Mára a fosszilis energiahordozók (kőolaj, kőszén, földgáz) féktelen „habzsolása”
következtében a Föld nem megújuló energiatartalékai mind inkább a kimerülés szélére kerülnek, mellyel párhuzamosan környezetünk is egyre növekvő károkat szenved el.
Napjainkban a kőolaj-finomítók minden 1 millió tonna feldolgozott kőolajra vonatkoztatva (az európai üzemek feldolgozó kapacitása 0.5-20 millió tonna/év) 20000-820000 tonna szén-dioxidot, 60-700 tonna nitrogén-oxidot, 10-3000 tonna port, 30-6000 tonna kén-dioxidot és 50-6000 tonna illékony szerves vegyületet (VOC) bocsátanak ki [Kovács, 2010]. Nyilvánvaló, hogy bolygónk további kizsákmányolásának és a környezet elszennyeződésének visszaszorítása érdekében szükség van a fosszilis készletek felhasználásának csökkentésére az azokat helyettesíteni képes megújuló energiaforrások használatának segítségével. A fosszilis energiahordozók (kőszén, kőolaj, földgáz) uralma 1960-1970-es évekig az energiaellátás minden területén töretlen volt. Az élhető környezet iránti egyre növekvő igény felerősödésével párhuzamosan 1967-1972 között jelentek meg az első olyan kezdeményezések, melyek a környezetbarát energiaforrások kutatását célozták meg, majd az 1973-as energiaválság ébresztette rá az emberiséget arra, hogy itt az ideje cselekedni, itt az ideje az alternatív energiahordozók irányába fordulni, s minél inkább függetleníteni magunkat a nem megújuló forrásoktól. Ennek szellemében még abban az évben megalakult a Miami Egyetemen (USA) a Clean Energy Research Institute (CERI), s ez volt az első olyan kutató intézet, amelynek célja a megújuló, „zöld” energiahordozók kutatása volt.
A megújuló energiaforrás olyan közeg, természeti jelenség, melyekből energia nyerhető ki, és amely akár naponta többször ismétlődően rendelkezésre áll, vagy jelentősebb emberi beavatkozás nélkül legfeljebb néhány éven belül újratermelődik. A „zöld”
energiaforrások használata lehetővé teszi a fenntartható fejlődés alapelveinek való megfelelést, vagyis ezek alkalmazása nem károsítja, szennyezi a környezetet, ugyanakkor nem gátolja a folyamatos emberi fejlődés lehetőségét sem. A CERI-ben dolgozó kutatók voltak az elsők, akik felvetették egy hidrogén alapú gazdaság, energiaellátó rendszer gondolatát. 1974-ben megalakult az International Association for Hydrogen Energy (IAHE), melynek vezetősége úgy döntött, hogy a hidrogénnel kapcsolatos kutatások eredményeinek, vívmányainak közkinccsé tétele érdekében létrehoznak egy hivatalos folyóiratot International Journal of Hydrogen Energy (IJHE) néven, melynek első kiadása 1976 januárjában jelent
9
meg. Az első hidrogénnel kapcsolatos világméretű konferenciát szintén ebben az évben tartották Miamiban.
Az évek múlásával a hidrogénnel kapcsolatos tudományterület egyre nagyobb ismertségre és népszerűségre tett szert, egyre több fontos felfedezés, eredmény látott napvilágot, melyet mi sem bizonyít jobban, minthogy az IJHE kezdetben negyedévi megjelenéssel indult, míg 2008-tól ez a szám már évi 24 kiadványra emelkedett. Az ipar és a hidrogénenergia közötti kapcsolatot illetően elmondható, hogy az 1974-től napjainkig terjedő időszakban a hidrogént az ipar számos területéről egyre fokozódó érdeklődés követi - kivéve a petrolkémiai ipart. Az IAHE vezetői az évek során többször próbálták érdemben felvenni a kapcsolatot az olajipari vállalatokkal, azonban ezek a próbálkozások rendre sikertelennek bizonyultak, ugyanis az olajipar képviselői szerint a hidrogéngazdaság nem volt más, mint egy „romantikus” elképzelés. Mindezek mellett a küzdelem nem bizonyult hiábavalónak, mivel 1998 augusztusában a Shell Oil Co. szakított az addigi általános gondolkodásmóddal, s létrehozta saját „Hidrogén Divízióját” elhagyva ezzel az „anti-hidrogén” konzorciumot. A Shell törekvéseit nem sokra rá követte a BP olajtársaság is, s ezzel az olajipar is elkezdett a hidrogénnel, mint ígéretes energiaforrással foglalkozni. Azt, hogy a hidrogén alapú energiaellátás már nem csak egy „romantikus” gondolat, több tény támasztja alá, melyre példaként szolgálhatnak a világszerte jelenleg is folyó kezdeményezések. Németországban például egy 7 ipari partnerből, 3 olajipari vállalatból, 1 ipari gáz gyártóból és 1 autó gyártóból álló konzorcium támogatásával megvalósuló „H2 mobility” projekt, míg Japánban a petróleum ipar számos tagját (Nippon Oil, Tokyo Gas, Showa Shell, Osaka Gas, Toko Gas, Air Liquid Japan, Idemitsu Kosan) tömörítő szervezet, a „H2 Supply Technology Association” jött létre azért, hogy lépéseket tegyenek egy a hidrogén-t (is) felhasználó energia ellátó rendszer létrehozására. Másik fontos példaként említhető, hogy több autógyártó cég (General Motors, Toyota, Ford, Honda, Daimler, Hyundai, Kia, Renault, Nissan) tervei között szerepel az is, hogy a jövőben üzemanyagcellás, hidrogén-meghajtású autók tömegét gyártsák le és állítsák forgalomba, s ennek elérésére évente dollár milliárdos nagyságrendű összegeket költenek kutatásra, fejlesztésre [Veziroglu, 2010].
A mai várakozások, előrejelzések szerint kb. 2040-2050-re jöhet el azaz időszak, amikor is az előállítási költségek, a szükséges infrastruktúra kiépítettsége, a technikai feltételek és a politika elhivatottsága olyan szintre kerülnek, hogy a hidrogénenergia nagymértékben képes lehet felváltani a hagyományos, jelenleg még szinte kizárólagosan fosszilis energiára épülő energiaellátó rendszereket [Lee, 2008].
10
1.1. A hidrogén biológiai előállításának koncepciója, megoldandó problémái
A hidrogén ideális energiahordozó környezetvédelmi, egészségügyi és energetikai szempontokból egyaránt, mivel tömegegységre vonatkoztatott energiatartalma nagyobb (120 MJ/kg), mint a metáné (földgáz), továbbá használatával nincs szennyezőanyag kibocsátás, ha alacsony hőmérsékleten, üzemanyag cellákban hasznosítjuk, hiszen oxidációjának terméke kizárólag víz, melynek eredményeképpen elkerülhető a regionális- és globális légszennyezettségért főként felelős NOx és CO2 gázok kibocsátása. A hidrogén üzemanyagcellákban való hasznosításával jelentősen nagyobb energia átalakítási hatásfok (ηüc~50-60 %) érhető el a hagyományos belsőégésű robbanómotorokhoz képest, melyek további előnye, hogy működésük csendes (mivel nincs bennük mozgó alkatrész), így a hidrogénnel működtetett üzemanyagcellás járműveknek, szállító eszközöknek nincs zajkibocsátása.
Ahhoz, hogy a hidrogén a jövő energiaforrása lehessen, mindenképpen környezetbarát eljárásokkal kell azt előállítanunk, napjainkban azonban az ipar különféle területein felhasznált hidrogén kb. 96%-át fosszilis alapon, főként metán vízgőzös reformálásával állítják elő, éves mennyisége mintegy 65-70 millió t (IEA, 2007). A hagyományos eljárásokon túlmenően a hidrogén megújuló forrásból, biológiai úton történő előállítása ígéretes, alternatív lehetőségnek tekinthető, azonban ehhez kapcsolódóan számos probléma vár még megoldásra, melyek döntően az előkezelés, előállítás, szeparálás, tárolás, felhasználás tárgykörét érintik (1.1. ábra).
1.1. ábra – A biológiai módszerrel történő hidrogén előállítási technológia
11
A növényi biomassza, a mezőgazdasági és ipari (gyümölcsfeldogozó ipar, papíripar, élelmiszeripar, stb.) eredetű cellulóz/hemicellulóz/lignin tartalmú (hulladék)anyagok szinte kimeríthetetlen – szénhidrátban gazdag - forrást jelentenek, s potenciálisan felhasználhatók biohidrogén előállításra. A komplex összetételű anyagok biohidrogénné fermentálhatóságának kulcslépése a hidrolízis, mert a szubsztrátoknak elsőként a baktériumok számára hozzáférhető, felvehető, hasznosítható formába kell alakulniuk. Ahhoz azonban, hogy a hidrolízis jó hatásfokkal működhessen, a legtöbb esetben szükség van valamilyen fizikai (pl.
aprítás, darálás, gőz- v. gázrobbantás, ultrahangos előkezelés, stb.), kémiai (savas vagy lúgos előkezelés) vagy enzimatikus előkezelésre. A legjobb természetesen az lenne, ha sikerülne olyan „mindenevő” mikroorganizmusokat azonosítani és alkalmazni, melyek a fizikai/kémiai eljárások elhagyásával is képesek az összetett alapanyagok hatékony lebontására és hasznosítására pusztán a saját maguk által megtermelt specifikus enzimek segítségével közvetlenül a bioreaktorban. Erre potenciálisan olyan mikrobák, mikrobakonzorciumok lehetnek alkalmasak, melyek nagy mennyiségben képesek a különféle enzimek pl. endo- és exoglükonáz, β-glükozidáz, hemicelluláz, xilanáz, stb. enzimek termelésére [Nath, 2004; Lo, 2008; Lee, 2010].
Az előkezelt biomasszából ezt követően hidrogént állítunk elő, melynek helyszíne a bioreaktor. Az előállítás történhet egy- ill. többlépcsős eljárással is. Az első lépcső általában sötét fermentációt jelent, s ehhez opcionálisan valamilyen kiegészítő eljárás kapcsolható (pl.
fotofermentáció, mikrobiális üzemanyag cella, mikrobiális elektolízis cella, metán fermentáció), amellyel jelentősen növelhető a folyamat hatékonysága [Liu, 2005; Cooney, 2007; Laurinavichene, 2010; Pant, 2010]. Emellett a biohidrogén technológia versenyképessége növelhető a fermentációs paraméterek megfelelő beállításával is, hiszen ezeken keresztül befolyásolhatjuk a bioreaktorban lévő mikroba, mikrobakonzorcium anyagcsere folyamatait, vagyis a megfelelő kombinációkkal nagyobb hozamok és gázképződési sebességek érhetők el.
Továbbá, a biológiai módszerekkel előállított hidrogént – a későbbi felhasználási céltól függően – tisztítani is kell, hiszen az a fermentorban nem önmagában, hanem egyéb komponensekkel együtt (főként CO2, emellett vízgőz, kén-hidrogén) keletkezik [Shao, 2009].
A hidrogén tárolása szintén kulcskérdés, melynek kapcsán még nincsenek kiforrott megoldások. A hidrogén palackokban, komprimált állapotban történő tárolása, szállítása nagyléptékben nem nyújt megfelelő megoldást.
12
A kívánatos megoldás az lenne, hogy olyan anyagokat fejlesszünk ki, melyek nagy kapacitással, biztonságosan teszik lehetővé a hidrogén tárolását. A legújabb eredmények alapján a különböző fémhidridek (pl. LiBH4, NaAlH4, stb.) illetve szénnanocsövek, grafitnanoszálak lehetnek azok az anyagok, melyek fejlesztésével megfelelő üzemanyagtároló egységeket hozhatunk létre, azonban ezek még nem versenyképes alternatívák [Schlapbach, 2001; Cheng, 2001].
Végezetül pedig még jobb hatásfokú, még hosszabb élettartamú, még alacsonyabb előállítási költségű üzemanyagcellákat kellene kifejleszteni annak érdekében, hogy megfizethető áru, megbízható, a vásárlók széles körének elérhető hidrogénüzemű járművek álljanak rendelkezésre [Levin, 2004].
Az eddigiek alapján látható, hogy számos olyan terület van, ahol a hidrogéntechnológia fejlesztésébe be lehet kapcsolódni, s doktori munkám során én az 1.1.
ábrán feltüntetett két fontos részre, a biohidrogén sötét fermentációs előállítására és annak (membrános) tisztítására, szeparációjára fókuszáltam.
13