Біоводень
Біоводень (англ. biohydrogen) — водень, вироблений з біомаси; газоподібний різновид біопалива, що використовується в водневій енергетиці, часто одержуваний разом із біобутанолом та біополімерами[1][2], чи разом з біометаном[3], шляхом бутилового або ацетонобутилового зброджування (ферментації) залишків сільськогосподарських рослин[4], стічних вод[5] та інших органічних відходів[6][7].
Виробництво
Існують різні шляхи виробництва біоводню, кожен зі своїми перевагами та обмеженнями.
Методом бутилового бродіння сахарози або крохмалю з 1 тонни меляси можна одержати до 140 м3 водню, 1 т стебел солодкого сорго — 50 м3, 1 т картоплі — 42 м3. При ацетонбутиловому зброджуванні з 1 т картоплі одержують 25 м3 водню, тоді як 1 т стебел солодкого сорго дає 30 м3.
Біоводень також можна одержувати термомеханічним способом з відходів деревини, однак собівартість даного методу висока.
Методи біофотолізу і фотоферментації вимагають освітлення, тоді як темнова ферментація проводиться в темних умовах. Побічні продукти темнової ферментації, такі як леткі жирні кислоти (ЛЖК) і етанол, можуть бути використані у фотоферментації і мікробній електролізній комірці. У процесі біофотолізу вода або органіка, що виробляється мікроорганізмами, можуть бути використані як субстрати для виробництва біоводню, тоді як темнова ферментація і фотоферментація потребують зовнішніх субстратів. Біогаз, отриманий шляхом бродіння (ферментації), містить не лише біоводень, але й CO2, H2S та інші слідові гази.[8]
Виробництво біоводню за допомогою мікробів забезпечує відновлюваний запас водню за рахунок використання таких сировинних матеріалів, як невичерпне природне сонячне світло, вода і органічні відходи, що, як передбачається, одночасно вирішить дві проблеми «енергопостачання та захисту навколишнього середовища». Гідрогенази та нітрогенази є двома класами ключових ферментів, які беруть участь у виробництві біоводню і можуть застосовуватися в різних біологічних умовах.[9]
Для очищення та відділення біоводню перед зберіганням необхідні такі заходи, як кріогенна адсорбція, адсорбція при зміні тиску та мембранне відділення.[10] Після очищення біоводню його потрібно зберігати та доставити для подальшого використання.
Водень має найнижчу молекулярну щільність, а його щільність енергії за обсягом надзвичайно низька. При температурі навколишнього середовища та тиску 1 кг водню займає приблизно 11 м3. Таким чином, збільшення щільності зберігання водню має вирішальне значення. В даний час широко досліджені різні технології зберігання водню з хорошими можливостями зберігання водню, такі як стиснений водень, рідкий водень та спеціальні водневі сховища. Водень транспортується до різних кінцевих споживачів трубопроводами, кораблями, вантажівками, залізницями та іншими способами транспортування.[11]
Підвищення ефективності
Незважаючи на кілька переваг, пов’язаних із застосуванням біоводню як палива, його виробництво наразі стикається з кількома практичними проблемами, деякі з яких включають неефективну ферментацію біомаси та низьку швидкість виробництва. Щоб збільшити ефективність виробництва біоводню, необхідно оптимізувати деякі фактори, що впливають на виробництво, як-от склад субстрату, попередня обробка субстратів, фізико-хімічні параметри тощо.
Було виявлено, що ключовими складовими ферментативного виробництва біоводню є вуглеводи, тоді як білки не настільки ефективні. Крім того, було виявлено, що серед іонів металів (Ni, Fe, Cu, Mg, Zn і Na), Магній (Mg) є одним із важливих кофакторів, який активує більше десяти ферментів, залучених у водневе бродіння. Метод біологічної попередньої обробки субстрату має більше переваг порівняно з іншими з точки зору низької токсичності, м’якої реакції та низької вартості. Зниження парціального тиску до оптимального рівня може збільшити вихід біоводню. Інтеграція наночастинок у субстрат для відновлення виробництва біоводню (H2) може також підвищити ефективність виробництва.[12]
Біоенергетика з уловлюванням і зберіганням вуглецю
Виробництво водню з негативною емісією вуглецю є важливим елементом переходу до нульових викидів.[13] Виробництво біоводню з біомаси є перспективною технологією біоенергетики з уловлюванням і зберіганням вуглецю (BECCS), яка може виробляти водень і попереджувати потрапляння вуглекислого газу (CO2) в атмосферу – головного парникового газу, що спричиняє глобальне потепління.[14]
Такий ланцюг поставок BECCS може виробляти до 12,5 млн тонн водню (H2) на рік (на 2022 рік ~10 млн тонн H2 на рік використовується в Європі) і видаляти до 133 млн тонн CO2 на рік з атмосфери (або 3% від загального обсягу в Європі викидів парникових газів). Геопросторовий аналіз, задля кількісного визначення відстані транспортування між місцем розташування сировини для біомаси та потенційними споживачами водню, виявив, що 20% потенціалу водню розташовано в межах 25 км від промислових підприємств, які важко електрифікувати.[15]
Двоступенева газифікація біомаси з виробництвом біоводню та уловлюванням CO2 пропонує вихід біоводню в 81,47 гН2/кг сухої біомаси. Загальна енергоефективність системи становить 49,6%. Коефіцієнт викидів оцінюється на рівні –1,38 кгCO2-екв/кг біомаси.[16]
Крім того, вловлений CO2 від виробництва біоводню може бути використаний для виробництва метанолу, шляхом гідрогенізації воднем, виробленим завдяки відновлювальній енергії, або цим же біоводнем.[17][18] Модифікована технологія двостадійної реакції гідрогенізації збільшила вихід CH3OH у 3,4 рази за допомогою каталізатора Cu/Zn/Al2O3. Цей підхід забезпечує багатообіцяючий шлях для виробництва CH3OH за допомогою інтегрованої двостадійної гідрогенізації CO/CO2 при атмосферному тиску.[19]
Застосування
.jpg)
Високий попит і використання викопного палива призвели до збільшення рівня CO2 в атмосфері, який є основним парниковим газом, що призводить до глобального потепління. Таким чином, існує гостра потреба у сталому виробництві екологічно чистого альтернативного палива, одним із яких є біоводень.
Окрім транспорту, водень використовується в енергосистемах, виробництві вуглеводнів і аміаку, а також в металургійній промисловості.[20]
Водневий транспорт
_in_Magdeburg.jpg)
Застосування водню в транспорті (у водневих двигунах, водневих системах на автомобіль та водневих автомобілях) потребує розвинутої інфраструктури водневих заправних станцій. Створюються, впроваджуються та використовуються моделі водневих автомобілів, громадського транспорту і техніки, що працює на паливних водневих елементах.
Сільське господарство
Прикладом може бути дослідження , що демонструє концепцію біопереробки з використанням біомаси Chlorella sp. та листя цукрової тростини для виробництва біоводню, метану, полігідроксіалканоатів (PHA), ліпідів і ґрунтових добавок, прагнучи до нульових відходів. Досягнувши максимального виходу водню 207,65 мл-H2/г, процес забезпечив також утворення метану, PHA та ліпідів з водневих стоків, тоді як тверді залишки та підкислені суспензії були використані як компостні матеріали. Інтегрована кругова платформа біопереробки ефективно використовувала біомасу Chlorella sp. та листя цукрової тростини, демонструючи безвідходний підхід і пропонуючи основу для оптимального використання сировини.[21]
Циркулярна економіка
Біоводень в циркулярній біоекономіці є стійким способом генерувати необхідну біоенергію, одночасно вирішуючи проблему впливу на зміну клімату та шкоди навколишньому середовищу.[22]
Потенціал для вилучення біоводню з твердих органічних відходів і стічних вод великий. Рігетті та ін. (2020), в італійському дослідженні, зосередженому на темній ферментації та анаеробному зброджуванні гною великої рогатої худоби та трав’яного силосу з отриманням суміші H2–CH4 (називається біогітан) і летких жирних кислот як попередників біопластику, продемонстрували можливість збільшити додану вартість спільного виробництва біоводню й біопластику у циркулярній біоекономіці. Ще у двох роботах з Італії автори працювали з сироваткою (відходи молочної промисловості) і патокою (відходи цукрового заводу) для отримання біоводню та біопластику — полігідроксибутирату або PHB — через темну ферментацію та фотоферментацію.[23]
Виклики
Ускладнюють можливість використання водню як палива також проблеми безпеки: водень може створювати з повітрям вибухонебезпечну суміш — гримучий газ; зріджений водень має виняткові проникаючі властивості, вимагаючи застосування особливих матеріалів.
Переваги
Однак, за екологічними параметрами безпеки, водню немає рівних. Реакція розкладання водню — Н2 + 0,5О2 = Н2О — супроводжується виділенням великої кількості енергії (285,8 кДж/моль). При цьому не відбувається ніякого забруднення атмосфери, тому що в результаті реакції утворюються тільки пари води.
