Tłumaczenie Dr Anna Bartosik. Wodór może stać się paliwem przyszłości, ale jak go produkować w zrównoważony sposób? Wyjaśnia Karin Willquist.
janeff / iStockphoto
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 wprowadzeniaw1.
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.
autobusów zasilanych przez
wodorowe ogniwa paliwowe
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Felix O; źródło zdjęcia: Flickr
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 wodąw2:
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 elektrolizęw2, kiedy to energia elektryczna jest wykorzystywana do rozbicia cząsteczki H2O na H2 i tlen:
2H2O → 2H2 + O2 (3)
komórkowych Portable Fuels,
od firmy Powertrekk. Dodaj
tylko trochę wody, a po kilku
minutach masz baterię dla
Twojego telefonu
komórkowego
Zdjęcie dzięki uprzejmości
David Berkowitz; źródło
zdjęcia: Flickr
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).
saccharolyticus widziana pod
mikroskopem elektronowym
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Harald Kirsebom
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).
2CH3COOH + 4H2O → 8H2 + 4CO2 (7)
CH3COOH → CH4 + CO2 (8)
Metan może zostać poddany reformingowi parowemu w celu uwolnienia H2.
przez wodorowe ogniwo
paliwowe
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Bull-Doser; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons
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 paliwowew5. 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 pracachw6 (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”.
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 ILLw7.
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 EIROforumw9, wydawcy Science in School.
Pobierz artykuł za darmo tutaj, albo zaprenumeruj Nature już dzisiaj: www.nature.com/subscribe
Pobierz artykuł za darmo tutaj, albo zaprenumeruj Nature już dzisiaj: www.nature.com/subscribe
Zobacz także zrecenzowaną analizę Joan Ogden: „Wodór jako nośnik energii: perspektywa na rok 2010, 2030 i 2050”, na stronie internetowej Uniwersytetu kalifornijskiego: http://escholarship.org/uc/item/9563t9tc
Po więcej informacji na temat badań na gospodarką wodorowa prowadzonych w ILL, odwiedź stronę ILL albo użyj bezpośredniego odnośnika: http://tinyurl.com/illhydrogen
Aby zapoznać się z badaniami prowadzonymi w ESRF na temat składowania wodoru, odwiedź stronę ESRF albo użyj bezpośredniego odnośnika: http://tinyurl.com/87bnj4c