211service.com
Fahren von Autos mit Wasserstoff aus Stärke
Unter Verwendung eines Eintopfs von Enzymen, die aus mehreren Organismen entnommen wurden, haben Forscher eine Möglichkeit entwickelt, Stärke, die aus zahlreichen Quellen, einschließlich Mais und Kartoffeln, erhältlich ist, bei niedrigen Temperaturen und Drücken in Wasserstoffgas umzuwandeln. Das Verfahren produziert dreimal mehr Wasserstoff als ein älteres enzymatisches Verfahren, was darauf hindeutet, dass es praktisch sein könnte, solche Enzyme zur Herstellung von Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge zu verwenden.
Obwohl Brennstoffzellenfahrzeuge attraktiv sind, weil sie keine Schadstoffe emittieren, war es eine Herausforderung, saubere und erschwingliche Wege zu finden, um Wasserstoff zu produzieren, zu transportieren und zu speichern, um sie zu betanken. Am häufigsten wird Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser ist energieintensiv und kann teuer sein. Das neue System verbessert andere experimentelle Methoden zur Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse unter Verwendung niedriger Temperaturen und macht es potenziell bequemer und energieeffizienter.
Die Forscher – aus Virginia Tech , in Blacksburg, Virginia; Oak Ridge National Laboratory ; und der University of Georgia in Athen – kombinierten 13 kommerziell erhältliche Enzyme, die aus Hefe, Bakterien, Spinat und Kaninchenmuskel isoliert wurden. Die Arbeit ist Online verfügbar in Plus eins , eine Zeitschrift herausgegeben von der Öffentliche Wissenschaftsbibliothek . Der Wasserstoff stammt aus zwei Quellen: der Stärke und dem Wasser, das zur Oxidation der Stärke verwendet wird. Die Enzyme ermöglichen chemische Reaktionen, bei denen Wasser und Stärke vollständig in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden können, sagt Y. Percival Zhang , Professor für biologische Systeme an der Virginia Tech. (Das freigesetzte Kohlendioxid wird durch das Kohlendioxid ausgeglichen, das von Pflanzen aufgenommen wird, die die Stärke liefern.)
Das neue System produziert eine höhere Wasserstoffausbeute als bisherige experimentelle Systeme, die Enzyme zur Umwandlung von Zucker in Wasserstoff verwendeten. Aber während die Wasserstoffausbeute hoch ist, sind die Geschwindigkeiten, mit denen das Gas produziert wird, bisher extrem niedrig. Das liegt zum Teil daran, dass die Forscher handelsübliche Enzyme verwendet und das System nicht optimiert haben, sagt Zhang. Das nächste Projekt der Wissenschaftler wird es beinhalten, jede Phase des Prozesses im Detail zu analysieren, um die geschwindigkeitsbegrenzenden Schritte zu finden.
Zum Beispiel könnte eines der Enzyme ein Nebenprodukt produzieren, das spätere Schritte verlangsamt, sagt Michael Adams , Professor für Biochemie und Molekularbiologie an der University of Georgia. Die Forscher würden dann nach anderen Enzymen suchen oder vorhandene modifizieren, um das Nebenprodukt zu minimieren. Sie werden auch nach Enzymen suchen, die bei höheren Temperaturen arbeiten können. Wenn Sie die Temperatur um 10 Grad erhöhen, können Sie die Reaktionsgeschwindigkeit in den meisten Fällen verdoppeln, sagt Zhang.
Eine der ersten Anwendungen des Systems, sagt Zhang, könnte die Erzeugung von Wasserstoff für Brennstoffzellen in tragbaren Elektronikgeräten sein. Die Stärke könnte eine sicherere Art der Energiespeicherung sein als die Verwendung von Methanol, einer derzeit führenden Option für solche kleinen Brennstoffzellensysteme. Er schätzt, dass es etwa sechs bis acht Jahre dauern wird, bis die Raten für solche Anwendungen ausreichend verbessert sind. Schließlich hofft er, mit seinem Verfahren eines der derzeit größten Probleme bei Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeugen lösen zu können: genug Wasserstoff an Bord zu bringen, um mit benzinbetriebenen Fahrzeugen konkurrieren zu können.
Einige Beamte des Energieministeriums (DOE) bezweifeln jedoch, dass das gesamte System für den Einsatz an Bord leicht genug sein wird. Sunita Satyapal , der Leiter des Wasserstoffspeicherteams bei DOE, stellt fest, dass die Schätzungen der Forscher das Gewicht des Wassers oder der anderen Ausrüstung, die zur Herstellung des Wasserstoffs benötigt wird, nicht einschließen. Diese Dinge könnten das Gewicht des Systems mehr als verdoppeln, sagt sie, selbst wenn das von der Brennstoffzelle produzierte Wasser recycelt wird. Das System wird wohl zu schwer sein, um dem Fahrzeug eine mit Benzinmotoren konkurrenzfähige Reichweite zu verschaffen, vermutet Satyapal.
Sie weist auch darauf hin, dass die Wasserstoffproduktionsrate jetzt um Größenordnungen niedriger ist, als sie für die Verwendung in Fahrzeugen erforderlich wäre, und es sehr schwierig, wenn nicht unmöglich sein wird, diese Rate ausreichend zu verbessern.
Aber selbst wenn das neue System für die Wasserstofferzeugung in einem Auto nicht geeignet ist, könnte es sich schließlich für die Herstellung von Wasserstoff an Tankstellen als nützlich erweisen. Eine der Herausforderungen bei der Wasserstoffproduktion sind die Kosten für die Komprimierung und den Transport von Wasserstoff von zentralen Standorten aus. Eine Vor-Ort-Produktion mit Enzymen an Tankstellen oder sogar zu Hause könnte diese Probleme umgehen. Bei solchen Anwendungen kann die Wasserstoffproduktionsrate geringer sein als an Bord eines Fahrzeugs, da der Wasserstoff rund um die Uhr in relativ großen Tanks produziert werden kann.
Dennoch stehen einige dem Grundkonzept der Verwendung von Stärke zur Herstellung von Kraftstoff skeptisch gegenüber. Essen zu Wasserstoff zu machen ist keine so gute Idee, sagt John Deutch , ein Chemieprofessor am MIT. Tatsächlich erhöht die Nachfrage nach Mais zur Herstellung von Ethanol bereits die Lebensmittelpreise. Die Verwendung von Maisstärke zur Herstellung von Wasserstoff könnte das Problem verschlimmern.
Zhang merkt jedoch an, dass die Verwendung von Stärke zur Herstellung von Wasserstoff eine viel bessere Nutzung des verfügbaren Mais wäre als die Umwandlung in Ethanol: Brennstoffzellen können dreimal effizienter sein als ethanolverbrennende Verbrennungsmotoren. Dennoch sieht er Stärke als Übergangslösung. Zhang entwickelt auch eine Version des Verfahrens, die mit Zellulose beginnt, die vor allem in den Nonfood-Teilen von Pflanzen vorkommt.