Досега дървесните отпадъци се изхвърляха с цената на големи разходи и в най-добрия случай се използваха за енергия в инсталации за изгаряне. В района на Шварцвалд изследователите на института Fraunhofer вече използват този ценен ресурс за производство на биоводород.
В района на Шварцвалд се намират многобройни дървопреработвателни предприятия, сред които и много производители на мебели. Обработката на мебели, както и изхвърлянето на палети и събарянето на сгради, генерират големи количества дървесни отпадъци, които понастоящем се изхвърлят в инсталации за изгаряне. Тъй като дървесните отпадъци често съдържат консерванти за дървесина, които отдавна са забранени поради вредното им въздействие върху здравето, отработеният въздух от изгарянето също трябва да се пречиства с цената на големи разходи.
Процес на ферментация с произвеждащи водород бактерии и микроводорасли
Това накара изследователите от института Fraunhofer да потърсят алтернативни начини за използване на регионалните дървесни отпадъци. Идеята: остатъчната и отпадъчната дървесина може да се използва за производство на възобновяем водород, а биотехнологичните процеси могат да се използват за извличане на биоводород от отпадъците – в духа на кръговата икономика, основана на дървесината.
Трикът с новия процес: Изследователите използват захарта, извлечена от дървесината, за производство на водород с помощта на бактерии. Полученият CO2 се използва за производство на микроводорасли, които също могат да произвеждат водород.
Оползотворяване на стари палети и градински огради
Процесът на производство на биоводород започва с предварителна обработка на стара и остатъчна дървесина. Първо, дървесните отпадъци, като например палети или стари градински огради, се разграждат на основните им компоненти. За целта изследователите изваряват дървесината под налягане при температура до 200°C в смес от етанол и вода. Лигнинът, както и лепилата, разтворителите и лаковете от дървесните отпадъци се разтварят в етанола, така че химическите примеси се отделят от дървесните влакна.
На следващия етап дървесната влакнеста фракция, останала от термичната обработка, целулозата, а в някои случаи и хемицелулозата, се разгражда на отделни захарни молекули – глюкоза и ксилоза, които служат като храна или субстрат за микроорганизмите, произвеждащи водород. „Разделянето на дървесината на нейни фракции е процес, който изисква опит. Тук използваме дългогодишния си опит, който успяхме да придобием с изграждането на нашата биорафинерия за лигноцелулоза в Леуна“, обяснява Урсула Шлисман, заместник-директор на Fraunhofer IGB в Щутгарт, която отговаря за координацията на проекта и развитието на технологиите. Изследователите от Fraunhofer IGB са създали два взаимосвързани процеса на ферментация с водород-произвеждащи бактерии и микроводорасли за превръщане на получените захари във водород.
В допълнение към водорода се произвеждат и странични продукти на въглеродна основа
При предварителната обработка се получават странични продукти като лигнин, а при биотехнологичното преобразуване на дървесината се отделят водород и CO2, които се превръщат в странични продукти като нишесте и каротеноиди чрез производството на микроводорасли. „По време на фракционирането на дървесината дървесните влакна се освобождават от лигнина, който съставлява двадесет до тридесет процента от субстанцията на клетъчната стена на дървесината заедно с целулозата и хемицелулозата“, казва директорът на института Шлисман, като обяснява каскадния процес. „Този лигнин, като един от страничните продукти, може да се използва по различни начини – например в композитни материали.
Глюкозата се образува от дългите захарни вериги на целулозата, която се добавя във ферментатора заедно с бактериите и служи като източник на въглерод за растежа на бактериите. Бактериите произвеждат водород и CO2. Изследователите отделят CO2 от газовата смес и го подават в реактора за водорасли – фотобиореактор.
Микроводораслите могат да използват CO2 като източник на въглерод и да се размножават. За разлика от бактериите, те не се нуждаят от захар. „Метаболитните продукти на бактериите, т.е. предполагаемият отпадъчен поток CO2, следователно са храна за микроводораслите и не се отделят в атмосферата като вреден парников газ. Микроводораслите синтезират от него под въздействието на светлината каротеноиди или пигменти като допълнителни странични продукти, които могат да се използват от различни промишлени сектори.“ На втория етап микроводораслите се прехвърлят в специално разработен реактор, в който се освобождава водород чрез директна фотолиза.
Биотехнологичен процес с висок водороден добив
Партньорите по проекта очакват висок добив: първоначално от един килограм дървесни отпадъци могат да се получат около 0,2 килограма глюкоза. „След това можем да я използваме за производството на 50 литра H2 с помощта на анаеробни микроорганизми“, казва Шлисман. При ферментацията с анаеробните бактерии се получава и същото количество CO2, т.е. 50 процента. След отделянето на водорода от газовата смес един килограм биомаса от микроводорасли може да се произведе от около два килограма CO2 във фотобиореактора. Тази биомаса съдържа до 50% нишесте. Тя съдържа и цветния пигмент лутеин. Биомасата от водорасли като страничен продукт може да бъде използвана чрез бактерии за производство на пластмасови компоненти, например.
В момента се изгражда разширяемата модулна пилотна инсталация с трите биореактора. Планира се биорафинерията в кампуса „Шварцвалд“ да започне да функционира в началото на 2025 г. Според изследователите в бъдеще различните етапи на процеса могат да се комбинират на модулен принцип – идеална предпоставка за изпробване на нови технологии.
Пътна карта за водорода в региона на Шварцвалд
В рамките на проекта Fraunhofer IPA и IFF проучват как може да се задоволи местното търсене на зелен водород в промишления, транспортния, битовия и строителния сектор и какви количества остатъчна и отпадъчна дървесина са налични за производството му. Резултатите от тази пътна карта за водорода включват и препоръки за разширяване на водородната икономика в региона на Шварцвалд.
Предложените мерки включват насърчаване на научноизследователската и развойната дейност, разширяване на регионалната водородна инфраструктура и засилване на секторното свързване, за да се утвърди водородът като неразделна част от енергийния преход. „Проучването показва, че регионът на Шварцвалд разполага със значителен потенциал за производство на водород от местни ресурси, но този потенциал може да бъде използван пълноценно само чрез по-нататъшно развитие на технологиите и разширяване на инфраструктурата“, казва Владимир Йелшов, научен сътрудник в IPA и един от авторите на пътната карта за водорода.
Снимки: Fraunhofer