IT-байки: Автомобильный водород из водорослей / Аналитика

Однажды, разглядывая старинные фотографии XIX века, на которых запечатлены гордые владельцы первых автомобилей, мне подумалось что те, кто будет жить, скажем, в 2109 году, будут разглядывать наши сегодняшние гордые достижения автомобилестроения с не меньшим любопытством и умилением. Подумать только, наши славные и такие безобидные с виду предки, скажут они, умудрялись ежедневно отравлять атмосферу и всё живое на планете ядовитыми выхлопами миллионов своих дизельных и бензиновых автомобилей. Жаловались на цену топлива, на пробки, на плохую экологию – словом, как в той поговорке: плакали, но продолжали пожирать кактус. Надеюсь, по заголовку и по началу разговора вы уже поняли, что сегодня в "IT-байках" речь вновь пойдёт об новых перспективных видах топлива, альтернативных привычным продуктам переработки нефти. Поэтому нет никакого смысла затягивать вступление и напирать на традиционные "бензиновые пугалки", перейдём сразу к делу.

Уж не перечесть альтернативных видов энергии, придуманных на сегодняшний день и позиционирующихся как замена хотя бы автомобильному топливу. Некоторые из них – такие как электрические батареи, этанол, биодизельное топливо, понемногу превращаются в массовое явление, некоторые по-прежнему остаются экзотикой. Количество причин, по которым те или иные технологии получения топлива не доходят до более-менее заметной фазы коммерциализации, достаточно ограничено, но, как правило, это низкая рентабельность производства, сводящая на нет все плюсы из-за высокой себестоимости продукции, слишком большие объёмы первоначальных инвестиций или сложности с внедрением новых видов двигателей под эти новые виды топлива. Электромобили, к примеру, даже когда подешевеют до вразумительного уровня, всё равно потребуют создания национальных колонок "электрозаправки". Другой пример: биодизельное топливо уже не редкость на заправочных станциях, однако для запуска его производства потребовалось вложить значительные средства. Или взять тот же этиловый спирт: даже если отбросить в сторону вопросы себестоимости его производства, всё равно приходится или использовать этанол лишь в качестве небольших добавок к обычному топливу, или переделывать двигатели под нормальное его использование. Для некоторых видов альтернативного топлива до сих пор актуальны все эти вопросы вместе взятые, плюс хвост дополнительных сопутствующих проблем. И только огромные перспективы, открывающиеся перед человечеством в случае успешного доведения таких технологий до производственной фазы, побуждают финансистов и правительства поддерживать эти разработки, а учёных биться над очередными проблемами. Хорошо, будем до конца откровенно циничны: дело ведь не только в экологии, недорогие способы получения энергии также позволят успешным разработчикам получить впоследствии невероятные прибыли, а правительствам – стать независимыми от природных невозобновляемых источников энергии, вне зависимости рано они закончатся или поздно. Ради этого стоит биться. Одним из наиболее интересных и перспективных видов альтернативного топлива считается водород. Не буду утомлять вас описанием всех преимуществ применения водородного топлива, однако высокая эффективность его сгорания и вода из выхлопной трубы вместо ядовитых бензиновых миазмов стоит многого.

В том, что водород рано или поздно станет одним из наиболее распространённых видов топлива, в том числе, для автомобилей, вряд ли стоит сомневаться. Вопрос лишь в том, кто, когда и каким образом придумает способ наиболее выгодного производства водорода в количествах, достаточных для огромных инвестиций в массовое автомобильное производство, строительство сетей водородных автозаправок и так далее. Водород представляет собой химический элемент, наиболее распространённый во Вселенной, десятый по распространённости и второй (после кислорода) по распространённости атомов в земной коре и присутствующий практически во всей органике. Несмотря на то, что в природе водород распространён преимущественно в виде соединений, некоторые из которых (например обычную воду – H₂O) разрушить не так-то просто, к настоящему времени существует множество способов его промышленного производства. Среди наиболее распространённых Wikipedia указывает паровую конверсию метана или природного газа, газификацию угля, электролиз воды, пиролиз, частичное окисление и различные разновидности биотехнологий. Из всего этого списка сегодня нас интересует последний пункт, точнее, один из его подпунктов – получение водорода из водорослей.

Про топливо из водорослей в нашем разделе "IT-байки" в разное время публиковалось два различных материала (см. список в конце этой статьи), однако в обоих случаях речь шла о производстве биодизельного топлива. Тем не менее, различные виды водорослей вполне можно приспособить и для производства водорода. Краткая предыстория открытий в этой области выглядит следующим образом. Традиционно в процессе фотосинтеза водоросли производят кислород, это можно назвать азбучной истиной. Однако при определённых условиях – например, в условиях недостатка кислорода и серы, процесс фотосинтеза ослабевает и "переключается" на генерирование водорода. Впервые эффект "переключения" был открыт в 1939 году немецким исследователем Гансом Гаффроном (Hans Gaffron), работавшим в то время в Чикагском университете. Далее последовал значительный перерыв в исследованиях на эту тему, однако в 1997 году, исследуя работы Гаффрона, профессор Анастасиос Мелис (Anastasios Melis) из Университета Беркли, Калифорния (University of California at Berkeley) выяснил, что именно недостаток серы приводит в конечном счёте к "переключению" водорослей с производства кислорода на производство водорода. Именно профессор Мелис впервые обнаружил энзим, ответственный за эту реакцию, который был назван "гидрогеназа". В 2006 году учёным из немецкого университета Байлефелда (Universität Bielefeld) и австралийского университета Квинсленда (University of Queensland) совместными усилиями впервые удалось генетически изменить одноклеточную зелёную водоросль с мудрёным латинским названием Chlamydomonas reinhardtii, в результате чего эта водоросль обзавелась свойством производить приличные объёмы водорода – в пять раз большие чем природная форма водоросли. Годом позже учёным удалось установить, что небольшая добавка меди также является активной блокировкой генерации кислорода и "переключает" водоросли на производство водорода. В том же 2007 году выше упомянутый профессор Анастисиос Мелис добился от одной из мутаций водоросли Chlamydomonas reinhardtii 15% эффективности генерирования водорода, а годом позже довёл этот показатель до 25%, что почти приблизилось к теоретически рассчитанному порогу для водорослей Chlamydomonas reinhardtii, оцениваемому в пределах 30%. Можно только приветствовать генетические эксперименты, в которых "подопытными" выступают энергетические водоросли, а не продукты питания. Однако новость, облетевшая на этой неделе планету благодаря публикации в журнале Nature Nanotechnology, можно отнести к числу тех, которые при благоприятном стечении обстоятельств могут значительным образом изменить расклад в индустрии производства водорода в промышленных масштабах. Суть открытия, сделанного командой исследователей из университета Теннесси, Ноксвилл (University of Tennessee, Knoxville) и Окриджской научно-исследовательской национальной лаборатории (Oak Ridge National Laboratory, ORNL), сводится к тому, что процесс фотосинтеза у водорослей при определённых температурных условиях и в присутствии платинового катализатора можно превратить в простой и недорогой способ производства водорода в промышленных масштабах. Несколько подробнее процесс можно описать следующим образом: некоторые образцы теплолюбивых сине-зелёных водорослей в присутствии платинового катализатора начинают бурную реакцию выделения водорода при температурах выше 55°C, то есть, при температуре, типичной для безводных пустынь с высокой насыщенностью солнечной энергией, при этом производительность процесса может возрасти более чем на порядок по мере увеличения температуры. В результате можно добиться выхода водорода, эквивалентного производству до 79 галлонов бензина с акра в день, то есть, в привычных нам размерностях – порядка 75 литров бензина с квадратного метра ежедневно!

В реакции "классического" кислородного фотосинтеза принимают участие два реакционных центра, фотосистема I и фотосистема II, совместно обеспечивающих перенос получаемых из воды электронов и обеспечивающих производство кислорода и нуклеотида под названием аденозинтрифосфат (Adenosine triphosphate, ATP). Ряд ранних исследований позволил установить, что совмещение платиновой каталитической наноструктуры или ковалентно связанной гидрогеназы с "приёмным" концом фотосистемы позволяет в искусственных условиях получить устойчивую фотохимическую генерацию водорода. Заслугой учёных из университета Теннесси является то, что они на практике подтвердили возможность стабильного производства водорода с применением платинового катализатора и изолированной фотосистемы I с применением теплолюбивой цианобактерии (сине-зелёной водоросли) T. elongatus и рекомбинантной формы белка цитохрома C6. В экспериментах учёные наблюдали стабильную реакцию при температуре порядка +55°C на протяжении более чем 85 дней без снижения количества получаемого водорода. Максимальная производительность экспериментальной установки составила примерно 5,5 mmol H₂ h^-1 mg^-1 хлорофилла, а на перспективу эта методика обещает более чем 25-кратное увеличение производительности.

Переводя заумные размерности в понятные величины можно сказать, что производительность одного акра такого водородного "солнечного аккумулятора" глубиной всего 10 см при температуре +55 °C энергетически может быть сравнима с ежедневным производством 300 литров биодизельного топлива с гектара (без учёта затрат на переработку). Для сравнения: производство этанола из просяной биомассы обеспечивает выход около 12,1 литра топлива с гектара в день, из кукурузной биомассы - порядка 5,43 литра этанола с гектара в день, биодизельного топлива из сои - порядка 1,42 литра с гектара в день. Стоит отметить: после трёх месяцев окончательно "разряжённые" водоросли потребуется заменить на свежие, однако в течение этого срока с каждого акра площади будет произведено водорода в эквиваленте более чем 7000 галлонов бензина, то есть, более 6500 литров бензина с квадратного метра за квартал! Разумеется, платиновый катализатор при этом не расходуется – на то он и катализатор, и может быть использован множество раз.

Читателям, жаждущим дополнительных подробностей о методике исследователей из университета Теннесси, могу порекомендовать обратиться к первоисточнику – статье Self-organized photosynthetic nanoparticle for cell-free hydrogen production в журнале Nature Nanotechnology за 8 ноября 2009 (doi:10.1038/nnano.2009.315, прямая ссылка на резюме статьи). К сожалению, всё чаще в своих научных публикациях учёные воздерживаются от указания возможных сроков коммерциализации разработанных ими технологий. Я в этом плане далёк от развития "теорий заговоров" (мол, заказчики запрещают), на практике, в случаях, подобных описанному сегодня, разработчики скорее всего всего лишь спешат "застолбить" за собой статус "первопроходцев" и возможно, подать патентную заявку на придуманную технологию. С другой стороны, не исключён и такой вариант, что технология пока что "сыровата" – ведь хорошо известно, что далеко не всё, что идёт на ура в лаборатории, затем можно масштабировать на промышленные масштабы. В любом случае, для нас в рамках сегодняшней статьи важен сам факт потенциальной возможности недорогого промышленного производства огромных объёмов водорода из обычных водорослей. Более того – факт возможности производства водорода не традиционным путём промышленной переработки природного газа, пропана, сжиженного нефтяного газа или керосина, то есть, ограниченных природных ресурсов, а именно с помощью и благодаря возобновляемым ресурсам планеты. Что касается перспектив применения водородного топлива, в частности, в автомобильной промышленености, в последние годы здесь наблюдаются значительные сдвиги. Правда, в тех странах, где этому уделяется действительно серьёзное внимание – в Японии, Южной Корее, США, Канаде, Англии, Германии, Италии. По данным Wikipedia, транспорт на базе водородного топлива, несмотря на определённую дороговизну и сложности с дозаправкой, в настоящее время проходит тестирование и даже применяется на постоянной основе в Португалии, Исландии, Норвегии, Дании, Англии, Германии, Калифорнии, Японии, Австралии и Канаде. Интересно также отметить, что к началу нынешнего года во всём мире эксплуатировалось более двух тысяч водородных заправок для автомобилей, при этом подавляющее их большинство работает со сжатым газообразным водородом, и лишь 8% с жидким водородом. Именно отсутствие развитых сетей водородных заправок вдоль оживлённых шоссе наряду с пока что относительно высокой ценой водорода тормозит дальнейшее развитие автомобильного транспорта на водороде. Сейчас в мире развивается сразу несколько проектов так называемых "водородных шоссе". Наиболее интересными примерами можно назвать проект в Калифорнии, где уже в следующем году планируется довести количество заправочных станций на главных шоссе штата до двух сотен; водородное шоссе в Канаде протяжённостью 900 км вдоль главных дорог между Монреалем и Виндзором; водородное шоссе HyNor в Норвегии между городами Осло и Stavanger. Свои планы строительства 12 тысяч заправочных водородных станций на территории США до кризиса также вынашивала компания General Motors.

В заключение – чтобы сегодняшний рассказ не казался совсем уж сухими и оторванным от реалий жизни, позвольте предложить вашему вниманию видеоролик, в котором студенты университета Теннесси в Чаттануге (The University of Tennessee at Chattanooga) катаются на автомобиле Saturn Vue, обычный бензиновый двигатель которого переделан на работу от водорода.

Если вас действительно заинтересовала идея такой переделки автомобильного двигателя, советую посетить сайт этих энтузиастов, где вы сможете найти все подробности проекта, вплоть до детального иллюстрированного описания процесса переделки и финальной сборки. Ознакомившись с этим процессом, постепенно начинаешь понимать, что сложности, стоящие на пути широкого распространения водородного транспорта, скорее всего, не имеют никакого отношения к технической стороне вопроса. Дешёвый водород, инфраструктура и несколько бескризисных спокойных лет – вот что необходимо для широкого распространения такого транспорта.

Ссылки по теме:

Дополнительное чтиво по теме: