Biohidrogênio

Como Biohidrogênio é hidrogênio (H ₂ ) denota que de biomassa ou por meio de biomassa viva é produzida. Por processo Kværner produzido hidrogênio a partir do gás natural , a forma usual de produção industrial de hidrogênio não é chamada de biohidrogênio, embora a energia necessária para isso venha da biomassa.

O hidrogênio é um gás rico em energia que z. B. pode ser usado em células de combustível para gerar eletricidade, em motores de combustão como combustível ou na indústria química. No momento, o uso de energia ainda não desempenha um papel economicamente relevante. Como parte da transição energética , o hidrogênio está sendo discutido como uma forma de armazenamento e transporte de energia em uma chamada economia de hidrogênio .

Manufatura

A produção de hidrogênio requer energia, que no caso do bio-hidrogênio provém da biomassa utilizada como matéria-prima ou da energia solar , que é absorvida pela biomassa viva durante a fotossíntese . Por outro lado, o elemento hidrogênio é necessário. É proveniente da biomassa utilizada como matéria-prima ou adicionada ao processo de fabricação ou produção como componente da água.

Produção de biomassa

A produção de hidrogênio a partir da biomassa pode ocorrer por meio de processos biológicos e químicos:

fermentação

Em uma escala de laboratório, compostos orgânicos ricos em energia na biomassa (por exemplo , carboidratos , gorduras , proteínas ) podem ser convertidos em H ₂ pela fermentação de bactérias, além de CO ₂ e compostos orgânicos oxidados . Durante esse processo anaeróbio , apenas parte da energia contida na biomassa pode ser aproveitada pela bactéria, uma vez que o oxigênio não está disponível como agente oxidante . O biohidrogênio formado pode, portanto, conter uma grande proporção da energia restante.

Processamento termoquímico

Em escala industrial, o bio-hidrogênio pode ser produzido a partir de biomassa (madeira, palha, aparas de grama, etc.), mas também de outras fontes de bioenergia ( biogás , bioetanol, etc.) por meio de processamento termoquímico (gaseificação ou pirólise) e posterior ou direto reforma a vapor . O gás de síntese formado durante a gaseificação consiste, dependendo da matéria-prima utilizada, em diferentes proporções de dióxido de carbono (CO ₂ ), monóxido de carbono (CO), metano (CH ₄ ), hidrogênio e outros componentes. Durante a reforma a vapor, ocorrem reações químicas entre o vapor d'água e os componentes do gás de síntese, o que pode aumentar o rendimento de hidrogênio.

${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {4} + H_ {2} O \; {\ overrightarrow {\ leftarrow}} \; CO + 3 \ H_ {2}, \ \ Delta H = + 201,4kJ / mol}}$

( Metano + vapor de água → monóxido de carbono + hidrogênio ; endotérmico ; outras equações também são possíveis)

${\ displaystyle \ mathrm {CO + H_ {2} O \; {\ overrightarrow {\ leftarrow}} \; CO_ {2} + H_ {2}, \ \ \ \ Delta H = -41,2kJ / mol}}$

( Reação de mudança ; ligeiramente exotérmica )

Este método de produção de hidrogênio é usado em grande escala na produção de hidrogênio a partir de gás natural, e. B. para a produção de amônia para fertilizantes nitrogenados ( processo Haber-Bosch ).

Os produtos finais são essencialmente hidrogênio (com eficiência de conversão em torno de 78%), dióxido de carbono e cinzas minerais . O gás de síntese de alta energia pode ser usado para iniciar a planta. O processo deve ser energeticamente autossustentável por meio de reações exotérmicas . A produção de hidrogênio com base na gaseificação termoquímica da biomassa está em fase experimental.

Vantagens e desvantagens do bio-hidrogênio a partir da biomassa

O uso de biohidrogênio oferece várias vantagens e desvantagens. A avaliação depende detalhadamente das matérias-primas utilizadas, do processo de fabricação e do tipo de uso. A avaliação é dificultada pela falta de experiência prática e pela relevância anteriormente inexistente da produção de bio-hidrogênio.

vantagens

Na produção de hidrogênio por processamento termoquímico de biomassa ("gaseificação"), o processo pode ser controlado de tal forma que sejam produzidos grânulos de biochar semelhantes ao carvão, que, juntamente com as cinzas minerais que se acumulam na terra arável de biomassa, melhoram o solo fertilidade e retenção de água.A fortuna melhorou especialmente em solos arenosos.

Ao mesmo tempo, esse procedimento reduz a quantidade de dióxido de carbono na atmosfera. Sem a introdução de biochar no solo, apenas a quantidade de CO _{2 seria} liberada como anteriormente absorvida quando a biomassa foi formada. O ciclo do carbono seria fechado e esse tipo de energia seria, portanto, classificado como quase neutro para o clima. Para criar um equilíbrio climático correto, no entanto, todos os gastos energéticos a montante e emissões do processo geral (cultivo de plantas, fertilização, processamento, transporte, etc.) devem ser levados em consideração.

A dependência da importação de energia é reduzida se a biomassa e o bio-hidrogênio forem produzidos regionalmente.

Há uma discussão controversa sobre qual esforço de modificação é necessário para atualizar a rede de fornecimento de gás para o transporte de hidrogênio até os pontos de uso final. Deve-se levar em consideração que o gás de cidade anteriormente produzido pelas coquerias por meio da gaseificação do carvão já era composto por cerca de 60% de hidrogênio.

desvantagem

Blue Tower em Herten em uma das primeiras variantes de 2003

O processamento de biomassa, produtos intermediários na produção e o produto final é complexo. Quando os nutrientes são extraídos e devolvidos às áreas cultivadas na forma de cinzas minerais da biomassa processada, certos elementos como nitrogênio e enxofre podem ser perdidos. Em seguida, eles devem ser substituídos por adições adequadas de fertilizantes artificiais. A maioria dos processos de produção de bio-hidrogênio até agora só foi testada com sucesso em plantas piloto. A pedra fundamental para uma instalação de demonstração maior no Blauer Turm Herten foi lançada em 2009. A planta planejada deve produzir 150 m³ de hidrogênio por hora. No entanto, o principal investidor, a Solar Millennium , faliu no final de 2011 e o projeto foi abandonado.

Produção usando biomassa

Produção de hidrogênio usando algas em escala de laboratório

Biomassa viva (por exemplo , cianobactérias , algas ) também pode ser usada para produzir biohidrogênio . Em alguns processos metabólicos (por exemplo , fotossíntese , fixação de nitrogênio ) por certas enzimas (por exemplo , nitrogenases , hidrogenases ), hidrogênio pode ser produzido. Uma distinção pode ser feita entre fotossíntese oxigenada e anoxigênica.

Fotossíntese de oxigênio

A fotossíntese típica, e. B. de plantas terrestres e algas, é referido como oxigênio (formador de oxigênio, ver fotossíntese oxigenada ), uma vez que o oxigênio é liberado como produto da divisão da água:

${\ displaystyle {\ begin {matrix} \ mathrm {6 \; CO_ {2} +12 \; H_ {2} O \ quad {\ xrightarrow {h \ nu}} \; C_ {6} H_ {12} O_ {6} +6 \; O_ {2} +6 \; H_ {2} O} \ qquad \ Delta H ^ {0} = + 2870 \ {\ frac {\ mathrm {kJ}} {\ mathrm {mol} }} \ end {matriz}}}$

Equação de reação bruta para fotossíntese oxigenada

O objetivo da fotossíntese é fornecer energia. No entanto, a liberação de biohidrogênio de alta energia significa uma perda de energia. Esses processos, portanto, ocorrem apenas em certas circunstâncias:

• As cianobactérias são capazes de converter o nitrogênio nutriente importante da forma N _{2 de} difícil acesso (por exemplo, presente no ar ou dissolvido na água) em compostos biologicamente acessíveis por meio de nitrogenases . A base é esta reação de fixação de nitrogênio:

${\ displaystyle \ mathrm {N_ {2} +8 \ H ^ {+} + 8 \ e ^ {-} \ longrightarrow 2 \ NH_ {3} + H_ {2} \!}}$

Os elétrons (e ^- ) e prótons (H ⁺ ) podem vir da divisão da água fotossintética da fotossíntese formadora de oxigênio, que é operada em paralelo. O produto ou gás produzido contém, portanto, oxigênio e hidrogênio.

Microrreatores baseados em células de algas que podem produzir hidrogênio

• As algas verdes também realizam a fotossíntese oxigenada. Sob certas circunstâncias, os elétrons ricos em energia fornecidos durante a divisão fotossintética da água não são usados ​​para reduzir o dióxido de carbono, mas são convertidos em moléculas de hidrogênio em uma espécie de reação ociosa com prótons (da fase aquosa circundante). Essa reação, catalisada por hidrogenases , é induzida, por exemplo, na ausência de oxigênio.

A energia solar absorvida não é inicialmente armazenada na biomassa, mas pode ser convertida diretamente em hidrogênio. Estão sendo feitas tentativas para tornar esse processo utilizável em biorreatores de hidrogênio .

Fotossíntese anoxigênica

Na fotossíntese anoxigênica , H ₂ e CO ₂ ou compostos de enxofre oxidados podem ser formados a partir de substratos orgânicos ou compostos de enxofre reduzidos por bactérias fototróficas usando energia solar .

Vantagens e desvantagens do bio hidrogênio a partir da energia solar

A produção de biohidrogênio a partir da energia solar por meio de processos metabólicos difere significativa ou completamente da produção a partir da biomassa. Assim, também existem outras vantagens e desvantagens.

As algas fotossintetizantes cultivadas em reatores de algas ou fotobiorreatores podem ter uma produtividade energética significativamente maior por área do que as plantas. Durante a produção fotossintética de hidrogênio, a energia solar é convertida diretamente em um transportador de energia final . As perdas de conversão em comparação com a produção e uso de biomassa à base de carbono (madeira, bioetanol, biodiesel , biogás etc.) poderiam teoricamente ser reduzidas.

O cultivo de algas e bactérias está associado a altos investimentos e custos operacionais. Não existe actualmente nenhuma produção comercial de hidrogénio utilizando biomassa. Os processos metabólicos em que o hidrogênio é gerado ocorrem na natureza apenas em pequena extensão ou sob condições especiais (situações estressantes). A transferência das condições de laboratório para as condições de produção ainda não está prevista.

custos

De acordo com um estudo do Instituto Fraunhofer para Pesquisa de Sistemas e Inovação, os custos específicos ("custos de fabricação sem transporte") para o bio-hidrogênio produzido com gaseificação de leito fluidizado alotérmico são cerca de 59,0 EUR / GJ H2 (ou 7,1 EUR / kg H2) ; os custos específicos decorrentes da geração com plantas de fermentação estão entre 76,1 EUR / GJ H2 (ou 9,1 EUR / kg H2) e 54,2 EUR / GJ H2 (ou 6,5 EUR / kg H2).

Comparação com a gasolina por atacado

Se você comparar isso com o "preço da bomba de gasolina" (em janeiro de 2015) de aproximadamente 1,20 EUR por litro (1,6 EUR / kg de gasolina), o bio-hidrogênio é pelo menos 4 a 5,6 vezes mais caro do que a gasolina.

Comparação com a gasolina com base no valor calorífico

O hidrogênio tem um valor calorífico de aproximadamente 142 MJ / kg. Em termos de valor calorífico, os custos de produção de bio-hidrogênio estariam em algum lugar entre

4,5 ct / MJ e 6,4 ct / MJ. A gasolina tem um poder calorífico de 43 MJ / kg, o que corresponde a custos de 2,7 ct / MJ (a partir de janeiro de 2015). Em termos de valor calorífico, o hidrogênio seria pelo menos 1,6 a 2,37 vezes mais caro do que a gasolina.

Comparação com a gasolina por km

Para 100 km de quilometragem em um MPV a gasolina, os custos (a partir de janeiro de 2015) giram em torno de EUR 7,44. Um veículo de célula de combustível comparável consome atualmente cerca de 0,970 kg H2 / 100 km, o que corresponde a custos de bio-hidrogênio de EUR 6,30 a EUR 8,82 por 100 km de viagem.

perspectiva

Os processos de produção do biohidrogênio ainda estão em desenvolvimento ou em uso de protótipos. Ainda falta experiência prática no uso em larga escala. A produção de hidrogênio a partir da biomassa compete com a liquefação da biomassa . Os combustíveis obtidos desta forma possuem uma densidade energética maior como fonte de energia e são mais fáceis de manusear. Uma avaliação final é, por exemplo, Não é possível no momento.

Veja também

• Energia renovável
• Biorreator de hidrogênio
• Produção de hidrogênio
• Economia de hidrogênio
• Lista de tecnologias de hidrogênio

Evidência individual

1. ↑ ^{a b} Biowasserstoff.de , página de informações privadas de Röbbe Wünschiers (Hochschule Mittweida), acessada em 30 de novembro de 2009.
2. ↑ ^{a b} Hydrogen from Biomass , Gülzower Expert Discussions, Volume 25, (PDF; 6,3 MB) publicado pela Agency for Renewable Raw Materials , 2006.
3. ^ TU Viena, 30 de setembro de 2013: Energia da madeira - produção de hidrogênio finalmente ecológica , acessado em 8 de outubro de 2013.
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5. ↑ Zhijun Xu, Shengliang Wang, Chunyu Zhao, Shangsong Li, Xiaoman Liu, Lei Wang, Mei Li, Xin Huang, Stephen Mann: Produção fotossintética de hidrogênio por micro-reatores microbianos baseados em gotículas em condições aeróbias . In: Nature Communications . 11, No. 1, 25 de novembro de 2020, ISSN  2041-1723 , página 5985. doi : 10.1038 / s41467-020-19823-5 . PMID 33239636 . PMC 7689460 (texto completo gratuito).
6. ↑ - "Produção de hidrogênio movido a luz com um catalisador" vivo " , artigo sobre um projeto BMBF em www.innovations-report.de.
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8. ↑ Universidade de Colônia, o texto original disponibilizados pelo autor Robbe Wünschiers (versão de 18 de julho, 2007, acessado em 15 de julho de 2008), também disponível a partir Perspective on Biowasserstoff.de ( Memento do originais de 04 março de 2016 na Internet Arquivo ) Informação: O link do arquivo foi inserido automaticamente e ainda não foi verificado. Verifique o link original e o arquivo de acordo com as instruções e, em seguida, remova este aviso. , página de informações privadas de Röbbe Wünschiers (Hochschule Mittweida), versão de 15 de janeiro de 2010, acessada em 31 de agosto de 2014. @ 1@ 2Modelo: Webachiv / IABot / www.staff.hs-mittweida.de
9. ↑ - Relatório da Agência Federal do Meio Ambiente sobre o uso de microalgas ( Memento de 21 de julho de 2009 no Arquivo da Internet ), última atualização em 16 de março de 2009, acessado em 4 de dezembro de 2009.
10. ^ Roman Büttner, Christoph Stockburger: A ofensiva de hidrogênio de Peter Ramsauer . MIRROR ONLINE. 19 de junho de 2012. Recuperado em 28 de janeiro de 2019.
11. ↑ Ulf Bossel, Teoria e Prática, abril de 2006: O hidrogênio não resolve problemas de energia , acessado em 24 de setembro de 2014

Links da web

• Avaliação Hy-NOW dos processos e tecnologias para o fornecimento de hidrogênio a partir da biomassa
• Produção termoquímica de hidrogênio a partir de biomassa com consideração especial da reforma do gás bruto
• Economia de bio hidrogênio
• Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory (Inglês)
• FAO - Produção de hidrogênio (Inglês)
• Maximizando a Eficiência de Utilização de Luz e Produção de Hidrogênio em Culturas Microalgal (Inglês, 384 kB, arquivo PDF)