Біоводень — Вікіпедія

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

Toyota Mirai 2021 — водневий гібридний автомобіль на паливних елементах, що випускається з 2013 року.

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[ред. | ред. код]

Автобус Mercedes на водневих паливних елементах, Лондон.
Воднева заправна станція (Магдебург)

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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.

Див. також[ред. | ред. код]

Посилання[ред. | ред. код]

Перегляд цього шаблону
  Словники та енциклопедії
Нормативний контроль
Основні види органічного палива
Викопні
Нафта і нафтопродукти
Природні горючі гази
Вугілля і сланці
Торф
Відновлюванні і біологічні
Штучні
  1. ↑ Brindha, Kothaimanimaran; Mohanraj, Sundaresan; Rajaguru, Palanichamy; Pugalenthi, Velan (10 лютого 2023). Simultaneous production of renewable biohydrogen, biobutanol and biopolymer from phytogenic CoNPs-assisted Clostridial fermentation for sustainable energy and environment. Science of The Total Environment. Т. 859. с. 160002. doi:10.1016/j.scitotenv.2022.160002. ISSN 0048-9697. Процитовано 20 листопада 2023.
  2. ↑ Carlozzi, Pietro; Touloupakis, Eleftherios; Di Lorenzo, Tiziana; Giovannelli, Alessio; Seggiani, Maurizia; Cinelli, Patrizia; Lazzeri, Andrea (10 вересня 2019). Whey and molasses as inexpensive raw materials for parallel production of biohydrogen and polyesters via a two-stage bioprocess: New routes towards a circular bioeconomy. Journal of Biotechnology. Т. 303. с. 37—45. doi:10.1016/j.jbiotec.2019.07.008. ISSN 0168-1656. Процитовано 23 листопада 2023.
  3. ↑ Nawaz, Ali; Aamir, Farheen; Huang, Rong; Haq, Ikram ul; Wu, Fangyu; Munir, Marium; Chaudhary, Rida; Rafique, Ayesha; Jiang, Kankan (2023). Co-production of biohydrogen and biomethane utilizing halophytic biomass Atriplexcrassifolia by two-stage anaerobic fermentation process. Frontiers in Chemistry. Т. 11. doi:10.3389/fchem.2023.1233494. ISSN 2296-2646. PMC 10360132. PMID 37483269. Процитовано 28 листопада 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  4. ↑ Kukharets, S.; Sukmanyuk, O.; Yarosh, Y.; Kukharets, М. (28 грудня 2020). ОЦІНКА ПОТЕНЦІАЛУ ТА ШЛЯХІВ ВИРОБНИЦТВА ВОДНЮ ІЗ АГРАРНОЇ БІОМАСИ. Vidnovluvana energetika (укр.). № 4(63). с. 89—99. doi:10.36296/1819-8058.2020.4(63).89-99. ISSN 2664-8172. Процитовано 20 листопада 2023.
  5. ↑ Козар, Марина Юріївна; Щурська, Катерина Олександрівна; Саблій, Лариса Андріївна; Кузьмінський, Євгеній Васильович (11 грудня 2013). Очищення стічних вод солодового заводу з одержанням біоводню. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies (укр.). Т. 6, № 10(66). с. 33—36. doi:10.15587/1729-4061.2013.19141. ISSN 1729-4061. Процитовано 20 листопада 2023.
  6. ↑ Korniyenko, Irina; Yastremska, Larysa; Kuznietsova, Olena; Baranovskyy, Mykhailo; Vizer, Anna (6 жовтня 2022). БІОКОНВЕРСІЯ ОРГАНІЧНИХ ВІДХОДІВ ‒ ЄВРОПЕЙСЬКИЙ ДОСВІД ТА УКРАЇНСЬКІ ПРАКТИКИ. Technologies and Engineering (укр.). № 3. с. 37—51. doi:10.30857/2786-5371.2022.3.4. ISSN 2786-538X. Процитовано 20 листопада 2023.
  7. ↑ Samrot, Antony V.; Rajalakshmi, Deenadhayalan; Sathiyasree, Mahendran; Saigeetha, Subramanian; Kasipandian, Kasirajan; Valli, Nachiyar; Jayshree, Nellore; Prakash, Pandurangan; Shobana, Nagarajan (2023-01). A Review on Biohydrogen Sources, Production Routes, and Its Application as a Fuel Cell. Sustainability (англ.). Т. 15, № 16. с. 12641. doi:10.3390/su151612641. ISSN 2071-1050. Процитовано 21 листопада 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  8. ↑ Feng, Siran; Hao Ngo, Huu; Guo, Wenshan; Woong Chang, Soon; Duc Nguyen, Dinh; Thanh Bui, Xuan; Zhang, Xinbo; Ma, Xiaoyan Y.; Ngoc Hoang, Bich (1 вересня 2023). Biohydrogen production, storage, and delivery: A comprehensive overview of current strategies and limitations. Chemical Engineering Journal. Т. 471. с. 144669. doi:10.1016/j.cej.2023.144669. ISSN 1385-8947. Процитовано 21 листопада 2023.
  9. ↑ Xuan, Jinsong; He, Lingling; Wen, Wen; Feng, Yingang (2023-01). Hydrogenase and Nitrogenase: Key Catalysts in Biohydrogen Production. Molecules (англ.). Т. 28, № 3. с. 1392. doi:10.3390/molecules28031392. ISSN 1420-3049. PMC 9919214. PMID 36771068. Процитовано 23 листопада 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  10. ↑ Chusut, Wichayaporn; Kanchanasuta, Suwimon; Inthorn, Duangrat (13 жовтня 2023). Optimization for biohydrogen purification process by chemical absorption techniques. Sustainable Environment Research. Т. 33, № 1. с. 35. doi:10.1186/s42834-023-00196-5. ISSN 2468-2039. Процитовано 23 листопада 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  11. ↑ Feng, Siran; Hao Ngo, Huu; Guo, Wenshan; Woong Chang, Soon; Duc Nguyen, Dinh; Thanh Bui, Xuan; Zhang, Xinbo; Ma, Xiaoyan Y.; Ngoc Hoang, Bich (1 вересня 2023). Biohydrogen production, storage, and delivery: A comprehensive overview of current strategies and limitations. Chemical Engineering Journal. Т. 471. с. 144669. doi:10.1016/j.cej.2023.144669. ISSN 1385-8947. Процитовано 21 листопада 2023.
  12. ↑ Ayodele, David Temitope; Ogunbiyi, Olutobi Daniel; Akamo, Damilola Olayinka; Otun, Kabir Opeyemi; Akinpelu, David Akorede; Adegoke, John Adeola; Fapojuwo, Dele Peter; Oladoye, Peter Olusakin (19 серпня 2023). Factors affecting biohydrogen production: Overview and perspectives. International Journal of Hydrogen Energy. Т. 48, № 71. с. 27513—27539. doi:10.1016/j.ijhydene.2023.04.001. ISSN 0360-3199. Процитовано 24 листопада 2023.
  13. ↑ Full, Johannes; Ziehn, Sonja; Geller, Marcel; Miehe, Robert; Sauer, Alexander (2022-05). Carbon‐negative hydrogen production: Fundamentals for a techno‐economic and environmental assessment of HyBECCS approaches. GCB Bioenergy (англ.). Т. 14, № 5. с. 597—619. doi:10.1111/gcbb.12932. ISSN 1757-1693. Процитовано 1 грудня 2023.
  14. ↑ Geissler, Caleb H.; Maravelias, Christos T. (13 липня 2022). Analysis of alternative bioenergy with carbon capture strategies: present and future. Energy & Environmental Science (англ.). Т. 15, № 7. с. 2679—2689. doi:10.1039/D2EE00625A. ISSN 1754-5706. Процитовано 28 листопада 2023.
  15. ↑ Rosa, Lorenzo; Mazzotti, Marco (1 квітня 2022). Potential for hydrogen production from sustainable biomass with carbon capture and storage. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Т. 157. с. 112123. doi:10.1016/j.rser.2022.112123. ISSN 1364-0321. Процитовано 28 листопада 2023.
  16. ↑ Rabea, Karim; Michailos, Stavros; Hughes, Kevin J.; Ingham, Derek; Pourkashanian, Mohamed (15 грудня 2023). Comprehensive process simulation of a biomass-based hydrogen production system through gasification within the BECCS concept in a commercial two-stage fixed bed gasifier. Energy Conversion and Management. Т. 298. с. 117812. doi:10.1016/j.enconman.2023.117812. ISSN 0196-8904. Процитовано 1 грудня 2023.
  17. ↑ Poluzzi, Alessandro; Guandalini, Giulio; Romano, Matteo C. (2022). Flexible methanol and hydrogen production from biomass gasification with negative emissions. Sustainable Energy & Fuels (англ.). Т. 6, № 16. с. 3830—3851. doi:10.1039/D2SE00661H. ISSN 2398-4902. Процитовано 30 листопада 2023.
  18. ↑ Pratama, Muhammad Raihan; Muthia, Rahma; Purwanto, Widodo Wahyu (2 жовтня 2023). Techno-economic and life cycle assessment of the integration of bioenergy with carbon capture and storage in the polygeneration system (BECCS-PS) for producing green electricity and methanol. Carbon Neutrality (англ.). Т. 2, № 1. с. 26. doi:10.1007/s43979-023-00069-1. ISSN 2731-3948. Процитовано 30 листопада 2023.
  19. ↑ Yang, Ya-Ning; Huang, Chao-Wei; Nguyen, Van-Huy; Wu, Jeffrey C. -S. (1 лютого 2022). Enhanced methanol production by two-stage reaction of CO2 hydrogenation at atmospheric pressure. Catalysis Communications. Т. 162. с. 106373. doi:10.1016/j.catcom.2021.106373. ISSN 1566-7367. Процитовано 30 листопада 2023.
  20. ↑ Osman, Ahmed I.; Mehta, Neha; Elgarahy, Ahmed M.; Hefny, Mahmoud; Al-Hinai, Amer; Al-Muhtaseb, Ala’a H.; Rooney, David W. (1 лютого 2022). Hydrogen production, storage, utilisation and environmental impacts: a review. Environmental Chemistry Letters (англ.). Т. 20, № 1. с. 153—188. doi:10.1007/s10311-021-01322-8. ISSN 1610-3661. Процитовано 1 грудня 2023.
  21. ↑ Sitthikitpanya, Napapat; Sittijunda, Sureewan; Khamtib, Sontaya; Reungsang, Alissara (2021-12). Co-generation of biohydrogen and biochemicals from co-digestion of Chlorella sp. biomass hydrolysate with sugarcane leaf hydrolysate in an integrated circular biorefinery concept. Biotechnology for Biofuels (англ.). Т. 14, № 1. doi:10.1186/s13068-021-02041-6. ISSN 1754-6834. PMC 8487135. PMID 34598721. Процитовано 23 листопада 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  22. ↑ Ubando, Aristotle T.; Chen, Wei-Hsin; Hurt, Dennis A.; Conversion, Ariel; Rajendran, Saravanan; Lin, Sheng-Lun (1 грудня 2022). Biohydrogen in a circular bioeconomy: A critical review. Bioresource Technology. Т. 366. с. 128168. doi:10.1016/j.biortech.2022.128168. ISSN 0960-8524. Процитовано 24 листопада 2023.
  23. ↑ Venkatesh, G. (2022-03). Circular Bio-economy—Paradigm for the Future: Systematic Review of Scientific Journal Publications from 2015 to 2021. Circular Economy and Sustainability (англ.). Т. 2, № 1. с. 231—279. doi:10.1007/s43615-021-00084-3. ISSN 2730-597X. Процитовано 23 листопада 2023.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Біоводень&oldid=41047200