Μπορεί η Τεχνητή Φωτοσύνθεση να Ξεκλειδώσει την Οικονομία του Υδρογόνου;

Μίμηση της Φυσικής Φωτοσύνθεσης

Μεγάλο μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιούμε προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από τη φωτοσύνθεση. Αυτό ισχύει για την τροφή μας και για πολλά ορυκτά καύσιμα, τα οποία σχηματίστηκαν από αρχαία οργανική ύλη, συμπεριλαμβανομένων φυτών και μικροοργανισμών.

Η βελτίωση της φυσικής φωτοσύνθεσης και η παραγωγή βιοκαυσίμων, για παράδειγμα από άλγη, αποτελούν ερευνητικά πεδία. Η συμβολή τους στη μείωση του ατμοσφαιρικού CO2 εξαρτάται από το πλήρες ισοζύγιο άνθρακα και την κλίμακα εφαρμογής.

Η τεχνητή φωτοσύνθεση επιδιώκει να μιμηθεί ορισμένες φωτοχημικές λειτουργίες χωρίς ζωντανά κύτταρα, μετατρέποντας την ηλιακή ενέργεια σε χημική.

Πρόκειται για διαφορετική προσέγγιση από τα φωτοβολταϊκά, που παράγουν ηλεκτρισμό. Ο ηλεκτρισμός μπορεί επίσης να τροφοδοτεί χημικές διεργασίες, όπως την ηλεκτρόλυση· δεν είναι σωστό να παρουσιάζονται οι δύο τεχνολογίες ως μια απλή ιεραρχία ανωτερότητας.

Ερευνητές του Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) και του Πανεπιστημίου του Τόκιο εξέτασαν βιομιμητικές υδρογέλες σε εργασία που δημοσιεύθηκε στο Chemical Communications με τίτλο «Βιομιμητικές Υδρογέλες: Σχεδιασμός Πολυμερών προς την Τεχνητή Φωτοσύνθεση¹».

Πώς Λειτουργεί η Φωτοσύνθεση;

Στα φυτά, η φωτοσύνθεση χρησιμοποιεί φως για να μετατρέψει διοξείδιο του άνθρακα και νερό σε οργανικά μόρια, απελευθερώνοντας οξυγόνο.

Πηγή: Britannica

Η συνολική αντίδραση μπορεί να γραφτεί συνοπτικά, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι είναι εύκολο να αναπαραχθεί τεχνητά.

Πηγή: Britannica

Η φυσική φωτοσύνθεση περιλαμβάνει πολλές επιμέρους αντιδράσεις, μεταφορά ηλεκτρονίων και σύνθετους μοριακούς μηχανισμούς. Η απλή συνολική εξίσωση δεν περιγράφει όλη αυτή τη λειτουργία.

Τα διαγράμματα των επιμέρους διεργασιών δείχνουν πόσο πιο σύνθετο είναι το σύστημα από τη συνοπτική χημική εξίσωση:

Πηγή: Lumen Learning

Η τεχνητή φωτοχημεία δεν περιορίζεται στην παραγωγή υδατανθράκων. Μπορεί να μελετηθεί για αντιδράσεις όπως η παραγωγή υδρογόνου από νερό μέσω φωτοκατάλυσης.

Βιομιμητικές Υδρογέλες για Παραγωγή Υδρογόνου

Η φυσική φωτοσύνθεση περιλαμβάνει οξείδωση του νερού, με παραγωγή οξυγόνου, πρωτονίων και ηλεκτρονίων. Τα H+ είναι πρωτόνια, όχι ουδέτερα άτομα υδρογόνου. Οι τεχνητές καταλυτικές διατάξεις μπορούν να αξιοποιήσουν επιμέρους βήματα για παραγωγή μοριακού υδρογόνου.

Πηγή: Chemical Communications

Οι ερευνητές εξέτασαν την οργάνωση φωτοδραστικών συστατικών, όπως σύμπλοκα ρουθηνίου και νανοσωματίδια πλατίνας, μέσα σε πολυμερικά δίκτυα. Η θέση και η κατανομή των συστατικών επηρεάζουν τη μεταφορά ηλεκτρονίων.

Η Hagiwara τόνισε τη σημασία της οργανωμένης δομής της υδρογέλης για την αποτελεσματική μετατροπή ενέργειας.

Reina Hagiwara – διδακτορική φοιτήτρια στο JAIST

Πηγή: Chemical Communications

Βελτιωμένη Απόδοση

Το πολυμερικό περιβάλλον μπορεί να βοηθήσει στη διατήρηση των καταλυτικών συστατικών σε κατάλληλη διάταξη και να περιορίσει τη συσσωμάτωση που μειώνει την απόδοση.

Ο Okeyoshi εξήγησε ότι η διευκόλυνση της μεταφοράς ηλεκτρονίων και η αποφυγή συσσωμάτωσης αποτελούν βασικές προκλήσεις του σχεδιασμού.

Kosuke Okeyoshi – αναπληρωτής καθηγητής στο JAIST

Η καλύτερη οργάνωση μπορεί να βελτιώσει τη φωτοκαταλυτική λειτουργία σε πειραματικές συνθήκες. Αυτό δεν αποδεικνύει ακόμη εμπορικά ανταγωνιστική παραγωγή υδρογόνου μεγάλης κλίμακας.

Πηγή: Chemical Communications

Δομή και Αλληλεπίδραση με το Φως

Η δομή της γέλης μπορεί να επηρεάσει την πρόσληψη και τη διαχείριση του φωτός. Δεν πρόκειται για μόνιμο «κλείδωμα» του φωτός, αλλά για σχεδιασμό που βελτιώνει την πιθανότητα χρήσιμης αλληλεπίδρασης.

Η οργάνωση σε μικρή κλίμακα επιτρέπει τον έλεγχο της απόστασης και της κατανομής των φωτοδραστικών συστατικών μέσα στο δίκτυο. Το κατάλληλο μέγεθος και η γεωμετρία εξαρτώνται από το σύστημα.

Πηγή: Chemical Communications

Το Κλειδί για την Επανάσταση του Υδρογόνου;

Το υδρογόνο και η αμμωνία που μπορεί να παραχθεί από αυτό εξετάζονται ως φορείς ενέργειας. Οι εκπομπές τους εξαρτώνται από τον τρόπο παραγωγής και από ολόκληρη την αλυσίδα χρήσης.

Η χημική αποθήκευση μπορεί να είναι χρήσιμη σε εφαρμογές μακράς διάρκειας, βαριά βιομηχανία ή ορισμένες μεταφορές. Το υδρογόνο δεν είναι πάντοτε αποδοτικότερο ή οικονομικότερο από τις μπαταρίες.

Η ηλεκτρόλυση απαιτεί ηλεκτρική ενέργεια και συνεπάγεται απώλειες, αλλά δεν είναι σωστό να λέμε ότι σπαταλά πάντοτε το μεγαλύτερο μέρος της εισερχόμενης ενέργειας. Η απόδοση και το κόστος διαφέρουν ανά τεχνολογία και συνθήκες.

Η αλυσίδα φωτοβολταϊκό → ηλεκτρισμός → ηλεκτρόλυση → υδρογόνο περιλαμβάνει στάδια μετατροπής και εξοπλισμό. Η απευθείας φωτοκατάλυση επιχειρεί να παρακάμψει ορισμένα από αυτά, αλλά έχει δικές της απώλειες και τεχνικές προκλήσεις.

Μετατροπές μεταξύ συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος και μεταφορά μέσω δικτύου μπορούν να προσθέσουν απώλειες. Δεν είναι όμως υποχρεωτικές σε κάθε σχεδιασμό παραγωγής υδρογόνου.

Η άμεση φωτοκατάλυση επιδιώκει τη διαδρομή φως → χημική παραγωγή υδρογόνου. Η απλούστερη περιγραφή δεν εγγυάται μεγαλύτερη συνολική απόδοση.

Τα Επόμενα Βήματα

Καλύτερα Πολυμερή

Η οργανωμένη κατανομή των φωτοκαταλυτικών συστατικών αποτελεί ενδιαφέρουσα ερευνητική κατεύθυνση. Πιο σύνθετα πολυμερικά δίκτυα και άλλες μοριακές δομές θα μπορούσαν να βελτιώσουν την επαφή μεταξύ συστατικών και την αξιοποίηση φωτός. Αυτές οι δυνατότητες χρειάζονται περαιτέρω μελέτη.

Περισσότερο από το Υδρογόνο

Η φωτοκατάλυση μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλες αντιδράσεις. Για παράδειγμα, ερευνητές στην Οσάκα έχουν εξετάσει παραγωγή φουμαρικού οξέος από διττανθρακικά και πυροσταφυλικό οξύ προερχόμενο από βιομάζα. Πρόκειται για διαφορετική εφαρμογή από την παραγωγή υδρογόνου.

Πέρα από την Πλατίνα

Ορισμένα καταλυτικά συστήματα χρησιμοποιούν πλατίνα, ρουθήνιο ή άλλα μέταλλα. Η πιθανή ζήτηση από το υδρογόνο είναι μόνο ένας από πολλούς παράγοντες της αγοράς αυτών των μετάλλων.

Το κόστος και η διαθεσιμότητα ευγενών μετάλλων ενθαρρύνουν την έρευνα για εναλλακτικούς καταλύτες.

Παραδείγματα παρουσιάζονται στα άρθρα «Πρόοδοι στην Παραγωγή Υδρογόνου με Ηλεκτρόλυση Βασισμένη στο Νικέλιο» και «Παραγωγή Υδρογόνου με Διάσπαση Νερού και Καταλύτες Βασισμένους σε Σκουριά».

Η πιθανή σύνδεση εναλλακτικών καταλυτών με υδρογέλες είναι αντικείμενο έρευνας. Δεν έχει τεκμηριωθεί εδώ έτοιμη μέθοδος πολύ χαμηλού κόστους μόνο με φθηνά υλικά και ηλιακό φως.

Επένδυση στην Τεχνητή Φωτοσύνθεση & Υδρογόνο

Η τεχνητή φωτοσύνθεση παραμένει κυρίως πειραματικό πεδίο. Το υδρογόνο προσελκύει επενδύσεις, αλλά η μελλοντική αγορά εξαρτάται από το κόστος, τη ζήτηση, τις υποδομές και την πολιτική.

Η φυσική πλατίνα διατίθεται σε ράβδους και νομίσματα μέσω εμπόρων πολύτιμων μετάλλων. Τα κοσμήματα έχουν επιπλέον κόστος κατασκευής και δεν είναι ισοδύναμα με επενδυτικές ράβδους.

Έκθεση σε φυσική πλατίνα προσφέρουν επίσης προϊόντα όπως τα abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) και GraniteShares Platinum Trust (PLTM).

Για επενδύσεις σε εταιρείες του κλάδου, μπορείτε να εξετάσετε υπηρεσίες χρηματιστηριακών μεσιτών. Στο securities.io υπάρχουν σχετικές αξιολογήσεις για τις ΗΠΑ, τον Καναδά, την Αυστραλία και το Ηνωμένο Βασίλειο, καθώς και πολλές άλλες χώρες.

Υπάρχουν επίσης θεματικά ETF. Το VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) εστιάζει σε εταιρείες σπάνιων γαιών και στρατηγικών μετάλλων και δεν είναι αμιγής επένδυση σε πλατίνα. Παραδείγματα σχετιζόμενων με το υδρογόνο είναι τα Global X Hydrogen ETF (HGEN, στην Αυστραλία) και VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO). Τα περιεχόμενα, οι αγορές διαπραγμάτευσης και οι κίνδυνοι διαφέρουν. Η διαφοροποίηση δεν εγγυάται θετική απόδοση.

Εταιρεία Υδρογόνου

BLDP Διάγραμμα τιμής

Η Ballard κατασκευάζει κυψέλες καυσίμου και παρουσίασε λεωφορείο κυψελών καυσίμου το 1993.

Η εταιρεία επικεντρώνεται σε βαριές εφαρμογές, όπως λεωφορεία, φορτηγά, τρένα, πλοία, βιομηχανικά οχήματα και σταθερή ηλεκτροπαραγωγή. Οι προβλέψεις της αρχικής παρουσίασης για ανάπτυξη φορτηγών και γεωγραφική κατανομή πωλήσεων αποτελούσαν στόχους, όχι ήδη επιτευχθέντα αποτελέσματα.

Η παρουσίαση παρέθετε εκτιμήσεις για μελλοντική αγορά κυψελών καυσίμου σε φορτηγά. Τέτοιες προβλέψεις εξαρτώνται από την υιοθέτηση, την υποδομή και το κόστος και δεν πρέπει να εκλαμβάνονται ως βέβαιες πωλήσεις.

Πηγή: Ballard

Οι υψηλές ενεργειακές ανάγκες και ο σύντομος ανεφοδιασμός μπορεί να ευνοούν κυψέλες καυσίμου σε ορισμένες βαριές μεταφορές. Η καταλληλότητα εξαρτάται από τη διαδρομή και τις διαθέσιμες εναλλακτικές.

Σε μη ηλεκτροδοτημένες σιδηροδρομικές γραμμές, το υδρογόνο μπορεί να αποτελεί μία από τις επιλογές πέρα από εναέρια καλώδια ή μπαταρίες. Οι κυψέλες καυσίμου ανεφοδιάζονται με καύσιμο· δεν πρόκειται απλώς για γρήγορη ηλεκτρική φόρτιση.

Πηγή: Ballard

Η Ballard έχει επίσης συνεργαστεί σε εφαρμογές αμμωνίας, όπως μέσω σύμβασης με την Amogy για παροχή κυψελών καυσίμου σε πλατφόρμα που διασπά την αμμωνία ώστε να παράγει υδρογόνο.

Η απανθρακοποίηση βαριών μεταφορών μπορεί να απαιτήσει διαφορετικές τεχνολογίες από εκείνες των επιβατικών αυτοκινήτων. Καμία λύση δεν είναι δεδομένο ότι θα επικρατήσει σε όλες τις εφαρμογές.

Η ανάπτυξη υποδομών υδρογόνου θα μπορούσε να αυξήσει τη ζήτηση για προϊόντα της Ballard. Το εμπορικό όφελος εξαρτάται από ανταγωνισμό, κόστος, εκτέλεση και οικονομική βιωσιμότητα.

Φθηνότερο υδρογόνο μπορεί να βοηθήσει την οικονομική ανταγωνιστικότητα των κυψελών καυσίμου, ανεξάρτητα από τη μέθοδο παραγωγής. Δεν συνεπάγεται αυτόματα κερδοφορία ή συγκεκριμένη απόδοση για την εταιρεία.

Αναφορά Μελέτης:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}