1. Desarrollar nuevas pilas de combustible
Las pilas de combustible utilizan combustibles gaseosos (como hidrógeno, metano, etc.) para reaccionar directamente con el oxígeno para generar electricidad. Son muy eficientes y tienen. Baja contaminación. Formas prometedoras de utilizar la energía. Las pilas de combustible tradicionales utilizan hidrógeno como combustible. El hidrógeno es difícil de preparar y almacenar, lo que genera elevados costes. Investigadores de la Universidad de Pensilvania han diseñado un nuevo tipo de pila de combustible que utiliza hidrocarburos como el metano, y su coste es mucho menor que el de las pilas de combustible tradicionales que utilizan hidrógeno como combustible. Los investigadores han intentado utilizar hidrocarburos baratos como combustible, pero el "residuo" de la reacción química puede acumularse fácilmente en el electrodo positivo de la batería de níquel, provocando un circuito abierto. El uso de una mezcla de cobre y cerámica para fabricar el electrodo positivo de la batería resuelve el problema de la acumulación de "residuos". Las pilas de combustible recientemente desarrolladas pueden utilizar metano, etano, tolueno, buteno y butano como fuentes de combustible, y pueden producir metano y otros hidrocarburos mediante fermentación microbiana, convirtiéndose en una fuente rica y extensa de materias primas para el desarrollo de nuevas pilas de combustible. En la actualidad, la eficiencia de conversión de energía de este nuevo tipo de pila de combustible es todavía baja y requiere más investigación y mejora.
En segundo lugar, desarrollar bioenergía de doble uso.
Ya sea que la mayoría de las armas militares, como equipos móviles o vehículos civiles, utilicen gasolina y diésel como combustible, el hidrógeno es más ideal. Sus características son: (1) limpio y no contamina el medio ambiente; (2) alta eficiencia térmica, aproximadamente 3 veces mayor que la de la gasolina (3) tiene potencial de producción biológica de hidrógeno; Por ello, el uso pleno de la biotecnología para producir hidrógeno será prometedor. Si se utiliza Rhodopseudomonas como bacteria de producción y almidón como materia prima para producir hidrógeno, se pueden lograr buenos resultados. Por cada 1 g de almidón consumido, se puede producir 1 ml de hidrógeno. El hidrógeno, mezclado con pequeñas cantidades de otros combustibles, puede sustituir a la gasolina y al diésel. El etanol también es un biocombustible limpio que tiene una amplia gama de usos y puede usarse para reemplazar la gasolina y el diésel. La "levadura modificada" construida mediante tecnología genética en Japón, Canadá y otros países utiliza su actividad enzimática de alto rendimiento para hidrolizar la celulosa para producir etanol. También se construye "Escherichia coli modificada" que puede convertir eficazmente la glucosa en etanol; Uso de gasolina o diésel, proporcionando grandes cantidades de biocombustible para equipos móviles en cualquier momento. De hecho, no sólo existen bacterias o "bacterias diseñadas", sino también algunas algas u otros microorganismos que pueden producir hidrógeno o etanol. Investigadores de la Universidad de California y otros investigadores han descubierto que un tipo de alga verde (organismo eucariota) llamada Chlamydomonasreinhadtii tiene la capacidad de producir continuamente grandes cantidades de gas hidrógeno. La clave es controlar el entorno de crecimiento y eliminar el azufre de la solución nutritiva en crecimiento. En este caso, las algas dejan de realizar la fotosíntesis y no se produce oxígeno. En condiciones anaeróbicas, las algas deben generar la energía necesaria para el trifosfato de adenosina a través de otros medios y utilizar la energía almacenada para lograr su objetivo final de producción de hidrógeno. En general, la producción de hidrógeno de esta alga natural es muy baja. Por tanto, por un lado, es necesario controlar los factores clave que son necesarios o dificultan su crecimiento, por otro, se utiliza la tecnología genética molecular para modificar las características de las algas y mejorar su capacidad de producción de hidrógeno; Se puede observar que existe potencial para aprovechar al máximo diversos organismos para desarrollar bioenergía limpia para usos tanto militares como civiles.
3. Microcystis es la forma más económica de obtener energía de hidrógeno.
Los métodos de producción de hidrógeno mediante algas verdes y microorganismos se han mencionado anteriormente. Aquí nos centramos en las perspectivas de producción de hidrógeno mediante algas microverdes. Los científicos predicen que el hidrógeno puede ser una fuente de energía ideal cuando se agoten el petróleo y el gas natural. La clave es encontrar una forma barata de producir hidrógeno. Algunos expertos creen que utilizar las capacidades de producción de hidrógeno de las algas verdes comunes de los estanques puede ser la opción más práctica: económica, práctica y ampliamente distribuida. Las algas verdes son plantas inferiores microscópicas que se reproducen rápidamente y se distribuyen por todo el mundo. Tiene la capacidad de producir gas hidrógeno en presencia de agua y luz solar. Bajo control artificial, se puede obligar a las algas verdes a producir hidrógeno según sea necesario. Un informe de investigación experimental señaló que 1 litro de solución de cultivo de algas verdes puede producir 3 ml de hidrógeno por hora y que es necesario mejorar aún más la eficiencia de la producción de hidrógeno. Tenga en cuenta dos puntos: (1) El uso de tecnología de ingeniería genética para mejorar este sistema de producción de hidrógeno puede aumentar la producción de hidrógeno en más de 10 veces (2) la aplicación de tecnología de inmovilización celular puede mejorar la capacidad de producción continua de hidrógeno de las microalgas; En países como Alemania, Canadá y Japón, para hacer realidad el plan de desarrollo de la "energía limpia del hidrógeno", están estableciendo activamente "granjas de algas productoras de hidrógeno" y esforzándose por lograr una producción a gran escala de energía del hidrógeno.
Canadá ha construido una fábrica para producir 10 toneladas de hidrógeno líquido por día; Japón ha incluido la producción eficiente de hidrógeno mediante algas productoras de hidrógeno y bacterias fotosintéticas como foco de investigación, y desarrollará "hidrógeno en grasa" similar a un sorbete para motores de cohetes para aumentar el rendimiento de los cohetes. empuje de lanzamiento. Estados Unidos espera utilizar la energía del hidrógeno como su principal fuente de energía para 2030. Parece que la producción de energía de hidrógeno por parte de microalgas verdes y microorganismos fotosintéticos tiene un gran potencial de desarrollo.
En cuarto lugar, aprovechar al máximo la basura orgánica o las aguas residuales orgánicas como materia prima para producir energía de hidrógeno.
Investigadores de la Universidad de Kitasato en Japón han logrado buenos resultados en la producción de hidrógeno de alto rendimiento a partir de residuos domésticos. El hidrógeno no solo se puede utilizar directamente como fuente de energía limpia, sino que también puede proporcionar materias primas de alta calidad para el desarrollo de pilas de combustible, lo que es más económico y práctico y tiene posibles ventajas de desarrollo. Los investigadores eligieron una bacteria anaeróbica, la cepa "Clostridium" AM21B, la mezclaron con desechos domésticos como restos de comida y espinas de pescado molidas con agua y la fermentaron a 37°C para producir hidrógeno. Los resultados experimentales muestran que se pueden obtener 49 litros de hidrógeno por cada 65.438±0 kg de residuos domésticos. Después de la producción de hidrógeno, los residuos domésticos restantes son blandos e inodoros y pueden reciclarse para convertirlos en abono y otros fertilizantes orgánicos. Se dice que investigadores japoneses han desarrollado un nuevo tipo de "equipo de fermentación" que recicla residuos domésticos para producir hidrógeno, lo que es más propicio para mejorar la eficacia de la producción de hidrógeno a partir de residuos domésticos. Investigadores de la Universidad de Arquitectura y Arquitectura de Harbin en China han establecido una tecnología para producir hidrógeno a partir de aguas residuales orgánicas mediante fermentación microbiana utilizando lodos activados anaeróbicos como materia prima. Tiene varias características: (1) La fermentación no utiliza cepas bacterianas puras; (2) La producción continua de hidrógeno se puede lograr sin tecnología de inmovilización celular (3) El proceso del sistema de producción de hidrógeno es estable; es alto; (5) La producción de hidrógeno es decenas de veces mayor que la de pequeños experimentos similares en el extranjero. Ahora ha entrado en la escala piloto de producción continua de hidrógeno, con una capacidad de producción de 5,7 metros cúbicos/metro cúbico y una pureza del 99%. Se espera que entre en producción industrial y proporcione una vía biológica viable para el desarrollo de la energía del hidrógeno.
5. Utilizar el gas residual de dióxido de carbono como materia prima para desarrollar nueva energía.
El CO2 tiene una amplia gama de fuentes. No sólo es uno de los gases de efecto invernadero más importantes, sino también una materia prima química. Cuando la liberación y absorción de CO2 no alcanza un equilibrio dinámico, inevitablemente tendrá consecuencias adversas para el medio ambiente ecológico. Por lo tanto, es de gran importancia estudiar cómo convertir aún más el gas residual de CO2 y lograr la utilización de recursos. Entre ellos, el aprovechamiento de la energía es un tema de investigación que merece atención. Al menos el CO2 se puede convertir en energía mediante métodos químicos y biológicos.
(1) Método químico que utiliza catalizador: utilizando zeolita como catalizador de alta eficiencia, aproximadamente el 99% de las partículas de aluminio activas adsorben rodio y manganeso. Calculado en base a la relación de CO2 a oxígeno a 1:4, 300°C y 1 atmósfera, al menos el 90% del CO2 se puede convertir en metano y la tasa de conversión puede alcanzar 10 atmósferas. Por supuesto, también está la cuestión de reducir el coste del hidrógeno y el rodio. El metano obtenido no sólo proporciona energía y materias primas químicas, sino que también reduce el efecto invernadero, incluido el CO2.
(2) Bioutilización de algas: como se mencionó anteriormente, las algas, especialmente aquellas microalgas unicelulares, ya sean procarióticas o eucariotas, absorben CO2 para la fotosíntesis y producen nueva energía verde de la manera más efectiva. Un gran número de microalgas aprovechan al máximo el CO2 durante el proceso de proliferación y sintetizan materia orgánica en condiciones de luz para almacenar energía solar. La biomasa de microalgas puede denominarse una enorme "reserva de almacenamiento de energía". Por lo tanto, es factible convertirlo en combustible sólido o seco para su uso en el Reino Unido para generar electricidad. También se puede utilizar para producir metano y otras energías mediante la fermentación de biomasa de diversas algas, incluidas las marinas. También es deseable producir hidrógeno continuamente a través de células de microalgas inmovilizadas. Precisamente debido a las funciones específicas de diversas algas, son a la vez "bancos de almacenamiento de energía" y "bancos de suministro de energía" de los que se puede obtener la energía limpia necesaria. Por lo tanto, algunos expertos predicen que la producción de bioenergía a partir de dióxido de carbono, especialmente energía de hidrógeno, será un suministro energético prometedor e ideal en este siglo.
Existe un gran potencial de fermentación microbiana para producir etanol.
El etanol, comúnmente conocido como alcohol, no sólo se utiliza en la medicina y la industria química, sino que también es una energía limpia y libre de contaminación que se desarrollará en el futuro, y también es una de las fuentes de energía renovables más importantes. . Tiene las características de combustible completo, alta eficiencia y sin contaminación. La "gasolina etanol" preparada diluyendo gasolina puede reemplazar a la gasolina con plomo y su eficiencia puede aumentar en aproximadamente un 15%. Según los informes, Brasil ha modificado cientos de miles de automóviles para utilizar gasolina etanol o alcohol como combustible, lo que ha reducido en gran medida la contaminación del aire.
Ahora que el etanol ha demostrado su superioridad como combustible para vehículos, ¿cuál es la mejor manera de producirlo? Entre ellos, el método de producción de etanol más económico y práctico merece una seria consideración en dos aspectos: primero, utilizar residuos de paja agrícola para producir etanol combustible; segundo, cultivar algas verdes para producir etanol; En cuanto a lo primero, la paja es un desperdicio de cultivos a gran escala en todo el mundo. Nuestro país produce cada año 650 millones de toneladas de paja, que se quema directamente y contamina el medio ambiente. Si incluso una parte de estas pajitas se utiliza para producir etanol combustible, beneficiará al país y a la gente y protegerá el medio ambiente ecológico. Si se utiliza etanol como aditivo de la gasolina para reemplazar el aditivo con plomo existente, el metil terc-butil éter (MTBE), será muy beneficioso para mejorar la eficiencia del uso de la gasolina y proteger el medio ambiente ecológico, y tiene un enorme potencial comercial. Hace dos años, la cantidad de etanol utilizado como combustible en los Estados Unidos alcanzó 465.438 + 30.000-58.600 toneladas, lo que representa aproximadamente el 83% -87% del consumo de etanol en los Estados Unidos actualmente, la producción y el mercado de etanol combustible en; mi país están en blanco. Sin embargo, el etanol tiene sus ventajas como aditivo oxigenante eficaz en la gasolina. En Estados Unidos, el 8% de la gasolina oxigenada está fortificada con etanol, pero ahora la única alternativa al MTBE es el etanol. Se informa que al menos 65.438+00.000 aguas subterráneas en California están contaminadas por MTBE filtrado, y 65.438+04% de los pozos de agua potable en los Estados Unidos están contaminados. El MTBE es un carcinógeno en animales y potencialmente perjudicial para la salud humana. Por un lado, el gobierno prohíbe el uso de aditivos MTBE en la gasolina, por otro, desarrolla activamente la producción de etanol como sustituto. Un estado de California necesitará 35.000 barriles de etanol por día en los próximos dos años (nota: 1 barril en Estados Unidos = 31,5 galones), y la demanda será de 95.000 barriles en cinco años. Con este fin, los productores de etanol estadounidenses han estado ampliando su capacidad de producción; no hay duda de que la prohibición del MTBE ha brindado oportunidades comerciales ilimitadas a la industria del etanol. También se puede ver que debemos aprovechar las oportunidades comerciales del desarrollo del etanol combustible y desarrollar nuevas energías verdes. En nuestro país, es totalmente posible aprovechar al máximo diversas pajitas de desecho para lograr la utilización de recursos o la utilización de energía en función de las condiciones, capacidades y tecnología. Si cada año se utilizan 654,38 mil millones de toneladas de paja para producir etanol combustible, la producción de etanol puede alcanzar los 20 millones de toneladas. Según la evaluación económica de expertos pertinentes, el costo de producir etanol a partir de paja es menor que el costo del etanol producido por fermentación de granos y es mayor que el costo de producir gasolina en una refinería, pero es más competitivo que el aditivo para gasolina; MTBE. Aunque la producción de etanol combustible a partir de paja tiene ciertas características y ventajas, es necesario explorar más a fondo su tecnología de producción y su eficacia. En cuanto a la producción de etanol a partir de algas verdes, es muy diferente de la ruta tradicional de producción de etanol microbiano. Las algas verdes son organismos eucariotas autótrofos, entre los cuales la Chlorella unicelular tiene un gran potencial para desarrollar nuevas fuentes de energía. Un equipo de investigación de una empresa japonesa obtuvo una nueva especie de alga del agua de mar superficial, denominada TIT-1, que es similar a la Chlorella (de unas 10 μm de diámetro). Al igual que las plantas comunes, TIT-1 puede convertir CO2 en almidón para almacenarlo durante el día y también puede convertir el almidón en etanol en condiciones anaeróbicas o con poca luz. Tiene sus propias características: no causa contaminación ambiental y puede absorber contaminantes atmosféricos. El CO2 reduce en gran medida el efecto invernadero, y esta combinación orgánica de producción de etanol autótrofa y heterótrofa es un ejemplo típico con ventajas únicas.
En definitiva, los seis aspectos mencionados anteriormente, sin importar la forma en que se obtengan a partir de diferentes combustibles o fuentes de energía, se denominan “energía verde” como un biocombustible limpio o fuente de energía que no contamina el medio ambiente. La bioenergía es la dirección de desarrollo de la construcción energética del futuro. El progreso de la civilización moderna y la supervivencia y el desarrollo de la humanidad requieren urgentemente nuevas energías limpias y un entorno ecológico libre de contaminación, y ambos están estrechamente relacionados. Es previsible que en el siglo XXI, con las necesidades de diversas construcciones y el avance de la ciencia y la tecnología, se desarrolle aún más la energía verde.