Dansk kemiprofessor: Kunstig fotosyntese har lang vej endnu
Der er lang vej til, at man kan udnytte kunstig fotosyntese til fremstilling af brint, siger kemiprofessor Jesper Bendix, KU i et svar til Ingeniørens læsere. Kunstig fotosyntese skulle på langt sigt bane vejen for et brintsamfund uden naturgas.
Professor og ekspert i uorganisk kemi ved Københavns Universitet, Jesper Bendix
Læs også
-
Ekspert om israelsk vandspaltning: Smuk forskning, men ubrugelig i praksis
Læs mere om
Da israelske forskere for nylig præsenterede en metode til at spalte vand alene ved brug af sollys og varme, åbnede de en helt ny måde at fremstille brint på en bæredygtig måde.
Brintfremstilling er i dag langtfra bæredygtig. Brint bliver typisk fremstillet af naturgas og i takt med brintudvindingen, udvikles der CO2. Dertil kommer, at procesopvarmningen bruger fossilt brændstof, som yderligere bidrager med CO2-udslip.
Også I USA, Kina og Australien kæmper forskere for at aflure planternes deres fotosyntese, men udfordringerne er mange. Eksempelvis er effektiviteten lille i mange forsøg og dyre metaller er involveret for at starte processen.
Professor og ekspert i uorganisk kemi Jesper Bendix fra Kemisk Institut på Københavns Universitet svarede torsdag den 16. april på læsernes spørgsmål om forskernes udfordringer med at udvikle kunstig fotosyntese.
Læs alle spørgsmål samt Jesper Bendix' svar herunder
Det er ikke længere muligt at stille spørgsmål til Jesper Bendix
Rolf Ask Clausen
Kan man forestille sig, at et andet grundstof end Ruthenium kan bruges i dette forsøg?
Jesper Bendix
Ja, det kan man godt, men det er ikke uden grund at de Israelske forskere har valgt ruthenium: Deres proces udvikler både ilt og brint. For at dette skal være muligt ved et enkelt metalcenter, så kræver det, at det pågældende metal kan binde vand (evt. deprotoniseret som hydroxid eller oxid) hvilket de fleste metaller kan, men det kræver også at metalcenteret håndterer reduktionen af protoner (fra vandet) til brint. Det sidstnævnte trin fordrer, at metalcenteret også er i stand til at binde hydrid-ioner (H-) i vandig opløsning - og her skilles fårene fra bukkene blandt metallerne. Det er, desværre, stort set kun de dyre og sjældne metaller som ruthenium, der hører til gruppen af platin-metaller, hvor vi idag kender en vandig kemi, der omfatter binding af hydrid-ioner til metalcenteret.
Så hvis jeg tolker dit spørgsmål til at gå på om der er billigere, oplagte, alternative metaller at anvende i den konkrete process, så bliver svaret nok desværre nej. Hvis jeg skal anslå en lidt mere optimistisk tone, så kan jeg påpege, at Naturen i biologiske systemer har udviklet jern og nikkel-holdige enzymer, der klarer reduktioner i vand via hydrid-holdige intermediater, men der er systemer hvori det er meget vanskeligt at se hvordan man kan få indkoopereret den anden halvdel, nemlig oxidationsprocessen af vand (eller hydroxid) til dioxygen.
Morten K. Thomsen
Hvad er perspektiverne for anvendelsen af kunstig fotosyntese til fremstilling af brændstof ifm. fremtidige rumrejser til fx Mars?
Jesper Bendix
Fra et fundamentalt synspunkt er princippet meget fornuftigt. Den kemiske binding er stort set den mest effektive (plads, masse) måde at lagre energi på. Der er dog en masse praktiske problemer - måske først og fremmest at få fremstillet et system, der virker. Desuden har de bedste kendte kunstige fotosyntese systemer samme problem som det nye system, som danner baggrund for artiklen, nemlig at der fremstilles en blanding af hydrogen og oxygen (knaldgas). For ikke at sidde på en bombe, fordrer det en adskillelse af de to produkter, hvilket kan være en flaskehals for anvendelse af systemet.
Jeg har ikke et overblik over om effektivitet mht. udnyttelse af den indfaldne energi vil være et problem. Det kræver nogle overvejelser omkring overflade, indstråling og effektforbrug, men det skal bemærkes, at det aktuelle system kun udnytter en begrænset del af solspektret (nemlig det ultraviolette område på kanten til det synlige område: 320-420 nm).
Anne Lykke
Hvordan virker den kunstige fotosyntese? Dannes der sukker som ved den naturlige fotosyntese udfra vand og CO2 ved hjælp af sollys, eller stopper processen ved den kemiske energi (vand + lys → ilt + H+)?
Jesper Bendix
Nej, der dannes ikke sukker (som iøvrigt er en meget kompliceret oplagringsform for kemisk energi), der dannes ilt og brint.
Der er altså tale om oplagring af energi i form af den (ustabile, men holdbare) blanding af ilt og brint, som f.eks. kan anvendes til at føde en brændselscelle.
Christian de la Rosa
Sneplanten på den nordamerikanske sierra er rød. Betyder det at den ikke indeholder klorofyl? I så fald, hvordan kan den foretage fotosyntese?
Jesper Bendix
Jeg har ikke forstand på den slags botanik, men et hurtigt opslag på nettet (f. eks. http://waynesword.palomar.edu/pljune97.htm) godtgjorde, at sneblomsten ikke udfører fotosyntese - den er nærmest en svamp (der som bekendt også mangler klorofyl) med en sjov facon.
Kasper Hansen
Såfremt det bliver muligt, let og billigt, at fremstille tanke man kan have stående der producere brint, hvordan skal jeg så kunne opsamle brinten ? Hvad er status for opsamlingstanke, piller, osv ? Er der fundet en billig og let måde at håndtere den producerede brint, som jeg som privatperson kan bruge ?
Jesper Bendix
Lagring af brint er problematisk, men et område hvori, der investeres megen forskning. Kort opsummeret er problemerne: der skal være tale om reversible processer (hvis de er kemiske) det skal gøres uden for stort spild af plads (og vægt hvis vi taler transport) og så skal det helst være sikkert - blandinger af brint og luft er eksplosive i hele intervallet fra 4%-75% (vol) brint. Dette betyder også at tryktanke ikke nødvendigvis er et specielt lykkeligt infrastrukturelement i et
samfund med stort energiforbrug. Der er forskellige retninger, der forfølges indenfor lagning af brint. En af dem er den såkaldte "brint-pille" fra DTU, der fik megen opmærksomhed i medierne for nogle år siden. Her lagres brinten ved omdannelse til ammoniak, der så igen bindes til et metal (magnesium). Fordelene var store energitætheder, ulemperne bla. giftigheden af ammoniak.
Kent Krøyer
Du har nævnt en japansk forsker ved navn Tsui, som har gennemført kunstig fotosyntese. Hvor langt nåede han egentlig? Og hvilke barrierer forhindrer, at hans eller tidens "best practice" bliver kommercielt brugbar som fremstillingsmetode til flydende eller gasformigt brændsel?
Jesper Bendix
Tsui og andre japanske forskere har arbejdet med heterogene systemer hvor små sammensatte partikler bestående af forskellige halvledermaterialer og rent platin, har stort set samme funktionalitet som den forbindelse, der er beskrevet af de Israelske forskere. Tilsyneladende er holdbarheden af de japanske systemer god, men de har begrænsninger, der minder om de der er nævnt overfor, nemlig at der produceres en blanding af brint og ilt og at det er en begrænset del af solspektret, der kan udnyttes. Jeg er ikke orienteret om hvor langt man er fra "økonomisk break-even" med disse systemer. Igen er det ikke et simpelt regnestykke - der anvendes sjældne metaller og hvis det bliver til en udbredt teknologi, vil det helt sikkert influere prisdannelsen for de involverede metaller, ligesom indførelsen af udstødningskatalysatorer på biler bidrog til en mangedobling af prisen på metallet rhodium.
Casper Thomsen
Hvorfor er det så vanskeligt at aflure planternes fotosyntese og genskabe den kunstigt?
Jesper Bendix
Den kemiske process, der omdanner vand til ilt er ikke en simpel process. Det er en såkaldt mange-elektron reaktion hvorunder 4 elektroner (og 4 protoner) skal fjernes fra to vandmolekyler og samtidig skal der dannes en binding MELLEM DE TO ELEKTRONEGATIVE ilt-atomer. Der er altså to komplicerende faktorer: Dels skal der håndteres 4 elektroner samtidigt (eller næsten samtidigt) og dels skal man have lavet bindingen mellem de to "ender" af vandmolekylerne, der ikke naturligt vil bryde sig om hinanden. Naturen klarer problemet vha. en klynge af mangan-ioner,
der kollektivt kan ændre oxidationstrin med 4 enheder og som derfor kan optage de elektroner, der afgives i processen. Samtidig, så kan mangan i tilstrækkeligt høje oxidationstrin få et bundet iltatom til at virke elektron-elskende ved at polarisere iltets elektronsky i retning af metallet. Derved bliver det muligt at få dannet bindingen mellem to iltatomer - eet normalt, elektron-rigt og et der er gjort elektron-fattigt ved at være bundet til det høj-valente metalcenter. Denne beskrivelse er en ikke endeligt eftervist model og desuden en meget voldsom forsimpling af hvad der rent faktisk sker i det ilt-udviklende center i fotosystem-II (http://www.bio.ic.ac.uk/Research/barber/psIIimages/PSII.html og
http://en.wikipedia.org/wiki/Photosystem_II). Dette center omfatter udover de omtalte 4 mangancentre også en proteinkæde, nogle
broer mellem mangancentrene, og både en calcium- og en chlorid-ion, hvis roller man stadig skændes videnskabeligt om.
Vagn Bro
Som jeg forstår det, frigiver planternes fotosyntese ilt i ren form til atmosfæren.
Frigives brinten også i ren form til atmosfæren? I givet fald burde man vel kunne opsamle planternes brintproduktion?
Jesper Bendix
Nej i fotosyntesen er det primære reduktionsprodukt et organisk molekyle, der hedder NADPH og som er en slags biologiens ækvivalent
til hydridionen, der er bundet til ruthenium i det israelske modelsystem. Det sluttelige reduktionsprodukt i fotosyntesen er sukker, der er dannet ved reduktion af CO2.
Mette Buck Jensen
Er Danmark med i front inden for udvikling af kunstig fotosyntese?
Jesper Bendix
Nej, jeg mener ikke at man kan sige at Danmark er i front, men det er nu også meget vanskeligt at definere en front indenfor kunstig fotosyntese. Der er grupper, der går efter anvendelige systemer og her vil jeg sige at Japan og USA er længst fremme. Og så er der grupper der arbejder med forståelsen af de involverede processer og som arbejder med simple molekylære modeller og her er det udover USA og Japan også Tyskland, Israel og Sverige, der bidraget mest.
Søren Andersen
Kunne man forestille sig at teknikken istedet indgik som et katalysatorsystem (i storskala), hvor energien kommer fra eller suppleres med f.eks. vindenergi.
Hermed kunne overskudsenergi fra vindmøllestrøm anvendes til fremstilling af brint.
Brinten kunne evt. videre bruges til at reducere CO2 (f.eks. fra kraft/varme forbrænding) til fremstilling af metan/metanol, som bekendt kan indgå i allerede eksisterende energidistributionssystemer (naturgasnet, tilsætning til fossile brændstoffer).
Jesper Bendix
Den elektrolytiske spaltning af vand er da bestemt en mulighed for lagring af vindenergi og også en der tages i betragtning. Problemerne er igen, at det er potentielt knaldgas man fremstiller. Den store fordel ved elektrolyse er, at man direkte får adskilt ilten og brinten. Der vil nok være for stort et tab ved at vidrereagere brinten med andre forbindelser, hvis målet er energilagring. Det simple vil være at køre den fremstillede ilt og brint igennem en brændselscelle, når man vil høste den oplagrede energi.
Søren Bækhøj Kjær
Hvad er "virkningsgraden" for denne process?
Lad os antage en indstålet effekt på 1 kW/m2, hvor mange g H2 fremstilles der så per sekund og med hvilken brændværdi?
Varmen til forsøget kan nok "udledes som spildvarme fra indstrålingen".
Jesper Bendix
Den er fælt dårlig. Det er maksimalt 5% af den ved jordoverfladen indstrålede effekt, der ligger i det relevante bølgelængdeområde (320-420 nm). Desuden har forskerne bag artiklen også fundet en betydelig nedbrydning af den aktive forbindelse over et tidsrum på få dage. Det er med andre ord slet ikke et system som kommer i nærheden af at blive kommercielt fungerende i den nuværende udformning. Mht. mængden af H2 per sek. så afhænger det naturligvis af stofmængden af foto-katalysatoren og udformningen af systemet - der må jo nemlig heller ikke være så store mængder af rutheniumforbindelse, at det absorberer alt lyset uden at hele mængden af ruthenium
forbindelse kommer i spil.
Specielt den begrænsede udnyttelse af lysenergien repræsenterer et minus, men det faktum at metoden giver direkte lagring af energien er det store plus ifht. f.eks. vindenergi eller solceller.
Jacob Larsen
Du nævner at en af ulemperne ved de forskellige metoder er, at de kun udnytter en begrænset del af solspektret. Hvorfor skal der udnyttes mere af spektret, hvis de energier, der skal til for at katalysatoren virker optimalt findes f.eks. fra 320-420 nm?
Jesper Bendix
Det er fordi vi også gerne vil have lidt marker og skov til overs, når vi har dækket vores energiforbrug. Det er da ærgeligt at skulle dække 20 gange så stort et areal som teoretisk nødvendigt for et system, der absorberer og konverterer al solstrålingen.
Vagn Bro
Du skriver:
"Det er fordi vi også gerne vil have lidt marker og skov til overs, når vi har dækket vores energiforbrug".
Fire spørgsmål:
1. Vil det sige, at vi i områder med skove og marker reelt lige så godt kunne høste energien i form af det plantemateriale, som fotosyntesen producerer på naturlig vis.
2. Kunne man i stedet udnytte de store mængder sollys, som findes i klodens ørkenområder? Her kan kunstig fotosyntese vel ikke kan være en konkurrent til landbrug og skovbrug?
3. Vil udnyttelse af kunstig fotosyntese til en ørkenbaseret brintproduktion i klodens ørkenområder kunne levere brint nok til at erstatte det nuværende forbrug af fossil energi?
4. I givet fald - vil en sådan brintproduktion via kunstig fotosyntese forbruge så meget solenergi, at klimaet i ørkenerne derved ville blive koldere?
Jesper Bendix
1) Nej - vi skulle da gerne kunne gøre det en del mere energieffektivt
2) Ja - ørkner er gode - transporten af den lagrede energi er bare voldsomt fordyrende.
3. Det afhænger drastisk af effektiviteten af den kunstige fotosyntese. Jeg har ikke tallene present, men jeg mener at med 100% udnyttelse af den indkomne effekt så er arealbehovet ret moderat, men igen er der problemer med at fremstille og lagre energien langt fra hvor den skal bruges.
4) Jeg har igen ide om svaret på det spørgsmål.
Michael Nielsen
Hvor god virkningsgrad er den naturlige forosyntese, og hvorfor benyttes denne ikke (hvis den ikke gør) "en del af vejen" mod spaltningen til brint?
Jesper Bendix
Den er i størrelsesordnen 5%. Det naturlige ensemble af enzymer, der udgør det fotosyntetiske system er dog så kompliceret, at det aldrig vil komme i anvendelse udenfor levende organismer. Samtidig så er der hele problematikken med foto-nedbrydning: Det fotosyntetiske system skades løbende under processen og genopbygges via mange komplicerede processer, der ikke kan realiseres uden for en levende celle.
