ZNANOST: hrvatski znanstveni portal

Proizvodnja vodika mogla bi revolucionarizirati tržište alternativne energije

Vodik je prvi u nizu elemenata periodnog sustava. To je plin bez boje i mirisa, netopljiv u vodi. Procjenjuje se da 90% svih atoma, odnosno skoro 3/4 mase Svemira, otpada na vodik. Spaja se s gotovo svim ostalim elementima, a jedan je od bitnih sastojaka cjelokupne žive materije.

Znanstvenici su proizveli umjetni benzin - novo se gorivo temelji na vodiku, a cijena bi mu mogla biti samo oko kunu i 60 lipa po litri. Ideja je vrlo jednostavna - vodik i kisik međusobno reagiraju i stvaraju vodu, a kod tog se procesa oslobađaju velike količine energije, a ima je tri puta više od nafte po jedinici težine. Stoga je ova metoda ekološki prihvatljiva i jeftina.

Tim Virginia Tech istraživača otkrio je način za izdvajanje velikih količina vodika iz bilo koje biljke - prekretnica koja ima potencijal donijeti jeftin, ekološki prihvatljiv izvor goriva svijetu.

„Naš novi postupak mogao bi privesti kraju našu ovisnost o fosilnim gorivima“, rekao je Y.H. Percival Zhang, izvanredni profesor inženjerstva bioloških sistema na College of Agriculture and Life Sciences i College of Engineering. „Vodik je jedno od najvažnijih biogoriva budućnosti.“

Zhang i njegov tim uspjeli su u iskoristiti ksilozu, najobilniji jednostavni biljni šećer, za stvaranje velike količine vodika koji je prethodno bio dostupan samo u teoriji. Zhangova metoda može se izvesti na bilo kojem izvoru biomase.

Otkriće je objavljeno u online izdanju kemijskog časopisa Angewandte Chemie, International Edition.

Nova ekološki prihvatljiva metoda proizvodnje vodika koristi obnovljive prirodne resurse, gotovo da i nema emisije stakleničkih plinova i ne zahtijeva skupe ili teške metale. Prijašnje metode za stvaranje vodika skupe su i stvaraju stakleničke plinove.

U.S. Department of Energy smatra da vodik kao gorivo ima potencijal drastično smanjiti ovisnost o fosilnim gorivima pa proizvođači automobila silno nastoje razviti vozila koja se pokreću vodikom. Za razliku od plinskih motora koji izbacuju zagađivače, jedini nusprodukt goriva vodika je voda. Zhangovo otkriće otvara vrata jeftinim, obnovljivim izvorima vodika.

Jonathan R. Mielenz, vođa grupe Odjela za bioznanosti u Oak Ridge National Laboratory, koji je upoznat sa Zhangovim radom, ali nije povezan s ovim projektom, tvrdi da ovo otkriće ima potencijal razviti velik utjecaj na alternativnu proizvodnju energije.

„Ključno je u ovom uzbudljivom otkriću to što Zhang koristi drugi po redu prevladavajući šećer u biljkama kao bi proizveo vodik“, rekao je. „To donosi značajnu dodatnu korist proizvodnji vodika i smanjuje ukupni trošak proizvodnje vodika iz biomase.“

Mielenz kaže da bi Zhangov postupak mogao pronaći svoje mjesto na tržištu u roku tri godine, ako tehnologija bude dostupna. Zhang je rekao da kada ovo gorivo postane komercijalno dostupno, ono ima mogućnost stvaranja golemog odskoka.

„Potencijal za profit i ekološke prednosti su razlozi zašto toliko mnogo automobilskih, naftnih i energetskih kompanija radi na razvoju vozila na vodik kao transportu budućnosti“, rekao je Zhang. „Mnogi ljudi vjeruju da će vodik uskoro ući u gospodarstvo, s tržišnom vrijednosti od najmanje trilijun dolara samo u SAD-u.“

Prepreke komercijalnoj proizvodnji goriva vodika iz biomase uključivale su visoke troškove korištenih postupaka i relativno malu količinu krajnjeg proizvoda.

Zhang misli da je pronašao odgovore na te probleme.

Sedam godina Zhangov tim bio je fokusiran na pronalaženje netradicionalnih načina za proizvodnju veće količine vodika po niskoj cijeni, posebno istraživanjem kombinacije enzima, otkrivanjem novih enzima i stvaranjem enzima s poželjnim svojstvima.

Tim oslobađa vodik visoke čistoće pod blagim reakcijskim uvjetima, pri 122 F (50 °C) i normalnom atmosferskom tlaku. Biokatalizatori korišteni za oslobađanje vodika skupina su enzima umjetno izoliranih iz različitih mikroorganizama koji uspijevaju na visokim temperaturama, od kojih se neke može uzgajati na temperaturi vrenja vode.

Istraživači su izabrali korištenje ksiloze, koja čini oko 30% biljnih staničnih stijenki. Unatoč obilju, upotreba ksiloze pri otpuštanju vodika ograničena je. Prirodni ili sintetski mikroorganizmi koje mnogi znanstvenici koriste u svojim istraživanjima ne mogu proizvoditi vodik u velikim količinama jer oni sami rastu i razmnožavaju se umjesto da cijepaju molekule vode na prinos čistog vodika.

Kako bi oslobodili vodik, znanstvenici s Virginia Tech odvojili su niz enzima iz matičnih mikroorganizama kako bi stvorili prilagođeni koktel enzima koji se ne pojavljuje u prirodi. Enzimi, u kombinaciji s ksilozom i polifosfatom, oslobađaju neusporedivo velike količine vodika iz ksiloze, što rezultira stvaranjem otprilike tri puta veće količine vodika nego ostali mikroorganizmi koji stvaraju vodik.

Energija pohranjena u ksilozi dijeli molekule vode, dajući vodik visoke kakvoće koji se može izravno koristiti u protonskoj izmjeni. Što je još primamljivije, ta se reakcija javlja pri niskim temperaturama, stvarajući energiju vodika veću od kemijske energije pohranjene u ksilozi i polifosfatu. To rezultira energetskom učinkovitosti većom i od 100% - neto dobitak energije. Znači da se suvišna toplina po prvi put može iskoristiti za proizvodnju visokokvalitetne kemijske energije vodika. Ostali procesi koji pretvaraju šećer u biogoriva, poput etanola i butanola, uvijek imaju energetsku učinkovitost manju od 100%.

U prijašnjem istraživanju, Zhang je koristio enzime kako bi stvorio vodik iz škroba, ali je reakcija zahtijevala izvor hrane pa je proces preskup za masovnu proizvodnju.

Komercijalno tržište sada iznosi 100 bilijuna dolara za vodik proizveden od prirodnog plina, što je skupo i stvara veliku količinu stakleničkog plina, ugljičnog dioksida. U industriji se vodik najčešće koristi za sintezu amonijaka za gnojiva i preradu petrokemikalija, ali jeftin, izdašan zeleni izvor ugljika mogao bi to brzo promijeniti.

„Doista nema smisla koristiti neobnovljive prirodne resurse za stvaranje vodika“, rekao je Zhang. „Smatramo da je ovo otkriće prekretnica u svijetu alternativne energije.“

Izvor: Virginia Tech

Podijeli.