Водородът: зеленият енергоносител в бъдеще? Understand article

Превод Емилия Мурзова. Водородът може да бъде горивото на бъдещето, но как можем да го произвеждаме устойчиво? Karin Willquist обяснява.

Водородът е наричан „енергийният носител на бъдещето” – тъй като може да се окисли в горивна клетка за да произведе електричество за захранване на автомобил например, при това без освобождаване на въглероден диоксид (CO₂), а и може да се произведе и в отдалечени места без изградена енергийна мрежа. За разлика от настоящите ресурси като природен газ и бензин, водородът трябва да бъде произведен, което го прави енергиен носител, а не гориво.

Енергийна система, в която водородът се използва за получаване на енергия – водородна икономика – е предложена от Джон Бокрис през 1970г.; а през 1977 е подписано международно споразумение за въвеждане на водорода, целящо постигането й^w1.

В момента водородът се използва предимно като химичен реагент вместо като енергиен носител, но несъмнено носи потенциала да трансформира транспортните ни и енергийни системи. Реализирането на този потенциал обаче на е лесно. Повечето от използваните днес горива са течни, твърди или газообразни и с висока енергия на единица обем (енергийна плътност). Водородът за разлика от тях има ниска енергийна плътност: при определено налягане изгарянето на един литър водород дава една трета от енергията, отделена при изгарянето на метана. Това предполага проблеми при съхранението, транспортирането и използването, които учените описват (Schlapbach & Züttel, 2001)^w2. Още по-голямо предизвикателство е устойчивото производство на водород. Върху тази тема ще се фокусирам тук.

Начини за производство на водород

Водородът е често срещан на земната повърхност елемент, обикновено свързан с въглерод във въглеводороди (в растенията) или с кислород във водата (H₂O). Газообразният водород (H₂), съществува само в малки количества на Земята. Едно от предизвикателствата пред устойчивото производство е добиването на H₂ от съединенията му с въглерода и кислорода.

Понастоящем H₂ се произвежда основно от изкопаеми горива (напр. природен газ) чрез паров реформинг: горивото се загрява до висока температура чрез използване на вода^w2:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂                                              (1)

CO + H₂O → CO₂ + H₂                                                (2)

Този метод обаче се основава на изкопаеми горива и освобождава CO₂, причиняващ същите проблеми с отделените емисии, както и изкопаемите горива. Паровият реформинг е устойчив само ако се използват възобновяеми въглеводороди като био-газ, тъй като отделеният CO₂ преди това е бил погълнат при производството на въглеводородите.

H₂ може да бъде произведен и чрез електролиза^w2, при която чрез електричество H₂O се разделя на H₂ и кислород:

2H₂O → 2H₂ + O₂                                                       (3)

Този метод е устойчив, ако електричеството е от възобновяеми източници като вятърната, водната или слънчевата енергия. По този начин H₂ може да се използва за складиране на енергия във ветровитите дни, когато вятърните генератори произвеждат повече енергия, отколкото може да бъде изразходвана.

Итересното е, че разделянето на H₂O е естествен процес в океаните, тъй като микроскопичните синьо-зелени водорасли и цианобактериите използват слънчевата енергия за разделянето на водата в процес, наречен биофотолиза (уравнение 3). Скоростта на производство на H₂ обаче е екстремно ниска.

Правен са усилия за увеличаването на нивото на производство при контролирани условия, използвайки модифициране микроорганизми, но процесът си остава все така бавен и скъп за да бъде реалистичен източник на H₂ в скоро време (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

И най-накрая, биоводородът може да бъде произведен от зърнено-житни култури и от индустриални, горски или селскостопански отпадъци, използвайки бактерии. Както и ние, тези бактерии окисляват растителния материал като източник на енергия, но за разлика от нас, те живеят в анаеробна среда (без кислород). При аеробното дишане ние използваме O₂ за окисление на захарите, т.е.

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

Обратно, за да окислят субстрата колкото е възможно повече и така да оптимизират добива на енергия, тези анаеробни бактерии редуцират протоните, отделени при окислението, до H₂ (уравнение 6, по-долу).

Горещи продуценти

Докато подготвях докторската си дисертация, изследвах способността за производство на водород на една от тези бактерии, Caldicellulosiruptor saccharolyticus (фиг. 1), която обитава горещите извори: анаеробна среда при 70 °C, с ниско съдържание на въглеводороди. Тази бактерия е особено интересна, защото е два пъти по-ефективна от повечето бактерии, използвани за производство на H₂.

За разлика от хората, C. saccharolyticus произвежда енергия, използвайки широк кръг от растителни градивни елементи: не само глюкоза, а например и ксилоза (Willquist et al., 2010).

Това позволява на бактерията да произвежда H₂ от отпадъци като тези от преработката на картофи или моркови, а също и от промишлени отпадъци от производството на хартия, или от отпадъци от селското стопанство като сламата например.

Перспективно начало, но дори C. saccharolyticus извлича едва 33% от потенциалното количество H₂, което би могло да бъде произведено от субстрата. Уравнение 5 показва потенциалното пълно окисление на глюкозата, при което се отделят 12H₂ от една молекула глюкоза. Уравнение 6 показва ферментацията, която C. saccharolyticus извършва на тъмно, при което се отделят само 4H₂ (33%) от една молекула глюкоза. Останалата енергия се отделя под формата на оцетна киселина (CH₃COOH).

Пълно разграждане на глюкозата до H₂: C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 12H₂ + 6CO₂       (5)

Ферментация на тъмно: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 4H₂ + 2CO₂ + 2CH₃COOH           (6)

За освобождаването на останалата част H₂ в оцетната киселина е необходима енергия. Обаче метанът (CH₄), от който чрез паров реформинг може да бъде получен H₂ (уравнения 1 и 2), може да се добие от оцетна киселина. За щастие съществуват три перспективни начина това да се направи (фиг. 2).

1. Използване не слънчевата светлина за преобразуване на оцетната киселина до H₂ от фотоферментираща бактерия (уравнение 7)^w3. Както и при производството на H₂ от синьо-зелени водорасли обаче, този процес е бавен и скъп за да бъде използван за търговски цели в близкото бъдеще (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

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

2. Използване на електричество за възбуждане на превръщането на оцетната киселина до H₂ в микробактериална горивна клетка в присъствието на няколко бактериални вида (уравнение 7)^w4. Това представлява една елегантна концепция, но приложението й е ограничено от ниските нива на производство (Hallenbeck & Gush, 2009). (За да разберете как да направите своя микробиална горивна клетка, вижте Madden, 2010.)
    
3. Използване на метанови продуценти (Archaea), които да преработят оцетната киселина до метан (уравнение 8). Комбинацията от ферментация на тъмно (уравнение 6) и производството на метан е известна като хитанов процес (hydrogen + methane, т.е. водород и метан) и с него може да бъде преработен приблизително 90% от началния субстрат до H₂ и метан.

   CH₃COOH → CH₄ + CO₂                                                (8)

   При паров реформинг на метана се освобождава H₂.

Перспектива на хитановия процес: ако четири човека в едно домакинство изяждат по 10 kg картофи на месец, отпадъците им могат да покрият 0,5% от месечния им разход на енергия (3500 kWh), при условие че произведеният H₂ се използва директно (за да се избегнат загуби на енергия) и че домът им е снабден с отоплителна и енергийна горивна клетка^w5. Разбира се от отпадъците е възможно да се генерира повече водород – 0,5% е количеството само от картофите.

Горният случай е само груб пример за потенциала на хитановия процес при следните допускания а) 30% загуба на енергия при производствота на H₂ и CH4 (хитан) и б) допълнителни 30% при послеващия паров реформинг на CH4 до H₂. Паровият реформинг (б) се използва за производството на водород от природен газ и е усъвършенствана техника, използвана в индустрията. Производството на хитан (а) обаче все още не е ефективно, въпреки продължаващите изследвания за повишаване на ефективността му до 70% (както в примера) и по този начин производството на биоводород е конкурентно на паровия реформинг на изкопаеми горива с цел производство на водород.

Въпреки прогреса, постигнат напоследък^w6 (виж карето), все още е твърде рано да се предскаже кога устойчивото производство на H₂ ще започне да играе съществена роля при добива на енергия. Но както казва поетът Марк Станд „Бъдещето винаги започва сега.”

Изследвания на съхранението и производството на водород

Безопасното и ефикасно съхранение на водород е едно от основните технологични предизвикателства пред използването на водорода като енергоносител. Институтът Лауе-Ланжевен (ILL)^w7 предлага челен опит в изследването на водородната икономика, използвайки неутронна дифракция за контрол на хидрогеназните и дехидрогеназните реакции при материалите с потенциал за съхранение на водорода. За да научите повече, посетете сайта на ILL^w7.

Мощните рентгенови лъчи на Европейския център за синхротронна радиация (ESRF)^w8 се използват за да се изследват механизмите, чрез които водородът се произвежда чрез ензимите, наречени хидрогенази. Повечето от тях са активни при анаеробни условия и на практика се инхибират в присъствието на кислород. Активните в аеробна среда хидрогенази представляват особен интерес при технологии като ензимните горивни клетки и производството на водород на светло. Немски екип учени наскоро е описал кристалната структура на един от тях (Fritsch et al., 2011) – навярно това е стъпка в посока водородна икономика?

И ILL, и ESRF са членове на EIROforum^w9, издателят на Science in School.

Download

Download this article as a PDF