Vodík z plantáží

PETR HENEBERG  |  Technika
Vodík z plantáží

První palivový vodíkový článek sestrojil už roku 1839 anglický vikář a fyzik Sir William Grove. I když se o vodíku stále více uvažuje jako o palivu blízké budoucnosti, nedaří se vyřešit naprosto zásadní problém -energetickou náročnost jeho výroby. Většina vodíku je proto v dnešní době produkována petrochemickými metodami. To ale naprosto popírá smysl použití vodíku jako ekologického paliva. Usilovně se proto hledají novátorská řešení. Jedno z nich se objevilo v relativně nedávné době.

Drobné, často téměř neviditelné řasy jsou donedávna neprávem opomíjeným zdrojem nejrůznějších energeticky využitelných substrátů. Využívá se jejich schopnosti zachycovat sluneční záření a skladovat je ve formě chemických vazeb, jinými slovy vytvářet třeba surovinu pro výrobu bionafty, metanu či vodíku.

Jako modelový organismus se nejčastěji používá zelená řasa s latinským názvem Chlamydomonas reinhardtii, česky zvaná pláštěnka nebo koulenka. Za nedostatku kyslíku je řasa během několika minut schopna zahájit světlem aktivovanou produkci vodíku. Z pohledu řasy jde o sebezáchovnou reakci, která probíhá v rámci procesu fotosyntézy. Fotosyntéza je dvojrychlostní reakcí, kdy některé děje vyžadující světlo probíhají rychleji než jiné, které světlo nevyžadují (syntéza cukrů). Při syntéze cukrů je produkován kyslík, který přebytečné elektrony váže. Jenže kyslíku je v prvních chvílích málo, a tak vzniká situace, kdy je nově vzniklé elektrony nutno rychle někam udat. Řasa si za tímto účelem vyvinula právě produkci vodíku.

Jde však vždy jen o krátkodobou záležitost. Jakmile syntéza cukrů a kyslíku dosáhne požadované úrovně, produkce vodíku řasou se opět zastaví. Vodík by tedy řasa produkovat uměla. Je ale nutné dosáhnout toho, aby jeho produkce byla pokud možno konstantní, nebo přinejmenším trvala déle než výše zmiňovaných několik málo minut. Vědci za tímto účelem vyvinuli několik možných cest. První z nich spočívá v oddělení aktivace enzymu hydrogenázy (produkujícího vodík) od procesu fotosyntézy. Druhá v pozměnění struktury hydrogenázy tak, aby s kyslíkem pokud možno nebyla vůbec schopna reagovat. Změny koncentrace kyslíku v řase poté již nemohou ovlivňovat úroveň produkce vodíku a ta je i trvalého charakteru.

Zároveň je nutno změnit zdroj elektronů, které se už neodvozují z nově vznikajících cukrů (jako při klasické fotosyntéze), ale ze zásobních škrobů, které má buňka uloženy na horší časy.

Je to jako s pivem

Řasa Chlamydomonas reinhardtii je dodnes nejefektivnějším známým zdrojem vodíku mezi vodními řasami i jinými organismy. Je ale možné, že bude časem objeven organismus s výrazně efektivnější produkcí vodíku bez nutnosti dalších genetických manipulací. Ve skutečnosti je totiž schopnost produkce vodíku mezi mikroorganismy široce rozšířena. Existuje nejméně pět rodů a desítky druhů řas, které ji zvládnou. A to nemluvíme o dalších drobnějších mikroorganismech, jako jsou různé bakterie. Ale i v rámci jednotlivých druhů řas je obrovská variabilita, některé kmeny vodík ochotně produkují, jiné nikoli. Pro lepší přiblížení – je to podobné jako s produkcí piva. Všechny pivovary používají víceméně stejný druh pivovarské kvasinky, ale přitom každé pivo chutná jinak a do značné míry za to mohou právě odlišnosti mezi kmeny kvasinek kultivovanými v jednotlivých pivovarech. A přitom jde vždy o tentýž druh.

O vodíkové hospodářství není zájem jen v dopravě - koncept vodíkového města od 202 Collaborative.

Z kuriozity k patentu

Za normálních okolností je produkce vodíku řasami časově velmi omezená. Sice se už před sedmdesáti lety objevilo, že řasy jsou této produkce schopny, ale až do roku 2000 to bylo považováno za nevyužitelnou a nepraktickou kuriozitu. V tomto roce ovšem publikoval výsledky svých výzkumů jistý Anastasios Melis z kalifornského Berkeley. Spolu se svými kolegy v ní popisuje převratnou novinku – přidali k řasám do vody síru a řasy byly najednou schopny produkovat vodík kontinuálně po několik dní. V čem je princip? Přidání síry neovlivní akumulaci uhlíku a tím ani aktivaci hydrogenáz produkujících vodík. Zastaví ale druhou část fotosyntetického cyklu, ve které se vytváří kyslík. Když chybí kyslík, hydrogenázy jsou za světla nepřetržitě aktivní. Systém jede na plné obrátky po několik dní. Pak se ovšem zastaví a řasa odumírá, protože v prostředí plném síry a navíc bez kyslíku většina organismů prostě neumí dlouhodoběji existovat.

Máme tedy řasy, které umějí až desítky hodin kontinuálně produkovat vodík. Poté ale umírají. Co s tím? Odpověď je nasnadě – nechat řasy růst po určitou dobu ve vodě obohacené sírou (aby produkovaly vodík) a poté k nim načerpat čerstvou vodu bez síry, která jim umožní se vzmátořit a obnovit správných chod procesů nezbytných pro přežívání. Tento cyklus by se měl dát opakovat v podstatě donekonečna. Stejná myšlenka napadla i výzkumníky v Berkeley, a tak nedávno přihlásili patent, na jehož základě se chystá firma Melis Energy vyvinout technické zařízení, které bude za pomoci zmíněné řasy vyrábět vodík komerčně. Půjde právě o princip střídání přísunu vody (+ živin) se sírou a bez síry. Celému procesu se říká anaerobní „rezervní“ fotosyntéza.

koncept vodíkového města

Vodík, nebo něco jiného?

Vždy, když ceny ropy trochu povyrostou, znásobí se investice do výzkumu alternativních zdrojů energie. Platilo to při ropné krizi v sedmdesátých letech, platí to i nyní. Problémem je, že nikdo neví, co je tou nejlepší cestou. V získávání etanolu ze zemědělských plodin věří dnes snad už jen Brazilci, kterým jejich systém celkem dobře funguje už pěkných pár let. V zemích s větším zalidněním a zároveň s nižší produktivitou půdy je to ale problém. Pokusy vlád západních zemí, včetně té naší, o zavedení kvót na přidávání bioetanolu do benzinu skončily dramatickým nárůstem ceny potravin a problémy s nežádoucí intenzifikací zemědělství. Tudy cesta nevede, pokud by měl etanol živit všechna auta na Zemi, musela by se buďto dramaticky zvýšit účinnost motorů, anebo by došla dostupná orná půda.

Navíc, etanol má jednu podstatnou nevýhodu. Váže se na něj voda. Když si tedy lejeme do nádrže palivo s příměsí bioetanolu dlouhodobě, začne nám reznout nádrž. Bude nutné najít jinou cestu. Možná to bude dnes preferovaný vodík, který má ale nevýhodu ve své výbušnosti a poněkud nepraktické nutnosti stlačování. Pravděpodobnější je, že vodík je jen mezikrokem, a že se brzy více rozšíří biopaliva s delším uhlíkatým řetězcem, než má etanol. Nemají korozivní účinky, není nutné je stlačovat, zacházení s nimi je poměrně bezpečné a především jejich získávání není energeticky náročné, hlavním hitem je dnes především isobutanol. Ale o tom zase až někdy příště.

Pláštěnka neboli koulenka

Oba tyto české názvy byly kdysi vymyšleny pro skupinu jednobuněčných zelených řas rodu Chlamydomonas. Nejznámější z nich je Chlamydomonas reinhardtii, asi setinu milimetru velká kulovitá řasa vybavená navíc dvěma bičíky. Vyskytuje se běžně v půdě i ve sladkých vodách, dá se taky celkem snadno pěstovat v laboratorních podmínkách. Roku 1939 jistý Hans Gaffron z Chicagské univerzity objevil, že tato řasa je schopna produkovat za určitých podmínek při fotosyntéze vodík.

Dělá to za pomoci dvou enzymů zvaných hydrogenázy, které mají ale jeden podstatný háček. Tyto enzymy jsou aktivní jen v případě, že buňka postrádá kyslík. Jenže nedostatek kyslíku je u všech slušných organismů neslučitelný se životem (i když výjimky se najdou), takže řasa dokáže produkci vodíku udržet jen po určitou poměrně krátkou periodu. Výhodou je, že k výše popsané produkci vodíku člověk nic nepotřebuje – jen vodu, světlo a řasu.

koncept vodíkového města

Vodík je jen mezikrok

Většinu problémů se skladováním a bezpečností při manipulaci s vodíkem se po čase podařilo zvládnout a vodík dnes představuje využitelné alternativní palivo. Problémem je ale enormní energetická náročnost jeho získávání. Proto se kromě vylepšování metod jeho produkce zaměřuje pozornost i na jeho alternativy. Nedávno byly připraveny bakterie (E. coli) s genomem pozměněným tak, že produkovaly sloučeniny jako isobutanol, 1-butanol, 2-metyl-1-butanol, 3-metyl-1-butanol a 2-fenyletanol.

Hlavně ten první, isobutanol, je v hledáčku hned několika vědeckých týmů. Má ovšem řadu výhod. Jde o čtyřuhlíkatý alkohol, čili se do něj vejde více energie. Má o ~30% vyšší výhřevnost než etanol a je jen o 5% méně výhřevný než benzín (etanol naopak výkonost motorů snižuje). Je mísitelný s klasickými palivy. A hlavně, neslučuje se s vodou, takže kovy ve styku s ním nekorodují – lze jej tedy přepravovat třeba i klasickými ropovody. Druhým hitem posledních let je tvorba alkanů.

Jde opět o uhlíkaté sloučeniny různé délky, tentokrát ale bez hydroxylové (-OH) skupiny charakteristické pro alkoholy jako ethanol nebo isobutanol. Jedno z technických řešení navrhla Wisconsinská univerzita v Madisonu, kde za pomoci tlaku, vysoké teploty a přídavku vodíku proměňují biomasu právě na alkany. Údajně dokážou z použitého materiálu dostat až 90% využitelné energie, což je v porovnání s klasickou destilací obilí na etanol dramatickým pokrokem.

Produkce vodíku

Při dnes rozšířených metodách destilace biomasy na alkohol totiž podíl využité energie dosahuje údajně jen asi 33 %, její zbývající část padne na procesy spojené s fermentací a destilací. Na jednotku vložené energie dnešními standardními procesy získávání etanolu dostaneme zpět jen něco kolem 1,1 jednotky. Při získávání alkanů naopak odpadá proces destilace, která sama o sobě je energeticky velmi náročná. Alkany se totiž ze směsi s vodou samovolně oddělují. Na jednotku vložené energie se v dnešních poloprovozech na získávání alkanů daří dostat kolem 2,2 jednotky energie zpět.

Věříte, že má vodík v energetice budoucnost? Hlasovat v anketě můžete zde

Nejčtenější