Біоводень

Біоводень () — водень, вироблений з біомаси.

Біоводень – це газоподібний різновид біопалива, що використовується в водневій енергетиці. Окрім того, біоводень використовується в різних галузях промисловості, наприклад, у виробництві добрив.

Виробництво біоводню є відновлюваним і відносно вуглецево-нейтральним. Водень виділяє лише водяну пару, коли використовується як паливо. До того ж, водень має найвищу питому енергію на одиницю маси з усіх відомих палив.

Біоводень має великий потенціал для скорочення викидів парникових газів і переходу до більш сталого енергетичного майбутнього.

Сировина Біоводень виробляється з органічних речовин, зазвичай, відходів, чим ще й вирішується проблема забруднення довкілля, і часто разом з біометаном, чи разом з біобутанолом та біополімерами, з органічної речовини:

харчових відходів, залишків сільськогосподарських рослин, стічних вод, муніципальних відходів, інших органічних відходів; а також з кам'яного вугілля та відходів його виробництва.

Виробництво

Існують різні методи виробництва біоводню в біоенергетиці, кожен зі своїми перевагами та обмеженнями.

Методи виробництва можливо розділити на дві основні категорії: біологічне перетворення та термохімічне перетворення.

Біологічні (біотехнологічні) методи використовують ферменти, які виробляють біоводень з субстрату. Ці методи включають ферментацію, біофотоліз та біоелектрохімічні методи. Методи термохімічного перетворення використовують високу температуру для виробництва біоводню. До цих методів відносять газифікацію і піроліз, під час яких утворюється синтез-газ, з якого згодом отримують біоводень.

На додачу до більш традиційних біотехнологічних і термохімічних методів, також досліджується фотоелектрокаталітичний метод виробництва «зеленого» водню з біомаси.

Біотехнологічні методи Біотехнологічні методи виробництва біоводню включають ферментацію, біофотоліз та біоелектрохімічні методи.

Методи ферментації (бродіння) поділяють на 2 категорії, в залежності від потреби сонячного світла: темнова ферментація та фотоферментація. Методи біофотолізу використовують мікроорганізми, такі як зелені водорості та ціанобактерії, які виробляють водень, поглинаючи енергію сонячного світла. Біоелектрохімічні методи включають електрогідрогенез. У цьому процесі застосовують мікробний електролізний елемент (Microbial electrolysis cell) для отримання біоводню з різних органічних відходів. Мікробний електролізний елемент (МЕЕ) — це технологія, пов’язана з мікробними паливними елементами. Мікробні паливні елементи виробляють електричний струм від мікробного розкладання органічних сполук, тоді як МЕЕ генерують водень або метан з органічного матеріалу, застосовуючи електричний струм. Гібридні методи використовують для збільшення ефективності систем як у виробництві самого біоводню, так і шляхом виробництва додаткових цінних продуктів. Вони включають: поєднання темнової ферментації з МЕЕ, поєднання темнової і фотоферментації, поєднання фотоферментації з біофотолізом, та інші.

Ферментація 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.

Оптимізований біоферментатор дозволяє отримати з 1 кг твердих органічних відходів, таких як харчові та сільськогосподарські відходи, можливо отримати 100-110 літрів біоводню та 50-60 літрів біометану; а твердий залишок (30 г/кг відходів) можливо використовувати як тверде біопаливо або перетворити на біодобриво.

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.

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.

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.

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.

Для очищення та відділення біоводню перед зберіганням необхідні такі заходи, як кріогенна адсорбція, адсорбція при зміні тиску та мембранне відділення. Після очищення біоводню його потрібно зберігати та доставити для подальшого використання.

Підвищення ефективності ферментації 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.

Експерименти ферментації проводилися з використанням різних співвідношень двох типів наночастинок у межах від 50 до 500 мг/л, щоб визначити вплив цих наночастинок на вихід біоводню. Використання 200 мг/л наночастинок фериту нікелю підвищило вихід біоводню на 47%, тоді як 200 мг/л наночастинок фериту кобальту збільшило його на 41%.

Досліджується використання підходів машинного навчання для різних цілей оптимізації виробництва біоводню.

Масштабування ферментативних систем Пілотний проект фабрики з виробництва біоводню шляхом темнової ферментації та фотоферментації у Китаї показав, що оцінювана система споживає 171 530 МДж енергії та викидає 9,37 т CO2-екв при виробництві 1 т H2, а період окупності становить 6,86 років (порівняно з 10,28 років при виробництві методом електролізу з використанням відновлюваної енергетики). Ціна, з урахуванням заробітніх плат та інших витрат за цінами регіону, склала $5,6/кг водню, що дешевше виробництва електролізом з використанням сонячної чи вітрової енергії ($6,3-11,8/кг) і дорожче виробництва газифікацією біомаси ($4,1/кг). Порівняно з виробництвом екологічно чистого водню за допомогою електролізу води, система виробництва біоводню методом ферментації демонструє переваги у переробці ресурсів, з одночасною утилізацією відходів і виробництвом чистої енергії.

Біофотоліз Методи, засновані на біофотолізі, використовують фотосинтезуючі мікроорганізми, такі як водорості та ціанобактерії, для розщеплення молекул води на водень і кисень за допомогою енергії світла. У цьому процесі спеціальні ферменти, такі як гідрогенази, каталізують відновлення протонів (H+) до молекулярного водню (H2), тоді як кисень виділяється як побічний продукт. Біофотоліз поділяється на прямий і непрямий.

Мікробні електролізні елементи

Мікробні електролізні елементи (МЕЕ, або електрогідрогенез, або мікробні електрохімічні елементи, або біокаталізований електроліз) — це біоелектрохімічні системи, які поєднують мікробний метаболізм з електрохімічними реакціями для виробництва водню з органічних субстратів або стічних вод. МЕЕ складаються з анода, де відбуваються реакції окислення, і катода, де відбуваються реакції відновлення, розділених протонообмінною мембраною.

Широкий спектр органічних відходів, зокрема побутові стічні води, стоки цукрової промисловості, стічні води харчової промисловості, промислові стічні води, ацетат натрію, глюкоза, гліцерин тощо можуть бути використані як субстрати в системах MEE.

В системах МЕЕ органічні субстрати подаються в анодний відсік, де електроактивні мікроорганізми окислюють їх, вивільняючи електрони та протони. Електрони, що утворюються під час цього процесу, передаються на анодний електрод, створюючи електричний струм. Тим часом протони мігрують через протонообмінну мембрану до катодного відсіку.

На катоді протони й електрони з’єднуються з молекулами води, утворюючи водень. Цей процес утворення водню керується електричним потенціалом, прикладеним до клітини. Газоподібний кисень одночасно утворюється на катоді шляхом відновлення іонів кисню або молекул води.

Виробництво біоводню на основі МЕЕ пропонує кілька переваг, включаючи високі показники виробництва водню, ефективне використання субстрату та здатність очищати органічні стічні води, виробляючи при цьому відновлювану енергію. Крім того, МЕЕ можуть працювати при температурах і тиску навколишнього середовища, зменшуючи потреби в енергії, порівняно з традиційними методами електролізу.

Термохімічні методи Методи термохімічного виробництва водню використовують високу температуру для виробництва біоводню з біомаси. До цих методів відносять газифікацію і піроліз, під час яких утворюється синтез-газ, з якого згодом отримують біоводень та інші цінні продукти; а також гідротермальні методи: гідротермальна карбонізація, гідротермальне зрідження і гідротермальна газифікація.

Газифікація

Газифікація біомаси в цінні газоподібні продукти вимагає високих температур (700-1500 °C) і контрольованого окислювача. Синтез-газ, отриманий від газифікації біомаси, складається з монооксиду вуглецю (CO), вуглекислого газу (CO2), водню (H2), азоту (N2), метану (CH4), вищих вуглеводнів і незначних забруднювачів. Після отримання синтез-газу, його можливо очистити для отримання водню. Щоб підвищити вміст водню (H2) у синтез-газі, його можна додатково очищати за допомогою парової конверсії та реакцій конверсії водяного газу (WGS). Інтеграція реактора конверсії водяного газу та адсорбції CaO сприяє підвищенню виходу H2.

Піроліз