Dok se pri uobičajenim temperaturama i tlakovima najveći broj drugih plinova zbog ekspanzije prigušivanjem hlade, taj je proces kod vodika neznatno inverzan. Pri normalnim se uvjetima vodik ukapljuje na temperaturi oko -253 °C (20 K). Kako niže vrelište ima samo helij, na toj temperaturi svi plinovi osim njega prelaze u čvrsto agregatno stanje. Ukapljeni je vodik proziran, bez boje i mirisa, nekorozivan i nereaktivan, a gustoća mu iznosi samo 1/40 gustoće vode.
U kemijskom je smislu vodik redukcijsko sredstvo (reducens) i spaja se s brojnim drugim elementima. Najčešća mu je uporaba kao reaktivni sudionik reakcija, zaštitni plin, važna sirovina u brojnim industrijama, za oplemenjivanje u kemijskoj, farmaceutskoj ili prehrambenoj industriji itd.
Postupci pohrane vodika u spremnike smanjivanjem volumena (stlačivanjem) poznati su već stotinjak godina. Osnovni je nedostatak takvih spremnika njihova prilično velika masa u odnosu na masu pohranjenog vodika. Ipak, to se u posljednje vrijeme riješava primjenom kompozitnih materijala što također omogućava više tlakove. Hlađenjem stlačenog vodika do niskih temperatura (npr. -193 °C) može se povećati količina pohranjenog plina. Za svemirske se letove koristi tzv. kašasti vodik, odnosno smjesa koju čini 50% krutog i 50% ukapljenog vodika pri uvjetima trojne točke. Vodik se također može pohranjivati u krutom obliku, vezan u raznim spojevima. Odgovarajuća smjesa željeza i titana tada na sebe veže vodik koji se pri tome skrućuje, odnosno tvori hidride. Kako je to egzoterman proces, spremnik pri punjenju valja hladiti, a pri pražnjenju zagrijavati.
GORIVE ĆELIJE
Po svome su načelu rada gorive ćelije slične baterijima, ali za razliku od njih, gorive ćelije zahtijevaju stalan dovod goriva i kisika. Pri tome gorivo može biti vodik, sintetski plin (smjesa vodika i ugljičnog dioksida), prirodni plin ili metanol, a produkti njihove reakcije s kisikom su voda, električna struja i toplina, pri čemu je cijeli proces, zapravo, suprotan procesu elektrolize vode.
Ovisno izvedbi, odnosno o primijenjenom elektrolitu, postoji više vrsta gorivih ćelija. Alkalijske gorive ćelije kao elektrolit koriste kalijev hidroksid, sumpornu kiselinu ili membranu na osnovi ionske zamjene i za svoj rad zahtijevaju posve čist vodik i kisik. Zbog toga se i koriste samo u svemiskom programu (Space Shuttle), ali nakon nezgode šatla Challenger NASA ozbiljno razmatra njihovu zamjenu suvremenijima – gorivim ćelijama s polimernom membranom. Zbog vrlo povoljnog omjera postignute snage i mase one su vrlo zanimljve za primjenu u automobilima i u stacionarnim energetskim postrojenjima malih snaga (od 200 do 250 kW). Gorive ćelije s fosfornom kiselinom također su već komercijalizirane i najčešće se koriste u kontejnerskim energetskim postrojenjima u kojima kao gorivo služi prirodni plin. Zbog visokih se pogonskih temperatura gorive ćelije s rastopljenim karbonatom i krutim oksidom nazivaju visokotemperaturnima i još su u fazi razvoja, iako je izvedeno nekoliko pokusnih postrojenja (snage i do 2 MW).
U glavne prednosti gorivih ćelija ubrajaju se visoki stupnjevi djelovanja (teoretski i do 90%, a stvarni oko 50%), pretvorba energije bez pokretnih djelova, mala razina buke te nikakve ili vrlo male količine štetnih ispušnih plinova. Zbog tih razloga gorive ćelije privlače sve veću pozornost za primjenu u vozilima i za proizvodnju električne energije.
Iako je načelo njihovog rada otkriveno još u 19. stoljeću (Sir William Grove, 1839. godine), prvi su put u praksi primijenjene u svemirskim programima Gemini i Apollo, ali je tek u posljednjem desetljeću prošloga stoljeća njihova tehnologija napredovala do granice komercijalizacije. Za sada je glavna prepreka za veću primjenu visoka cijena koja je dobrim dijelom rezultat pojedinačne, a ne serijske proizvodnje (što je uobičajeno za sve nove tehnologije). Ipak, može se očekivati da će se njihova tehnologija probiti na tržište i u desetljećima koja dolaze postupno istisnuti uobičajene tehnologije pretvorbe energije u automobilima i u postrojenjima za proizvodnju električne energije.
Način rada gorivih ćelija
Od svih drugih izvedbi, za primjenu se najprikladnijima smatraju gorive ćelije s polimernom membranom, prije svega za pogon automobila. Razlog tome su visoki stupnjevi djelovanja, rad pri razmjerno niskim temperaturama zbog čega se vrlo brzo može doseći puna snaga, vrlo povoljan omjer postignute snage i mase te kruti elektrolit (polimerna membrana) zbog čega nema problema s održavanjem njegove čistoće i korozijom.
Glavni dio gorivih ćelija s polimernom membranom upravo je polimerna membrana, koja se najčešće izrađuje od politetrafluoretilena (teflona) s perfluorosulfonskim skupinama (kao vodičima iona) i poznata je pod trgovačkim nazivima Nafion (tvrtke DuPont), Flemion ili Aciplex, a u SAD-u su razvijene i vrlo tanke (
S obje strane membrane u neposrednom doticaju s njom nalaze se planarne porozne elektrode s platinom kao katalizatorom. Suvremene elektrode imaju manje od 0,3 mg platine po cm 2 . Elektrokemijske se reakcije događaju na površini katalizatora u doticaju s polimerom. Na jednu se elektrodu (anodu) dovodi vodik, a na drugu (katodu) kisik ili kisikom bogata smjesa, primjerice zrak iz okolice. Na anodi se u doticaju s platinom vodik razlaže na elektrone i protone prema sljedećoj kemijskoj reakciji:
H 2 ® 2e – + 2H + .
Elektroni se odvode u strujni krug preko električki vodljive elektrode i kolektorskih, odnosno sepratorskih ploča, a protoni prolaze kroz polimernu protonski vodljivu membranu. Na drugoj strani membrane, na površini elektrode, također uz prisutnost katalizatora (platine), protoni vodika se kreću s kisikom i elektronima koji su prošli kroz vanjski strujni krug (po mogućnosti i obavili koristan rad, npr. pogon elektromotora). Rezultat te elektrokemijske reakcije na katodi je čista voda:
2e – + 2H + + 1/2 O 2 ® H 2 O.
Ukupna je reakcija sljedeća:
H 2 + 1/2 O 2 ® H 2 O.
Teoretski potencijal te reakcije iznosi 1,23 V. Međutim, on zbog gubitaka u praksi iznosi oko 1 V pri otvorenom električnom krugu, tj. bez opterećenja. Pri opterećenju su gubici veći pa je normalni radni napon ovisan o struji. Maksimalna se snaga postiže kod napona oko 0,5 V. Nazivni se napon može odabrati po volji između napona otvorenog kruga i napona koji odgovara maksimalnoj snazi, ali se najčešće odabire između 0,6 i 0,7 V. Ako se odabere premalen nazivni napon, tada je stupanj djelovanja mali, a ako se odabere prevelik, stupanj djelovanja je velik, ali je gustoća snage mala.
Osnovna značajka gorivih ćelija je njihova polarizacijska ili I-V krivulja koja prikazuje ovisnost napona o opterećenju, odnosno o jakosti struje. Kako bi takav prikaz bio neovisan o veličini gorivih ćelija, umjesto jakosti se koristi gustoća jakosti struje, odnosno jakost struje po jedinici površine (u A/cm 2 ).
GORIVE ĆELIJE U AUTO INDUSTRIJI
Najveći je dio tih vozila proizveden prilagodbom postojećih modela. Kod nekih od njih pogon se isključivo osniva na gorivim ćelijama, a kod nekih je pogon hibridan i koriste Ni-MH (Jeep, Renault FEVER, Toyota, Daihatsu) ili Li ionske baterije (Nissan) ili ultrakapacitore (Honda FCX-V3). Pri tome se vrlo malo proizvođača odlučilo za primjenu stlačenog vodika kao goriva, čemu je glavni razlog smještaj spremnika za vodik. Pri tome je dodatni nedostatak vrlo mala količina tako pohranjenog goriva što omogućava prelazak tek 160 km, dok vozila s jednim spremnikom ukapljenog vodika mogu prijeći i 400 km. Inače, iskoristivost goriva u takvim je vozilima vrlo dobra i iznosi od 20 do 25 km/l. Vozila s pogonom na metanol s jednim punjenjem goriva mogu preći mnogo veći put, oko 500 km, što je jednako vozilima na uobičajena goriva (benzin, dizel).
Nekoliko je osnovnih mogućnosti za primjenu gorivih ćelija kao dijela pogonskog sustava vozila:◦gorive ćelije služe kao osnovni izvor energije za pogon elektromotora, dok je dodatni akumulator potreban samo za paljenje (kao kod motora s unutarnjim izgaranjem)◦gorive ćelije služe za pokrivanje osnovnih, a baterije za pokrivanje vršnih pogonskih opterećenja pri pogonu elektromotora (tzv. hibridna paralelna izvedba, jer gorive ćelije i baterije rade usporedno)◦gorive ćelije služe za punjenje baterija koje su osnovni izvor energije za pogon elektromotora (tzv. hibridna serijska izvedba, jer gorive ćelije napajaju baterije, a one pokreću motor)◦gorive ćelije služe samo kao pomoćni izvor energije (npr. za električni sustav), dok se pogon može izvesti na bilo koji drugi način (prikladno npr. za hladnjače s velikom potrošnjom električne energije za pogon rashladnog i klimatizacijskog sustava).
Smještaj spremnika za vodik u osobnim automobilima predstavlja značajan problem zbog visokih zahtjeva koji se postavljaju na sustav spremnika, osobito kada se radi o stlačenom vodiku. Za razliku od toga, kod autobusa postoji dovoljno mjesta na krovu, što je prednost i s gledišta sigurnosti jer je vodik lakši od zraka pa u slučaju propuštanja odlazi ravno u vis. Na razvoju takvih autobusa rade svi vodeći svjetski proizvođači: DaimlerChrysler, MAN, Neoplan, Renault/IVECO, a nekoliko njih već je iskušano u javnom prijevozu nekih američkih i kanadskih gradova.
Osim za pogon osobnih vozila i autobusa, gorive ćelije su također prikladne i za pogon specijalnih vozila ili radnih strojeva (npr. vozila za golf-igrališta, viličare, kosilice za travu i sl). Uz to, gorive ćelije mogu poslužiti i za pogon motocikala, za što je u svijetu (ponajviše u Aziji) već izvedeno nekoliko prototipova.
Ipak, najveći problem u razvoju primjene gorivih ćelija za pogon vozila predstavljaju slabe mogućnosti za opskrbu vodikom. Zbog toga svi vodeći proizvođači razmatraju drugačiji način opskrbe vodikom, to jest integraciju gorivih ćelija sa sustavom (reformerom) za dobivanje vodika ili vodikom bogatog plina iz drugih, raspoloživih goriva. S obzirom na razvijenu infrastrukturu, najprikladnijim se smatra običan benzin, no on pak nije prikladan za reformiranje. Proizvođači goriva stoga traže druge mogućnosti za primjenu u gorivim ćelijama, primjerice hidrotretiranu naftu, hidrokrekate, alkilate/izomerate ili ukapljena goriva dobivena od prirodnog plina. Također je moguća primjena metanola, odavno poznatog kapljevitog goriva (uz to i 'biogoriva') koje je jednostavno za reformiranje.
Za dobivanje vodika iz benzina ili metanola razvijeno je nekoliko tehnologija, primjerice katalitička parcijalna oksidacija, reformiranje parom ili autotermalno reformiranje (kombinacija prethodnih). Osnovni je zahtjev u svim tim procesima dovođenje udjela CO na najmanju moguću mjeru (50 do 100 ppm), jer je on osobito nepoželjan kod ćelija s polimernom membranom (katalizator za takve ćelije koje koriste reformirano gorivo se stoga ne izvodi od čiste platine, već od legure platine i rutenija).
Unatoč očitoj prednosti – mogućnosti uporabe uobičajenih, kapljevitih goriva čime se rješava problem opskrbe vodikom i njegove pohrane u vozilu, primjena reformera ima i nekoliko osnovnih nedostataka:◦ipak dolazi do štetnih emisija, iako su one gotovo zanemarive ("ultra-male")◦smanjuje se učinkovitost cijelog pogonskog sustava◦povećava se složenost, veličina, masa i cijena pogonskog sustava◦reformer zahtijeva određeno vrijeme zagrijavanja za početak proizvodnje vodika (15 do 30 min) što se, doduše, može riješiti primjenom hibridnih izvedbi◦dugoročno gledano, nečistoće iz goriva nepovoljno djeluju na reformer, a dodatni produkti reformera na gorive ćelije (o čemu još nema dovoljno podataka).
Gorive ćelije za proizvodnju električne energije
Stacionarna postrojenja gorivih ćelija za proizvodnju električne energije mogu se podijeliti prema nekoliko osnovnih načela:◦namjeni◦povezanosti s potrošačima (mrežom)◦nazivnoj izlaznoj snazi◦odgovaranju na opterećenja◦vrsti goriva◦smještaju◦mogućnosti kogeneracije.
S obzirom na namjenu, stacionarna postrojenja gorivih ćelija mogu biti:◦osnovni izvor energije, kada u cijelosti zamjenjuju postojeći sustav opskrbe ili su mu konkurent ili kada sustava uopće nema (npr. u ruralnim područjima, na otocima i sl)◦dodatni (pomoćni) izvor energije, u paralelnom radu s elektroenergetskim sustavom, za pokrivanje temeljnih ili vršnih opterećenja◦dodatni izvor energije u kombiniranom sustavu s obnovljivim izvorima koji ne mogu uvijek pokrivati potrošnju (FN sustavi, vjetroelektrane)◦pričuvni izvor energije, u slučaju prekida uobičajene opskrbe.
Prema povezanosti s mrežom, odnosno elektroenergetskim sustavom (tj. potrošačima), stacionarna se postrojenja gorivih ćelija mogu izvesti:◦u paralelnom načinu rada s mrežom: postrojenje pokriva većinu potreba svojih potrošača, osim u kratkom razdoblju vršnog opterećenja kada se mogu opskrbljivati i iz mreže◦u interkonektiranom načinu rada s mrežom: postrojenje je stalno povezano s elektroenergetskim sustavom (mrežom)◦samostalno: potrošači su spojeni samo na vlastitu mrežu postrojenja koje mora biti sposobno odgovarati na promjene opterećenja◦kao pričuvna: postrojenje se uključuje samo u slučaju prekida uobičajene opskrbe (osobito duljeg od 30 min) i mora imati mogućnost brzog uključivanja te se često kombinira s baterijskim ili drugim pričuvnim izvorima.
Stacionarna se energetska postrojenja gorivih ćelija prema nazivnoj izlaznoj snazi dijele u četiri osnovne skupine, o čemu ovise područja primjene:◦sa snagom manjom od 10 kW: za obiteljske kuće, kampove, prijenosne električne generatore itd.◦sa snagom između 10 i 50 kW: za stambene zgrade i manja naselja, obrtničke pogone, restorane, trgovine, manje robne kuće i sl.◦sa snagom između 50 i 250 kW: za veća naselja, poslovne zgrade, bolnice, hotele, vojarne i sl.◦sa snagom većom od 250 kW (primjena gorivih ćelija s polimernom membranom u tom području više nije isplativa).
Prema odgovaranju na promjene opterećenja, stacionarna postrojenja gorivih ćelija mogu biti:◦s praćenjem opterećenja, kada je postrojenje dimenzionirano na najveće moguće opterećenje kod potrošača ili kada pokriva opterećenje samo do nazivne izlazne snage nakon čega se uključuju dodatni, vršni izvori (baterije, ultrakapacitori, mreža)◦sa stalnim opterećenjem, kada postrojenje mora raditi u paralelnom načinu rada s mrežom.
Stacionarna postrojenja gorivih ćelija mogu koristiti različita goriva:
◦čisti vodik: koristi se samo kada postrojenja služe kao pričuvni izvor i kada su opremljena elektrolitičkim generatorom vodika koji se proizvodi pomoću energije iz mreže ili u industrijskim pogonima u kojima se može proizvoditi vodik
◦prirodni plin: koristi se u najvećem broju slučajeva zahvaljujući razgranatoj opskrbnoj mreži (npr. za obiteljske kuće, stambene i poslovne zgrade, naselja itd)
◦propan: koristi se umjesto prirodnog plina, ako ne postoji plinoopskrbni sustav
◦kapljevita goriva: loživo ulje, benzin, dizel, metanol, etanol.
Prema smještaju, stacionarna energetska postrojenja gorivih ćelija mogu biti:
◦na otvorenom, pri čemu se mora osigurati otpornost na vanjske utjecaje (npr. u kontejneru)
◦u zatvorenom prostoru, pri čemu valja poštivati norme i propise koji to određuju
◦u odvojenoj (split) izvedbi, kada je jedan dio sustava vani (npr. priprema goriva, sklop gorivih ćelija), a jedan dio unutra (npr. regulacija i sl).
Konačno, svako se stacionarno postrojenje gorivih ćelija može podijeliti i s obzirom na mogućnost kogeneracije, odnosno dodatnog iskorištavanja toplinske energije koja potječe iz procesa u samom sklopu, ali i iz procesora goriva i otpadnog plina. Dobivena se toplina može tada koristiti, primjerice, u sustavima pripreme potrošne tople vode, kao dodatni izvor topline u sustavima grijanja ili u sustavu toplinske crpke. U takvim se slučajevima ukupna učinkovitost može povećati i na 90%.
Ekonomičnost stacionarnih postrojenja gorivih ćelija uvjetovana je s nekoliko glavnih čimbenika:
◦cijenom goriva i električne energije: postrojenja su isplativa samo u područjima gdje je struja skupa, a plin jeftin pri čemu omjer njihovih cijena mora biti veći od recipročne vrijednosti učinkovitosti sustava (tj. ako je učinkovitost 33%, cijena plina mora biti 3 puta manja od cijene struje)
◦učinkovitošću sustava: najčešće između 35 i 40%, pri čemu veća učinkovitost znači manju potrošnju goriva i manje pogonske troškove
◦faktorom učinka, odnosno odnosom između stvarno proizvedene električne energije u nekom razdoblju i energije koja bi se u isto vrijeme proizvela pri nazivnoj snazi, pri čemu postrojenja s višim faktorom učinka imaju kraće vrijeme povrata ulaganja i stoga su ekonomski isplativija
◦ukupnom cijenom sustava, pri čemu se granicom isplativosti smatra 1000 USD/kW, odnosno 1500 USD/kW kada je omjer cijene struje i plina velik te za velike potrošače
◦vijekom trajanja koji se za sustave za opskrbu kuća, zgrada i naselja procjenjuje na 5 godina (oko 40 000 pogonskih sati)
◦raznim dodatnim čimbenicima (troškovima održavanja, prodajom energije mreži, kogeneracijom, programima potpore primjeni takvih sustava i sl).
Gorive ćelije za primjenu u sustavima grijanja
Primjena gorivih ćelija u kotlovima za sustave grijanja i pripremu potrošne tople vode u obiteljskim kućama, stambenim ili poslovnim zgradama, manjim naseljima i manjim industrijskim pogonima omogućava još veću uporabu prirodnog plina kao primarnog izvora energije, što je još jedan velik doprinos smanjivanju onečišćenja okoliša. Uz to se kod primjene gorivih ćelija, osim topline, istodobno proizvodi i električna energija pa su takvi kotlovi zapravo male decentralizirane kogeneracijske elektrane. Osim potreba za toplinom za grijanje i pripremu potrošne tople vode, time se može pokrivati i jedan dio potreba za električnom strujom, čime se izbjegavaju gubici do kojih dolazi pri prijenosu i transformaciji struje. Isto tako, u određenom se omjeru omogućava smanjenje proizvodnje iz elektrana na fosilna goriva, čime se neposredno smanjuje onečišćenje okoliša.
Jedna se takva kotlovska jedinica s gorivim ćelijama sastoji od:
◦sustava za pripremu i obradu goriva (pročišćavanje plina, reformiranje)
◦sklopa gorivih ćelija
◦sustava za pripremu vode
◦izmjenjivača topline
◦invertora
◦dodatnog izvora topline (najčešće kondenzacijskog kotla)
◦automatske regulacije.
Dio na čijem se razvoju trenutačno najviše radi jest sustav za pripremu i obradu goriva. Osnovno je gorivo također prirodni plin koji se prethodno mora pročistiti od sumpornih spojeva (iz odoranata) i ostalih onečišćenja koja bi mogla oštetiti katalizator. U reformeru dolazi do miješanja plina, vodene pare i zraka pri čemu nastaje procesni plin obogaćen vodikom. Nakon ovlaživanja, procesni se plin dovodi do anoda, gdje dolazi do reakcije u kojoj nastaju struja i toplina. Kako je nastala struja istosmjerna, treba se pretvoriti u izmjeničnu (230 V / 50 Hz), za što služi pretvarač. Toplina oslobođena pri reakciji odvodi se s dimnim plinovima (koji se gotovo potpuno sastoje od CO 2 ) do izmjenjivača gdje se predaje sustavu grijanja. Uz to postoji i mogućnost (posebice pri modulirajućem načinu rada) dodatnog izgaranja zaostalog vodika iz dimnih plinova u posebnom plameniku. Pri tome oslobođena toplina može poslužiti za predgrijavanje sastojaka koji ulaze u reformer.
Za pokrivanje vršnih potreba za toplinom (npr. za vrijeme iznimno hladnih zimskih dana) služi dodatni kotao, u pravilu u kondenzacijskoj izvedbi, a postoji i mogućnost priključivanja na sustav pripreme potrošne tople vode. Za dimne plinove nastale u oba kotla predviđen je jedinstven sustav odvođenja, tj. zajednički dimnjak.
solarserdar.blogspot.com
Proizvodnja vodika mogla bi revolucionarizirati tržište alternativne energije
Vodik je prvi u nizu elemenata periodnog sustava. To je plin bez boje i mirisa, netopljiv u vodi. Procjenjuje se da 90% svih atoma, odnosno skoro 3/4 mase Svemira, otpada na vodik. Spaja se s gotovo svim ostalim elementima, a jedan je od bitnih sastojaka cjelokupne žive materije. Znanstvenici su proizveli umjetni benzin - novo se gorivo temelji na vodiku, a cijena bi mu mogla biti samo oko kunu i 60 lipa po litri. Ideja je vrlo jednostavna - vodik i kisik međusobno reagiraju i stvaraju vodu, a kod tog se procesa oslobađaju velike količine energije, a ima je tri puta više od nafte po jedinici težine. Stoga je ova metoda ekološki prihvatljiva i jeftina. Tim Virginia Tech istraživača otkrio je način za izdvajanje velikih količina vodika iz bilo koje biljke - prekretnica koja ima potencijal donijeti jeftin, ekološki prihvatljiv izvor goriva svijetu. „Naš novi postupak mogao bi privesti kraju našu ovisnost o fosilnim gorivima", rekao je Y.H. Percival Zhang, izvanredni profesor inženjerstva bioloških sistema na College of Agriculture and Life Sciences i College of Engineering. „Vodik je jedno od najvažnijih biogoriva budućnosti." Zhang i njegov tim uspjeli su u iskoristiti ksilozu, najobilniji jednostavni biljni šećer, za stvaranje velike količine vodika koji je prethodno bio dostupan samo u teoriji. Zhangova metoda može se izvesti na bilo kojem izvoru biomase. Otkriće je objavljeno u online izdanju kemijskog časopisa Angewandte Chemie, International Edition. Nova ekološki prihvatljiva metoda proizvodnje vodika koristi obnovljive prirodne resurse, gotovo da i nema emisije stakleničkih plinova i ne zahtijeva skupe ili teške metale. Prijašnje metode za stvaranje vodika skupe su i stvaraju stakleničke plinove. U.S. Department of Energy smatra da vodik kao gorivo ima potencijal drastično smanjiti ovisnost o fosilnim gorivima pa proizvođači automobila silno nastoje razviti vozila koja se pokreću vodikom. Za razliku od plinskih motora koji izbacuju zagađivače, jedini nusprodukt goriva vodika je voda. Zhangovo otkriće otvara vrata jeftinim, obnovljivim izvorima vodika. Jonathan R. Mielenz, vođa grupe Odjela za bioznanosti u Oak Ridge National Laboratory, koji je upoznat sa Zhangovim radom, ali nije povezan s ovim projektom, tvrdi da ovo otkriće ima potencijal razviti velik utjecaj na alternativnu proizvodnju energije. „Ključno je u ovom uzbudljivom otkriću to što Zhang koristi drugi po redu prevladavajući šećer u biljkama kao bi proizveo vodik", rekao je. „To donosi značajnu dodatnu korist proizvodnji vodika i smanjuje ukupni trošak proizvodnje vodika iz biomase." Mielenz kaže da bi Zhangov postupak mogao pronaći svoje mjesto na tržištu u roku tri godine, ako tehnologija bude dostupna. Zhang je rekao da kada ovo gorivo postane komercijalno dostupno, ono ima mogućnost stvaranja golemog odskoka. „Potencijal za profit i ekološke prednosti su razlozi zašto toliko mnogo automobilskih, naftnih i energetskih kompanija radi na razvoju vozila na vodik kao transportu budućnosti", rekao je Zhang. „Mnogi ljudi vjeruju da će vodik uskoro ući u gospodarstvo, s tržišnom vrijednosti od najmanje trilijun dolara samo u SAD-u." Prepreke komercijalnoj proizvodnji goriva vodika iz biomase uključivale su visoke troškove korištenih postupaka i relativno malu količinu krajnjeg proizvoda. Zhang misli da je pronašao odgovore na te probleme. Sedam godina Zhangov tim bio je fokusiran na pronalaženje netradicionalnih načina za proizvodnju veće količine vodika po niskoj cijeni, posebno istraživanjem kombinacije enzima, otkrivanjem novih enzima i stvaranjem enzima s poželjnim svojstvima. Tim oslobađa vodik visoke čistoće pod blagim reakcijskim uvjetima, pri 122 F (50 °C) i normalnom atmosferskom tlaku. Biokatalizatori korišteni za oslobađanje vodika skupina su enzima umjetno izoliranih iz različitih mikroorganizama koji uspijevaju na visokim temperaturama, od kojih se neke može uzgajati na temperaturi vrenja vode. Istraživači su izabrali korištenje ksiloze, koja čini oko 30% biljnih staničnih stijenki. Unatoč obilju, upotreba ksiloze pri otpuštanju vodika ograničena je. Prirodni ili sintetski mikroorganizmi koje mnogi znanstvenici koriste u svojim istraživanjima ne mogu proizvoditi vodik u velikim količinama jer oni sami rastu i razmnožavaju se umjesto da cijepaju molekule vode na prinos čistog vodika. Kako bi oslobodili vodik, znanstvenici s Virginia Tech odvojili su niz enzima iz matičnih mikroorganizama kako bi stvorili prilagođeni koktel enzima koji se ne pojavljuje u prirodi. Enzimi, u kombinaciji s ksilozom i polifosfatom, oslobađaju neusporedivo velike količine vodika iz ksiloze, što rezultira stvaranjem otprilike tri puta veće količine vodika nego ostali mikroorganizmi koji stvaraju vodik. Energija pohranjena u ksilozi dijeli molekule vode, dajući vodik visoke kakvoće koji se može izravno koristiti u protonskoj izmjeni. Što je još primamljivije, ta se reakcija javlja pri niskim temperaturama, stvarajući energiju vodika veću od kemijske energije pohranjene u ksilozi i polifosfatu. To rezultira energetskom učinkovitosti većom i od 100% - neto dobitak energije. Znači da se suvišna toplina po prvi put može iskoristiti za proizvodnju visokokvalitetne kemijske energije vodika. Ostali procesi koji pretvaraju šećer u biogoriva, poput etanola i butanola, uvijek imaju energetsku učinkovitost manju od 100%. U prijašnjem istraživanju, Zhang je koristio enzime kako bi stvorio vodik iz škroba, ali je reakcija zahtijevala izvor hrane pa je proces preskup za masovnu proizvodnju. Komercijalno tržište sada iznosi 100 bilijuna dolara za vodik proizveden od prirodnog plina, što je skupo i stvara veliku količinu stakleničkog plina, ugljičnog dioksida. U industriji se vodik najčešće koristi za sintezu amonijaka za gnojiva i preradu petrokemikalija, ali jeftin, izdašan zeleni izvor ugljika mogao bi to brzo promijeniti.„Doista nema smisla koristiti neobnovljive prirodne resurse za stvaranje vodika", rekao je Zhang. „Smatramo da je ovo otkriće prekretnica u svijetu alternativne energije."
Izvor: Virginia Tech
