and  have  a  direct  effect  on  the 

earth’s climate (see Carpenter et.al. (2000)). Emissions of H2S during wet storage would also 

need to be quantified and monitored.  

8.8 Conclusions 

The  environmental  impact  of macro‐algae  production  for  biofuels  has  yet  to  be  assessed. 

Nevertheless,  there  is  evidence  that  this  source  of  biomass  is  associated with  a  range  of 

impacts.  In  cultivated  systems  the most  significant  impacts are  likely  to be  the provision of 

nutrients,  and  competition  for  the  use  of  the  near‐shore  area.  Where  macro‐algae  are 

harvested from the wild, overharvesting may risk damage to ecosystems that are dependent 

on macro‐algae.  

9. Conclusions and recommendations 

This  report  examines  the  available  literature  on  biofuel  production  from micro‐algae  and 

macro‐algae,  focusing  on  the  life  cycle  and  environmental  impacts  reported,  and  the 

methodologies that have been used to assess them. This examination was supplemented with 

information gathered from experts and stakeholders.  

9.1 Conclusions for micro‐algae LCA, and environmental impacts 

The  impacts of micro‐algal biofuel production have been  assessed using  a  variety of  life 

cycle  assessment  (LCA)  approaches.  These  studies  share  a  common  aspiration  to  identify 

production bottlenecks and help  steer  the  future development of algae biofuel  technology. 

Clarens (2010b), for example, claims that one of the strengths of LCA is that it “can provide a 

quantitative  road map,  and when  it  is  combined with  financial modelling  can  provide  an 

excellent barometer for how to develop algae bioenergy”. Yet, the extent to which the studies 

meet this aspiration appears to be somewhat limited.  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

76

Issues of concern include: 

• The conceptual, and often incomplete, nature of the systems under investigation, and 

the absence of coherent and well designed processes.  

• The limited sources of primary data upon which process assumptions are based, and 

the  extrapolation  of  laboratory  data  to  production  scale.  The  transparency  of 

assumptions is also poor. 

• The  validity of  specific  assumptions, particularly  those  relating  to  the biomass  and 

lipid productivity, has been called into question, and may be over optimistic.  

• The  use  of  inconsistent  boundaries,  functional  units  and  allocation methodologies 

impedes comparison between studies.  

 

Despite  these  shortcomings,  and  the  concerns  voiced  by  stakeholders  about  the  extent  to 

which  the  existing  LCA  can  be  considered  representative,  this  examination  of  LCA  studies 

suggest that: 

• The  net  energy  ratio  (NER)  for  biomass  or  lipid  production  in  a  simplistic  but 

normalized  system  is  unattractive,  or,  at  best, marginal.  This  suggests  that  algae 

production may be most attractive where energy is not the main product. 

• Carbon emissions  from algae biomass –  calculated using default emission  factors – 

produced  in  raceway  ponds  are  comparable  to  the  emissions  associated  with 

conventional biodiesel. The carbon emissions from algae biomass produced in PBRs 

are  greater  than  the emissions  associated with  conventional diesel.  The principle 

reason for this is the electricity used to pump the algal broth around the system.  

• Raceway Pond Systems consistently demonstrate a more attractive energy ratio than 

PBR  Systems  (it  should  also  be  borne  in  mind  that  a  commercial  system  may 

combine elements of both). 

• Algae production requires a number of energy demanding processes. However, within 

the  LCA  studies  considered  here  there  is  no  consistent  hierarchy  of  energy 

consumption. Aspects that will need to be addressed in a viable commercial system 

include:  the  energy  required  for  pumping,  the  embodied  energy  required  for 

construction, the embodied energy  in fertilizer, and the energy required for drying 

and de‐watering.  

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

77

An important caveat to these conclusions is that they reflect the state of the existing academic 

literature,  and  this  is  inevitably  an  imperfect  reflection  of  systems  being  evaluated  by 

companies.  It  is quite possible  that many of  the challenges  identified have been addressed, 

but  that  the  information about how  this has been achieve  is yet  to make  it  into  the public 

domain.  

In  the  absence  of  commercially  operating  systems,  attempts  to  assess  the  lifecycle  and 

environmental  impacts  of  algae  production  are  necessarily  based  on  assumed  process 

descriptions. This does not negate the value of these studies, but it does mitigate in favour of 

a cautious approach  to  their  interpretation. Future LCA are can be  improved  if  these  issues 

identified  above  are  addressed, but perhaps  the  greatest opportunity  for  improvement  lies 

obtaining good quality primary data from pilot scale systems and improving the extrapolation 

of this data to full scale systems. 

 

Looking  at  the  environmental  impacts  of  algae  production,  it  is  apparent  that micro‐algae 

culture can have a diverse range of environmental  impacts, but, that depending on how the 

system  is  configured,  these may  be  positive  or  negative.  Other  than  the  energy  balance, 

possibly  the most  important  environmental  aspect of micro‐algae  culture  that needs  to be 

considered  is  water  management:  both  the  water  consumed  by  the  process,  and  the 

emissions to water courses from the process.  

9.2 Conclusions for macro‐algae LCA and environmental impacts 

No LCA for macro‐algae are available in the literature, although a number of research projects 

are expected to publish on this subject in the near future. 

The  environmental  impacts  of macro‐algae  production  are  also  uncertain. Unlike micro‐

algae cultivation, water use is not considered a major obstacle. In cultivated systems the most 

significant  impacts are  likely to be the provision of nutrients, and competition for the use of 

the near‐shore area. Where macro‐algae are harvested from the wild, overharvesting may risk 

damage to ecosystems that are dependent on macro‐algae as the bottom trophic level.  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

78

 

10. References 

ABDULLAH, M. and FREDRIKSEN, S. (2004) Production, respiration and exudation of dissolved organic matter by the kelp Laminaria hyperborea along the west coast of Norway. Journal of the Marine Biological Association of the UK, 84, 887‐891. 

ABO (2010) Algal Biomass Organization Questions Accuracy of University of Virginia Algae Life Cycle  Study  [Internet],  Algal  Biomass  Organisation  (ABO),  available  from: <http://www.algalbiomass.org/media‐center/news‐press‐releases/abo‐press‐releases/algal‐biomass‐organization‐questions‐accuracy‐of‐university‐of‐virginia‐algae‐life‐cycle‐study‐2/>  [Accessed: 13 May 2011]. 

ABREU, M.,  VARELA,  D.,  HENRÍQUEZ,  L.,  VILLARROEL,  A.,  YARISH,  C.,  SOUSA‐PINTO,  I.  and BUSCHMANN, A.  (2009) Traditional versus  Integrated Multi‐Trophic Aquaculture of Gracilaria chilensis C.J. Bird,  J. McLachlan & E.C. Oliveira: Productivity and physiological performance. Aquaculture 293: 211‐220. . 

AMIN, S. (2009) Review on biofuel oil and gas production processes from microalgae. Energy Conversion and Management, 50, 1834‐1840. 

APT,  K.  E.  and  BEHRENS,  P.  W.  (1999)  COMMERCIAL  DEVELOPMENTS  IN  MICROALGAL BIOTECHNOLOGY. Journal of Phycology, 35, 215‐226. 

AQUAFUELS (2010) Project Info [Internet], available from: <http://www.aquafuels.eu/project‐info.html>  [Accessed: 16/7/2010,  

AQUAFUELS (2011a) Report on Biology and Biotechnology of algae with  indication of criteria for strain selection. 

AQUAFUELS (2011b) Task 1.9 Mapping of natural resources in artificial, marine and freshwater bodies. 

AURE, J., STRAND, Ø., ERGA, S. and STROHMEIER, T. (2007) Primary production enhancement by artificial upwelling  in a western Norwegian fjord. Marine Ecology Progress Series 352, 39‐52. 

BARSANI, L. and GUALTIERI, P.  (2006) Algae Anatomy, Biochemistry, and Biotechnology. Boca Raton, FL. CRC Press. 

BENEMANN, J. R. (2010a) Microalgae Biofuels and Animal Feeds: An Introduction. 

BENEMANN, J. R. (2010b) Questionnaire about LCA on Microalgae. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

79

BENEMANN,  J. R.  and OSWALD, W.  J.  (1996)  Systems  and  economic analysis  of microalgae ponds for conversion of CO2 to biomass. Department of Energy, Pittsburgh Energy Technology Center. 

BERGELSON, J., PURRINGTON, C. and WICHMANN, G. (1998) Promiscuity in transgenic plants. Nature, 395. 

BERGMAN,  K.,  SVENSSON,  S.  and  ÖHMAN,  M.  (2009)  Influence  of  algal  farming  on  fish assemblages. Marine Pollution Bulletin, 42 1379‐1389. 

BIRD,  K.  and  BENSON,  P.  (1987)  Seaweed  Cultivation  for  Renewable  Resources.,  Elsevier Science Publishers. 

BOGUSKI, T. K., HUNT, R. G., CHOLAKIS, J. M. and FRANKLIN, W. E. (1996) Environmental Life‐Cycle Assessment. New York, London, McGraw‐Hill. 

BRENNAN, L. and OWENDE, P. (2010) Biofuels from microalgae—A review of technologies for production,  processing,  and  extractions  of  biofuels  and  co‐products.  Renewable  and Sustainable Energy Reviews, 14, 557‐577. 

BRUHN, A., DAHL, J., NIELSEN, H., NIKOLAISEN, L., RASMUSSEN, M., MARKAGER, S., OLESEN, B.,  ARIAS,  C.  and  JENSEN,  P.  (2010)  Bioenergy  potential  of  Ulva  lactuca:  biomass  yield, methane production and combustion. Bioresource Technology. 

BUCK, B. and BUCHHOLZ, C. (2004) The offshore‐ring: A new system design for the open ocean aquaculture of macroalgae. Journal of Applied Phycology, 16, 355‐368. 

BUCK, B. and BUCHHOLZ, C.  (2005) Response of offshore cultivated Laminaria saccharina  to hydrodynamic forcing in the North Sea. Aquaculture, 250, 674‐691. 

BUCK, B., KRAUSE, G., MICHLER‐CIELUCH, T., BRENNER, M., BUCHHOLZ, C., BUSCH, J., FISCH, R., GEISEN, M. and ZIELINSKI, O. (2008) Meeting the quest for spatial efficiency: progress and prospects of extensive aquaculture within offshore wind  farms. Helgoland Marine Research, 62, 269‐281. 

BUSTAMANTE, H. and BRANCH, G.  (1996) The dependence of  intertidal consumers on kelp‐derived  organic matter  on  the west  coast  of  South  Africa.  Journal  of  Experimental Marine Biology and Ecology, 196, 1‐28. 

BYRNE, M. and STONE, L. (2011) The need for  ‘duty of care’ when  introducing new crops for sustainable agriculture. Current Opinion in Environmental Sustainability, 3, 50‐54. 

CARLSSON, A. S., VAN BEILIN,  J. B., MOLLER, R. and CLAYTON, D.  (2007) Micro‐ and Macro‐algae: Utility for Industrial Applications., University of York, CPL Press. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

80

CARPENTER,  L., MALIN, G.,  LISS,  P.  and  KUPPER,  F.  (2000) Novel  biogenic  iodine‐containing trihalomethanes  and  other  short‐lived  halocarbons  in  the  coastal  East  Atlantic.  Global Biogeochemical Cycles, 12, 1191‐1204. 

CHEN,  F.  (1996) High  cell  density  culture  of microalgae  in  heterotrophic  growth.  Trends  in Biotechnology, 14, 421‐426. 

CHEN,  F.  and  JOHNS, M.  (1995)  A  strategy  for  high  cell  density  culture  of  heterotrophic microalgae with inhibitory substrates. Journal of Applied Phycology, 7, 43‐46. 

CHEN,  F.  and  JOHNS, M. R.  (1996) Heterotrophic  growth  of Chlamydomonas  reinhardtii  on acetate in chemostat culture. Process Biochemistry, 31, 601‐604. 

CHISTI, Y. (2007) Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, 25, 294‐306. 

CHISTI,  Y.  (2008a) Biodiesel  from microalgae beats bioethanol.  Trends  in Biotechnology,  26, 126‐131. 

CHOPIN, T., BUSCHMANN, A., HALLING, C., TROELL, M., KAUTSKY, N., NEORI, A., KRAEMER, G., ZERTUCHE‐GONZÁLEZ, J., YARISH, C. and NEEFUS, C. (2001) Minireview. Integrating seaweeds into marine aquaculture systems: A key  toward sustainability.  Journal of Phycology, 37, 975‐986. 

CHRISTIE,  H.,  FREDRIKSEN,  S.  and  RINDE,  E.  (1998)  Regrowth  of  kelp  and  colonization  of epiphyte  and  fauna  community  after  kelp  trawling  at  the  coast  of  Norway.  Hydrobiologia, 375/376, 49‐58. 

CHRISTIE,  H.,  JORGENSEN,  N.,  NORDERHAUG,  K.  and  WAAGE‐NIELSEN,  E.  (2003)  Species distribution  and  habitat  exploitation  of  fauna  associated with  kelp  (Laminaria  hyperborea) along  the Norwegian coast.  Journal of  the Marine Biological Association of  the UK, 83, 687‐699. 

CLARENS, A., RESURRECCION, E., WHITE, M. and COLOSI, L.  (2010) Environmental Life Cycle Comparison of Algae  to Other Bioenergy Feedstocks. Environmental Science Technology, 44, 1813‐1819. 

COLLINS, M. (1978) Algal Toxins. Microbiological reviews, 42, 726‐746. 

DARZINS, A., PIENKOS, P. and EDYE, L.  (2010) Current Status and Potential  for Algae Biofuels Production. [Available from: <Error! Hyperlink reference not valid.. 

DE SMET, B., WHITE, P. R. and OWENS, J. W. (1996) Environmental life‐cycle assessment. New York, McGraw‐Hill. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

81

DEMIRBAS, A.  (2009)  Progress  and  recent  trends  in  biodiesel  fuels.  Energy  Conversion  and Management, 50, 14‐34. 

EC  (2009)  Directive  on  the  promotion  of  the  use  of  energy  from  renewable  sources  and amending  and  subsequently  repealing  Directives  2001/77/EC  and  2003/30/EC.  IN  E. COMMISSION (Ed.). Brussels, Belgium, European Commission. 

EC (2010)  ILCD Handbook: General guide for Life Cycle Assessment  ‐ Detailed guidance. Joint Research Centre, Institute for Environment and Sustainability,European Commission. 

EKLÖF,  J.,  DE  LA  TORRE  CASTRO, M.,  ADELSKÖLD,  L.,  JIDDAWI, N.  and  KAUTSKY, N.  (2005) Differences  in  macrofaunal  and  seagrass  assemblages  in  seagrass  beds  with  and  without seaweed farms. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 63, 385‐396. 

EKLÖF,  J., HENRIKSSON,  R.  and  KAUTSKY, N.  (2006)  Effects  of  tropical  open‐water  seaweed farmin on seagrass ecosystem structure and function. Marine Ecology Progress Series 352, 73‐84. 

EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY  (2008) Greenhouse Gas Emission Trends and Projections in Europe 2008. European Environment Agency, Copenhagen, Denmark. 

FAO  (1989)  Culture  of  kelp  (Laminaria  japonica)  in  China.  Training manual  89/5.  Food  and Agriculture  Organization  of  the  United  Nations  (FAO).  [Available  from:  < http://www.fao.org/docrep/field/003/AB724E/AB724E00.htm >]. 

FEI, X.  (2004) Solving the coastal eutrophication problem by  large scale seaweed cultivation. Hydrobiologia, 512, 145‐151. 

FILGUEIRA, R., GRANT,  J., STRAND, Ø., ASPLIN, L. and AURE,  J.  (2010) A simulation model of carrying  capacity  for  mussel  culture  in  a  Norwegian  fjord:  Role  of  induced  upwelling. Aquaculture, 308, 20‐27. 

FONSECA, D. (August 2010) Questionnaire about LCA on Microalgae. 

GAO, K. and MCKINLEY, K. (1994) Use of macroalgae for marine biomass production and CO2 remediation: a review. Journal of Applied Phycology, 6, 45‐60. 

GNANSOUNOU, E., DAURIAT, A., VILLEGAS, J. and PANICHELLI, L. (2009) Life cycle assessment of biofuels: Energy and greenhouse gas balances. Bioresource Technology, 100, 4919‐4930. 

GRAHAM, L. E. and WILCOX, L. W. (2000) Algae. Upper Saddle River, NJ, Prentice Hall Inc. 

GRANT,  J.  and  BACHER,  C.  (2001)  A  numerical  model  of  flow  modification  induced  by suspended aquaculture  in a Chinese bay. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 58, 1003‐1011. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

82

GRAVERHOLT,  O.  and  ERIKSEN,  N.  (2007)  Heterotrophic  high‐cell‐density  fed‐batch  and continuous‐flow  cultures  of  &lt;i&gt;Galdieria  sulphuraria&lt;/i&gt;  and  production  of phycocyanin. Applied Microbiology and Biotechnology, 77, 69‐75. 

HANDLEY, L., DAVIES, I., ROBINSON, C., RAVEN, J. and HADFIELD, B. (2004) Fish‐farm nitrogen: It’s  area  of  biological  impact  (a  scoping  study).  Final  Project  Report  to  The  Crown  Estate. [Available from: <www.thecrownestate.co.uk/aqua_fish_farm_nitrogen.pdf>]. 

HASE,  R.,  OIKAWA,  H.,  SASAO,  C.,  MORITA,  M.  &  WATANABE,  Y.  (2000)  Photosynthetic production of microalgal biomass in a raceway system under greenhouse conditions in Sendai city. Journal of Bioscience and Bioengineering, 89, 157‐163. 

HEIJUNGS, R., GUINEE, J. B., HUPPES, G., LANKREIJER, R. M., UDO DE HAES, H. A., WEGENER SLEESWIJK, A., ANSEMS, A. M. M., EGGELS, P. G., VAN DUIN, R. and DE GOEDE, H. P.  (1992) Environmental  life cycle assessment of products: Guide LCA. Centre of Environmental Science (CML), Unilever, Leiden, The Netherlands. 

IEA,  B.  (2010)  Algae  –  The  Future  for  Bioenergy?  Summary  and  conclusions  from  the  IEA Bioenergy ExCo64 Workshop. 

ISO (1997) Environmental management‐life cycle assessment‐principle and framework. ISO. 

JØRGENSEN,  N.  and  CHRISTIE,  H.  (2003)  Diurnal,  horizontal  and  vertical  dispersal  of  kelp‐associated fauna. Hydrobiologia 503, 69‐76. 

JORQUERA,  O.,  KIPERSTOK,  A.,  SALES,  E.  A.,  EMBIRUÇU,  M.  and  GHIRARDI,  M.  L.  (2010) Comparative energy  life‐cycle analyses of microalgal biomass production  in open ponds and photobioreactors. Bioresource Technology, 101, 1406‐1413. 

KADAM,  K.  L.  (2001)  Microalgae  production  from  power  plant  flue  gas:  Environmental implications on a life cycle basis. National Renewable Energy Laboratory. 

KLIPHUIS, A. M. J., DE WINTER, L., VEJRAZKA, C., MARTENS, D. E., JANSSEN, M. and WIJFFELS, R. H.  (2010)  Photosynthetic  efficiency of Chlorella  sorokiniana  in  a  turbulently mixed  short light‐path photobioreactor. Biotechnology Progress, 26, 687‐696. 

KOPCZAK, C.,  ZIMMERMAN, R.  and KREMER,  J.  (1991) Variation  in nitrogen physiology  and growth  among  geographically  isolated  populations  of  the  giant  kelp  Macrocystis  pyrifera (Phaeophyta). Journal of Phycology, 27, 149‐158. 

LARDON, L., HELIAS, A., SIALVE, B., STEYER, J. P. and BERNARD, O. (2009) Life‐Cycle Assessment of Biodiesel Production from Microalgae. Environmental Science & Technology, 43, 6475‐6481. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

83

LATHAM, J., WILSON, A. and STEINBRECHER, R. (2006) The Mutational Consequences of Plant Transformation. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 1‐7. 

LIU, D., KEESING, J., XING, Q. and SHI, P. (2009) World’s  largest macroalgae bloom caused by expansion of seaweed aquaculture in China. Marine Pollution Bulletin 58, 888‐895. 

LORENTSEN, S.‐H., SJOTUN, K. and GRÉMILLET, D.  (2010) Multi‐trophic consequences of kelp harvest. . Biological Conservation, 143, 2054‐2062. 

LUNDQUIST,  T.  J., WOERTZ,  I.  C., QUINN, N. W.  T.  and  BENEMANN,  J.  R.  (2010) A  Realistic Technology  and  Engineering  Assessment  of  Algae  Biofuel  Production.  Energy  Biosciences Institute, University of California, Berkeley, California. 

MACADAM,  J.  (2010)  Combined  Heat  &  Power  and  District  Heating:the  urban  context.  A lecture to the MSc Course in Sustainable Energy Futures, Imperial College London. London. 

MANN, K. (1973) Seaweeds: Their productivity and strategy for growth. Science 182, 975‐981. 

MASUDA, T., FURUYA, K., KOHASHI, N., SATO, M., TAKEDA, S., UCHIYAMA, M., HORIMOTO, N. and  ISHIMARU, T. (2010) Lagrangian observation of phytoplankton dynamics at an artificially enriched subsurface water in Sagami Bay, Japan. Journal of Oceanography, 66, 801‐813. 

METEOTEST database Meteonorm. 

MOLINA GRIMA, E., BELARBI, E. H., ACIEN FERNANDEZ, F. G., ROBLES MEDINA, A. and CHISTI, Y.  (2003) Recovery of microalgal biomass  and metabolites: process options  and  economics. Biotechnology Advances, 20, 491‐515. 

MOON,  H.,  ABERCROMBIE,  J.,  KAUSCH,  A.  and  STEWART,  J.  C.  (2010)  Sustainable  Use  of Biotechnology for Bioenergy Feedstocks. Environmental Management, 46, 531‐538. 

NECTON (1990) Estudo de  localização de unidade  industrial para produção de microalgas em portugal. 

NEORI, A., MSUYA, F., SHAULI, L., SCHUENHOFF, A., KOPEL, F. and SHPIGEL, M. (2003) A novel three‐stage  seaweed  (Ulva  lactuca)  biofilter  design  for  integrated  mariculture.  Journal  of Applied Phycology, 15, 543‐553. 

NORDERHAUG, K., FREDRIKSEN, S. and NYGAARD, K. (2003) Trophic  importance of Laminaria hyperborea  to  kelp  forest  consumers  and  the  importance  of  bacterial  degradation  to  food quality. Marine Ecology Progress Series 255, 135‐144. 

OILGAE (2010) Algae Cultivation. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

84

PATIL, V., TRAN, K. Q. and GISELRØD, H. R. (2008) Towards sustainable production of biofuels from microalgae. International Journal of Molecular Sciences, 9, 1188‐1195. 

PULZ,  O.  (2001a)  Photobioreactors:  production  systems  for  phototrophic  microorganisms. Applied Microbiology and Biotechnology, 57, 287‐293. 

PULZ,  O.  (2001b)  Photobioreactors:  production  systems  for  phototrophic  microorganisms. Appl Microbiol Biotech, 57. 

QIN,  S.,  JIANG, P.  and  TSENG, C.  (2004) Molecular biotechnology of marine  algae  in China. Hydrobiologia 512, 21‐26. 

QIN, S., JIANG, P. and TSENG, C. (2005) Transforming kelp  into a marine bioreactor. Trends  in Biotechnology, 23, 264‐268. 

QIN, S., SUN, G.‐Q.,  JINAG, P., ZOU, L.‐H., WU, Y. and TSENG, C.‐K.  (1999) Review of genetic engineering  of  Laminaria  japonica  (Laminariales,  Phaeophyta)  in  China.  Hydrobiologia 398/399, 469‐472. 

RAGHU, S., ANDERSON, R., DAEHLER, C., DAVIS, A., WIEDENMANN, R., SIMBERLOFF, D. and MACK, R. (2006) Adding Biofuels to the Invasive Species Fire? Science 313, 1742. 

RATCLIFF  J  (IN PRESS)  ( 2010) Evaluation of  the existing and  future biomass potential of  the wild kelp resource in the UK and Ireland. Proceedings of Bioten ‐ Engaging UK Bioenergy. 

RAYNOLDS,  M.,  FRASER,  R.  and  CHECKEL,  D.  (2000a)  The  relative  mass‐energy‐economic (RMEE)  method  for  system  boundary  selection  Part  1:  A  means  to  systematically  and quantitatively select LCA boundaries. The International Journal of Life Cycle Assessment, 5, 37‐46. 

RAYNOLDS,  M.,  FRASER,  R.  and  CHECKEL,  D.  (2000b)  The  relative  mass‐energy‐economic (RMEE)  method  for  system  boundary  selection.  Part  2:  Selecting  the  Boundary  Cut‐off Parameter  (ZRMEE) and  its Relationship  to Overall Uncertainty. The  International  Journal of Life Cycle Assessment, 5, 96‐104. 

RELLÁN, S., OSSWALD, J., SAKER, M., GAGO‐MARTINEZ, A. and VASCONCELOS, V. (2009) First detection of anatoxin‐a  in human and animal dietary supplements containing cyanobacteria. Food and Chemical Toxicology, 47, 2189‐2195. 

RENÉ H, W. and MARIA J, B. (2010) An Outlook on Microalgal Biofuels. Science, 329, 796‐799. 

RODRUIGEZA,  M.  and  MONTAÑO,  M.  (2007)  Bioremediation  potential  of  three carrageenophytes  cultivated  in  tanks  with  seawater  from  fish  farms.  Journal  of  Applied Phycology, 19, 755‐762. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

85

SAIC (2006) Life Cycle Assessment: Principles and Practice. Scientific Applications International Corporation  (SAIC).  National  Risk  Management  Research  Laboratory,  U.S.  Environmental Protection Agency, Cincinnati, USA. 

SANDER, K. and MURTHY, G. S. (2010) Life cycle analysis of algae biodiesel. The  International Journal of Life Cycle Assessment, 1‐11. 

SANDERSON,  J.  (2006) Reducing  the  environmental  impact of  seacage  fish  farming  through cultivation of seaweed. Scottish Association of Marine Science,  

SCHENK, M. P., THOMAS‐HALL, S. R., STEPHENS, E., MARX, U. C., MUSSGNUG, J. H., POSTEN, C.,  KRUSE,  O.  and  HANKAMER,  B.  (2008)  Second  Generation  Biofuels:  High‐Efficiency Microalgae for Biodiesel Production. Bioenergy Research, 1, 20‐43. 

SETAC  (1993) Guidelines  for  Life‐Cycle Assessment:  a  ‘Code of Practice'  from  the workshop held at Sesimbra, Portugal, 31 March  ‐ 3 April 1993 Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC) Journal Environmental Science and Pollution Research  

SHEEHAN,  J.,  CAMOBRECO, V., DUFFIELD,  J., GRABOSKI, M.  and  SHAPOURI, H.  (1998a)  Life cycle inventory of biodiesel and petroleum diesel for use in an urban bus. Golden, CO (US). 

SHEEHAN,  J., DUNAHAY,  T.,  BENEMANN,  J. &  ROESSLER,  P.  (1998b)  A  Look  Back  at  the US Department  of  Energy’s  Aquatic  Species  Program—Biodiesel  from  Algae. U. D. O.  ENERGY., Golden, CO. 

SHEPPARD, A., GILLESPIE,  I., HIRSCH, M. and BEGLEY, C.  (2011) Biosecurity and sustainability within the growing global bioeconomy. Current Opinion  in Environmental Sustainability, 3, 4‐10. 

SIALVE,  B.,  BERNET,  N.  and  BERNARD,  O.  (2009)  Anaerobic  digestion  of  microalgae  as  a necessary  step  to make microalgal  biodiesel  sustainable.  Biotechnology  Advances,  27,  409‐416. 

SJOTUN,  K.,  FREDRIKSEN,  S.,  RUENESS,  J.  and  LEIN,  T.  (1995)  Ecological  studies  of  the  kelp Laminaria hyperborea  (Gunnerus) Foslie  in Norway  In Ecology of Fjords and Coastal Waters., Elsevier Science. 

STENECK, R., GRAHAM, M., BOURQUE, B., CORBETT, D., ERLANDSON, J., ESTES, J. and TEGNER, M.  (2002) Kelp  forest ecosystems: biodiversity, stability, resilience and  future. Environmental Conservation 29, 436‐459. 

STEPHENSON, A. L., KAZAMIA, E., DENNIS,  J. S., HOWE, C.  J., SCOTT, S. A. and SMITH, A. G. (2010) Life‐Cycle Assessment of Potential Algal Biodiesel Production in the United Kingdom: A Comparison of Raceways and Air‐Lift Tubular Bioreactors. Energy & Fuels, 100‐112. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

86

TREDICI, M. R. (2010) Photobiology of microalgae mass cultures: understanding the tools for the next green revolution. Biofuels, 1, 143‐162. 

TROELL, M.,  HALLING,  C.,  NILSSON,  A.,  BUSCHMANN,  A.  H.,  KAUTSKY,  N.  and  KAUTSKY,  L. (1997)  Integrated marine  cultivation  of  Gracilaria  chilensis  (Gracilariales,  Rhodophyta)  and salmon cages for reduced environmental impact and increased economic output. Aquaculture, 156, 45‐61. 

VAN  EGMOND,  K.,  BRESSER,  T.  and  BOUWMAN,  L.  (2002)  The  European  Nitrogen  Case. AMBIO: A Journal of the Human Environment, 31, 72‐78. 

VEA, J. and ASK, E. (2010) Creating a sustainable commercial harvest of Laminaria hyperborea, in Norway. Journal of Applied Phycology. 

VIEIRA, V. V. (2010) Personal communication about LCA on Microalgae. 

WANG, B., LI, Y., WU, N. and LAN, C. Q. (2008) CO2 bio‐mitigation using microalgae. Applied Microbiology and Biotechnology, 79, 707‐718. 

XU,  H., MIAO,  X.  and WU,  Q.  (2006)  High  quality  biodiesel  production  from  a microalga Chlorella  protothecoides  by  heterotrophic  growth  in  fermenters.  Journal  of  Biotechnology, 126, 499‐507. 

ZHANG,  J.,  LIU,  Y.,  YU, D.,  SONG, H.,  CUI,  J.  and  LIU,  T.  (2011)  Study  on  high‐temperature‐resistant and high‐yield Laminaria variety “Rongfu”. Journal of Applied Phycology. 

ZHANG,  Q.,  QU,  S.,  CONG,  Y.,  LUO,  S.  and  TANG,  X.  (2008)  High  throughput  culture  and gametogenesis  induction  of  Laminaria  japonica  gametophyte  clones.  Journal  of  Applied Phycology, 20, 205‐211. 

 

 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

87

 

11. Annex 1: Heterotrophic Microalgae 

Heterotrophic  microalgae  are  grown  in  closed  culture  systems  that  are  equivalent  to 

conventional  fermentation  technologies  (Apt  and  Behrens,  1999).  In  these  systems, 

heterotrophic  algae  use  organic  Carbon  as  their  sole  source  of  energy  and  Carbon.  This 

removes  the  issue of  light  limitation  that dominates most  aspects of photobioreactor  and 

raceway  pond  design.  However  since  heterotrophic  microalgae  are  grown  on  organic 

material  that  could  itself  be  used  for  biofuel  production,  it  is  incorrect  to  view  this  as  a 

primary  biomass  production  system.  Heterotrophic  cultivation  of  microalgae  should  be 

viewed as an alternative technology platform for conversion of biomass into biofuels, which 

can  produce  biodiesel  from  carbohydrate  feedstocks.  The  fundamental  design  of 

heterotrophic bioreactors consists of a closed vessel that contains algae and their nutrients in 

optimal conditions to maximise productivity. Vessels can range  in size from 1‐500,000  litres 

and their shape is dictated by economic and structural factors, unlike photobioreactors which 

must maximise their surface area  for the penetration of  light  (Apt and Behrens, 1999). The 

culture medium is similar to that used for photobioreactors, with nutrients such as Nitrogen 

and  Phosphorous  added  in  the  correct  proportions  for  the  specific  algal  strain.  However 

heterotrophic  bioreactors  also  introduce  carbohydrates  into  the  culture medium.  Typical 

carbohydrates  that  are  used  as  a  substrate  for  heterotrophic  microalgal  growth  can  be 

glucose, acetate or corn powder hydrosylate  (Xu, et al., 2006). Sterile air  is  introduced  into 

the culture medium at high pressure and flow rate to ensure appropriate gas exchange and 

optimal conditions are maintained by constant monitoring and control of  temperature, pH 

and dissolved O2 and CO2 within the culture medium (Apt and Behrens, 1999).  

It  is  possible  to  cultivate  heterotrophic microalgae  in  either  batch‐based  or  continuous 

culture systems. Batch based systems provide a fixed amount of culture medium and organic 

substrate to grow a batch of microalgae, which are completely harvested after a fixed period. 

The  major  challenge  of  batch  cultivation  is  to  provide  sufficient  supply  of  nutrients  and 

substrate  to  ensure  high  cell  density,  without  exceeding  concentrations  that  inhibit  algal 

growth (Chen, 1996). This issue can be addressed using fed‐batch cultivation, which introduces 

culture  medium  and  substrate  in  response  to  demand  signals  such  as  increased  oxygen 

tension  (Graverholt and Eriksen, 2007). Continuous culture of heterotrophic algae  is usually 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

88

performed in a chemostat, where fresh medium is introduced at the same rate as the culture 

is harvested (Chen and Johns, 1996). This maintains the culture volume and cell concentration 

at  a  steady  state  to  optimise  productivity.  Alternative  continuous  culture  systems  include 

membrane bioreactors. These are essentially the same as chemostat cultures apart from the 

addition  of  a  selectively  permeable membrane  that  retains  algae  in  the main  vessel while 

allowing  some  culture  medium  to  wash  through  (Chen  and  Johns,  1995).  This  prevents 

inhibitory  compounds  such  as  sodium  from  accumulating  and  reducing  the  stability  of  the 

culture (Chen, 1996). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

89

 

12.  Annex 2: Review of existing micro algae LCA Studies  

12.1 Kadam 2001/2  

Kadam  (2001; 2002)  compared a a  conventional  coal‐fired power  station with one  in which 

coal was co‐fired with algae cultivated from recycling power plant flue gas as a source of CO2. 

The system is based in the southern USA, where there is a high incidence of solar radiation.  

12.1.2 Functional Unit and System Boundaries 

The functional unit considered was the quantity of coal and algae necessary to produce 1 

MW of electricity. The system boundaries are shown in Figure 10.1 

Figure 10.1: General system boundaries for the comparison of electricity production 

via coal firing vs. coal/algae co‐firing in Kadam’s study 

 

 

Source: (Kadam, 2002) 

12.1.3 Source of Data 

Primary data was used where possible for algae cultivation, while the US EPA and literature 

data was  used  for  the  other  processes.  According  to  Kadam’s  own  analysis,  the  data was 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

90

reliable  and  complete  at  the  time  of  writing.  The  system  was  run  using  TEAM®  (v  3.0) 

software. 

12.1.4 Process 

The  algae  cultivation was  assumed  to  take up  1000 ha, using  approximately  60% of  the 

emitted CO2 of a 50MW plant. Two potential pathways were  investigated: direct  injection of 

the  flue  gas,  and  monoethanolamine  (MEA)  extraction.  The  former  process  includes 

compression,  dehydration  and  transportation  of  the  CO2  to  the  algal  ponds,  with  a  final 

concentration of 14%. The  latter process  includes MEA extraction, compression, dehydration 

and  transportation,  and produces  a  final  concentration of  almost  100%. Marine water was 

provided as the water supply. 

The microalgae production  system  is  shown  in 10.2. Algae was grown  in  raceway ponds, 

and used solar drying to achieve a biomass that could be used for co‐firing. 

Figure 10.2: Simplified flow diagram for microalgae production in Kadam’s study 

 

Source: (Kadam, 2002) 

 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

91

12.1.5 Results 

Four  impact  assessment  categories  were  evaluated:  greenhouse  warming  potential, 

depletion of natural resources, air acidification potential, and eutrophication potential. Algae 

co‐firing was shown to have lower greenhouse potential than a coal fired power plant, as well 

as a  lower air acidification potential. The CO2 emitted was  lower, as well as the SOx and NOx, 

particulates, methane, and the fossil energy consumption. However, the depletion of natural 

resources  (more gas and oil  is necessary) and eutrophication potential  (due to the  fertilizer) 

was much higher for algae co‐firing. As such, any final decision on the usefulness of algae co‐

firing would have to find the correct balance between these factors (Kadam, 2001; 2002). 

12.1.6 Discussion 

This study does not focus on algae for biofuels, but does provide a useful  look at possible 

linkages that could be formed between algae production and  industry – especially  in the use 

of using flue gas from power stations to grow algae.  

Many of  the  individual assumptions  in  this study have been called  into question  (such as 

productivity  values)  (Benemann,  2010b),  while  the  use  of  solar  drying  remains  a  large 

question, as  it may not be possible (certainly not  in all parts of the world) and experts agree 

that  it probably won’t be  feasible  in  large scale processes  (Sander & Murthy, 2010; Clarens, 

2010b). Dewatering was  not  shown  to  be  a  large  factor  in  the  design,  even  though  other 

studies show that it is.  

Also,  the  study  discusses  the  eutrophication  potential,  but  unlike  agriculture,  algae 

cultivation is done under controlled circumstances which limit the possibility of a run‐off (Leu, 

2010). 

12.2 Lardon et al. 2009  

Lardon et al.  (2009) state  that since  this LCA  is not based upon actual systems,  it should be 

used more to identify possible bottlenecks and: 

“The  key objective of  this  study  is not  to offer a  LCA of  the  current microalgal biodiesel 

technology, but to identify the obstacles and limitations which should receive specific research 

efforts to make this process environmentally sustainable.” 

No specific location was used as a basis for this study.   

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

92

12.2.2 Functional Unit and System Boundaries 

The functional unit was the combustion of 1MJ of fuel  in a diesel engine (assumed to act 

the same way as other biofuels), and the boundaries  included the extraction and production 

of raw materials,  facility construction  (assuming a 30 year  lifespan of buildings, 10 years  for 

electrical engines, etc), and biofuel elaboration and use in the engine.  

12.2.3 Source of Data 

Due to the lack of large scale commercial algae producers, the data was extrapolated from 

laboratory scale experiments. The data was collected from industrial partners, inventory data 

of similar processes, the EcoInvent database and literature reviews.  

The required nitrogen inputs, as well as the heating value of the oil were calculated based 

upon the algae composition, and standard practices from pilot scale systems were adapted as 

necessary  to  fit  the  larger  system  (i.e.  centrifugation works well  on  small  scale  but  is  too 

expensive for larger scales). 

12.2.4 Process 

The hypothetical system  is shown  in 10.3, and consists of an open pond  raceway system 

covering 100ha, using Chlorella vulgaris. Two methods of operation were considered: normal 

levels  of Nitrogen,  and  low N  fed  to  the  system. Harvesting  is  done  by  use  of  continuous 

circulation of  the algae  through a  thickener, and  then  the  flocculated  stream  is dewatered. 

Two methods of oil extraction were evaluated, namely: advanced drying followed by hexane 

extraction (as used for soybeans) (dry), or direct extraction from the wet algal paste (wet). 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

93

Figure 10.3: Process chain overview from Lardon’s study  

 

Source: (Lardon et al., 2009) 

12.2.5 Results 

The LCI was done without any allocation, but reflects the actual flows in the process chain, 

as shown  in Table 10.1. A cumulative energy analysis was performed  to  find  the cumulative 

energy demand (CED), which showed that only the wet extraction on low‐N grown algae has a 

positive balance. Reducing the amount of nitrogen fed to the system improves the CED by 60% 

(due to the  lower fertilizer requirements), whereas wet extraction only  increases the CED by 

25% (since it needs larger production due to the lower extraction yield). 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

94

Table 10.1: Most important material and energy flows generated by the production  

of 1kg of biodiesel from Lardon et al’s study 

Normal  Low N  

Dry  Wet  Dry  Wet 

Algae culture and harvesting 

Algae (kg)  5.93  8.39  2.7  3.81 

CO2 (kg)  10.4  14.8  5.32  7.52 

Electricity (MJ)  7.5  10.6  4  5.7 

CaNO3, as g N  273  386  29.4  41.6 

Drying 

Heat (MJ)  81.8    37.1   

Electricity (MJ)  8.52    3.9   

Oil extraction 

Heat (MJ)  7.1  22.4  3.2  10.2 

Electricity (MJ)  1.5  8.4  0.7  3.9 

Hexane loss (g)  15.2  55  6.9  25 

Oil transesterification 

Methanol (g)  114  114  114  114 

Heat (MJ)  0.9  0.9  0.9  0.9 

Total Energy 

Consumption (MJ) 106.4  41.4  48.9  19.8 

Production (MJ)  103.8  146.8  61  86 

Balance (MJ)  ‐2.6  105  12  66 

Source: (Lardon et al., 2009) 

The  impact  analysis  was  done  and  focused  on:  abiotic  depletion  (AbD),  potential 

acidification  (Ac),  eutrophication  (Eu),  global warming  potential  (GWP100  (time  horizon  100 

years)), ozone  layer depletion  (Ozone), human  (HumTox) and marine  (Mar Tox) toxicity,  land 

competition (Land), ionizing radiations (Rad) and photochemical oxidation (Photo). The results 

are shown in 10.4.  

Algae was compared to other biofuels, and shown to be better for eutrophication, and land 

use, but worse for ionizing radiation, photochemical oxidation and marine toxicity. The energy 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

95

demand  is also shown to be highly dependent on the process used, which should be kept  in 

mind for future designs (Lardon et al., 2009).  

Figure 10.4: Comparison of impacts categories in Lardon et al ’s study 

 

Source: (Lardon et al., 2009) 

12.2.6 Discussion 

This  study  clearly  shows  that  drying  is  one  of  the  most  energy  intensive  steps.  It 

demonstrates what a difference  in nutrient supply would mean to the final outcome, as well 

as some of the different possibilities in downstream processing of the algal biomass. However, 

experts have been critical about this study, since many of the values were based on pilot scale 

systems, and would not be wholly applicable to industrial cultivation (Leu, 2010). 

 

12.3 Clarens et.al. (2010)  

In this study, the  life cycle of the cultivation of algae was compared to corn, switch grass 

and canola. The study was based in Virginia, Iowa and California in the US, each of which have 

different levels of solar radiation and water availability. 

12.3.2 Functional Unit and System Boundaries 

The  functional unit was 317 GJ, equivalent to the approximate per capita primary energy 

consumption of one American.  

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

96

The system was limited to cultivation and harvesting only, with the final product being dry 

biomass.  It was assumed  that  the biomass was burned directly  so  the higher heating value 

(HHV) was used to calculate the energy obtained. This was done because of the uncertainties 

surrounding the choice of conversion process and the final product (electricity vs. liquid fuels). 

The manufacture of the equipment used was considered negligible and not included.   

12.3.3 Source of Data 

Data was collected from previously published pilot‐scale demonstration projects, climactic 

records,  the EcoInvent database, and various other  sources  (as  far as possible based  in  the 

United States), and  input using the Crystal Ball® predictive modelling suite. For example, the 

dry biomass yields were calculated based upon radiation and meteorological data for the last 

30 years, as well as empirical estimates for the radiation use efficiency (RUE).  

12.3.4 Process 

The  chosen  cultivation method  for  the algae was open  raceways with paddle wheels  for 

mixing,  with  harvesting  done  by  flocculation  and  centrifugation.  Three  different  types  of 

wastewater effluent were considered as nutrient sources: activated sludge, source‐separated 

urine, and biological nitrogen removal. The process, as well as those of the other feedstocks 

considered, is shown in Figure 10.5. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

97

Figure 10.5: Schematic of system considered in Clarens study 

 

Source: (Clarens et al., 2010) 

12.3.5 Results 

The output of the model was five  impact categories: energy consumption (MJ), water use 

(m3), greenhouse gas emissions (kg CO2 equivalent), land use (ha), and eutrophication (kg PO4 

eq.). Algae cultivation was found to emit more GHG’s than it sequesters, requiring more fossil‐

based carbon to produce the same amount of bioenergy, while corn, canola and switch grass 

had a net uptake of CO2. Water use  for algae was also considerably higher  than  the others. 

Energy production is positive for all of the studied biofuels in that they generate more energy 

than they consume. Algae was however approximately 3.3–5 times more efficient in the land 

use than the competitors. It is calculated that it would only require 13% of the USA’s land area 

to meet the country’s total energy needs.  The eutrophication (calculated on the basis of any 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

98

potential leakages/spillages and any contributions from fertilizers) was also considerably lower 

for algae. The values of a system based in Virginia, USA, are shown in Table 10.2. 

Table 10.2: Life cycle burdens of Algae, Corn, Canola, and Switch grass in Virginia  

 Land (ha) 

Energy (MJ) 

x 104 

GHG  (kg  CO2 

equiv.) x 104 

Water (m3)  

x 104 

Eutrophication 

(kg PO4 equiv) 

Algae  0.4 ± 0.05  30 ± 6.6  1.8 ± 0.58  12 ± 2.4  3.3 ± 0.86 

Corn  1.3 ± 0.3  3.8 ± 0.35  ‐ 2.6 ± 0.09  0.82 ± 0.19  26 ± 5.4 

Canola  2.0 ± 0.2  7.0 ± 0.83  ‐ 1.6 ± 0.10  1.0 ± 0.14  28 ± 5.8 

Switch grass  1.7 ± 0.4  2.9 ± 0.27  ‐ 2.4 ± 0.18  0.57 ± 0.21  6.1 ± 1.7 

Source: (Clarens et al., 2010) 

Sunlight  and water  availability was  not  shown  to  have  such  a  large  impact  on  the  final 

outcome (California, as the sunniest was shown to have a slightly lower land requirement than 

the  other  places,  but  a  slightly  higher  energy  requirement).  The  principle  burden  of  algae 

cultivation is the fertilizers (about 50% of energy use and GHG emissions).  

The potential of co‐firing with coal power plants, as Kadam suggested, could provide large 

reduction  in  the GHG,  but would  require  large  scale  cultivation, which would  increase  the 

fertilizer demand such that it would still be larger than that of corn, canola, or switch grass. 

Using  wastewater  to  supplant  the  need  for  chemical  fertilizers  (as  well  as  water  use) 

substantially reduced the environmental impact of algae cultivation as well as the treatment of 

the wastewater  itself  (meaning  there  is  incentive  for both algae producers and wastewater 

treatment plants to work together) (Clarens et al., 2010).  

12.3.6 Discussion 

This  is  one  of  the more widely  known  LCA  studies  on  algae,  so  there  has  been more 

discussion surrounding  it. Criticisms were made of the paper by Subhadra (2010), Benemann 

(2010b) and others, including: 

• The  rationale  of  using  Radiation Use  Efficiency  (RUE)  instead  of  the  absolute  bio‐

productivity is not clear; 

• The choice of functional unit (1MJ of algae biomass is not equivalent to 1MJ of switch 

grass biomass as the former can be more easily converted to biofuels); 

• The age of the data; 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

99

• High  fertilizer  energy  input  as  compared  to  other  studies,  as  well  as  high  cost 

estimation of CO2 usage; 

• Clarens et al. assumed that photobioreactors would not give a better  land footprint, 

but would give a higher life cycle burden – these assumptions were not fully justified 

in his study; 

• As with Kadam (2001), the eutrophication potential is limited in algae production as it 

is a controlled, closed system; 

• The  manufacturing  burdens  should  decrease  in  the  future  as  electricity,  the 

manufacturing  process,  and  the  know  how  all  becomes  better  and  more 

environmentally sustainable; and, 

• The LCA performed does not take a holistic view of the system, but views each factor 

as mutually exclusive (i.e. not taking into account that algae can produce co‐products, 

etc.).  

Subhadra (2010) concludes by stating:  

“The  investors are eagerly reviewing the feasibility status of various feedstocks, so studies 

such as this are crucial. However, defining a comprehensive LCA boundary with an integrated 

account of indirect GHG emission, energetic costs, and other sustainability indexes would yield 

more meaningful comparisons”. 

Clarens  (2010a)  responded  to  these criticisms by  stating  that although  the actual  system 

boundaries used can be disputed, overall  is  should not make a great difference  to  the  final 

result. He  justifies not  including the co‐products  in his LCA because of the varied nature and 

amount  of  these  co‐products, which would  not  fit  in with  the  generic  LCA  performed. He 

justifies  the data by  saying he updated  it as necessary, as well as only  focusing on existing, 

rather than emerging technologies which could be more sustainable. He defends the choice of 

open ponds over PBRs by claiming (as others have done) that PBRs are not yet commercially 

viable. The eutrophication potential  is calculated on  the basis of  the possibility of a  leakage 

from the closed system, not from continuous run‐off. Finally, he states that individual aspects 

would  not  alter  the  overall  outcome  of  the  LCA,  as  shown  by  sensitivity  analysis  that  he 

performed in the LCA. 

This study does not paint algae in the most positive light (as other biofuels are considered 

more sustainable), but has received a lot of attention in the media, especially when taken out 

of context. This could be damaging to the industry as a whole (Greenwell, 2010). 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

100

12.4 Jorquera et.al. (2010) 

The  aim  of  this  study  was  to  compare  the  energy  life‐cycle  of  the  production  of  oil  rich 

microalgae, using the net energy ratio (NER) as a comparison factor, where NER is given as: 

          (Eqn 1.) 

The  study did not  look at  the  final GHG emissions, only at  the energy  requirements. No 

specific location was used for the study. 

12.4.2 Functional Unit and System Boundaries 

The functional unit was a production level of 100,000 kg of biomass (dry weight) produced 

under various production methods. The assessment was performed using the GaBi® software, 

which estimates the output of a particular process (in this case biomass produced and energy 

generated) from the  input of the energy costs associated with each process (i.e. the price of 

raw materials, transportation, and equipment used).  

Each  systems  unit  (shown  in  Figure  10.6)  was  considered  to  be  made  up  of  the  raw 

materials required, the transport, and the manufacturing of the equipment.   The  inoculation 

steps, oil extraction, and conversion to biofuels were not considered. 

Figure 10.6: System Process in Jorquera’s study 

Source: (Jorquera et al 2010). The red line indicates the system boundary 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

101

12.4.3 Results 

The results of the analysis are shown Table 10.3.  

Table 10.3: Comparative analysis of three cultivation methods from Jorquera’s study 

Variable  Raceway Ponds  Flat‐plate PBR  Tubular PBR 

Annual biomass production (kg/yr)  100,000  100,000  100,000 

Volumetric productivity (kg / m3  day)  0.035  0.27  0.56 

Space required (m2)  25,988.25  10,147.00  10,763.20 

Reactor volume (m3)  7,827.79  1,014.71  489.24 

Flow rate to maintain dilatation rate (m3 / day)  782.79  101.47  48.9 

Relative oil content (%)  29.6  29.6  29.6 

Net oil yield (m3 / yr)  32.9  32.9  32.9 

Oil yield per area (m3 / ha year)  12.65  31.6  30.56 

Energy consumption (W / m3)  3.72  53  2500 

Energy consumption (W)  29,119.37  53,779.80  1,223,091.98 

Total energy consumption (KWh / months)  8,735.81  16,133.94  366,927.6 

Total energy consumption (GJ / year)  378.45  698.94  15,895.8 

Total energy content in biomass (GJ / year)  3,155.30  3,155.30  3,155.30 

NER for oil production  3.05  1.65  0.07 

NER for biomass production  8.34  4.51  0.20 

Source: (Jorquera et al., 2010) 

Due  to  evaporation,  the water  consumption  for  raceway  ponds  is more  than  16  times 

higher  than  tubular PBRs, and 7  times higher  than  flat plate. The productivity and biomass 

concentration is also significantly higher in the PBR systems, while the land requirements are 

lower. However, the energy requirement, and final NER is quite a bit lower for raceway ponds, 

as well as the construction and materials costs.  

The  results  indicate  that  raceway  and  flat‐plate  PBR  systems  had  a  NER  >  1,  and  are 

therefore economically viable. However, since the extraction and conversion was not included, 

this could  significantly add  to  the costs and energy  requirements.  It  is clear  from  this  study 

that tubular PBR systems are not currently feasible at a large scale (Jorquera et al., 2010). 

12.4.4 Discussion 

This is a relatively unknown study, and quite limited in its scope. A major flaw of this study 

is  that  it  only  focuses  on  the  cultivation,  and  only  looks  at  the  energetics  without  due 

consideration of the GHG emissions, economics, etc. As the other studies show, harvesting is a 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

102

major  component  of  the  final  energy  balance,  and  the  overall  downstream  processing will 

have a large impact on the final energy consumption.  

It shows the comparative  land requirements to produce the same amount of biomass  for 

the three systems (showing how raceway ponds would need almost 2.5 times more land than 

PBR systems). However, the data was based on pilot scale  information, so does not take  into 

account the economies of scale. 

12.5 Sander& Murthy (2010) 

This was a well‐to‐pump study, done to determine the overall sustainability of algae biodiesel. 

The objective of the study is given:  

“Understanding  the  environmental  burdens  of  the  algal  biodiesel  production  will  allow 

insight  into  inherent  sustainability.  Information  from  this  LCA will  be  useful  in  identifying 

energy  and  emission  bottlenecks  in  the  process.  This  information  can  be  used  to  provide 

impetus  for  further  technological advancement of algal biodiesel and  reduce overall energy 

use and environmental impact of a future algal biodiesel process” (Sander & Murthy, 2010). 

Since a  lot of the data was based  in the US,  it  is assumed that that  is the  location of the 

study. 

12.5.2 Functional Unit and System Boundaries 

The  functional  unit was  1,000 MJ  energy  from  algal  biodiesel  using  existing  technology 

(which is equivalent to 24kg of algal biodiesel).  

The system boundaries were determined by the RMEE protocol, discussed earlier, using a 

cut off ratio of 5%, and shown in Figure 10.7. 

This  LCA  deals  with  co‐product  allocation  by  using  the  system  expansion  method.  It 

assumes that the carbohydrate and protein in the algal biomass will be used as feedstock for 

ethanol  conversion  process,  and  by  doing  so,  offset  currently  used  feedstock  (corn).    It  is 

assumed to have the same ethanol yield as wheat straw due to the similar glucan content. 

12.5.3 Source of Data 

Data was  gathered  from  the Greenhouse Gases,  Regulated  Emissions  and  Energy  use  in 

Transportation (GREET) model, the US LCI database, as well as the 1998 Sheehan et al. report 

and  a 1988 Borowitzka & Borowitzka paper  for  information  from  the  growth  to  separation 

stage, as well as a few other specialized papers. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

103

12.5.4 Process 

The process was based on the current state of the art technology upon which it is assumed 

future  systems will  base  themselves  on.  The  process  starts with  inoculum  grown  in  PBRs, 

which is then transferred to an open pond raceway. Treated wastewater is the given medium, 

presumed  to  provide  all  the  necessary  nutrients  except  for  carbon,  which  is  provided 

separately (flue gas sparging is not considered in this study). Separation and dewatering then 

occurs, with two methods considered: filtration and centrifugation. The final steps are hexane 

extraction, with the resulting transesterification occurring at a different site and following the 

same method as previously reported soybean conversion to biodiesel. Finally, the biodiesel is 

transported to the pump, as described by the GREET model.  The process diagram is given in  

12.5.5 Results 

The energy requirements and emissions for each step are given in Error! Reference source 

not found.. It is clear that using a centrifuge requires more energy, while the most energy and 

GHG emission intensive step is that of harvesting. Natural gas drying of the algal cake requires 

69% of the total energy input – solar drying can significantly reduce this but is impractical at a 

large scale and is not suitable for all climates. It is clear to see that the downstream processes 

are  important for the final sustainability of the system, and  improvements must be made to 

enhance the performance of algae as biofuels (Sander & Murthy, 2010). 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

104

Figure 10.7: Process flow diagram from Sander & Murthy’s study 

 

Source: (Sander & Murthy, 2010) 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

105

 

Figure 10.8: Energy and Emissions associated with unit process in Sander & 

Murthy’s study 

 

 

Source: (Sander & Murthy, 2010) 

 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

106

 

12.5.6 Discussion 

One  of  the  strengths  of  the  Sander & Murthy  (2010)  study was  a  detailed  overview  of 

where they obtained their data values from, as well as a systematic approach to defining the 

system  boundaries.  They  clearly  indicated  what  values  were  used,  and  described  the 

limitations and changes they made to the data. However, as with the other studies discussed, 

a major issue is the validity of the assumptions used (some of the papers are 22 years old, and 

the data from the LCI databases are not specialized for algae cultivation). 

12.6 Stephenson et.al. (2010) 

This study is a well‐to‐pump analysis, with sensitivity analysis on various operating parameters 

included. The basis of the study  is  in the UK, which has  lower solar radiation than the other 

papers considered. 

12.6.2 Functional Unit and System Boundaries 

The functional unit of this system was 1 ton of biodiesel, blended with conventional diesel 

for a use in a compact sized car.  

The boundaries include all the background systems, or homogenous markets, providing the 

materials  and  energy  to  the main  process.  It  was  assumed  that  the  land  used  would  be 

derelict, so there would be no system that the algae cultivation is replacing. The lifetime of the 

equipment was assumed to be 20 years, and maintenance impacts were considered negligible. 

By‐products  of  the  system  include  algal  residue,  glycerol  and  potassium  phosphate.  The 

algal residue  is assumed to be anaerobically digested onsite to generate methane and satisfy 

the heating requirements of the process, with excess sent to generate electricity. In this case, 

direct substitution for the electricity was used. The glycerol can be used by the pharmaceutical 

industry, using the market price as an allocation method. Another possibility is using it for the 

generation of heat, where direct substitution could be used. The  last by‐product  is relatively 

small in quantity, so the market price was used as an allocation method. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

107

12.6.3 Source of Data 

Certain assumptions were made based on commercial and pilot scale systems currently  in 

use,  as  well  as  previous  experience  of  the  authors  in  growing  algae.  Other  values  were 

obtained from literature. 

12.6.4 Process 

The basic system  is shown  in Figure 10.9. Two systems were considered, a raceway pond 

and an air‐lift tubular PBR. For each system, there were two stages of production – the  first 

stage under a nutrient‐sufficient environment to achieve a dense culture, and a second stage 

with  no  nitrogen  supply  to  increase  the  triacylglycerides  (TAG)  content  of  the  culture  to 

approximately 40%. Once cultivated, the algae  is dewatered by flocculants (using Aluminium 

Sulphate), with  the spent medium  returned  to  the cultivation. The biomass  then undergoes 

homogenization to break open the cells, and the lipids are extracted using hexane. This would 

then be refined using the same method to recover rapeseed oil, before being transported to a 

facility to convert it, via transesterification, to biodiesel, which is then transported for final use 

in a car. It is assumed that the conversion to biodiesel occurs in a pre‐existing plant (previously 

described  in other papers) that can produce 250,000 tons of biodiesel per year. The aqueous 

waste stream would be anaerobically digested to convert it into methane. 

Various modifications to this system were considered. These  include altering some of the 

operating  parameters,  the  TAG  content,  and  changing  the mode  and  distance  of  transport 

required between process units. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

108

Figure 10.9: Process chain for production of 1 ton biodiesel in Stephenson et al’s 

study 

 

Source: (Stephenson et al., 2010) 

12.6.5 Results 

The results of the base case are shown in Figure 10.10. It is clear that tubular PBR requires 

more energy, and as such has a higher Global Warming Potential (GWP). Compared to fossil‐

derived  diesel,  the  energy  requirements  and  GWP  are  85  and  78%  lower  respectively  for 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

109

raceway ponds, but 362 and 273% higher respectively for tubular PBRs. It  is also clear to see 

that cultivation  is the  largest component of energy usage, with the electricity accounting for 

85%  of  the  energy  use  (including manufacture)  for  the  air‐lift  tubular  PBRs.  For  raceway 

systems,  this was 74% of  the energy use  for  that process unit, with  the manufacture of  the 

PVC lining the biggest single contribution. 

Figure 10.10: LCA results for base case production of biodiesel from Stephenson et 

al’s study 

 

Source: (Stephenson et al., 2010) 

Water  usage  was  estimated  at  3.8  and  13.7m2/ton  of  biodiesel  for  raceways  and  PBR 

systems. Raceway  systems  are  assumed  to need  less water  as  the  amount of  rainfall  in UK 

exceeds  the  expected  evaporation.  In  other  countries,  the  expected  water  usage  would 

therefore be higher.  

Modifications to the operating parameters showed where savings could be made as well: 

i.e. lower velocities and recycling of the nutrients would lower the GWP burden, while use of 

enzyme disruption would  increase  it. Some factors, such as the method of oil extraction, the 

distribution of the biodiesel, and the final use of glycerol has little impact on the final results9 

(Stephenson et al., 2010). 

9

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

110

12.6.6 Discussion 

This system is localized for the UK, which gives a better view of the country impacts on the 

algae  growth  (i.e.  the water usage).  This differs  from other  studies, which  tended  to  focus 

more on sunnier climates and areas of less rainfall. This was the only study to focus on some 

of the possible operating parameters that could be improved upon (although there are many 

more  to be considered), which  is useful  for  future considerations of  the design of a  facility. 

This was also the only study which used primary data for the system, but limited the pond size 

to 100m2, which  limits  the  final outcome. However,  it did mean  that  the assumptions were 

based more  firmly  on what  is  possible  rather  than  hypothetical,  and many  of  the  experts 

consulted agree that this study uses more valid assumptions  (Benemann, 2010b; Greenwell, 

2010). 

12.7 Campbell et.al. (2010) 

This study looked at the environmental impacts of growing algae in ponds. The location of this 

study was in Australia, which has a high solar incidence, but limited fresh water supply. 

12.7.2 Functional Unit and System Boundaries 

The functional unit was the “the combustion of enough fuel in an articulated truck (AT; the 

most common form of freight transport  in Australia) diesel engine to transport one tonne of 

freight one kilometre, i.e. a tonne kilometre (t km or tkm). This has previously been calculated 

to require the equivalent of 0.89 MJ of diesel fuel, which is 23.057 ml of ULS diesel” (Campbell 

et al., 2010). 

The system boundaries exclude  the production  facilities and construction, partly because 

detailed  information about all  the  subsystems  is not yet  readily available  (and  is also  rarely 

considered in analysis of fossil fuels). For the rest, the study looks to do a complete cradle to 

grave analysis, with the waste algal biomass used to generate methane. 

12.7.3 Source of Data 

The data  for  the  system was  gathered  from  literature,  and  is mainly based on  the 1996 

Benemann and Oswald paper, as well as a paper in 1983 by Regan and Gartside (outlining the 

design). Other  literature, as well as the Australian LCI and the relevant Australian authorities 

(such as the department of energy), were consulted for details and updating of the system. If 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

111

data was  not  available,  the  closest  information  available  from  the  EcoInvent  database was 

used. The system was run using SimaPro 7® software.  

12.7.4 Process 

The proposed  system  covers 400 ha of  raceway ponds over 500 ha of  (non‐arable,  arid) 

coastal  land  (the  current usage of  these  lands  is not mentioned or  considered), with water 

supplied directly from the ocean (after use and treatment,  it  is then returned to the ocean). 

After  cultivation,  chemical  flocculants  are  added  to  the  system,  followed  by  dissolved  air 

flotation to concentrate the sludge. It is then heated and centrifuged to extract the lipids and 

concentrate the solution. The  lipids are then transesterified  in a process similar to that used 

for canola (and other vegetable oils). For this reason, an algal species with similar lipid content 

to canola was chosen (approximately 43% (Barthet, 2010)). The remaining algal mass  is then 

anaerobically digested to produce methane, which is then used to generate electricity. 

Various scenarios were run using this model, including two different productivities (a base 

case,  and  an  optimistic  case),  and  different methods  of  introducing  the  CO2.  This  includes 

direct  injection  from  an  ammonia  plant,  flue  gas  from  a  power  plant,  or  a  liquefied  form 

bought commercially. 

12.7.5 Results 

The results for the two different productivities are given in Table 10.5. As a comparison, the 

values for canola and ultra low sulphur (ULS) diesel, which is the standard of diesel used at the 

time of the study, is included.  

Table 10.5: GHG emissions (kg CO2 equivalent) for 1 ton km truck use  

Impact category 

Biodiesel, algal, 100% CO2 (ammonia plant) 

Biodiesel, algal, 15% CO2 (flue gas) power station 

Biodiesel, algal, 100% CO2 (truck delivered) 

Biodiesel, canola 

ULS diesel 

15 g/m2/d 

GHG gas (total fossil)  ‐15.648  ‐10.524  18.164  35.856  81.239 

GHG (total fossil upstream) 

‐16.118  ‐10.994  17.695  35.386  19.213 

GHG (total fossil tailpipe) 

0.470  0.470  0.470  0.470  62.026 

GHG (total upstream)  ‐16.037  ‐10.913  17.719  35.465  19.241 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

112

GHG (total tailpipe)  62.028  62.028  62.028  62.028  62.026 

GHG ‐ CO2 (fossil upstream) 

‐16.742  ‐11.477  16.594  33.437  18.040 

GHG ‐ CO2 (fossil tailpipe) 

0.001  0.001  0.001  0.001  61.557 

GHG ‐ CH4 (total)  0.102  ‐0.033  0.364  0.984  1.156 

CHG ‐ N20 (total)  0.990  0.984  1.138  1.431  0.486 

GHG ‐ CO2 (total upstream) 

‐16.689  ‐11.562  16.470  33.659  18.047 

GHG ‐ CO2 (total tailpipe) 

61.559  61.559  61.559  61.559  61.557 

GHG ‐ other (total)  0.001  0.001  0.068  0.004  0.000 

Total cost (Aus �)  4.3  3.9  4.8  4.2  3.8 

30 g/m2/d 

GHG gas (total fossil)  ‐27.560  ‐23.019  8.298  35.856  81.239 

GHG (total fossil upstream) 

‐28.030  ‐23.489  7.828  35.386  19.213 

GHG (total fossil tailpipe) 

0.470  0.470  0.470  0.470  62.026 

GHG (total upstream)  ‐27.949  ‐23.408  7.852  35.465  19.241 

GHG (total tailpipe)  62.028  62.028  62.028  62.028  62.026 

GHG ‐ CO2 (fossil upstream) 

‐28.563  ‐23.797  6.861  33.437  18.040 

GHG ‐ CO2 (fossil tailpipe) 

0.001  0.001  0.001  0.001  61.557 

GHG ‐ CH4 (total)  0.030  ‐0.181  0.250  0.984  1.156 

CHG ‐ N20 (total)  0.971  0.957  1.117  1.431  0.486 

GHG ‐ CO2 (total upstream) 

‐28.547  ‐23.987  6.657  33.659  18.047 

GHG ‐ CO2 (total tailpipe) 

61.559  61.559  61.559  61.559  61.557 

GHG ‐ other (total)  0.001  0.001  0.068  0.004  0.000 

Total cost (Aus �)  2.8  2.2  3.0  4.2  3.8 

Source: Campbell et al 2010 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

113

Note: Fossil emissions are  from  the combustion of  fossil  fuels and add extra GHG  to  the 

atmosphere. Non‐fossil emissions are those that come from burning biomass, and are simply 

releasing Carbon  that had been previously  fixed by  the biomass – as such  they add no new 

Carbon  to  the atmosphere. Upstream emissions are  those released during processing, while 

tailpipe emissions come from combustion in the truck. 

The  negative  emissions  are  because  the  biomass  is  anaerobically  digested  to  produce 

methane, then electricity, directly substituting electricity generation from other sources. The 

results show that biodiesel from algae is better than canola and standard diesel, with savings 

between 63.1 and 108.8 g / ton / km to ULS possible. 

The study also looked at the economic considerations, although this is rife with uncertainty 

(due  to changing  fuel prices, possible  tax exemptions, changing  landscape of  the  legislation, 

etc.). The amortization rate was given at 15%, with the capital costs accounting for 43‐64% of 

the annual operating costs. The conclusion  is that under the right conditions, biodiesel from 

algae is economically and sustainably feasible. 

12.7.6 Discussion 

This is the only other LCA study (other than Kadam) that uses marine water (fresh water is 

scarce  in Australia). However, a major disadvantage  is that the environmental considerations 

of desalinating and then treating this water are not considered (Greenwell, 2010). The study is 

specific  to  Australia,  as  it  has  the  distinct  advantages  of  receiving  more  sun  than  other 

countries, while  also having more  land  available  for  such  facilities without  a big  impact on 

biodiversity.  

Although  the  economic  considerations  are  very basic  calculations, with  the  assumptions 

subject to change, it does give a favourable view of the economic feasibility of algae under the 

right  conditions,  and  is  the  only  study  to  look  at  this  aspect  as well  as  the  technical  side.

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

114

 

13. Annex 3: Expert Stakeholders participating in this study 

Name  Association  Position and experience  Type of response 

John Benemann 

Benemann Associates, USA 

Researcher – formerly with the NREL, many years of experience in algae 

Personal communication and completed questionnaire 

Tomas Branyik1 

Institute of Chemical Technology, Czech Republic 

Researcher – current projects include bioethanol from algae 

Completed life cycle inventory spreadsheet 

Andres Clarens  University of Virginia, USA 

Researcher – lead author of a recent LCA study  Completed questionnaire

Chris Greenwell2 

Durham University, UK 

Researcher – previous work includes feasibility studies on algae, industry consultant, and various (EU) projects 

Completed questionnaire

Diana Fonseca1 Necton – AlgaFuel, Portugal 

Chemical Engineer ‐ has design and production experience with algae 

Completed questionnaire

Stefan Leu Ben Gurion University, Israel  

Researcher – experience with biotechnology and sustainability 

Personal communication and discussion 

Vitor Verdelho1 

Necton – AlgaFuel, Portugal 

R&D Manager at Necton with experience in microalgae biotechnology 

Personal communication and discussion 

Pierre‐Antoine Vernon1,2 

European Biodiesel Board (EBB) 

Project Manager – experience in lobbying for legislation with biofuels 

Personal communication and discussion 

1 Member of AquaFUELs 2 Member of EABA 

 

 

 

 

 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

115

14. Annex 4: Questionnaire  

Current LCA studies 

We have identified only 7 major LCA studies that provide an overview of the energy balance 

for algal biofuels (listed above)  

• Please list any important studies that you think we have missed.  

• Are  you  familiar  with  any  of  the  studies,  Do  you  have  any  concerns  about  their 

credibility – and if so what are they? 

• Do you think these LCA provide a good reflection of the merits of algal biofuels 

o If yes – how could they be improved 

o If no – why not? 

Click here to enter text. 

What, in your view, are the main strengths and weaknesses of LCA (for algae)? 

Click here to enter text. 

 

Algae for biofuels 

Which production pathway (cultivation through to final conversion to biofuel) do you believe 

is most  likely  to  be  commercial,  and why?  Should  all  the  various  production  pathways  be 

considered in LCAs?  

Click here to enter text. 

 

Current LCA studies identify water consumption for algae cultivation to be an important issue, 

and recommend using wastewater. Do you think this will help determine where algae biofuels 

can  be  grown  and which water  source  do  you  think  has  the  greatest  potential  (i.e.  fresh, 

marine or waste)? 

Click here to enter text. 

 

• What other factors will determine where the production plants are located (what land 

constraints are there  in terms of proximity to a carbon, water, solar radiation source, 

type of land) 

Click here to enter text. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

116

 

What, in your view, are the most important technical challenges that have to be overcome for 

successful commercial cultivation of algae for biofuels?  

Click here to enter text. 

 

LCA on algae 

Is there currently a lack of good quality data and does this affect the overall reliability of a LCA 

(current studies use theoretical data based on lab/pilot scale)? 

• Are  there  currently  too  many  unknowns  to  make  LCA  results  useful  for  guiding 

decisions? 

Click here to enter text. 

 

The  inputs  for current LCAs are estimated based on the composition of the algae – whereas 

inefficiencies are more likely in scaled up production processes.  Does this mean that current 

studies too optimistic?   

Click here to enter text. 

 

Co‐products and services can  improve  the calculated sustainability of algae – how are these 

best incorporated in LCA studies (i.e. if algae are concurrently used for wastewater treatment 

and biofuel production)?  

• Which are the most likely co‐products to be used and for what? 

• Do you have a preferred method of allocation, and if so, why? 

Click here to enter text. 

 

“CO2 use by algal cultures is not CO2 sequestration – that comes from algal biofuels replacing 

fossil  fuels”.  There  is  some  debate  about  the  carbon  credits  that  can  be  assigned  to  algae 

cultivation, with policy makers  taking  the position  that  carbon  captured by  algae growth  is 

later released anyway, so does not count as carbon sequestration. Under what circumstances 

do you think CO2 credits for sequestration can be attributed to algal biofuels?  

Click here to enter text. 

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

117

Different LCAs adopt different  functional units,  such as  impacts per 1000MJ,  the amount of 

biofuel to transport 1 tonne by 1 km, algae grown  in 1 ha, etc. Given the uncertainty of the 

production pathway, which  is the most  logical functional unit that can be adopted for future 

LCAs  in  order  to maintain  consistency  between  studies,  and  how  important  is  it  to  have  a 

consistent functional unit between studies? 

Click here to enter text. 

 

Different LCAs use different system boundaries ‐  –  is there any merit to adopting a standard 

practice (i.e. Relative Mass Energy and Economics method proposed by Raynolds) for all future 

LCAs – or where do you see the logical system boundary should be? 

Click here to enter text. 

 

Are there any  further  issues you think should be considered when using LCA to guide policy 

decisions in the future? 

Click here to enter text. 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

118

 

15. Annex 5: Assumptions of Normalized Modelling 

Primary Energe Usage Assumptions1.Algae Cultivation and Harvesting

Electricity used in Cultivation System Electricity consumption from the cultivation system operation is based on original LCA study

Nitrogen fertilizer

Nitrogen fertilizer demand is based on original LCA study; Energy Content of the Nitrogen fertilizer is based on Fehrenbach (2008)"GHG Accounting Methodology and Default Data according to the Biomass Sustainability Ordinance (BSO)"

Tractor Fuel usage Diesel tractor used in harvesting algae (Based on Campbell et al 2009)

System Construction Tubular manufacture and PVC lining (Based on Stephenson et al 2010)

2. Biomass Drying and Dewatering

Heat

Studies which assumed certain heat input in the Biomass drying and dewatering stage still follow their original assumptions; Studies which exlude the extraction process are normalised by Lardon et al's assumption

Electricity

Studies which assumed certain electricity input in the Biomass drying and dewatering stage still follow their original assumptions; Studies which exlude the extraction process are normalised by Lardon et al's assumption

3.Lipid Extraction Electricity (Homogenization for Cell disruption) Only applied on the Stephenson et al(2010)'s study

Electricity( Extraction)

Studies which assumed certain electricity input in the extraction stage still follow their original assumptions; Studies which exlude the extraction process are normalised by Steohenson et al's assumption

Heat

Studies which assumed certain heat input in the extraction stage still follow their original assumptions; Studies which exlude the extraction process are normalised by Steohenson et al's assumption

Totals1.Algae Cultivation and Harvesting Sum up all the energy input in this stage2.Biomass Drying and Dewatering Sum up all the energy input in this stage3.Lipid Extraction Sum up all the energy input in this stageBiomass Yield Based on original LCA studyBiorefinery Based on original LCA studyVolumetric Fuel yield Based on original LCA studyEnergetic fuel yield Based on original LCA studyTotal Heat Input Sum up all the Heat InputsTotal Electricity Input Sum up all the Electricity Inputs Total Input energy Sum up all the Energy Inputs

Total Energy Output (on Mass Basis) Energy content in the algal oil plus Energy output from Gas boiler. (on the mass basis)

Total Energy Output (on Energy Basis) Energy content in the algal oil plus Energy output from Gas boiler. (on the energetic basis)

Energy content in Biomass( Heating value of Biomass)

Studies which had assumed Heating value of the biomass are still follow their original assumptions; Studies which didn't mention the value, the energy content of the biomass is calculated by Illman et al(2000) 's results

Subtotal Energy Output in Lipid(Heating value of algal oil)

Studies which had assumed Heating value of the lipid are still follow their original assumptions; Studies which didn't mention the value, the energy content of the lipid is calculated by Illman et al(2000) 's results

Subtotal Energy Output in Residual Energy content in the Algal biomass minus energy content from the algal lipid

Energy Content in Methane(Anaerobic Digestion)(60%)

Methane yield is based on Sialve et al (2009)

Generated heat from Boiler(Assuming 75% efficiency)

Efficiency of the Gas boiler is based on Stephenson et al 2010

Heat Generation From CHP(41%) Electricity Generation From CHP(34%)

Reported HV of Algal Lipid

Studies which had assumed Heating value of the lipid are still follow their original assumptions; Studies which didn't mention the value, the energy content of the lipid are calculated by Illman et al(2000) 's results

Reported HV of Biomass

Studies which had assumed Heating value of the biomass are still follow their original assumptions; Studies which didn't mention the value, the energy content of the biomass are calculated by Illman et al(2000) 's results

Net Energy Ratio (NER) for Lipid production All the Primary Energy Input minus Energy content of coproducts, then divided by Energy content of lipid fraction

Net Energy Ratio (NER) for Biomass production All the Primary Energy Input divided by Energy content of dry biomass

Only applied on Stephenson et al 2010: System Efficiency is based on John Macadam (2010)

 

AQUAFUEL FP7 – 241301‐2 

Coordination Action 

FP7‐ENERGY‐2009‐1

119

16. Annex 6: Example of data normalization  

Algae Cultivation and Harvesting 

 Original Unit  Original Value 

 Normalized Unit   Normalized Value 

Electricity Consumption  (MJ/kg Biodiesel)   7.50   (MJ/MJ Dry Algal Biomass) 

0.0521  

Land Use  (m2)  1000000.00  

(m2)  1000000.00 

Transportation of inputs to farm 

(km)   100.00   (km)   100.00  

Nitrogen fertilizer  (g/kg Biodiesel)   273.00   (MJ/MJ Dry Algal Biomass) 

0.093  

Phosphorus fertilizer  (g/kg Dry Biomass)   9.90   (g/kg Dry Biomass)  9.90  CO2 Source   (kg/kg Algal Biomass)  1.80   (kg/kg Algal Biomass)  1.80  Tractor Fuel usage  (MJ/kg Dry Algal 

Biomass)  NR   (MJ/MJ Dry Algal 

Biomass)  NR  

System Construction  (MJ/kg Biodiesel )   NR   (MJ/MJ Dry Algal Biomass) 

 NR  

1:  Original  data  in  Lardon  et  al  2010:  lipid  ratio:  17.5%;  extraction  efficiency:  70%.  For  every  kg  biodiesel 

produced  , 8.163kg biomass  is required, data for electricity consumption was allocated to biodiesel production 

which  is  7.5MJ/kg  Biodiesel,  after  normalization  as  all  the  electricity  consumption  allocated  to  biomass 

production, the result will be 0.9188 MJ/kg biomass, the heating value of the biomass in Lardon et al’s study is 

17.5  MJ/kg  biomass  for  normal  Nitrogen  cultivation  case,  so  we  can  get  0.052MJ/MJ  biomass  after  data 

normalization.( all the data with yellow colored are had been normalized)