До сих пор наиболее распространенным способом утилизации зеленых отходов и осадка сточных вод было их компостирование или сжигание. Однако использование этих материалов для производства ценного источника энергии водорода было бы гораздо более целесообразным. Над достижением этой цели работает группа исследователей из Фраунгоферовского института производственной инженерии и автоматизации IPA. Улавливание CO 2 является ключом к этому развитию: CO 2 , образующийся при производстве водорода из отходов, отделяется и затем используется в качестве сырья, например, в химической промышленности. Таким образом, исследовательская группа может производить углерод-отрицательный водород из органических отходов, используя различные процессы, которые впоследствии удаляют CO 2 из атмосферы.
В Германии нет недостатка в органических отходах. По данным Немецкого агентства по охране окружающей среды, только в прошлом году в компостных баках немецких домохозяйств оказалось около 4,6 млн тонн этого вещества. Это не считая отходов общественных парков и садов, сельского хозяйства и производства продуктов питания, а также осадка сточных вод и остатков столовых — в сумме получается добрых 15 миллионов тонн. Большая часть его отправляется на компостные заводы или сжигается для выработки тепла и электричества. Это создает выбросы двуокиси углерода (CO 2 ), которые вредят нашему климату.
«Органические отходы слишком ценны, чтобы их можно было использовать таким образом», — говорит Йоханнес Фулл, глава группы устойчивого развития биоинтеллектуальных технологий Fraunhofer IPA в Штутгарте. «Было бы более разумно использовать материал для производства водорода. CO 2 , выделяемый в процессе, можно было бы затем отделить, хранить или использовать в промышленных целях». Многие считают водород экологически чистым энергоносителем будущего. При ее использовании в процессах преобразования энергии выделяется только вода. Но в нынешнем виде водород по-прежнему в основном производится из природного газа. Производственный процесс, основанный на растительных остатках, был бы гораздо более благоприятным для климата, почти так же, как электролиз с использованием возобновляемого электричества.
Снижение уровня CO 2 в атмосфере
В последние несколько лет было разработано множество процессов преобразования биомассы в водород. В своем анализе Фулл и его коллеги оценили, какие из этих процессов являются технологически зрелыми и могут эффективно работать в будущем. Ожидается, что новые методы преобразования также станут ответом на определенную слабость в традиционном управлении органическими отходами: независимо от того, компостируется ли биомасса или сжигается, она всегда выделяет углекислый газ, который растения заранее поглощали из воздуха посредством фотосинтеза.
Было бы разумнее улавливать этот парниковый газ на заводах с намерением либо использовать его в качестве сырья в химической промышленности, либо хранить под землей на заброшенных месторождениях природного газа. «Таким образом, мы убиваем двух зайцев одним выстрелом», — говорит Фулл. «Мы способствуем сокращению количества углекислого газа в атмосфере, а также используем растительные остатки для производства зеленого водорода в процессе».
Использование биомассы в полной мере
Проект, который Fraunhofer IPA осуществляет с компанией металлургической промышленности, демонстрирует потенциал биомассы. В рамках этого проекта отходы местных садоводов и виноделов, а также картон, древесина и отходы столовых могут быть преобразованы в водород. Этот водород затем непосредственно используется в обработке металлов. Первым этапом процесса является ферментация остатков фруктов и столовых отходов с помощью бактерий в темных контейнерах для получения водорода и углекислого газа. Затем ферментированная масса может быть преобразована в метан посредством другого процесса ферментации на обычной биогазовой установке. Метан, в свою очередь, превращается в водород и CO 2 .
Напротив, древесные и бумажные волокна трудно ферментировать таким образом. Их можно расщепить на CO 2 и водород с помощью газификатора древесины. В рамках этого проекта Fraunhofer IPA сравнивает различные варианты процессов, чтобы помочь выбрать наиболее подходящие и эффективные технологии. Кроме того, исследователи IPA разрабатывают подходы к технической оптимизации для снижения затрат и обеспечения максимально возможной экологичности соответствующих процессов.
Производство водорода из пурпурных бактерий
Пурпурные бактерии особенно эффективно производят водород из фруктовых и молочных отходов. Исследователям из Штутгартского университета удалось модифицировать бактерию таким образом, что ей почти не требуется свет, а это означает, что процесс производства водорода требует меньше энергии. Вместе с Fraunhofer IPA они изучают экономически жизнеспособные методы производства водорода с помощью пурпурных бактерий в более крупных масштабах в будущем.
В рамках проекта H2Wood—BlackForest команда Fraunhofer IPA также сотрудничает с Институтом межфазной инженерии и биотехнологии Фраунгофера IGB, чтобы изучить, как микробы могут расщеплять древесные отходы с образованием водорода и других ценных молекул для химической промышленности. Другими партнерами по проекту являются Кампус Шварцвальд и Институт промышленного производства и менеджмента IFF Штутгартского университета.
Исследование промышленных водородных узлов в Баден-Вюртемберге
Исследование под названием «Промышленные водородные узлы в Баден-Вюртемберге» (сокращенно «I-H2-Hub-BW»), проведенное Fraunhofer IPA, демонстрирует, что зеленый водород может удовлетворить определенные потребности в энергии отдельных промышленных секторов и перевозки тяжелых грузов на региональном уровне. . Исследователи обнаружили, что децентрализованное производство и использование водорода окупаются, если распределительные центры (т. е. хабы) расположены стратегически. Используя экологически чистое электричество, эти центры управляют электролизёрами, которые расщепляют воду на водород и кислород. Во избежание транспортных расходов хабы должны находиться как можно ближе к потребителям. Таким образом, вторым важным критерием выбора места является потребность местной промышленности в технологическом тепле, высокотемпературных процессах и газообразном водороде, например, для производства азотных удобрений.
Инфраструктура не менее важна: «Идеальные места — рядом с оживленными дорогами с автопарками, где можно установить водородные заправочные станции», — говорит доктор Юрген Хенке, научный сотрудник Fraunhofer IPA. С помощью критериев местоположения исследовательская группа под руководством Хенке определила возможные места в Баден-Вюртемберге, прежде всего в столичном регионе Рейн-Неккар и в районе Большого Карлсруэ. С помощью компьютерного моделирования исследователи Fraunhofer IPA продемонстрировали, что в определенных сценариях 30% ископаемой энергии можно заменить в течение десяти лет зеленым водородом , произведенным в регионе, используя только собственные открытые пространства штата.
