Do sada je drvni otpad morao da se odlaže uz velike troškove i, u najboljem slučaju, korišćen je za proizvodnju energije u postrojenjima za spaljivanje. Fraunhoferovi istraživači sada koriste ovaj dragoceni resurs za proizvodnju biovodonika u regionu Švarcvalda u Nemačkoj.
U zajedničkom projektu H2Vood—BlackForest, procesi fermentacije pomoću bakterija i mikroalgi koje proizvode vodonik su posebno razvijeni za biotehnološku proizvodnju ovog zelenog energenta. Pilot postrojenje za proizvodnju biovodonika trebalo bi da bude pušteno u rad već 2025. godine.
Studija objavljena u okviru projekta takođe ispituje potencijale, barijere i mere za regenerativnu proizvodnju vodonika iz otpadnog drveta i starog drveta u regionu Švarcvalda.
Region Švarcvalda je dom velikog broja kompanija za preradu drveta, uključujući mnoge proizvođače nameštaja. Velike količine drvnog otpada nastaju prilikom prerade nameštaja, odlaganja paleta i rušenja objekata.
Do sada se ovaj otpad odlagao u postrojenja za spaljivanje. Pošto staro drvo često sadrži sredstva za zaštitu drveta koja su odavno zabranjena zbog štetnog uticaja na zdravlje ljudi, otpadni gas iz procesa spaljivanja takođe mora da se čisti uz velike troškove. Ovo je motivisalo istraživače Fraunhofera da potraže alternativne upotrebe za regionalni drvni otpad.
Ideja je bila da se otpadno drvo i staro drvo mogu koristiti za proizvodnju regenerativnog vodonika, a da se biovodonik može proizvesti iz otpada korišćenjem biotehnoloških procesa – savršeno u skladu sa kružnom ekonomijom zasnovanom na drvetu.
Trik je u tome što istraživači koriste šećer iz drveta za proizvodnju vodonika koristeći bakterije. Dobijeni CO 2 se zatim koristi za uzgoj mikroalgi koje takođe mogu da proizvode vodonik.
Pored Fraunhofer instituta za međufazijsko inženjerstvo i biotehnologiju IGB i Fraunhofer instituta za proizvodno inženjerstvo i automatizaciju IPA, Univerzitet u Štutgartu, sa svojim Institutom za industrijsku proizvodnju i menadžment IFF, i Campus Schvarzvald takođe su uključeni u implementaciju H2Vood —Projekat BlackForest, koji je pokrenut 2021.
Proces proizvodnje biovodonika počinje prethodnom obradom starog i otpadnog drveta. Prvo, drveni otpad, kao što su palete ili stare baštenske ograde, se pulpira i razlaže na svoje osnovne komponente.
Da bi to uradili, istraživači kuvaju drvo pod pritiskom na temperaturi do 200 °C u mešavini etanola i vode. Lignin kao i lepkovi, rastvarači i boje iz drvnog otpada rastvaraju se u etanolu, odvajajući hemijske zagađivače od drvenih vlakana.
U sledećem koraku, frakcija drvenih vlakana koja ostaje nakon ključanja, celuloza i deo hemiceluloze se razlažu na pojedinačne molekule šećera (glukozu i ksilozu), koji služe kao hrana ili supstrat za mikroorganizme koji proizvode vodonik.
„Razdvajanje drveta na frakcije je proces koji zahteva iskustvo. Ovde se oslanjamo na dugogodišnju stručnost koju smo stekli u izgradnji naše biorafinerije lignoceluloze u Leuni“, kaže dr Ursula Šlisman, zamenica direktora instituta u Fraunhoferu. IGB u Štutgartu, koji je odgovoran za koordinaciju projekta i razvoj tehnologije.
Da bi se proizvedeni šećer pretvorio u vodonik, istraživači iz Fraunhofer IGB-a su uspostavili dva međusobno povezana procesa fermentacije koristeći bakterije i mikroalge koje proizvode vodonik.
Predobrada proizvodi nusproizvode kao što je lignin, a biotehnološka konverzija drveta oslobađa vodonik i CO 2 . Poslednje se zatim pretvara u nusproizvode kao što su skrob i karotenoidi tokom proizvodnje mikroalgi.
Dr Šlisman objašnjava: „Kada se drvo frakcioniše, drvna vlakna se oslobađaju od lignina, koji pored celuloze i hemiceluloze čini 20 do 30% supstance ćelijskog zida drveta. Kao jedan od nusproizvoda, ovaj lignin ima mnogo upotreba – na primer, u kompozitnim materijalima je u automobilskim panelima.
Dugi molekuli lanca šećera u celulozi se koriste za proizvodnju glukoze, koja se dodaje u fermentor sa bakterijama i služi kao izvor ugljenika za rast bakterija. Bakterije tada proizvode vodonik i CO 2 .
Istraživači odvajaju CO 2 iz mešavine gasa i prenose ga u reaktor algi, fotobioreaktor. Mikroalge su u stanju da koriste CO 2 kao izvor ugljenika i da se razmnožavaju. Za razliku od bakterija, njima nije potreban šećer.
„Metabolički proizvodi bakterija, odnosno prividni otpadni tok CO 2 , su hrana za mikroalge i stoga ne ulaze u izduvne gasove kao štetni gas staklene bašte. Mikroalge to koriste da sintetišu karotenoide ili pigmente pod uticajem svetlosti kao dalji nusproizvodi koje mogu koristiti različiti industrijski sektori“.
U drugom koraku, mikroalge se prenose u specijalno dizajnirani reaktor gde oslobađaju vodonik direktnom fotolizom.
Projektni partneri očekuju visok prinos. U početku se od jednog kilograma starog drveta može proizvesti oko 0,2 kilograma glukoze. „Tada možemo da proizvedemo 50 litara H2 pomoću anaerobnih mikroorganizama“, kaže dr Šlisman.
Tokom fermentacije sa anaerobnim bakterijama CO 2 se proizvodi u jednakim porcijama, odnosno 50%. Kada se vodonik odvoji od mešavine gasa, pribl. dva kilograma CO 2 u fotobioreaktoru mogu proizvesti jedan kilogram biomase mikroalgi.
Ova biomasa ima sadržaj skroba do 50%. Takođe sadrži pigment lutein. Nusproizvodna biomasa algi mogla bi se, na primer, koristiti za plastične komponente uz pomoć bakterija.
Trenutno je u izgradnji modularno proširivo pilot postrojenje sa tri bioreaktora. Planirano je da biorafinerija počne sa radom u kampusu Švarcvald početkom 2025. U budućnosti će biti moguće kombinovati različite korake procesa na modularan način – idealan preduslov za testiranje novih tehnologija.
U ovom projektu, Fraunhofer IPA, zajedno sa Institutom za industrijsku proizvodnju i menadžment IFF, sprovodi studiju kako bi utvrdila kako se može zadovoljiti lokalna potražnja za zelenim vodonikom u industrijskom, transportnom, kućnom i građevinskom sektoru i koje količine otpada za njegovu proizvodnju dostupno je drvo i staro drvo.
Kao rezultat ove mape puta vodonika, date su preporuke za razvoj vodonične ekonomije u regionu Švarcvalda.
Predložene mere obuhvataju unapređenje istraživanja i razvoja, proširenje regionalne vodonične infrastrukture i jačanje integracije energetskih sistema u cilju uspostavljanja vodonika kao sastavnog dela energetske tranzicije.
„Studija pokazuje da region Švarcvalda ima značajan potencijal za proizvodnju vodonika iz lokalnih resursa, ali se taj potencijal može u potpunosti iskoristiti samo daljim razvojem tehnologija i proširenjem infrastrukture“, kaže Vladimir Jelšov, naučnik istraživač u Fraunhofer IPA i jedan od autora karte puta vodonika.
