Биоэнергетики тамбов Издательский центр фгбоу во «тгту» 2018

Получение и использование водорода

Водород используется н химической промышленности в качестве сырья дли производства аммиака, Очищенных нефтепродуктов, а также в качестве топлива для ракет и космических челноков,
В настоящее время 960,4 водорода получают ископаемого топлива, причём доловила этого объёма приходиться на парофазовый риформинг метана, В качестве недостатков данного способа можно

1. 
   

использование в качестве сырья ископаемого топлива;

1. 
   образование большого количества углекислого газа. Преимуществом способа является дешевизна,
   

Более затратный процесс получения водорода — электролиз воды, их получают всего от общего объёма производимого водорода. Этот процесс используют тогда, когда необходимо получать водород особой чистоты. Тем не менее электролиз волы очень перспективен, так, как ресурсы воды практически не ограничены, а для расщепления воды потенциально можно использовать атомную энергию или альтернативные источники энергии, а не ископаемое топливо [32].
Водород из ископаемого топлива
Водород может быть получен из углеводородов путём риформинга или парциального окисления, По сравнению с другими видами ископаемого топлива, природный газ (метан) представляет собой самое подходящее сырьё для промышленного водорода, так как он повсеместно доступен, лёгок в эксплуатации и обладает самым высоким соотношением водорода и углерода.
Производство водорода из угля
Газификацией угля можно получать большое количество водорода, так как по сравнению со всеми другими видами ископаемых природных ресурсов, запасы угля наибольшие, В настоящее время разрабатывается специальная технология газификации УГЛЯ. Эта «чистая» угольная технология позволяет получать водород и электричество одновременно, и полому по сравнению с существующими промышленными технологиями отличается высоким КПД. При использовании ископаемого топлива для получения водорода планируется улавливать побочный продукт — углекислый газ и закачивать в экологические пласты пли газохранилища, чтобы сократить выбросы парникового газа и смягчить глобальную изменению климата. Этот главный недостаток существующих на сегодняшний день технологий до сих пор не решён, но независимо от лого, использование ископаемого топлива может быть всего лишь вопросом времени, как запасы нефти, природного газа и угля будут полностью исчерпаны.

Водород биомассы

Технологии получения водорода из ископаемого топлива можно применять при производстве биоводорода из биомассы путём газификации и пиролиза в сочетании с паровой конверсией. Установки шля газификации биомассы с целью получения водорода рассчитаны на производство среднего размера, потому что стоимость сбора и транспортировки биомассы довольна высока. В настоящее время КПД таких установок превышает 36%, Перспективным подходом получения биоводорода можно назвать совместную газификацию биомассы и угля, причём содержание биомассы в смеси должно составлять не более 25%.
Такое производство будет нейтрально по отношению к углекислому газу, так как при сжигании биомассы образуется то же количество углекислого газа, которое ранее растения поглощали из атмосферы.
Биотехнологические способы получения водорода
Перспективно получение водорода из воды с помощью тепловых и термохимических процессов (электролиз и фотолиз) методами биотехнологии с помощью «тёмного» брожения и фотоферментации органических материалов и воды, которые катализируются специальными микроводорослями и различными разновидностями цианобактерий [1, 44],
Цианобактерии и зелёные водоросли — это единственные организмы, которые способны к синтезу водорода. Цианобактерии продуцируют водород в результате светозависимой реакции, или с помощью «тёмного» брожения в анаэробных условиях [44], зелёные водоросли синтезируют водород с помощью процесса фотосинтеза, используя солнечную энергию для извлечения водорода из воды,
В настоящий момент известно около 30 видов зелёных водорослей, способных к синтезу водорода [1]. Для фотобиологического производства Н2 наиболее целесообразно использовать цианобактерии («сине-зелёные» водоросли), так как они неприхотливы к условиям культивирования (для их роста требуют воздух, вода, минеральные соли, свет). Процессы биологической генерации водорода этими микроорганизмами катализируются следующими вилами ферментов [45, 46]
1) Fе-гидрогеназьк
2) NiFe-гидрогеназы
З) нирогеназы.

Ежегодно на поверхность Земли поступает порядка 3 ¹ 10” ГДж солнечной энергии, н нидс биомассы аккумулируется 0,1 % от лого количества. Эга величина, несмотря на кажущуюся мизерность, сравнима с текущими затратами человечества,

Достигнутое к настоящему времени эффективное фотобиологическое получение водорода (в лабораторных условиях) не превышает 1 % (обычно ниже) от радиационной энергии солнца. Это объясняют светонасыщающим эффектом; в условиях полного солнечного света (по сравнению с низко интенсивными источниками света, применяемыми в лабораторных установках) лимитирующей стадией фотосинтеза являются темновые реакции (транспорт электронов между фотосистемами 2 и 1). Скорость этих реакций значительно ниже, чем скорость поглощения света фотосинтетическими пигментами. Из-за этого до 90% энергии фотонов, поглощаемых, например, хлорофиллом, расходуется не на анаболизм, а просто теряется в виде тепла или флюоресценции.
Для преодоления светонасыщенного эффекта рри культивировании фотосинтетиков предлагаются самые разнообразные решения;
1) прерывистое облучение клеток;

2. 
   равномерное распределение света по объёму биореактора;
   
3. 
   поиск мутантов со сниженным содержанием фотосинтетических пигментов.
   

Прямой биофотолиз воды
Этот процесс предполагает поглощение энергии света фотосинтетический аппаратом микроорганизма. Энергия света используется для расщепления воды с образованием кислорода и водорода (в процессе используется фермент гидрогеназа):
2H₂O 2H₂+O₂
По результатам исследования [47] было установлено, что наибольшая эффективность конверсии световой энергии в водород (22%) была получена для зелёной микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii в лабораторных экспериментах. При этом использовалось низкое световое освещение и очень низкое парциального давление кислорода, наблюдалось ингибирование гидрогеназы фотосинтетически генерируемым кислородом. Гидрогеназа чрезвычайно чувствительна к кислороду и функционирует только при интенсивной продувке газовой среды инертным газом. Данный фактор затрудняет применение этого процесса в промышленности.
Непрямой биофотолиз воды
Концептуально этот процесс выглядит следующим образом [48]

1. 
   производство биомассы микроводорослей, богатой сахарами, в открытых прудах;
   
2. 
   концентрирование биомассы в прудах-отстойниках;
   

З) анаэробная (в темноте) ферментация с получением (в идеале) 4 моль водорода и 2 моль ацетата с каждого моля аккумулированной глюкозы;
С₆H₁₂O₆+4H₂O2СH₃COO^-+2HCO₃^-+4H⁺
4) фотоблореакторы, где в идеале каждый моль ацетата тируется в 4 моль водорода,
Для эффективной реализации этого процесса необходимо на первой стадии обеспечить очень высокую эффективность конверсии солпечного света с одновременным аккумулированием больших количеств легкоферментируемых сахаров, что на современном этапе развития биотехнологии затруднительно.