Hidrogenul: purtătorul de energie verde al viitorului? Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Hidrogenul ar putea fi combustibilul viitorului, dar îl putem noi produce în manieră sustenabilă? Karin Willquist ne explică.

Pentru imagine, multumim
janeff / iStockphoto

Hidrogenul a fost botezat ‘purtătorul de energie al viitorului’ – deoarece el poate fi oxidat în celule de combustie (pile galvanice) pentru a genera electricitate, utilizabilă, de exemplu, la automobile, fără a emite bioxid de carbon (CO2), şi poate fi produs în locuri îndepărtate de infrastructura energetică. Spre deosebire de resursele disponibile, precum gazele naturale şi benzina, hidrogenul nu există apriori ci trebuie produs, ceea ce îl face un purtător de energie, nu un combustibil.

Un sistem energetic în care hidrogenul este folosit pentru a furniza energie – o economie bazată pe hidrogen – a fost propus de John Bockris în 1970; în 1977 s-a semnat un acord internaţional pentru implementarea acestui sistem energetic bazat pe hidrogenw1.

Hidrogenul este în principal folosit astăzi ca agent chimic (şi mai puţin ca purtător de energie), însă este limpede că el are potenţialul de a transforma sistemele noastre de transport şi de energie. Însă eliberarea potenţialului său energetic nu este uşoară. Majoritatea combustibililor actuali – lichizi, solizi sau gazoşi – au o mare densitate energetică. Spre deosebire, hidrogenul are o densitate energetică scăzută: la o presiune dată, arderea unui litru de hidrogen produce de-abia o treime din energia produsă prin arderea unui litru de metan. Aspectul acesta acutizează problemele stocării, distribuirii şi exploatării, probleme ce sunt vizate de cercetători (Schlapbach & Züttel, 2001)w2. Asupra acestora voi insista şi eu in articolul de faţă.

Modalităţi de producere a hidrogenului

Unul dintre autobuzele
londoneze alimentat cu
hidrogen Pentru imagine
mulţumim lui Felix O; sursa

Pentru imagine, multumim
Felix O; sursa imginii: Flickr

Hidrogenul este un element abundent pe suprafaţa Pământului, dar se găseşte doar legat de carbon, în carbohidraţi (în plante) sau de oxigen, în apă (H2O). Hidrogenul sub formă de gaz (H2) se găseşte în cantităţi infime pe Pământ. Una dintre provocările pentru producerea sustenabilă a hidrogenului constă în a elibera molecule de H2 din legăturile cu carbonul şi cu oxigenul.

Actualmente, H2 este produs în principal din combustibili fosili (precum gazul natural) prin reformare cu aburi: descompunerea hidrocarburilor la temperaturi şi presiuni înalte în combinaţie cu apa (SMR)w2:

CH4 + H2O → CO + 3H2                                              (1)

CO + H2O → CO2 + H2                                                (2)

Totuşi, această metodă are dezavantajul că se bazează pe combustibili fosili şi că emite CO2, cauzând aceleaşi probleme ca şi arderea combustibililor fosili. Reformarea cu aburi devine sustenabilă numai dacă se folosesc hidrocarburi regenerabile, precum bio-gazul, deoarece astfel se poate asigura recircularea bioxidului de carbon.

H2 se poate produce şi prin electrolizăw2, proces în care electricitatea este folosită pentru a despărţi moleculele de apă (H2O) în molecule de hidrogen şi de oxigen:

2H2O → 2H2 + O2                                                       (3)

Încărcător portabil cu
combustibil pentru telefon
mobil. Se pune un pic de apă
şi în câteva minute bateria
este gata pentru telefonul
mobil

Pentru imagine, multumim
David Berkowitz; sursa imginii:
Flickr

Această metodă poate deveni sustenabilă doar dacă energia electrică necesară provine din surse regenerabile, precum vântul, valurile sau soarele. Astfel, H2 poate stoca energia în zilele în care morile de vânt produc mai multă electricitate decât absorb consumatorii ataşaţi.

În mod surpriunzător, separarea H2O are loc de la sine în oceane, unde alge microscopice şi ciano-bacterii folosesc energia solară pentru a diviza molecula de apă într-un proces numit bio-fotoliză (Ecuaţia 3). Totuşi ritmul de producere a hidrogenului este extrem de lent.

Au fost făcute eforturi pentru a creşte ritmul de separare a hidrogenului în condiţii controlate, folosind micro-organisme modificate genetic, dar procesele încă sunt prea lente şi prea costisitoare pentru a constitui o sursă realistică de H2, acum sau în viitorul apropiat (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

În sfârşit, bio-hidrogenul poate fi generat prin procesarea recoltelor şi a deşeurilor industriale, forestiere sau agricole, folosind bacterii. Ca şi noi, aceste bacterii oxidează materialul ca pe o sursă de energie, doar că – spre deosebire de noi – ele trăiesc în medii anaerobe (fără oxigen). Prin respiraţia aerobă, noi folosim O2 pentru a oxida zaharurile, de exemplu.

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

În contrast, pentru a oxida cât mai intens substratul, şi deci pentru a-şi maximiza câştigul energetic, aceste bacterii anaerobe reduc protonii, eliberaţi pe durata oxidării de substrat, eliberând H2 (Ecuaţia 6, mai jos).

Gângănii fierbinţi

Figura 1: C. saccharolyticus
bacteria under the electron
microscope

Pentru imagine, multumim
Harald Kirsebom

Pe durata cercetărilor mele doctorale, am studiat abilităţile de producere a hidrogenului de către una dintre aceste bacterii, Caldicellulosiruptor saccharolyticus (Figura 1), care trăieşte în izvoare fierbinţi: medii anaerobe la 70 °C, cu nivele reduse de carbohidraţi. Această bacterie prezintă un interes particular deoarece este de două ori mai eficientă decât majoritatea bacteriilor folosite în producerea de H2.

Spre deosebire de oameni, C. saccharolyticus extrage energie dintr-un spectru larg de substanţe organice: nu doar din glucoză, ci – de exemplu – şi din xiloză (Willquist et al., 2010).

Acest lucru permite bacteriilor să producă H2 din reziduuri precum cele rezultate din procesarea cartofiilor, zahărului sau a morcovilor, precum şi din deşeuri industriale de lemn şi hârtie, sau din reziduuri agricole, precum paiele.

Aspectul acesta constituie un început promiţător, dar chiar şi bacteriile C. saccharolyticus eliberează doar 33% din potenţialul de H2 conţinut de substrat. Ecuaţia 5 ne arată potenţialul oxidării complete a glucozei, eliberând 12 molecule de H2 pentru fiecare moleculă de glucoză. Ecuaţia 6 prezintă fermentaţia realizată la întuneric de C. saccharolyticus, care eliberează doar 4H2 (33%) per moleculă de glucoză. Restul energiei chimice potenţiale se regăseşte ca acetat/oţet (CH3COOH).

Conversia completă a glucozei în H2: C6H12O6 + 6H2O → 12H2 + 6CO2       (5)

Fermentaţia la întuneric: C6H12O6 + 2H2O → 4H2 + 2CO2 + 2CH3COOH           (6)

Pentru a elibera restul de H2 din moleculele de acetat este necesar un supliment de energie din exterior. Alternativ, metanul (CH4) – care poate fi ulterior reformat cu abur pentru a elibera H2 (Ecuaţiile 1 şi 2) – poate fi generat din acetat. Din fericire, există trei modalităţi promiţătoare de a face aceasta (Figura 2).

Figura 2: Producerea de biohidrogen din reziduuri. Reziduurile sunt descompuse în H2 şi în acetat de către bacteria C. saccharolyticus. Acetatul este convertit în metan (CH4) prin digestie anaerobă (3), sau în H2 fie printr-o celulă de combustie microbiană (2) fie prin fotofermentaţie (1). Bioxidul de carbon produs este preluat de substrat, rezultând într-un proces CO2 neutru
Pentru imagini mulţumim Holger / pixelio.de (reziduuri), Michael Cavén (fabrică de hârtie), Keith Bryant (copaci), Marcel Verhaart (C. saccharolyticus), Jakub Gebicki (fotobioreactor), Gokce Avcioglu, METU Biohydrogen Research Lab, Turkey (reactor de digerare anaerobă) and Karin Willquist (celulă de combustie microbiană)
  1. Folosind lumină solară pentru a converti acetatul în H2 cu bacterii fotofermentative (Ecuaţia 7)w3. Totuşi, ca şi în cazul H2 produs de alge marine, acest proces este prea lent şi prea scump pentru a fi viabil în viitorul apropiat (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

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

  2. Utilizând electricitatea pentru a forţa reacţia de descomputere a acetatului în H2 într-o pilă de combustie microbiană cu o mixtură potrivită de specii de bacterii (Ecuaţia 7)w4. Aceasta ar fi o abordare elegantă, dar aplicarea sa este astăzi limitată de eficienţa redusă (Hallenbeck & Gush, 2009). (Pentru a studia cum puteţi construi propia celulă de combustie microbiană, consultaţi Madden, 2010.)
     
  3. Folosirea de agenţi producători de metan (Archaea) pentru a digera acetatul (Ecuaţia 8). Combinaţia dintre fermentaţia întunecată (Ecuaţia 6) şi sinteza de metan este cunoscută sub numele de proces hythane (hydrogen + methane), şi poate converti în H2 şi în metan aproximativ 90% din substratul originar.

    CH3COOH → CH4 + CO2                                                (8)

    La rândul lui, metanul generat poate fi supus reformării cu aburi pentru a elibera H2.

Automobilul Hyundai ix35
FCEV, propulsat de o celulă
de combustie a hidrogenului

Pentru imagine, multumim
Bull-Doser; sursa imginii:
Wikimedia Commons

Un exerciţiu de imaginaţie pentru ilustrarea procesului hythane: dacă patru oameni într-o casă consumă 10 kg de cartofi pe lună, deşeurile rezultate pot alimenta 0,5% din necesarul lor energetic lunar (3500 kWh), cu condiţia ca hidrogenul produs astfel să fie folosit direct (fără conversii/pierderi de energie) şi ca acea casă să fie echipată cu o celulă de combustiew5. Desigur, mai mult H2 ar putea fi generat şi din alte reziduuri (acei 0,5% provin doar de la cartofi).

Aceasta este doar o estimare aproximativă a potenţialulul procesului hythane, bazat pe a) o pierdere de energie de 30% în producerea de H2 şi CH4 (hythane), şi b) 30% în procesul de reformare cu aburi a metanului. Reformarea cu aburi (b) este folosită pentru a obţine hidrogen din gaz natural, şi este o tehnologie comercială bine dezvoltată. Totuşi, producerea de hythane (a) nu este deocamdată eficientă. Însă există în derulare cercetări vizând ridicarea eficienţiei până la 70% (ca în exemplul de mai sus), astfel încât producerea de biohidrogen să devină competitivă comparabil cu producerea de H2 prin reformarea cu aburi a combustibililor fosili.

Deşi s-au înregistrat câteva progrese recentew6 (vedeţi caseta), este mult prea devereme pentru a estima o perioadă de timp peste care producerea sustenabilă de H2 ar putea juca un rol semnificativ în furnizarea de energie. Oricum, aşa cum spunea odinioară poetul Mark Strand, “Viitorul începe întotdeauna acum.”

 

Cercetări în stocarea şi producerea hidrogenului

Stocarea sigură şi eficientă a hidrogenului este una dintre principalele provocări tehnologice în adoptarea hidrogenului ca agent energetic. Institutul Laue-Langevin (ILL)w7 s-a impus în avangarda cercetării privind economia bazată pe hidrogen, folosind difracţia neutronică pentru a monitoriza reacţiile de hidrogenare şi dehidrogenare în materialele cu potenţial de folosinţă la stocarea hidrogenului. Pentru a afla mai multe, vizitaţi web-site-ul ILLw7.

Puternicele raze X de la ESRF (European Synchrotron Radiation Facility)w8 au validat recent mecanismele complexe prin care hidrogenul este produs de acele enzime numite hidrogenaze. Majoritatea acestor enzime lucrează în condiţii anaerobe, fiind inhibate de prezenţa oxigenului. Hidrogenazele care rămân active în condiţii anaerobe sunt de interes pentru tehnologii precum celulele/pilele de combustie enzimatică şi pentru producerea de hidrogen pe bază de lumină. O echipă germană de cercetători a rezolvat recent structura cristalină a uneia dintre aceste enzime (Fritsch et al., 2011) – ceea ce poate constitui un pas înainte spre economia hidrogenului.

ILL şi ESRF sunt memebre ale EIROforumw9, editorul revistei 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 este un jurnal ştiinţific gratuit, cu articole disponibile liber.

Web References

  • w1 – Pentru a afla mai multe despre acordul de implementare a hidrogenului de către Agenţia Interneţională pentru Energie, vedeţi: http://ieahia.org
  • w2 – Pentru a afla mai multe despre perspectivele hidrogenului, consultaţi şi analiza lui Joseph Romm de pe web-site-ul ecologiştilor privind energia nucleară (www.ecolo.org; categoria ‘documents’) sau prin conexiune web directă: http://tinyurl.com/77dhx8x
    • Vdeţi analiza lui Joan Ogden privind lucrare Hydrogen as an Energy Carrier: Outlook for 2010, 2030 and 2050 (Hidrogenul ca agent energetic: perspective pentru anii 2010, 2030 şi 2050) de pe web-site-ul Universităţii din California: http://escholarship.org/uc/item/9563t9tc

  • w3 – Pentru o înregistrare video despre cum hidrogenul este eliberat din biomasa de cartofi sub acţiunea luminii solare, vedeţi: www.biohydrogen.nl/hyvolution
  • w4 – Pentru a afla mai multe despre celulele/pilele de combustie microbială, consultaţi: www.microbialfuelcell.org
  • w5 – Pentru a găsi informaţii adiţionale privind cădura şi celulele/pilele de combustie energetice, vedeţi: www.fchea.org/index.php?id=57
  • w6 – Pentru a citi despre recentele descoperiri privind staţia de biohidrogen din Taiwan, vedeţi web-site-ul Focus Taiwan (http://focustaiwan.tw)sau accesaţi direct: http://tinyurl.com/7jao2tp
  • w7 – ILL este un centru internaţional de cercetare avansată privind ştiinţa şi tehnologia neutronilor, localizat în Grenoble, Franţa. Pentru a afla mai multe vedeţi: www.ill.eu
    • Pentru mai multe informaţii despre cerctările de la ILL privind economia bazată pe hidrogen, consultaţi web-site-ul ILL sau folosiţi legătura directă: http://tinyurl.com/illhydrogen

  • w8 – Situat în acelaşi campus ca şi ILL, în Grenoble, Franţa, ESRF operează cea mai avansată sursă de radiaţie sincrotronică din Europa. Pentru detalii, vedeţi: www.esrf.eu
    • Pentru mai multe informaţii despre cercetările ESRF privind stocarea hidrogenului, vedeţi web-site-ul ESRF sau accesaţi URL-ul direct: http://tinyurl.com/87bnj4c

  • w9 – Pentru a afla mai multe despre EIROforum, accesaţi: www.eiroforum.org

Author(s)

De profesie inginer chimist, Karin Willquist şi-a obţinut de la Universitatea Lund, Suedia, titlul de doctor în producerea de biohidrogen. Direcţiile ei de cercetare includ fiziologia microbiană, optimizara proceselor şi actitivăţi avansate. Lucrează la Universitatea Lund folosind simulări computerizate pentru a perfecţiona procesarea hythane-ului. Ea organizează şi cursuri despre bioenergie pentru o platformă de cercetare multi-disciplinară (LUBiofuels) în cadrul universităţii. Lucrează actualmente şi la scrierea unei cărţi despre bioenergie pentru elevii de liceu.


Review

Urmând cărţii lui Jeremy Rifkin despre economia bazată pe hidrogen (2002), subiectul acesta apare deseori în media ca o posibilitate reală pentru viitor. Un alt aspect privind hidrogenul este presupusul său rol ca o sursă de energie curată. În articolul său, Karen Willquist oferă o perspectivă minuţioasă asupra chestiunilor care apar în producerea hidrogenului şi asupra cercetărilor aflate în derulare – inclusiv propriile ei lucrări – înspre căutarea de căi coerente.

Beneficiind de abordarea clară a autorului, articolul este în mod deosebit potrivit pentru profesorii de ştiinţe din clasele de liceu (vârste 14-19 ani) care doresc să-şi adâncească cunoştiinţele în acest complex subiect. Mai mult, atât profesorii cât şi elevii pot beneficia de mulţimea de resurse bibliografice prezentate.

Articolul poate fi relevant pentru lecţii de biochimie (vizând procesele de respiraţie, fermentaţie şi fotosinteză), fizică (pile galvanice, termodinamică: energie şi randament), ecologie (surse de energie, combustibili fosili şi resurse regenerabile), biologie (alge, bacterii, cianobacterii şi Archaea) şi chimie organică (hidrocarburi şi reformare cu abur). De asemenea, articolul poate furniza cunoştinţe valoroase pregătitoare înainte de vizitarea centralelor electrice sau a laboratoarelor de cercetare lucrând cu pile de combustie sau la producerea, procesarea sau stocarea hidrogenului.

Articolul poate fi folosit şi pentru a iniţia discuţii despre diferenţa dintre diferite surse şi purtători de energie; despre problemele de folosire şi stocare a hidrogenului; şi despre posibile scenarii pentru tranziţia noastră de la economia bazată pe hidrocarburi la cea bazată pe hidrogen.

Întrebări/teme potrivite pentru discuţii:

  1. Care dintre următoarele situaţii se aplică în cazul respiraţiei, a fermentaţiei la întuneric, sau pentru amândouă?
    • Prezenţa glucozei
    • Presenţa oxigenului
    • Absenţa oxigenului
  2. Care dintre următoarele procese nu este implicat la conversia acetatului în hidrogen?
    • Fermentaţia la întuneric
    • Folosirea electricităţii în celulele de combustie microbiene
    • Procesul hythane

Giulia Realdon, Italia




License

CC-BY-NC-ND