Водоросли как источник водорода

Водород является сильным конкурентом для различных видов альтернативного (био) топлива.
Ученые постоянно стремятся свести к минимуму все его недостатки и максимально использовать его преимущества .
К недостаткам водорода относятся :

•  высокие затраты на получение водорода;

•  избыточно высокая температура сгорания водорода (при сгорании с чистым  кислородом температура достигает 2800°С);

•  водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь - гремучий газ , наибольшую взрывоопасность имеет при объемном соотношении водорода и кислорода 2:1 или водорода и воздуха 2:5;

•  водород является пожароопасным газом;

•  жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение 

Все эти свойства создают припятствия в развитии водорода как надежного альтернативного топлива. Проблема снижения затрат при получении водорода - является одной из самых актуальных в данное время.
Примеры получения водорода в промышленных условиях:

•   Электролиз воды. Себестоимость процесса $6-7 за килограмм водорода при использовании электричества из промышленной сети. В будущем возможно снижение до $4 за килограмм. $7-11 за килограмм водорода при использовании электричества, получаемого от ветрогенераторов. В будущем возможно снижение до $3 за килограмм. $10-30 за килограмм водорода при использовании солнечной энергии. В будущем возможно снижение до $3-4 за килограмм.

• 
  Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C.
  Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают с водяным паром при температуре 800—1300 °С без доступа воздуха. Себестоимость процесса $2-2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.

• Из природного газа.В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Водяной пар при температуре 700—1000 °С смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора. Себестоимость процесса $2-5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2-2,50, включая доставку и хранение.

• Использование атомной энергии для производства водорода возможно в различных процессах: химических, электролиз воды, высокотемпературный электролиз. Себестоимость процесса $2,33 за килограмм водорода.

• Водород из биомассы. Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500—800 °С (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4. Себестоимость процесса $5-7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0—3,0. В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

• Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

• Разложение воды электротоком . Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности. Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой. 

 Ученые из  University of Tennessee и  Oak Ridge National Laboratory  ищут экономный способ получения водорода с помощью водорослей и хорошо извесного явления фотосинтеза.
Фотоси́нтез (от греч. φωτο- — свет и σύνθεσις — синтез, совмещение, помещение вместе) — процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.
Ученые считают, что фотосинтез может  решить проблему получения и  использования водорода в качестве топлива.

Они обнаружили, что управляя внутренними процессами фотосинтеза ,  с помощью платинового катализатора, водоросли будут способны генерировать постоянный запас водорода в присутствии солнечного света.   Привычный процесс производства биотоплива включает в себя этапы культивации растений, сбора урожая, использования дорогостоящего оборудования для переработки биомассы в этанол или биодизель. Если исключить  эти энергозатратные шаги - можно напрямую использовать растения для получения биотоплива.

Интенсивность процеса фотосинтеза зависит от степени освещенности , а это в свою очередь ведет к повышению температуры. Не все водоросли способны поддерживать жизнедеятельность при высокой температуре. Ученые обратили внимание на сине-зеленые водоросли , которые обладают термофильными качествами. Процесс фотосинтеза   в этих водорослях может проходить при температуре до 55 ° С, что удобно в условиях  пустыни , где интенсивность солнечного света довольно высока.  Применение данной технологии  в промышленных условиях, позволит сократить энергозатраты, необходимые  на производство биотоплива.

Немного истории:
В 1939 году немецкий исследователь Hans Gaffron, работая в University of Chicago, обнаружил, что изучаемая им водоросль Chlamydomonas reinhardtii (зеленая водоросль) иногда переключается с производства кислорода на производство водорода.  Gaffron не обнаружил причину этого переключения. В течение многих лет причину переключения не удавалось обнаружить и другим ученым. В конце 1990-х годов профессор Anastasios Melis, работая исследователем в Беркли, обнаружил, что в условиях недостатка серы биохимический процесс производства кислорода, т. е. нормальный фотосинтез, переключается на производство водорода. Он обнаружил ответственный за это поведение фермент гидрогеназу, теряющий эти функции в присутствии кислорода. Melis обнаружил, что серное голодание прерывает внутреннюю циркуляцию кислорода, меняя окружение гидрогеназы таким образом, что она становится способна синтезировать водород.  Другой тип водорослей Chlamydomonas moeweesi также перспективен для производства водорода.

Ферма водородопроизводящих водорослей площадью со штат Техас производила бы достаточно водорода для покрытия потребностей всего мира. Около 25 тыс. квадратных километров достаточно для возмещения потребления бензина в США. Это в десять раз меньше чем используется в сельском хозяйстве США для выращивания сои.


По материалам: AENews.info , Wikipedia , Newscientist.com

Захоронение углекислого газа ( часть ІII )

  Повышение энергоэффективности предоставляет возможность, сокращая выбросы парниковых газов, сберегать энергию и ресурсы. За прошедшее столетие энергоэффективность в развитых странах возросла в десятки раз. Например, исследования производства электроэнергии в Великобритании показывают, что в 1891 г. для производства 1 кВт*ч энергии расходовалось 10–25 фунтов угля, в 1947 г. – 1,5 фунта, а в наши дни – всего 0,7 фунта. Тем не менее, потенциал сокращения выбросов парниковых газов за счет более эффективного использования энергии еще достаточно высок. Международное энергетическое агентство оценивает его в 16 Гт СО2-экв. в год.   Наряду с мерами по энергоэффективности необходимо разрабатывать и внедрять низкоуглеродные технологии. Среди них следует прежде всего
выделить использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) – ветроэнергетики, приливных электростанций, солнечных батареи, гидроэнергетики, биоэнергетики. К сожалению, во многих случаях эти технологии оказываются значительно дороже, чем традиционные технологии, основанные на сжигании ископаемого топлива. Поэтому для их
внедрения требуется государственная поддержка и специальные меры стимулирования. Особое место занимает ядерная энергетика. И не только в силу повышенной опасности ядерных объектов и неоднозначного отношения к ней. А еще и потому, что потенциал развития ядерной энергетики в мире весьма ограничен и она в любом случае не сможет сыграть решающей роли в сокращении выбросов парниковых газов.

  Переход на низкоуглеродную модель экономики требует осуществления широкомасштабных мер по сокращению выбросов парниковых газов. Такими мерами могут и должны стать:
  а) сокращение спроса на высокоуглеродную продукцию со стороны потребителей;
  б) повышение энергоэффективности, причем одновременно на стороне предложения (т.е. повышение эффективности использования топлива для производства энергии) и на стороне спроса (т.е. повышение эффективности использования и снижение потерь энергии при производстве конечных товаров и услуг);
  в) разработка и внедрение низкоуглеродных технологий;
  г) улавливание и захоронение углекислого газа;
  д) изменение земле- и лесопользования, предотвращение сведения и охрана лесов.
  Успешный пример реализации мер, направленных на повышение энергоэффективности и внедрение низкоуглеродных технологий, демонстрирует Дания. За период с 1990 по 2007 гг. энергоемкость экономики Дании уменьшилась на 18,3%, а удельные выбросы парниковых газов на 1 долл. ВВП – на 28%. В 2005 г. доля возобновляемых источников в конечном энергопотреблении составила 17%, а в производстве электроэнергии – без малого 30%.
Дания стала инициатором использования ветровой энергии в прибрежных водах. Установленная мощность ветропарка составляет 400 МВт и продолжает увеличиваться год от года.   В целом в странах Евросоюза, удельные выбросы парниковых газов на 1 долл. ВВП снизились по сравнению с 1990 г. более чем на 20%. На перспективу до 2020 г. страны Евросоюза ставят своей целью дополнительно сократить энергопотребление на 20% и увеличить долю возобновляемой энергетики в энергобалансе до 20%.
  Перспективным представляется также улавливание и захоронение углерода. Привлекательность этой технологии состоит в том, что она позволяет использовать традиционные ископаемые виды топлива, избегая при этом значительных выбросов СО2.
По данным МГЭИК, потенциал захоронения углерода в геологических структурах Земли составляет от 1700 до 11100 Гт СО2-экв. Это равнозначно такому количеству СО2, которое было выброшено при сжигании ископаемого топлива в течение 70–450 лет.
Практическое применение этой технологии уже началось. Так, 12 января 2009 г. губернатор штата Иллинойс (США) Род Благоевич подписал Билль 1987, согласно которому новые угольные ТЭЦ, вводимые в строй в 2009–2015 гг., обязаны улавливать и захоранивать 50% своих выбросов углекислого газа;
для станций, вводимых в 2016–2017 гг., требование возрастает до 70%;
а угольные станции, вводимые после 2017 г., обязаны будут улавливать и захоранивать 90% выбросов СО2.
Билль также устанавливает, что к 2025 г. не менее 25% электроэнергии штата должно вырабатываться на высокоэффективных угольных ТЭЦ с применением технологии
улавливания и захоронения углекислого газа.
  Переход к низкоуглеродной экономике, реализация в глобальном масштабе мер с целью сокращения выбросов парниковых газов открывают возможности для развития новых секторов и видов деятельности, ведут к структурной перестройке в энергетике и других отраслях и сопровождаются целым рядом позитивных экономических и экологических эффектов как на глобальном, так и на местном уровне. Так, уже сегодня мировой рынок возобновляемой энергетики оценивается в 38 млрд долларов в год и уверенно растет. В 2005 г. прирост
составил примерно 25%. Количество установок, работающих на солнечных батареях, увеличилось на 55%. К середине XXI столетия ожидается рост рынка низкоуглеродной энергетики до 500 млрд. долларов в год. А это не только сокращение выбросов  парниковых газов, но и миллионы новых рабочих мест и в самой энергетике. и в смежных отраслях,
включая науку, образование, прикладные исследования и разработки. Сегодня по всему миру в
отрасли занято уже 1,7 млн человек, и это только начало. В 2007 г. совокупные инвестиции в ВИЭ во всем мире составили около 70 млрд долларов.   В сфере финансов большие возможности связаны с торговлей сокращенными выбросами – квотами на выбросы, чистой энергетикой, страхованием. Вот лишь несколько цифр. В 2008 г. оборот углеродного рынка превысил 100 млрд. долларов и составил 122 млрд долларов. В том числе оборот торговли сертифицированными сокращениями выбросов с развивающимися странами составил
32 млрд долларов. И это не предел. Внедрение системы квотирования и торговли выбросами парниковых газов в Соединенных Штатах приведет к многократному увеличению емкости и оборота углеродного рынка.

  Мероприятия по сокращению выбросов парниковых газов сопровождаются сокращением выбросов традиционных загрязнителей (SO2, NOx, твердые частицы), что благотворно сказывается на здоровье населения и состоянии окружающей среды на местном уровне. Многочисленными исследованиями доказано, что загрязнение воздуха влияет на здоровье, а значит, и на качество жизни населения. Особенно заметно это влияние в развивающихся странах. По степени негативного воздействия на здоровье населения загрязнение атмос-
ферного воздуха в развивающихся странах может сравниться с такими явлениями, как недоедание, нехватка воды, плохая санитария. Соответственно, снижение выбросов вредных веществ, в том  числе в результате реализации мер, направленных на сокращение выбросов парниковых газов, дает ощутимый положительный эффект на локальном уровне. Подсчитано, например, что в Китае выгоды от снижения загрязнения воздуха традиционными загрязнителями при сокращении выбросов парниковых газов на 10–20% от нынешнего уровня превзойдут затраты на реализацию соответствующих мер. Впрочем, выиграют не только развивающиеся страны. По данным Европейского экологического агентства, снижение выбросов традиционных, вредных для здоровья загрязнителей в результате выполнения европейскими странами мероприятий  по снижению выбросов парниковых газов, необходимых для удерживания роста глобальной температуры в пределах 2°С, приведут к сокращению расходов на здравоохранение в этих странах на 16–46 млрд евро в год.


По материалам  доклада Николаса Стерна «Экономика изменения климата»  

Захоронение углекислого газа ( часть ІІ )

Похороны углекислого газа возмутили население Восточной Германии

  
Жители небольших городов Нойтребин и Бисков на востоке Германии протестуют против проекта захоронения под их домами углекислого газа с тепловых электростанций, который задуман как мера борьбы с глобальным потеплением.
Шведская компания Vattenfall, крупнейший производитель электроэнергии в своей стране, считает захоронение углекислого газа на глубине нескольких сотен метров путем к экологически чистой угольной энергетике: ведь тогда парниковые газы не будут поступать в атмосферу. Однако местные жители опасаются утечек.
Некоторые вспоминают случай, произошедшей на озере Ниос в Камеруне в 1986 году, когда вырвавшийся из котловины высокогорного вулканического озера углекислый газ убил свыше 1700 человек. Противники проекта говорят и о том, что технология захоронения углекислого газа в подобных масштабах не отработана, а экономический эффект от нее будет даже отрицательным.

Похоронить и не откапывать

Самые первые ТЭЦ на угле были достаточно грязным источником энергии. Тонны сажи дополнялись оксидом серы, который при взаимодействии с водой давал сернистую кислоту. В окрестностях электростанций осаждалась угольная пыль и шли кислотные дожди. Позднее, когда требования к чистоте воздуха заставили владельцев ТЭЦ заняться выбросами всерьез, на них стали устанавливать фильтры. Частицы сажи улавливали с помощью электрического поля, а оксид серы связывали химическим путем. На выходе оставались лишь углекислый газ и водяной пар – вещества, долгое время считавшиеся совершенно безвредными.
С точки зрения химии они действительно безвредны. Углекислый газ опасен только при накоплении его в низинах, но при этом он является тем газом, который выдыхает человек. Его опасность – не в токсическом действии на живые организмы.
Углекислый газ неспроста назвали парниковым – он действительно напоминает парниковое стекло, которое пропускает свет, но задерживает тепловое излучение. Планета получает больше тепла, чем отдает, и за счет этого ее температура повышается. А повышение температуры ведет не только к более мягким зимам и расширению пригодных для сельского хозяйства территорий в приполярных и умеренных широтах, но и к нарушению сложившейся системы воздушных потоков, таянию ледников и росту уровня моря. Подтопления прибрежных территорий, погодные аномалии, засухи – все это следствия глобального потепления.
И чтобы хотя бы замедлить нагрев планеты, концентрацию углекислого газа (уже заметно выросшую с начала промышленной революции) надо снижать. В частности, путем захоронения либо только что произведенного на электростанциях, либо даже специально извлеченного из атмосферы газа. Если весь газ, который образуется при работе ТЭЦ, будет закачан вглубь земли, то влияние на окружающую среду будет сведено к минимуму. По крайней мере так считают авторы проекта.

За чей счет?

На реализацию проектов по захоронению парникового газа в одном только Евросоюзе затрачено $1,5 млрд. За каждую выброшенную в атмосферу тонну углекислого газа энергетикам придется платить дополнительные налоги, поскольку иначе дорогостоящие работы по утилизации газа просто теряют всякий экономический смысл. Да и с учетом налогового бремени, как считают процитированные Wall Street Journal (http://online.wsj.com/article/SB125476964655765445.html) экологи, «чистый уголь» не окупит себя: стоимость получаемой на такой ТЭЦ энергии будет сопоставима с электроэнергией от альтернативных источников вроде ветрогенераторов.

Углекислый газ – возвращение из глубин

В дорогостоящем проекте, который позиционируется как спасение от парникового эффекта, жителей Нойтребина смущает вероятность утечки газа и возможное падение стоимости их земельных участков. В апреле 2009 года, когда было объявлено о проекте захоронения углекислого газа, в Нойтребине поднялась волна протестов, а ранее построенная опытная установка в Шварц Пампе так и не начала свою работу из-за отсутствия разрешения от властей, извлекаемый углекислый газ по-прежнему выбрасывается в атмосферу.
Компания Vattenfall пытается развеять страхи, организуя встречи с жителями с участием геологов и специалистов по горному делу. Инженер Томас Лаутш, который провел шесть таких встреч, указывает, что в Германии насчитывается 40 месторождений природного газа, часть из которых расположены прямо под домами. Природный газ куда как более опасен, чем углекислый, говорит он – однако никто же по этому поводу не переживает!
Другой аргумент, основанный непосредственно на практике, гласит, что норвежская нефтяная компания StatOil уже закачивала под землю, в бывшие месторождения природного газа, углекислый газ – и никаких утечек там не было. Глиняные породы и насыщенные рассолом пласты в принципе не пропускают газ, будь он природным или углекислым: по мнению ученых, проект безопасен.
Однако по мнению жителей, которые приходят на встречи с плакатами «Мы не подопытные морские свинки!», это далеко не так. Чем закончится противостояние, пока неизвестно. Правительство в свете недавно прошедших выборов предпочитало молчать, а местные власти упорно не желали подписывать разрешения на проведение опытных работ.

Не под моим двором

История с закачкой углекислого газа под землю повторяет судьбу ряда других проектов, которые должны по замыслу их авторов снизить наносимый окружающей среде или человеку вред. Углекислый газ, выбрасываемый в атмосферу, ведет к повышению температуры планеты – это плохо, с этим надо бороться, большинство развитых стран заявляют о намерении сократить его производство... но вот с конкретными альтернативами пока получается не очень хорошо.
В Германии, где собрались закачать на несколько сотен метров под землю парниковый газ, до этого было принято решение постепенно закрыть все атомные электростанции: также из природоохранных соображений.
Затем, когда цены на нефть превысили $140 за баррель, а альтернативная энергетика так и не смогла потеснить реакторы – о АЭС заговорили снова, но уже в ином ключе. Победа на выборах Ангелы Меркель может, как считает издание World Nuclear News, означать то, что вместо сворачивания ядерной энергетики немцы начнут строительство новых станций.
 
 Алексей Тимошенко
Источник: gzt.ru