211service.com
Körande bilar på väte gjord av stärkelse
Med hjälp av en gryta av enzymer som utvunnits från flera organismer har forskare utvecklat ett sätt att omvandla stärkelse, tillgänglig från många källor, inklusive majs och potatis, till vätgas vid låga temperaturer och tryck. Metoden producerar tre gånger mer väte än en äldre enzymatisk metod gör, vilket tyder på att det kan vara praktiskt att använda sådana enzymer för att producera väte för bränslecellsfordon.
Även om bränslecellsfordon är tilltalande eftersom de inte släpper ut några föroreningar, har det varit en utmaning att hitta rena och prisvärda sätt att producera, transportera och lagra väte för att driva dem. Vanligast är att väte utvinns från fossila bränslen. Att tillverka väte genom att elektrolysera vatten är energikrävande och kan vara dyrt. Det nya systemet förbättrar andra experimentella metoder för att skapa väte från biomassa genom att använda låga temperaturer, vilket gör det potentiellt mer bekvämt och energieffektivt.
Forskarna – från Virginia Tech , i Blacksburg, VA; Oak Ridge National Laboratory ; och University of Georgia, i Aten – kombinerade 13 kommersiellt tillgängliga enzymer isolerade från jäst, bakterier, spenat och kaninmuskler. Arbetet är tillgänglig online i PLoS ETT , en tidskrift publicerad av Public Library of Science . Vätet kommer från två källor: stärkelsen och vattnet som används för att oxidera stärkelsen. Enzymerna underlättar kemiska reaktioner där vattnet och stärkelsen helt kan omvandlas till väte och koldioxid, säger Y. Percival Zhang , professor i biologiska system vid Virginia Tech. (Den koldioxid som frigörs kompenseras av koldioxiden som fångas upp av växter som tillhandahåller stärkelsen.)
Det nya systemet ger ett högre utbyte av väte än tidigare experimentella system som använde enzymer för att omvandla socker till väte. Men även om utbytet av väte är högt, är hastigheten med vilken gasen produceras än så länge extremt låg. Det beror delvis på att forskarna använde vanliga enzymer och inte har optimerat systemet, säger Zhang. Forskarnas nästa projekt kommer att innefatta att analysera varje steg i processen i detalj för att hitta de hastighetsbegränsande stegen.
Till exempel kan ett av enzymerna producera en biprodukt som saktar ner senare steg, säger Michael Adams , professor i biokemi och molekylärbiologi vid University of Georgia. Forskarna skulle sedan leta efter andra enzymer, eller modifiera nuvarande, för att minimera biprodukten. De kommer också att leta efter enzymer som kan fungera vid högre temperaturer. Om du ökar temperaturen med 10 grader kan du de flesta gånger öka reaktionshastigheten dubbelt, säger Zhang.
En av de första tillämpningarna av systemet, säger Zhang, kan vara att generera väte för bränsleceller i bärbar elektronik. Stärkelsen kan vara ett säkrare sätt att lagra energi än att använda metanol, ett ledande alternativ för sådana små bränslecellsystem. Han uppskattar att det kommer att ta cirka sex till åtta år att förbättra priserna tillräckligt för sådana ansökningar. Så småningom hoppas han kunna använda sin process för att lösa ett av de största aktuella problemen med vätebränslecellsfordon: att montera tillräckligt med väte ombord för att konkurrera med bensindrivna fordon.
Men vissa tjänstemän vid Department of Energy (DOE) tvivlar på att hela systemet kommer att vara tillräckligt lätt för användning ombord. Sunita Satyapal , ledaren för vätelagringsteamet vid DOE, noterar att forskarnas uppskattningar inte inkluderar vikten av vattnet eller annan utrustning som behövs för att producera vätgas. Dessa saker kan mer än fördubbla vikten på systemet, säger hon, även om vatten som produceras av bränslecellen återvinns. Systemet kommer förmodligen att vara för tungt för att ge fordonet en driving range som är konkurrenskraftig med bensinmotorer, föreslår Satyapal.
Hon noterar också att väteproduktionstakten nu är storleksordningar lägre än vad den skulle behöva vara för användning i fordon, och det kommer att vara mycket svårt, för att inte säga omöjligt, att tillräckligt förbättra hastigheten.
Men även om det nya systemet inte är användbart som ett sätt att producera väte i en bil, kan det så småningom visa sig användbart för att producera vätgas vid bensinstationer. En av utmaningarna med vätgasproduktion är kostnaden för att komprimera och transportera vätgas från centrala platser. Produktion på plats med hjälp av enzymer på bensinstationer, eller till och med i människors hem, kan komma runt dessa problem. I sådana applikationer kan vätgasproduktionshastigheten vara lägre än den är ombord på ett fordon, eftersom vätgas kan produceras dygnet runt i relativt stora tankar.
Ändå är vissa skeptiska till grundkonceptet att använda stärkelse för att skapa bränsle. Att göra mat till väte är inte en så bra idé, säger man John Deutsch , en kemiprofessor vid MIT. Faktum är att efterfrågan på majs för att tillverka etanol ökar redan matpriserna. Att använda majsstärkelse för att göra väte kan förvärra problemet.
Men Zhang noterar att att använda stärkelse för att göra väte skulle vara en mycket bättre användning av den tillgängliga majsen än att förvandla den till etanol: bränsleceller kan vara tre gånger effektivare än etanolbrännande förbränningsmotorer. Ändå ser han stärkelse som en tillfällig lösning. Zhang utvecklar också en version av processen som börjar med cellulosa, som främst finns i växternas icke-livsmedelsdelar.