Wodór: „zielony” nośnik energii przyszłości?

Wodór został nazwany „nośnikiem energii przyszłości”, ponieważ może być utleniany w ogniwie paliwowym w celu generowania energii, używanej do na przykład zasilania samochodów, bez uwalniania dwutlenku węgla (CO₂), A ponadto może być produkowany w oddalonych miejscach, nie posiadających infrastruktury energetycznej. W odróżnieniu od dostępnych zasobów takich jak gaz naturalny czy ropa naftowa, wodór musi być produkowany, co czyni z niego nośnik energii a nie paliwo.

System energetyczny, w którym wodór jest używany do dostarczania energii – gospodarka wodorowa – został zaproponowany przez John Bockrisa w 1970 roku. W roku 1977 międzynarodowa wodorowa umowa wykonawcza została wdrożona by pracować na rzecz jego wprowadzenia^w1.

Wodór jest raczej używany jako odczynnik chemiczny niż nośnik energii, ale nie ma wątpliwości, że posiada on potencjał do przemiany naszych systemów transportu i energetyki. Jednakowoż, zdanie sobie sprawy z jego potencjału nie jest łatwe. Większość paliw obecnie używanych to ciecze, ciała stałe lub gazy o wysokiej energii w przeliczeniu na objętość (gęstość energetyczna). Wprost przeciwnie, wodór, ma małą gęstość energetyczną: pod danym ciśnieniem, spalanie jednego litra wodoru daje jedną trzecią energii z tego co spalanie jednego litra metanu. To stwarza problemy w składowaniu, dystrybucji i wykorzystaniu, które są rozwiązywane przez naukowców (Schlapbach & Züttel, 2001)^w2. Bardziej fundamentalnym wyzwaniem, jest jednak produkcja wodoru w zrównoważony sposób. Na tym właśnie zagadnieniu skoncentruję się w tym artykule.

Sposoby produkcji wodoru

Wodór jest pierwiastkiem występującym obficie na powierzchni Ziemi, zwykle połączony z węglem w węglowodanach (w roślinach) lub tlenem w wodzie (H₂O). W odróżnieniu, wodór gazowy (H₂), jest obecny tylko w małych ilościach na Ziemi. Jednym z wyzwań w zrównoważonej produkcji wodoru jest uwalnianie H₂ z jego powiązań z węglem i tlenem.

Obecnie H₂ jest otrzymywany głównie z paliw kopalnych (np. gazu naturalnego) poprzez reforming parowy, czyli podgrzewanie paliw do wysokich temperatur razem z wodą^w2:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂                                              (1)

CO + H₂O → CO₂ + H₂                                                (2)

Jednak ta metoda wymaga paliw kopalnych i skutkuje uwalnianiem CO₂ , powodując te same problemy z emisją co spalanie paliw kopalnych. Reforming parowy jest tylko zrównoważony wtedy, kiedy odnawialne węglowodory, takie jak biogaz są wykorzystywane, ponieważ uwalniany CO₂ został uprzednio zaabsorbowany w trakcie produkcji węglowodorów.

H₂ może być także produkowany poprzez elektrolizę^w2, kiedy to energia elektryczna jest wykorzystywana do rozbicia cząsteczki H₂O na H₂ i tlen:

2H₂O → 2H₂ + O₂                                                       (3)

Ta metoda może być zrównoważona, jeżeli energia elektryczna pochodzi z odnawialnych źródeł takich jak wiatr, fale morskie czy energia słoneczna. H₂ może zatem być używany do magazynowania energii w wietrzne dni kiedy wiatraki produkują energię, która następnie może być konsumowana.

Ciekawym jest fakt, że rozpad H₂O zachodzi naturalnie w oceanach, ponieważ mikroskopijne glony i cyjanobakterie wykorzystują energię słoneczną do rozbicia wody w trakcie procesu zwanego biofotolizą. Jednakowoż, tempo takiej produkcji H₂ jest bardzo niskie.

Poczyniono starania by zwiększyć tempo produkcji w warunkach kontrolowanych używając mikroorganizmy, ale procesy te są w dalszym ciągu zbyt wolne i kosztowne by stały się realnym źródłem H₂ w niedalekiej przyszłości (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

W końcu, biowodór, może powstawać z roślin albo przemysłowych, leśnych tudzież rolniczych odpadów przy wykorzystaniu bakterii. Podobnie jak my, te bakterie utleniają materiał roślinny jako źródło energii, ale w przeciwieństwie do nas, żyją w warunkach anaerobowych (pozbawionych tlenu). W trakcie oddychania tlenowego, wykorzystujemy tlen by utleniać cukry:

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

W przeciwieństwie do nas te beztlenowe bakterie aby maksymalnie utlenić substrat i zoptymalizować korzyść energetyczną, redukują protony, uwalniane w trakcie utleniania substratu do H2 (Równanie 6, poniżej).

Gorące bakterie

W trakcie mojego doktoratu, badałam zdolności do produkcji wodoru przez jeden rodzaj z tych właśnie bakterii, mianowicie Caldicellulosiruptor saccharolyticus (Rycina 1), która żyje w gorących źródłach, czyli środowiskach beztlenowych o temperaturze 70°C, o małej dostępności węglowodanów. Ta bakteria jest szczególnie interesująca, ponieważ jest dwukrotnie bardziej wydajna niż większość bakterii wykorzystywanych do produkcji H₂.

Inaczej niż ludzie, C. saccharolyticus, pozyskuje energię z szerokiego spektrum roślinnych składników budulcowych: nie tylko glukozy, ale również na przykład z ksylozy (Willquist et al., 2010).

To pozwala bakterii na produkcję H₂ z odpadów produkowanych w trakcie obróbki ziemniaków, cukru czy marchwi, a także z odpadów przemysłowych powstających przy produkcji miazgi czy papieru, albo odpadów rolniczych takich jak słoma.

To jest obiecujący początek, ale nawet C. saccharolyticus uwalnia jedynie 33% potencjalnego H₂ który może być uwolniony z substratu. Równanie 5 pokazuje potencjalne kompletne utlenianie glukozy, które uwalnia 12H₂ pna cząsteczkę glukozy. Równanie 6 obrazuje ciemną fermentację prowadzoną przez C. saccharolyticus, która uwalnia 4H₂ (33%) na cząsteczkę glukozy. Reszta energii jest uwolniona jako octan (CH₃COOH).

Kompletna przemiana glukozy H₂: C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 12H₂ + 6CO₂       (5)

Ciemna fermentacja: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 4H₂ + 2CO₂ + 2CH₃COOH           (6)

Aby uwolnić pozostały H₂ z octanu potrzebne jest dostarczenie energii z zewnątrz. Alternatywnie, metan (CH₄) – który może podlegać reformingowi parowemu w celu uwalniania H2 (Równania 1 i 2) – może powstać z octanu. Szczęśliwie, są trzy obiecujące sposoby osiągnięcia tego (Rycina 2).

1. Wykorzystując światło słoneczne do przemiany octanu w H₂ przy pomocy fotofermentacyjnych bakterii (równanie 7)^w3. Jednak, podobnie do produkcji H2 przez glony, ten proces jest obecnie zbyt wolny i kosztowny by był dostępny komercyjnie w najbliższej przyszłości (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

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

2. Używając energii elektrycznej by przesunąć reakcję octanu w kierunku wodoru w mikrobiologicznym ogniwie paliowym z mieszaniną rożnych szczepów bakterii (Równanie 7)^w4. To bardzo elegancka koncepcja, ale jej zastosowanie jest obecnie ograniczone przez niskie tempo produkcji (Hallenbeck & Gush, 2009). (Aby dowiedzieć się więcej jak zbudować swoja własne mikrobiologiczne ogniwo paliwowe, zobacz Madden, 2010.)
    
3. Wykorzystując producentów metanu (Archea) do trawienia octanu i generowania metanu (Równanie 8). Połączenie ciemnej fermentacji (Równanie 6) z produkcją metanu jest znane jako proces hytanowy (hydrogen (wodór) + methane (metan)) i może przekształcić około 90% początkowego substratu w H₂ i metan.

   CH₃COOH → CH₄ + CO₂                                                (8)

   Metan może zostać poddany reformingowi parowemu w celu uwolnienia H₂.

Spróbujmy umieścić proces hytanowy w perspektywie: jeżeli cztery osoby w domu zjedzą 10 kg produktów ziemniaczanych w jednym miesiącu, to ich odpady mogłyby pokryć 0,5% miesięcznego zużycia energii (3500 kWh), pod warunkiem, że produkowany H2 jest od razu zużywany (by uniknąć strat energii) a dom jest wyposażony w cieplne i energetyczne ogniwa paliwowe^w5. Więcej wodoru, może oczywiście powstać z innych odpadów – 0,5% dotyczy jedynie ziemniaków.

To jest przybliżone oszacowanie potencjału ukrytego w procesie hytanowym, oparte na a) 30% utracie energii w trakcie produkcji H₂ i CH₄ (hytanu) oraz b) kolejnych 30% w trakcie reformingu parowego CH₄ do H₂. Etap reformingu parowego (b) jest wykorzystywany do produkcji wodoru z naturalnego gazu i jest dobrze rozwiniętą technika dostępną komercyjnie. Jednakże produkcja hytanu (a) nie jest jeszcze tak efektywna, chociaż toczą się badania mające na celu poprawić jej wydajność do 70% (tak jak w przykładzie), a zatem sprawić by produkcja biowodoru mogła konkurować z reformingiem parowym paliw kopalnych w produkcji wodoru.

Chociaż odnotowano niedawny postęp w pracach^w6 (patrz ramka), jest jeszcze zbyt wcześnie by wiarygodnie oszacować czas, kiedy zrównoważona produkcja H₂ będzie odgrywać ważną role w naszym zaopatrzeniu w energię. Jednak, jak kiedyś powiedział poeta Mark Strand: „Przyszłość zawsze zaczyna się teraz”.

Badania w kierunku przechowywania i produkcji wodoru

Bezpieczne i efektywne przechowywanie wodoru jest jednym z głównych technologicznych wyzwań przed zaadoptowaniem wodoru jako nośnika energii. Institut Laue-Langevin (ILL)^w7 umocnił się na pozycji wiodącej jednostki badawczej w dziedzinie gospodarki wodorowej, wykorzystując dyfrakcję neutronową do monitorowania reakcji uwodornienia i odwodornienia w potencjalnych materiałach służących do przechowywania wodoru. Aby dowiedzieć się więcej odwiedź stronę internetową ILL^w7.

Przy pomocy potężnych wiązek promieni X w European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)^w8 zbadano niedawno skomplikowany mechanizm, w którym wodór jest produkowany przez enzymy zwane hydrogenazami. Większość z tych enzymów działa w warunkach beztlenowych i ich aktywność jest w gruncie rzeczy hamowana przez obecność tlenu. Hydrogenazy, które pozostają aktywne w warunkach tlenowych są zatem szczególnie interesujące dla technologii takich jak enzymatyczne ogniwa paliwowe i produkcja wodoru napędzana światłem. Niemiecki zespół naukowców niedawno rozwikłał strukturę krystaliczną jednego z tych enzymów (Fritsch et al., 2011) – może jest to krok naprzód w kierunku gospodarki wodorowej?

ILL i ESRF są członkami EIROforum^w9, wydawcy Science in School.