23 нояб. 2009 г.

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

*

 
Rambler's Top100