2

Fotosyntéza v moderním hávu

PASADENA – Rozvoj obnovitelné energie – a politické debaty, které ho obklopují – se už několik desítek let zaměřuje převážně na výrobu elektrické energie. Více než 60% světové energie se však poskytuje přímo chemickými (především fosilními) palivy, bez mezičlánku v podobě přeměny na elektrickou energii. Žádné realistické úsilí o boj proti globálnímu oteplování snižováním uhlíkových emisí nemůže toto zásadní omezení ignorovat.

Ve Spojených státech a dalších průmyslových zemích přitom řadu aplikací závislých na fosilních palivech (jako jsou letecká doprava nebo výroba hliníku) nelze překonfigurovat tak, aby využívaly elektrickou energii. Fosilní paliva jsou navíc nutná také k výrobě elektrické energie, a to jak pro uspokojení poptávky, tak pro vyrovnávání výpadků obnovitelných energetických systémů, jako jsou větrná nebo sluneční energie. Opravdu existuje nějaká dostupná nízkouhlíková alternativa?

Aleppo

A World Besieged

From Aleppo and North Korea to the European Commission and the Federal Reserve, the global order’s fracture points continue to deepen. Nina Khrushcheva, Stephen Roach, Nasser Saidi, and others assess the most important risks.

Jedním slibným přístupem je umělá fotosyntéza, která využívá nebiologických látek k výrobě paliv přímo ze slunečního světla. Slunce je téměř nevyčerpatelným zdrojem energie, přičemž energie uskladněná ve formě chemických vazeb – podobných těm, které se nacházejí ve fosilních palivech – je dostupná, účinná a pohodlná. Umělá fotosyntéza kombinuje tyto vlastnosti v životaschopnou technologii, která slibuje energetickou bezpečnost, trvalou ekologickou udržitelnost a ekonomickou stabilitu.

Přírodní fotosyntéza sice poskytuje komplexní a elegantní rámec výroby chemických paliv ze slunečního světla, ale má značná omezení výkonnosti. Využívá se pouze asi desetina maximální sluneční energie, anualizovaná čistá účinnost energetické přeměny nedosahuje ani 1%, podstatné množství energie se spotřebuje vnitřně na obnovu a udržování jedinečného molekulárního mechanismu fotosyntézy v chodu a energie je uskladněna v chemických palivech, která jsou neslučitelná se stávajícími energetickými systémy.

Naopak umělá fotosyntéza inspirovaná její přírodní variantou vykazuje potenciál k daleko lepší výkonnosti a poskytuje energii ve formě, kterou lze využívat v naší současné energetické infrastruktuře. Plně umělý systém by navíc nevyžadoval úrodnou půdu ani pitnou vodu a při využívání půdy by nenutil k volbě mezi produkcí potravin a produkcí paliv.

Stávající energetické technologie lze už nyní zkombinovat tak, aby účinně, byť nepřímo vytvářely chemická paliva ze slunečního světla, avšak zatím se to neděje v konfiguraci, která by byla praktická, dostupná a současně ekonomicky smysluplná. Také celková účinnost systému plně integrované energetické přeměny ze slunečního světla na palivo může být více než desetkrát vyšší než u energeticky nejúčinnějších biologických systémů, avšak kapitálové náklady na komerční rozšíření jsou příliš vysoké. Hlavní prioritou vědců proto musí být vývoj generátoru solárního paliva, jenž bude kombinovat ekonomickou dostupnost s odolností a účinností.

Klíčem k vytvoření takového systému je využití hojně rozšířených materiálů, které dokážou plnit základní funkce v podobě absorpce světla a zprostředkování chemických reakcí, při nichž vzniká palivo. Zatímco u přírodní fotosyntézy slouží k absorpci světla chlorofyl, u umělých systémů je zapotřebí nalézt vhodné materiály, které budou zachycovat a přeměňovat sluneční světlo. Světelně absorpční vlastnosti křemíku jsou sice pro fotovoltaická zařízení vhodné, avšak napětí necelých 0,5 voltu, které křemík generuje, je příliš nízké na štěpení vody v generátoru solárního paliva.

Umělý systém vyžaduje také katalyzátory, které usnadní efektivní produkci chemických paliv. Tyto katalyzátory musí být vysoce aktivní, stabilní a kvůli globální dostupnosti se musí skládat z hojně rozšířených prvků, jako jsou železo, nikl nebo kobalt, nikoliv z vzácných kovů typu ruthenia nebo iridia, které se používají dnes.

Kromě toho musí být jednotlivé složky systému integrovány způsobem, který zajistí, že budou všechny optimálně fungovat ve společném souboru provozních podmínek. Použitelný systém musí také zahrnovat cenově efektivní architektury, výrobní procesy a instalační metody.

A co je nejdůležitější, takové systémy musí fungovat bezpečně. U většiny implementací umělé fotosyntézy se energeticky bohatá paliva vytvářejí společně s kyslíkem, výsledkem čehož jsou nebezpečné výbušné směsi. Proto je nutné vyvinout membrány nebo jiné fyzické a chemické bariéry, aby se jednotlivé produkty spolehlivě izolovaly. Tyto dělicí mechanismy by zároveň eliminovaly potřebu složitého vybavení pro zpracování rozhraní, které by u většiny aplikací bylo nutné k separaci produktů před jejich použitím.

Jak by tedy takový systém umělé fotosyntézy vypadal? Základním schématem není solární panel připojený na elektrolytickou jednotku, nýbrž spíše tenký svitek sendvičových vrstev podobných plastu, který by silně připomínal vysoce účinné látky používané v nepromokavých bundách a jenž by se dal podle potřeby rozvinovat. Svrchní materiál by pohlcoval ze vzduchu vodu a oxid uhličitý, zatímco další, světelně absorpční vrstva by využívala sluneční energii k produkci paliva. Obě vrstvy by byly oddělené membránou, takže by palivo neunikalo do vzduchu, ale prosakovalo by přes spodní část materiálu do sběrné nádrže, odkud by ho podle potřeby využívala naše současná infrastruktura zásobování energií.

V ideálním případě by měla výroba solárního paliva nabízet flexibilitu ohledně typů chemických paliv, které lze ze slunečního světla vyrábět. V nejjednodušší formě se voda štěpí na plynný vodík a plynný kyslík. Uhlík by se dal přeměnit v kapalné palivo například zdokonalením biopaliv, případně by mohl reagovat s oxidem uhličitým z kouřového plynu nebo jiného zdroje a vytvářet tekutá paliva využitelná v dopravních aplikacích. Jinou možností je, že by katalyzátory podobně jako u systémů přírodní fotosyntézy přímo redukovaly oxid uhličitý, v tomto případě na metanol nebo metan. Nejefektivnější systémy by byly schopné nabízet plynná nebo kapalná paliva.

Support Project Syndicate’s mission

Project Syndicate needs your help to provide readers everywhere equal access to the ideas and debates shaping their lives.

Learn more

Nedávné pokroky v nanotechnologiích, materiálovém inženýrství, chemii a fyzice poskytly nástroje potřebné k rychlému pokroku v této oblasti. Konečným cílem je čistá energetická technologie, která bude na dosah a mohla by tvořit základ bezpečné, jisté a trvale udržitelné energetické budoucnosti.

Z angličtiny přeložil Jiří Kobělka.