Biohydrogen

Som biohydrogen er hydrogen (H ₂ ) angir at av biomasse eller ved hjelp av levende biomasse blir produsert. Per Kværner-prosess produsert hydrogen fra naturgass , kalles ikke den vanlige formen for industriell produksjon av hydrogen biohydrogen, selv om energien som trengs for dette kommer fra biomasse.

Hydrogen er en energirik gass som z. B. kan brukes i brenselceller for å generere elektrisitet, i forbrenningsmotorer som drivstoff eller i kjemisk industri. For øyeblikket spiller ikke energibruk enda en økonomisk relevant rolle. I sammenheng med energiovergangen diskuteres hydrogen som en form for lagring og transport av energi i en såkalt hydrogenøkonomi .

Produksjon

Produksjonen av hydrogen krever energi, som i tilfelle biohydrogen kommer enten fra biomassen som brukes som råmateriale eller fra solenergi som absorberes av levende biomasse under fotosyntese . På den annen side kreves grunnstoffet hydrogen. Dette kommer fra biomassen som brukes som råmateriale eller tilsettes produksjons- eller produksjonsprosessen som en komponent av vann.

Produksjon fra biomasse

Produksjonen av hydrogen fra biomasse kan skje gjennom biologiske og kjemiske prosesser:

gjæring

På en laboratorieskala, energirike organiske forbindelser i biomassen (for eksempel karbohydrater , fett , proteiner ) kan omdannes til H- ₂ ved fermentering av bakterier i tillegg til CO ₂ og oksiderte organiske forbindelser . Under denne anaerobe prosessen kan bare en del av energien i biomassen tappes av bakteriene, siden oksygen ikke er tilgjengelig som et oksidasjonsmiddel . Det dannede biohydrogenet kan således inneholde en stor andel av gjenværende energi.

Termokjemisk prosessering

I industriell skala kan biohydrogen produseres fra biomasse (tre, halm, gressklipp osv.), Men også fra andre bioenergikilder ( biogass , bioetanol, etc.) ved termokjemisk prosessering (forgassning eller pyrolyse) og påfølgende eller direkte dampreformering . Syntesegassen dannet under forgassingen består avhengig av råmaterialet som brukes, av forskjellige andeler karbondioksid (CO ₂ ), karbonmonoksid (CO), metan (CH ₄ ), hydrogen og andre komponenter. Under dampreformering skjer kjemiske reaksjoner mellom dampen og syntesegasskomponentene, noe som kan øke hydrogenutbyttet.

${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {4} + H_ {2} O \; {\ overrightarrow {\ leftarrow}} \; CO + 3 \ H_ {2}, \ \ Delta H = + 201.4kJ / mol}}$

( Metan + vanndamp → karbonmonoksid + hydrogen ; endoterm ; andre ligninger er også mulig)

${\ displaystyle \ mathrm {CO + H_ {2} O \; {\ overrightarrow {\ leftarrow}} \; CO_ {2} + H_ {2}, \ \ \ \ Delta H = -41.2kJ / mol}}$

( Skiftreaksjon ; litt eksoterm )

Denne prosessen med hydrogenproduksjon brukes i stor skala i produksjonen av hydrogen fra naturgass, f.eks. B. for produksjon av ammoniakk for nitrogengjødsel ( Haber-Bosch-prosessen ).

Sluttproduktene er i det vesentlige hydrogen (med en virkningsgrad for overføringen på omkring 78%), karbondioksyd og mineralaske . Den høyenergiske syntesegassen kan brukes til å starte opp anlegget. Prosessen skal da være energisk selvbærende gjennom eksoterme reaksjoner. Hydrogenproduksjon på grunnlag av termokjemisk forgassning av biomasse er i eksperimentfasen.

Fordeler og ulemper med biohydrogen fra biomasse

Bruk av biohydrogen gir forskjellige fordeler og ulemper. Evalueringen avhenger i detalj av råvarene som brukes, produksjonsprosessen og typen bruk. Vurderingen blir vanskeliggjort av mangel på praktisk erfaring og den tidligere manglende relevansen av biohydrogenproduksjon.

fordeler

Ved produksjon av hydrogen ved termokjemisk prosessering av biomasse ("forgassning") kan prosessen styres på en slik måte at det produseres kullignende biokullkorn, som sammen med mineralasken som har akkumulert i dyrkbar jord, forbedrer jord fruktbarhet og vannretensjon.Fortune forbedret seg spesielt i sandjord.

Samtidig reduserer denne prosedyren mengden karbondioksid i atmosfæren. Uten innføring av biokull i jorden ville bare så mye CO ₂ frigjøres som tidligere ble absorbert under dannelsen av biomassen. Den karbonsyklusen vil være lukket, og denne energien vil derfor bli klassifisert som nesten klimanøytralt. For å skape en riktig klimabalanse, må imidlertid alle oppstrøms energiske utgifter og utslipp av den totale prosessen (plante dyrking, gjødsling, prosessering, transport osv.) Tas i betraktning.

Avhengigheten av energiimport reduseres hvis biomasse og biohydrogen produseres regionalt.

Det er en kontroversiell diskusjon om hvilket modifiseringsarbeid som er nødvendig for å oppgradere gassforsyningsnettet for transport av hydrogen til sluttbrukspunktene. Det bør tas i betraktning at bygassen som tidligere ble produsert av koksanlegg gjennom kullforgassning allerede besto av rundt 60% hydrogen.

ulempe

Blue Tower i Herten i en tidlig versjon fra 2003

Behandlingen av biomasse, mellomprodukter i produksjonen og sluttproduktet er kompleks. Når næringsstoffer ekstraheres og returneres til de dyrkede områdene i form av mineralaske fra den bearbeidede biomassen, kan visse elementer som nitrogen og svovel gå tapt. Disse må da erstattes av passende kunstgjødselstilsetninger. De fleste av prosessene for generering av biohydrogen er hittil bare vellykket testet i pilotanlegg. Grunnstein for et større demonstrasjonsanlegg ved Blauer Turm Herten ble lagt i 2009. Det planlagte anlegget skal produsere 150 m³ hydrogen per time. Hovedinvestoren, Solar Millennium , gikk imidlertid konkurs i slutten av 2011, og prosjektet ble forlatt.

Produksjon ved bruk av biomasse

Hydrogenproduksjon ved bruk av alger i laboratorieskala

Levende biomasse (f.eks. Cyanobakterier , alger ) kan også brukes til å produsere biohydrogen . I noen metabolske prosesser (f.eks. Fotosyntese , nitrogenfiksering ) av visse enzymer (f.eks. Nitrogenaser , hydrogenaser ) kan hydrogen produseres. Det kan skilles mellom oksygenisk og anoksygen fotosyntese.

Oksygen fotosyntese

Typisk fotosyntese, f.eks. B. fra landplanter og alger, er referert til som oksygen (oksygendannende, se oksygenisk fotosyntese ), siden oksygen frigjøres som et produkt av splitting av vann:

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

Grossreaksjonsligning for oksygenisk fotosyntese

Formålet med fotosyntese er å gi energi. Utgivelsen av høyenergi bio-hydrogen betyr imidlertid tap av energi. Disse prosessene forekommer derfor bare under visse omstendigheter:

• Cyanobakterier er i stand til å omdanne det viktig næringsstoff nitrogen fra det vanskelig å få tilgang til formen N ₂ (for eksempel til stede i luften eller oppløst i vann) i en biologisk tilgjengelige forbindelser gjennom nitrogenases . Grunnlaget er denne reaksjonen av nitrogenfiksering:

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

Elektronene (e ^- ) og protonene (H ⁺ ) kan komme fra det fotosyntetiske vannet som splittes av den oksygendannende fotosyntese, som drives parallelt. Produktet eller produktgassen inneholder således både oksygen og hydrogen.

Algercellebaserte mikroreaktorer som kan produsere hydrogen

• Grønne alger utfører også oksygenisk fotosyntese. Under visse omstendigheter brukes ikke de energirike elektronene som tilveiebringes under fotosyntetisk vannsplitting for å redusere karbondioksid, men blir omdannet til hydrogenmolekyler i en slags inaktiv reaksjon med protoner (fra den omkringliggende vandige fasen). Denne reaksjonen, katalysert av hydrogenaser , induseres for eksempel i fravær av oksygen.

Den absorberte solenergien lagres ikke opprinnelig i biomasse, men kan omdannes direkte til hydrogen. Det blir forsøkt å gjøre denne prosessen brukbar i hydrogenbioreaktorer .

Anoksygene fotosyntese

I anoxygenic fotosyntese , H ₂ og CO ₂ kan eller oksiderte svovelforbindelser dannes fra organiske substrater eller reduserte svovelforbindelser ved fototrofe bakterier ved hjelp av solenergi .

Fordeler og ulemper med biohydrogen fra solenergi

Produksjonen av biohydrogen fra solenergi ved hjelp av metabolske prosesser skiller seg vesentlig eller fullstendig fra produksjonen fra biomasse. Dermed er det også andre fordeler og ulemper.

Fotosyntetiske alger dyrket i algereaktorer eller fotobioreaktorer kan ha en betydelig høyere energiproduktivitet per område enn planter. Under fotosyntetisk produksjon av hydrogen omdannes solenergien direkte til en endelig energibærer . Konverteringstap sammenlignet med generering og bruk av karbonbasert biomasse (tre, bioetanol, biodiesel , biogass etc.) kan teoretisk sett reduseres.

Dyrking av alger og bakterier er forbundet med høye investeringer og driftskostnader. Det er for tiden ingen kommersiell produksjon av hydrogen ved bruk av biomasse. De metabolske prosessene der hydrogen genereres forekommer bare i liten grad i naturen eller under spesielle forhold (stressende situasjoner). En overføring fra laboratorium til produksjonsforhold er ennå ikke i sikte.

kostnader

Ifølge en undersøkelse fra Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research er de spesifikke kostnadene ("produksjonskostnader uten transport") for biohydrogen produsert med allotermisk fluidiseringssengforgassing rundt 59,0 EUR / GJ H2 (eller 7,1 EUR / kg H2) ; de spesifikke kostnadene som oppstår ved produksjon med gjæringsbaserte planter er mellom 76,1 EUR / GJ H2 (eller 9,1 EUR / kg H2) og 54,2 EUR / GJ H2 (eller 6,5 EUR / kg H2).

Sammenligning med bensin på bulkbasis

Sammenligner du dette med "pumpeprisen" på bensin (per januar 2015) på ca. 1,20 EUR per liter (1,6 EUR / kg bensin), er biohydrogen minst 4 til 5,6 ganger dyrere enn bensin.

Sammenligning med bensin på grunnlag av brennverdi

Hydrogen har en brennverdi på ca. 142 MJ / kg. Når det gjelder brennverdi, vil produksjonskostnadene for biohydrogen være et sted mellom

4,5 ct / MJ og 6,4 ct / MJ. Bensin har en brennverdi på 43 MJ / kg, som tilsvarer kostnadene på 2,7 ct / MJ (per januar 2015). Når det gjelder brennverdien, vil hydrogen være minst 1,6 til 2,37 ganger dyrere enn bensin.

Sammenligning med bensin på km-basis

For 100 km kjørelengde i en bensin-MPV er kostnadene (per januar 2015) rundt 7,44 EUR. Et sammenlignbart drivstoffcellekjøretøy bruker i dag ca. 0,970 kg H2 / 100 km, noe som tilsvarer biohydrogenkostnader på EUR 6,30 til EUR 8,82 per 100 km reise.

perspektiv

Prosessene for å produsere biohydrogen er fremdeles under utvikling eller i prototypebruk. Praktisk erfaring i storskala bruk mangler fortsatt. Produksjonen av hydrogen fra biomasse konkurrerer med flytende biomasse . Drivstoffene som oppnås på denne måten har høyere energitetthet som energikilde og er lettere å håndtere. En sluttvurdering er f.eks. Ikke mulig for øyeblikket.

Se også

• Fornybar energi
• Hydrogen bioreaktor
• Hydrogenproduksjon
• Hydrogenøkonomi
• Liste over hydrogenteknologier

Individuelle bevis

1. ↑ ^{a b} Biowasserstoff.de , privat informasjonsside fra Röbbe Wünschiers (Hochschule Mittweida), åpnet 30. november 2009.
2. ↑ ^{a b} Hydrogen from Biomass , Gülzower Expert Discussions, Volume 25, (PDF; 6.3 MB) publisert av Agency for Renewable Raw Materials , 2006.
3. ^ TU Wien, 30. september 2013: Energi fra tre - Endelig miljøvennlig hydrogenproduksjon , åpnet 8. oktober 2013.
4. ↑ The Blue Tower ( Memento av den opprinnelige fra 02.11.2013 i Internet Archive ) Omtale: The arkivet koblingen ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Kontroller originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. (Kilde: Hydrogen Competence Center Herten). @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www.wasserstoffstadt-herten.de
5. ↑ Zhijun Xu, Shengliang Wang, Chunyu Zhao, Shangsong Li, Xiaoman Liu, Lei Wang, Mei Li, Xin Huang, Stephen Mann: Produksjon av fotosyntetisk hydrogen ved dråpebaserte mikrobielle mikroreaktorer under aerobe forhold . I: Nature Communications . 11, nr. 1, 25. november 2020, ISSN  2041-1723 , s. 5985. doi : 10.1038 / s41467-020-19823-5 . PMID 33239636 . PMC 7689460 (fulltekst).
6. ↑ - "Lysdrevet hydrogenproduksjon med en" levende "katalysator" , artikkel om et BMBF- prosjekt på www.innovations-report.de.
7. ↑ - www.biotechnologie.de ( Minne til originalen fra 4. april 2009 i Internettarkivet ) Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og er ennå ikke sjekket. Kontroller originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. , Informasjonsside for BMBF, åpnet 30. november 2009.  @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www.biotechnologie.de
8. ↑ spurte University of Cologne, originalteksten til forfatteren Röbbe Wünschiers er tilgjengelig (18. juli 2007, 15. juli 2008), også tilgjengelig gjennom perspektiv på Biowasserstoff.de ( Memento of the original March 4, 2016 Internet Archive ) Info: The arkivlenke ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Kontroller originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. , privat informasjonsside fra Röbbe Wünschiers (Hochschule Mittweida), versjon fra 15. januar 2010, åpnet 31. august 2014. @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www.staff.hs-mittweida.de
9. ↑ - Rapport fra Federal Environment Agency om bruk av mikroalger ( Memento 21. juli 2009 i Internet Archive ), siste oppdatering 16. mars 2009, åpnet 4. desember 2009.
10. ^ Roman Büttner, Christoph Stockburger: Hydrogenoffensiven til Peter Ramsauer . SPEIL PÅ NETT. 19. juni 2012. Hentet 28. januar 2019.
11. ↑ Ulf Bossel, Theory and Practice, april 2006: Hydrogen løser ikke energiproblemer , åpnet 24. september 2014

weblenker

• Hy-NOW Evaluering av prosesser og teknologier for tilførsel av hydrogen på grunnlag av biomasse
• Termokjemisk produksjon av hydrogen fra biomasse med særlig hensyn til rågassreformering
• Biohydrogenøkonomi
• Wired-Mutant Alger Is Hydrogen Factory (engelsk)
• FAO - Hydrogenproduksjon (engelsk)
• Maksimalisering av lysutnyttelseseffektivitet og hydrogenproduksjon i mikroalgiske kulturer (engelsk, 384 kB, PDF-fil)