Vodík: zdroj zelené energie v budoucnosti?

Vodík bývá nazýván „energetickým zdrojem budoucnosti“ – protože může být oxidován v palivových článcích pro výrobu elektřiny, například k pohonu aut, aniž by se uvolňoval oxid uhličitý (CO₂) a lze ho vyrábět i ve vzdálených lokalitách bez elektrické infrastruktury. Na rozdíl od dostupných zdrojů, jako je zemní plyn či benzín, vodík musí být vyráběn, což z něj činí zdroj energie a ne palivo.

Energetický systém, ve kterém je vodík využíván k získávání energie – vodíková ekonomie – byl navržen Johnem Bockrisem v roce 1970; v roce 1977 vznikla realizační mezinárodní vodíková dohoda^w1.

Vodík je v současnosti využíván spíše jako chemická reagencie, než jako energetický zdroj, ale není pochyb o tom, že má potenciál změnit naší dopravu a energetický systém. Ovšem, využití tohoto potenciálu není snadné. Většina aktuálně využívaných paliv jsou kapaliny, pevné látky nebo plyny s vysokým poměrem energie na objem (energetická hustota). Naproti tomu vodík má nízkou energetickou hustotu: za určitého tlaku spálením jednoho litru vodíku získáme třetinu energie vzniklé spálením litru metanu. Problémy, spojené se skladováním, distribucí a využíváním se zabývají vědci (Schlapbach & Züttel, 2001)^w2. Zásadnějším problémem je ale výroba vodíku udržitelným způsobem. To je to, na co se zde chci soustředit.

Způsoby produkce vodíku

Vodík je běžně se vyskytující prvek na zemském povrchu, obvykle vázaný na uhlík v karbohydrátech (v rostlinách) nebo na kyslík ve vodě (H₂O). Plynný vodík (H₂) existuje na Zemi pouze v malém množství. Jedna z výzev udržitelné produkce vodíku je možnost jeho uvolňování z vazeb s uhlíkem a kyslíkem.

V současnosti je vodík vyráběn převážně z fosilních paliv (např. zemního plynu) parní reformací: ohříváním paliv na vysoké teploty s vodou^w2:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂                                              (1)

CO + H₂O → CO₂ + H₂                                                (2)

Jenže, tato metoda spoléhá na fosilní paliva a uvolňuje CO2, čímž vyvolává stejné problémy s emisemi jako spalování fosilních paliv. Parní reformace je udržitelná, pouze pokud jsou využity obnovitelné uhlovodíky, jako třeba bioplyn, protože uvolněný CO₂ byl už předtím absorbován při produkci těchto uhlovodíků.

H₂ může být vyráběn také elektrolýzou^w2, kdy je elektřiny využíváno k rozdělení H₂O na H₂ a kyslík: :

2H₂O → 2H₂ + O₂                                                       (3)

Tato metoda může být udržitelná, pouze pokud elektřina pochází z obnovitelných zdrojů, jako je větrná, přílivová či solární energie. H₂ potom může být využíván k uskladnění energie během větrných dnů, kdy větrné mlýny produkují více elektřiny, než může být spotřebováno.

Zajímavé je, že rozklad H₂O probíhá přirozeně v oceánech, kde mikroskopické řasy a sinice využívají solární energii v procesu nazývaném biofotolýza (Rovnice 3). Nicméně produkce H₂ je extrémně pomalá.

Byla podniknuta snaha o zvýšení reakční rychlosti za kontrolovaných podmínek s využitím modifikovaných mikroorganismů, ale reakce jsou stále příliš pomalé a drahé na to, aby mohly být reálným zdrojem H₂ v blízké době (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

Na závěr, biovodík může být vyráběn z plodin a z průmyslového, lesního a zemědělského odpadu pomocí bakterií. Podobně jako my, tyto bakterie oxidují rostlinný materiál jako zdroj energie, ale na rozdíl od nás, ony žijí v anaerobním prostředí (bez kyslíku). V aerobním dýchání my využíváme O₂ k oxidaci sacharidů, např.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O                            (4)

Oproti tomu tyto anaerobní bakterie k maximální oxidaci substrátu, a tím k optimalizaci jejich energetického zisku, redukují protony, uvolněné během substrátové oxidace, na H₂ (Rovnice 6, dole).

Horké bakterie

Během svého PhD jsem zkoumala schopnosti produkovat vodík u jedné z těchto bakterií Caldicellulosiruptor saccharolyticus (Obrázek 1), která žije v horkých pramenech: anaerobní prostředí v 70 °C s nízkým množstvím dostupných karbohydrátů. Tato bakterie je mimořádně zajímavá, protože je dvakrát výkonnější než většina bakterií využívaných k produkci H₂.

Na rozdíl od lidí, C. saccharolyticus získává energii ze širokého spektra rostlinných stavebních látek, nejen glukózy, ale také například z xylózy (Willquist et al., 2010).

To bakteriím umožňuje výrobu H₂ z odpadu ze zpracování brambor, cukru či mrkve, stejně tak i z průmyslového odpadu z výroby papíru a celulózy, nebo ze zemědělského odpadu, jako třeba ze slámy.

Toto je velmi slibný začátek, nicméně i C. saccharolyticus uvolňuje pouze 33% potenciálního množství H₂, který by mohl být ze substrátu získán. Rovnice 5 ukazuje možnou kompletní oxidaci glukózy, kdy se uvolní 12H₂ na jednu molekulu glukózy. Rovnice 6 znázorňuje temnostní fermentaci u C. saccharolyticus, kde se uvolní pouze 4H₂ (33%) na jednu molekulu glukózy. Zbytek energie je uvolněn ve formě acetátu (CH₃COOH).

Úplná konverze glukózy na H₂: C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 12H₂ + 6CO₂       (5)

Temnostní fermentace: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 4H₂ + 2CO₂ + 2CH₃COOH           (6)

K uvolnění zbytku H₂ z acetátu je třeba mimořádné energie. Alternativně, metan (CH₄) – který může být parně reformován za uvolnění H₂ (Rovnice 1 a 2) – může být generován z acetátu. Naštěstí pro toto uvolnění existují tři slibné cesty (Obrázek 2).

1. Využitím slunečního záření k převedení acetátu na H₂ fotofermentační bakterií (Rovnice 7)^w3. Ovšem, podobně jako produkce s pomocí řas, je proces příliš pomalý a drahý na to, aby se mohl být v blízké budoucnosti komerčně realizován (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

   2CH₃COOH + 4H₂O → 8H₂ + 4CO₂                                 (7)
    

2. Využitím elektřiny zrychlit přeměnu acetátu na H₂ v mikrobiálním palivovém článku se se směsí bakteriálních druhů (Rovnice 7)^w4. Tento koncept je velmi elegantní, ale jeho využití je v současnosti limitováno nízkou produktivitou (Hallenbeck & Gush, 2009). (Pokud chcete zjistit, jak si sestavit vlastní mikrobiální palivový článek, hledejte zde Madden, 2010.)
    
3. Využitím producentů metanu (Archaea) k trávení acetátu a následné produkci metanu (Rovnice 8) Kombinace temnostní fermentace (Rovnice 6) a produkce metanu je známa jako proces hythane (hydrogen + methane), který může přeměnit zhruba 90% výchozího substrátu na H₂ a metan.

   CH₃COOH → CH₄ + CO₂                                                (8)

   Z metanu může být následnou parní reformací uvolněn H₂.

Podívejme se na proces hythane zblízka: pokud čtyři lidé v domě jedí 10 kg brambor každý měsíc, jejich odpad by mohl pokrýt 0.5% jejich měsíčních energetických nároků (3500 KWh), za předpokladu, že výroba H₂ je přímá (bez energetických ztrát) a dům je vybaven tepelnými a palivovými články^w5. Více vodíku by se samozřejmě dalo získat z dalšího odpadu – 0.5% je pouze z brambor.

Toto je hrubý odhad potenciálu procesu hythane založený na a) 30% energetické ztrátě při produkci H₂ a CH₄ (hythane) a b) 30% v následné parní reformaci CH₄ na H₂. Parní reformace (b) je využívána při výrobě vodíku ze zemního plynu a je to rozvinutá komerční technologie. Produkce hythanu (a) ovšem ještě není tak efektivní, ačkoli výzkum pokračuje ke zvýšení efektivity na 70% (jako v příkladu), což by učinilo produkci biovodíku srovnatelnou s parní reformací fosilních paliv, využívanou k výrobě vodíku.

Ačkoli došlo k pokroku^w6 (viz rámeček), je ještě příliš brzy na spolehlivý časový odhad, kdy by udržitelná výroba H₂ mohla pro nás hrát hlavní roli zdroje energie. I když, jak řekl básník Mark Strand: „Budoucnost vždycky začíná teď“.

Výzkum skladování a produkce vodíku

Bezpečné a efektivní skladování vodíku je jednou z hlavních technologických výzev při úvahách o vodíku jako energetickém zdroji. Institut Laue-Langevin (ILL)^w7 potvrdil své vedoucí postavení ve výzkumu vodíkové ekonomie používáním neutronové difrakce k monitorování hydrogenační a dehydrogenační reakce v potenciálních materiálech použitelných při skladování vodíku. Pro více informací navštivte web ILL^w7.

Výkonné rentgenové paprsky Evropského synchrotronového radiačního přístroje (ESRF)^w8 nedávno zkoumaly komplexní mechanismus, kterým je vodík produkován enzymy, nazývanými hydrogenázy. Většina těchto enzymů funguje za anaerobních podmínek a v podstatě jsou inhibovány přítomností kyslíku. Hydrogenázy, které si zachovávají aktivitu i za aerobních podmínek jsou v centru pozornosti pro technologie, jako jsou enzymatické palivové články a světlem-řízená produkce vodíku. Německý tým odborníků vyřešil krystalovou strukturu jednoho z těchto enzymů (Fritsch et al., 2011) – možná je to krok směrem k vodíkové ekonomii?

ILL i ESRF jsou členy EIROforum^w9, vydavatele Science in School.