Wodór: „zielony” nośnik energii przyszłości? Understand article

Tłumaczenie Dr Anna Bartosik. Wodór może stać się paliwem przyszłości, ale jak go produkować w zrównoważony sposób? Wyjaśnia Karin Willquist.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
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.

Jeden z londyńskich
autobusów zasilanych przez
wodorowe ogniwa paliwowe

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Felix O; źródło zdjęcia: Flickr

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 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)

Zasilacz do telefonów
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).

Gorące bakterie

Rycina 1: Bakteria C.
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).

Rycina 2 Produkcja biowodoru z odpadów. Odpady są degradowane i utleniane do H2 i octanu przez C. saccharolyticus. Octan jest zamieniany w metan (CH4) poprzez trawienie beztlenowe (3) albo w H2 w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym (2) lub poprzez fotofermentację (1). Wyprodukowany CO2 jest absorbowany przez substrat, co skutkuje procesem o neutralnym wpływie na poziom CO2
Zdjęcia dzięki uprzejmości Holger / pixelio.de (odpady), Michael Cavén (fabryka papieru), Keith Bryant (drzewa), Marcel Verhaart (C. saccharolyticus), Jakub Gebicki (fotobioreaktor), Gokce Avcioglu, METU Biohydrogen Research Lab, Turcja (reaktor trawienia beztlenowego) i Karin Willquist (mikrobiologiczne ogniwo paliwowe).
  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.

Hyundai ix35 GCEV zasilany
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”.

 

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 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.

 

Download

Download this article as a PDF

References

  • Fritsch J et al. (2011) The crystal structure of an oxygen-tolerant hydrogenase uncovers a novel iron-sulphur centre. Nature 479: 249–252. doi: 10.1038/nature10505
  • Hallenbeck P, Ghosh D (2009) Advances in fermentative biohydrogen production: the way forward? Trends in Biotechnology 27: 287–297. doi: 10.1016/j.tibtech.2009.02.004
  • Madden D (2010) The microbial fuel cell: electricity from yeast. Science in School 14: 32-35. www.scienceinschool.org/2010/issue14/fuelcell
  • Rifkin J (2002) The Hydrogen Economy: the Creation of the Worldwide Energy Web and the Redistribution of Power on Earth. New York, NY, USA: JP Tarker. ISBN: 1585421936
  • Schlapbach L, Züttel A (2001) Hydrogen-storage materials for mobile applications. Nature 414(6861): 353–358. doi: 10.1038/35104634
  • Willquist K, Zeidan A, van Niel E (2010) Physiological characteristics of the extreme thermophile Caldicellulosiruptor saccharolyticus: an efficient hydrogen cell factory Microbial Cell Factories 9: 89. doi: 10.1186/1475-2859-9-89
  • Microbial Cell Factories jest magazynem powszechnie dostępnym

Web References

  • w1 – Aby dowiedzieć się więcej na temat umowy wprowadzającej gospodarkę wodorową z Międzynarodowej Agencji Energii (International Energy Agency), zobacz: http://ieahia.org
  • w2 – Aby dowiedzieć się więcej o perspektywach wodoru, popatrz na analizę Josepha Romma na stronie internetowej Ekolodzy dla Energii Atomowej (Nuclear Energy) (www.ecolo.org) albo poprzez bezpośredni odnośnik: http://tinyurl.com/77dhx8x
    • 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

  • w3 – Aby obejrzeć wideo jak wodór jest uwalniany z biomasy ziemniaczanej wykorzystując światło słoneczne, zobacz: www.biohydrogen.nl/hyvolution
  • w4 – Aby dowiedzieć się więcej o mikrobiologicznym ogniwie paliwowym, zobacz: www.microbialfuelcell.org
  • w5 – Aby dowiedzieć się więcej o cieplnych i energetycznych ogniwach paliwowych, zobacz: www.fchea.org/index.php?id=57
  • w6 – Aby przeczytać więcej o najnowszym postępie w biowodorowej stacji paliwowej na Tajwanie, odwiedź stronę Focus Taiwan (http://focustaiwan.tw) albo wykorzystaj bezpośredni odnośnik: http://tinyurl.com/7jao2tp
  • w7 – ILL jest międzynarodowym ośrodkiem badawczym w dziedzinie nauki neutronowej i technologii, znajdującym się w Grenoble, Francja. Aby dowiedzieć się więcej, odwiedź: www.ill.eu
    • Po więcej informacji na temat badań na gospodarką wodorowa prowadzonych w ILL, odwiedź stronę ILL albo użyj bezpośredniego odnośnika: http://tinyurl.com/illhydrogen

  • w8 – Na tym samym kampusie co ILL, w Grenoble, Francja znajduje się ESRF, które obsługuje najsilniejsze źródło promieniowania synchrotronowego w Europie. Aby dowiedzieć się więcej, zobacz: www.esrf.eu
    • Aby zapoznać się z badaniami prowadzonymi w ESRF na temat składowania wodoru, odwiedź stronę ESRF albo użyj bezpośredniego odnośnika: http://tinyurl.com/87bnj4c

  • w9 – Aby dowiedzieć się więcej o EIROforum, zobacz: www.eiroforum.org

Author(s)

Karin Willquist, jest inżynierem chemikiem, w trakcie doktoratu badała produkcję biowodoru na Uniwersytecie w Lund (Szwecja). Jej zainteresowania badawcze skupiają się wokół fizjologii mikroorganizmów, optymalizacji procesu i zasięgu działania. Pracuje na uniwersytecie w Lund, wykorzystując symulacje komputerowe do udoskonalenia procesu hytanowego. Organizuje również kursy z bioenergetyki dla wielodyscyplinarnej bioenergetycznej platformy badawczej (LUBiofuels) na Uniwersytecie w Lund. Obecnie pisze książkę na temat bioenergetyki dla uczniów szkół średnich.


Review

Po ukazaniu się książki autorstwa Jeremiego Rifkina na temat gospodarki wodorowej w (2002), roku, temat ten stał się często obecny w mediach jako prawdziwa szansa na przyszłość. W tym artykule, Karen Willquist oferuje dokładny przegląd problemów związanych z produkcja wodoru i toczące się badania – w tym własne – zmierzające to jego zrównoważonej produkcji.

Dzięki jasnemu podejściu autorki do zagadnienia, artykuł jest odpowiedni dla nauczycieli i uczniów szkół ponadgimnazjalnych (w wieku 14 – 19 lat), chcących pogłębić swoja wiedzę w tej skomplikowanej dziedzinie. Ponadto, nauczyciele jak i uczniowie mogą skorzystać z wielu przydatnych odnośników.

Artykuł jest stosowny dla lekcji biochemii (oddychanie, fermentacja i fotosynteza), fizyki (ogniwa paliwowe, termodynamika: energia i wydajność), nauki o środowisku (źródła energii, paliwa kopalne i źródła odnawialne), biologii (glony, bakterie, cyjanobakterie, archea) i chemii organicznej (węglowodory i reforming parowy). Może być także cennym źródłem wiedzy przed wizytą w elektrowni albo laboratorium badawczym pracującym nad ogniwami paliwowymi, produkcją wodoru, jego wykorzystaniem lub składowaniem.

Artykuł może być również wykorzystany do zapoczątkowania dyskusji na temat różnic pomiędzy źródłami energii a nośnikami energii; problemami wykorzystania i przechowywania wodoru; oraz możliwymi scenariuszami przejścia z gospodarki węglowodorowej na wodorową.

Pytania na zrozumienie tekstu obejmują:

  1. Która z poniższych odpowiedzi dotyczy oddychania, ciemnej fermentacji, albo obydwu?
    • Obecność glukozy
    • Obecność tlenu
    • Brak tlenu
  2. Który z poniższych procesów nie jest zaangażowany w przemianę octanu w wodór.
    • Ciemna fermentacja
    • Wykorzystanie energii elektrycznej w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym
    • Proces hytanowy

Giulia Realdon, Włochy




License

CC-BY-NC-ND