VÝROBA VODÍKU Z BIO ZDROJŮ

 

Biomasa patří k nejperspektivnějším obnovitelným zdrojům, protože její energetické využití, k němuž patří i produkce vodíku, má mnohostranný význam.  Vodík obsažený v biomase (6 – 6,5 %_hm) je v porovnání s obsahem vodíku v zemním plynu (cca 25 %) nízký, je však srovnatelný s obsahem vodíku v uhlí (okolo 5 %).

 

„Suchá“ biomasa

Jako suchá biomasa se označuje například dřevní a suchý rostlinný odpad. Suchá biomasa se zpracovává procesy, jako jsou spalování nebo zplyňování.

 

Termochemické procesy

Příkladem termochemického procesu je parní reformování biomasy, které sestává ze dvou základních kroků. Prvním z nich je pyrolýza, při které vznikají z biomasy převážně plynné produkty (metan, vodík, oxid uhelnatý). Poté následuje druhá fáze, ve které jsou zbylé organické pevné látky a metan převedeny pomocí vodní páry na oxid uhelnatý a vodík při 600 – 1000 °C v kombinaci s dalším zvýšením výtěžku vodíku pomocí převedení oxidu uhelnatého na oxid uhličitý a vodík.  Substráty zpracovatelné touto metodou tvoří široké spektrum od pevného komunálního odpadu, přes odpady z potravinářského průmyslu, cíleně pěstovanou nebo odpadní zemědělskou biomasu až po uhlí. Existuje spousta variací této metody lišící se vstupními materiály, procesními teplotami, typy katalyzátorů apod.

 

Biomasa s vysokým obsahem vody

Ačkoli „suchá“ biomasa je vhodným materiálem pro konverzi pomocí klasických termochemických procesů, biomasa s vysokým obsahem vody je tímto způsobem z ekonomického hlediska nevyužitelná. U biomasy s vysokým obsahem vody se využívá biotechnologických procesů, kdy reakce jsou katalyzovány mikroorganismy ve vodném prostředí za nízkých teplot a tlaků. Biologické procesy obvykle pracují s různými druhy anaerobních bakterií (vyskytují se v prostředí, kde není přítomen vzdušný kyslík) nebo řas. Působení mikroorganismů se od sebe liší typem substrátu a procesními podmínkami.

 

Přehled nejznámějších technologií výrob vodíku biotechnologickými procesy:

 

Přímá biofotolýza

Proces je v podstatě štěpením vody na kyslík a vodík za působení slunečního záření a enzymů, které jsou produktem mikroorganismů. Výroba vodíku přímou biofotolýzou využívá fotosyntetického systému mikrořas k přeměně solární energie na energii chemickou, potřebnou ke štěpení molekul vody za vzniku vodíku. Pro proces je nutné anaerobní prostředí

s obsahem kyslíku do 0,1 %, neboť enzymy produkované mikroorganismy jsou na přítomnost kyslíku velmi citlivé. Přímá biofotolýza nepracuje s biomasou, vstupní látkou je pouze voda, která je levná a snadno dostupná. Nevýhodou je nízká účinnost okolo 5 %, která byla i přes pokročilý výzkum zvýšena v laboratorních podmínkách na maximálně 15 %. Existuje i tzv. nepřímá biofotolýza, jedná se o složitější proces skládající se z několika kroků: produkce biomasy fotosyntézou, koncentrace biomasy, anaerobní tmavé fermentace a konverze acetátu (sůlkyseliny octové). Nepřímá biofotolýza využívá cyanobakterií (sinic).

 

 

 

Fermentace

Fermentace (kvašení) je přeměna látky za účasti enzymů mikroorganismů, kde probíhají v důsledku jejich metabolické aktivity chemické přeměny organických látek, obvykle sacharidů a vznikají látky energeticky chudší (etanol a oxid uhličitý). Nejvhodnější surovinou jsou např. brambory nebo cukrová třtina. Existují dva hlavní druhy fermentací. První je vodíková fermentace, někdy též označovaná jako tmavá fermentace, a fotofermentace.[1]

 

Tmavá fermentace

Tento proces probíhá v nepřítomnosti světla a je to přirozený děj, ke kterému dochází za anoxických nebo anaerobních podmínek. Organické látky jsou v tomto případě využívány jako primární zdroj vodíku a také jako zdroj energie. Různé druhy bakterií využívají v nepřítomnosti kyslíku redukci protonů na vodík k uložení elektronů z oxidace organických látek. Teoretický výtěžek z 1 mol glukózy je popsán následující rovnicí, která ukazuje, že maximální množství vodíku jsou 4 moly a současně dojde k uvolnění 206 kJ energie a vzniku dvou molů acetátu, kde je k potenciálnímu dalšímu využití fixováno dalších 4 mol H2:

C₆H₁₂O₆ + 4H₂O → 2CH₃COO^- +2CO₃^2- + 6H⁺ + 4H₂

Fotofermentace

Podobně jako u tmavé fermentace jsou i u fotofermentace bakteriemi přeměňovány organické látky na vodík a CO2, ale v tomto případě za využití světla. Jednou ze skupin mikroorganismů schopných fotofermentace jsou purpurové bakterie, které za anaerobních podmínek využívají jednoduchých organických kyselin. Proces fotofermentace popisuje následující rovnice:[2]

CH₃COOH + 2H₂O    4H₂ + 2CO₂

Výhoda bakterií spočívá v přizpůsobivých metabolických schopnostech. Mohou tak být použity v široké škále podmínek. Pro zvýšení ekonomické konkurenceschopnosti procesů se oba typy

fermentací kombinují, kde odpadní acetát tmavé fermentace je využíván v procesu fotofermentace. Vzniká tak bioprodukce vodíku pomocí dvoustupňové fermentace. V první fázi dvoustupňové fermentace je z organického substrátu produkován vodík pomocí vodíkové fermentace. V druhé fázi je pak získáván buďto bioplyn nebo pomocí fotofermentace vodík Dále je vhodné využít nerozložitelné zbytky biomasy, které je obvykle možno spalovat. Tím se dosáhne dalšího zvětšení množství získané energie.[3]

Účinnost procesu ovlivňuje řada faktorů, od vstupních materiálu po technologické provedení procesu. Samostatně dosahují fermentace velice nízkých účinností kolem 10 %, jejich kombinací je ale možné dosáhnout i více než 40 %. Energetické nároky procesu se odvíjí hlavně od tepla potřebného k ohřevu vstupního substrátu a dosahují poměrně vysokých hodnot. Při provozu dvoustupňové fermentace dochází ke znečištění ovzduší malými emisemi NOx a CO. Díky nízké koncentraci by se neměl jejich vliv na ovzduší negativně projevit. Potenciál této technologie je vysoký, stále probíhají zdokonalování procesu a genetické modifikace mikroorganismů pro zvýšení efektivity procesů. Největší výhodou je zbavování se nepotřebného odpadu. Produkce odpadních látek se stále zvyšuje a je všeobecnou snahou jejich minimalizace.