Umělá fotosyntéza. Michael Hagelberg. Tomáš Polívka, Ústav fyzikální biologie

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Umělá fotosyntéza. Michael Hagelberg. Tomáš Polívka, Ústav fyzikální biologie"

Pavlína Čechová
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Umělá fotosyntéza Michael Hagelberg Tomáš Polívka, Ústav fyzikální biologie

2 Energetické požadavky společnosti Energetický rozdíl 14 TW, TW, 2100

3 Alternativy Fosilní paliva Jaderné štěpení Obnovitelné zdroje Jaderná fúze Environmentální problémy Sociální a politické problémy Voda, vítr, slunce, příliv, geo, biomasa Technologické problémy Hustota energie Tok energie Energetické požadavky ~ 14 TW 2050 ~ 33 TW TW = GW elektráren 1 nová elektrárna každý den po následujících 40 let Problém nemá jednoznačné řešení Je nezbytné kombinovat všechny zdroje

energie Tok energie Energetické požadavky ~ 14 TW 2050 ~ 33 TW 2100 14 TW = 14000 1 GW elektráren 1 nová

4 E J/ a Model vše při starém E J/ a Model 450 ppm CO 2 E J/ a Bezjaderný model 450 ppm CO 2 Fosilní paliva Zemní plyn (CCS) Zemní plyn Jaderná energie Biomasa Slunce Vítr Hydro Geotermální

5 Zásoby obnovitelných zdrojů SOLAR: 178,000 TW GEOTHERMAL: 92,000 TW-YR GEOTERMÁLÍ: 92,000 TW Obnovitelné, zdroje energie TIDAL PŘÍLIV: POWER: 0.1 TW 0.1 TW-YR WAVE: VLY: 2 TW-YR WID: 5 TW-YR OCEA THERMAL: 10 TW- YR BIOMASS: VÍTR: 172 TW 172 TW-YR vs. současné požadavky SOUČASÁ SPOTŘEBA: 13 TW

6 Využití sluneční energie Grätzel cells Fuel?

Parametry slunečního záření Solární konstanta 1366 Wm -2 174 000 TW 345 Wm -2 44

7 Parametry slunečního záření Solární konstanta 1366 Wm TW 345 Wm TW K získání 1 GW energie je zapotřebí 3 km 2 + účinnost + spektrální závislost

8 Sluneční elektrárny Solar II, Mojave desert 10 MW standardní elektrárna, Southern California Edison 500 MW, Gut Erlasee Solar Park 12 MW Fotovoltaické panely 50 W/m 2 Serpa, Portugalsko 11 MW Fotovoltaické panely

500 MW, Gut Erlasee Solar Park 12 MW Fotovoltaické

9 Problém hustoty energie 1 ha fotovoltaických článků = 1 dm 3 jaderného paliva Temelín: 2 x 1020 MW na ploše m W/m 2 V případě jaderné fúze je hustota energie zhruba 4x vyšší než u štěpení (na kg paliva)

1240000 m 2 1645W/m 2 V případě jaderné fúze je

10 Sluneční energie - plocha pokrytí

11 Problém toku energie K zabezpečení plynulé dodávky elektrické energie je třeba plynulé dodávky zdroje energie Fosilní paliva, jaderné palivo, geotermální, biomasa, příliv Vetšina obnovitelných zdrojů energie nesplňuje podmínku plynulosti toku energie Voda, slunce, vítr utno zálohovat výrobu energie jinými zdroji Využít obnovitelných zdrojů k výrobě skladovatelné formy energie - paliva Umělá fotosyntéza

energie nesplňuje podmínku plynulosti toku energie Voda, slunce, vítr utno zálohovat výrobu energie

12 Fotosyntéza Primární zdroj energie v biosféře Atmosférický kyslík Účinnost ~0.2% Atmosférický oxid uhličitý

13 Umělá fotosyntéza apodobení a modifikace přírodních dějů Čistý a obnovitelný zdroj energie Zatím technologicky nedostupný Jules Verne, H 2 O --> 4H + + 4e - + O 2 --> 2H 2 + O 2 umělá fotosyntéza vodíku a kyslíku

technologicky nedostupný Jules Verne, 1875 2H 2 O -->

14 Současné zdroje vodíku, výhledy Chemicky ze zemního plynu 4.8$/kg Elektrolýza 9$/kg Solární elektrolýza 36$/kg Bioreaktory?? Velmi nízká produktivita, ~0.1% (fotony na H 2 ) Lze dosáhnout až 2% 1.4 kg H 2 /den na ploše 1000m 2 Do budoucna Zvýšení účinnosti bioreaktorů pomocí genetických manipulací, teoretické maximum ~10% De novo syntéza nanostruktur schopných produkovat solární vodík s rozumnou účinností Projekt HELIOS Aktivita USA, 15M$/rok po dobu tří let 40 vědců, 55 postdoků, 65 PhD studentů Cílem je vytvořit solární generátor paliva s účinností 1% pomocí dostupných materiálů

4 kg H 2 /den na ploše 1000m 2 Do budoucna Zvýšení účinnosti bioreaktorů pomocí genetických manipulací, teoretické maximum ~10% De novo syntéza

15 Fotosystém II přenos elektronu P680 tzv. primární donor, chlorofyl-a, maximum absorpce 680 nm Ph pheophytin, první akceptor elektronu Q a, Q b chinony, sekundární akceptory elektronu Tyr tyrosin, poslední přenašeč elektronu na donorové straně Mn manganový klastr Ferreira et al., Science 2004

první akceptor elektronu Q a, Q b chinony, sekundární akceptory

16 Přírodní produkce vodíku - hydrogenáza ěkolik typů: Fe-only, Fe-i evyskytují se u rostlin, pouze baktérie a sinice Pracuje pouze v bezkyslíkatém prostředí 2H + + 2e - H 2 Evans & Pickett, Chem. Soc. Rev., 2003

17 Jak napodobit přírodní procesy přírodní umělá Zdroj: Swedish Consortium for Artificial Photosynthesis

18 Přírodní vs. umělá fotosyntéza Ruthenium tris-bipyridyl: Tyrosin: Manganový komplex: primární donor, fotochemicky stabilní, snadno chemicky modifikovatelný intermediální přenašeč elektronu oxidace vody Akceptor: např. TiO 2 Zdroj: Swedish Consortium for Artificial Photosynthesis

19 Modely umělého reakčního centra Borgstrom, JACS 2005 Huang, JACS 2002 Zatím neexistuje systém schopný účinného štěpení vody pomocí světla

20 Hydrogenázové mimiky Tard et al. ature 2004, pouze aktivní centrum enzymu Ott et al., Inorg. Chem. 2004, aktivní centrum + senzitizér

21 Hypotetické zařízení Problémy Hydrogenázy jsou velmi citlivé na přítomnost kyslíku utný dostatečný tok fotonů pro multielektronové reakce Zdroj: Swedish Consortium for Artificial Photosynthesis

22 Světlosběrný systém = anténa

23 Solar spectral irradiance Spektrum slunečního záření me m -2 s -1 = fotonů m -2 s

24 Proč antény? me m -2 s -1 = fotonů m -2 s -1 Účinný průřez molekuly chlorofylu: ~1 Å fotonů Chl -1 s -1 Zvýšení intenzity až

25 Purpurové baktérie

26 Absorption LH2 spektrum LH2 from Rb. sphaeroides BChl-a BChl-a Car BChl-a Wavelength (nm)

27 Umělé anténní systémy P64D64 H H O O H H O O H H O O H H O O Z n Z n Z n Z n P16D16 P4D4 H H O O Z n P1D1 Max Crossley, University of Sydney Porfyrinové dendrimery Abs , Velký účinný průřez

28 Umělé anténní systémy Komplexy přechodových kovů (Ru, Os) Abs nm ízký účinný průřez, rychlý přenos energie Sebastiano Campagna, University of Messina

29 Funkční problémy Problém struktury Přítomnost proteinu jako nosné struktury zabraňuje tvorbě izomerů a konformerů Možné řešení Fixace umělých komplexů na pevné podložky nebo do nanotrubic

30 Funkční problémy Problém znalostí ěkteré funkční a strukturní detaily přírodních systémů stále neznámé

31 Funkční problémy Problém účinnosti Reakce na umělých komplexech jsou výrazně pomalejší což vede k nízké účinnosti Možné řešení Další výzkum v oblasti fyzikální chemie, elektrochemie, organické syntézy...

32 Funkční problémy Problém konektivity Současné semifunkční modely reakčních center a antén jsou nepropojitelné, jelikož nejnižší energetický stav umělých anténních komplexů je příliš nízko

33 Umělá fotosyntéza Výborná myšlenka, která má potenciál zajistit čistý a obnovitelný zdroj energie Výsledky dosažené v poslední době = realizace (snad) možná Cesta k plně funkční umělé fotosyntéze bude dlouhá

Podobné dokumenty

Světlosběrné systémy fotosyntetických organismů Tomáš Polívka

Světlosběrné systémy fotosyntetických organismů Tomáš Polívka Ústav fyzikální biologie Jihočeská univerzita Světlosběrný systém = anténa Cover photo from Ph.D. Thesis by M. Visser Solar spectral irradiance