2014-03-28
Att göra bränsle från solenergi och vatten.
Artificiell fotosyntes.
Stenbjörn Styring
Uppsala universitet
SOLAR-H
Bioreactors
Photosynthetic
Organisms
Artificial
Systems
Synthesis
Genetics
Regulation
Metabolism
Svenska konsortiet för
artificiell fotosyntes
1994-
Function of
Hydrogenases
& Photosystems
Uppsala universitet
SOLAR-H
Senioruniversitetet i Stockholm, 26 mars 2014
”Earth by night”
1
2014-03-28
”Vårt
energisystem har
svarta rötter”
Solar fuels – ett nytt koncept i
energidiskussionen!
Vision – att göra ett förnybart bränsle från
de outtömliga resurserna vatten och
solenergi.
2
2014-03-28
Vårt energisystem – lokala och globala aspekter
Möjligheter med solenergi; varför solbränsle
Vår vetenskap i Konsortiet för artificiell fotosyntes
Bakgrund
• Global uppvärmning
• Massiv användning
av fossila bränslen
• Vi bor i Sverige
3
2014-03-28
Tidstriften Nature 2008. Den längsta tidskurvan hittills. Från Antarktis,
EPICA, the European Project for Ice Coring in Antarctica.
Koldioxid
Koldioxid
Djupet av den analyserade is kärnan = 3190.53m
Tids upplösning = 380 år
Dagens värden
CO2 = 400 ppm
CH4 = >1800 ppb
4
2014-03-28
Oljetillgångar – Oljeutvinning - Oljeanvändning
Kärv verklighet
Tidigare fynd
Gb
Användning
Utvinning
Framtida fynd
Det globala perspektivet
Kärnkraft
Biomassa
Vatten
annat.....
Fossila bränslen
2013; ca 18 TW = 160 000 TWh
80%
0
10
TW
20
30
40
5
2014-03-28
Lokalt och globalt perspektiv
Energitillförseln i Sverige 2010
Vatten Biomassa
Kärnkraft
Fossila
33
32
12
23
% av totalt
Energitillförsel 2010; Tyskland
Fossil
82
11 7
% av totalt
Det globala perspektivet
Många anser att 30 TW energiförbrukning
är 2050 är troligt
Fossila bränslen
2050
Fossila bränslen
2013: 18 TW
80%
0
20
10
TW
30
40
6
2014-03-28
Det globala perspektivet
OBS! Detta är inte ”vår” energiförbrukning. Den
kommer från människor som inte använder energi idag.
Fossila bränslen
2050
Fossila bränslen
2013: 18 TW
80%
20
10
0
TW
40
30
Det globala perspektivet
OBS! Förbrukning från folk som inte använder energi
idag. De kan inte lösa detta genom att spara energi!!!
Fossil
2050
Fossil
2013: 18 TW
80%
0
20
10
TW
30
40
7
2014-03-28
Enormt intresse i förnybara energikällor
Källa: CEA, Frankrike
Notera den logaritmiska skalan
Förnybara tekniker (Sims et al, 2007 i IPCC rapporten).
Teknologiskt mogna med marknader
i några länder
vattenkraft; jordvärme o likn.
biomassa som ved, vanlig
vindkraft, gas i soptippar,
bioetanol, kiselsolceller....
Teknologiskt mogna med små marknader i få länder
sopkraftverk i städer, biodiesel;
vindkraft till havs,
värmeparaboler...
Under teknisk utveckling
demonstrationsanläggningar, kommer…
tunnfilmssolceller; tidvatten; vågkraft, biogas ur biomassa,
pyrolys, bioetanol från
lignocellulosa, koncentrerad
solkraft (heliostater).
Forskningskede
Organiska och nanotek solceller,
artificiell fotosyntes;
fotobiologisk vätgasproduktion, solhetta för bränsle
alger, cyanobakterier,
bioraffinaderier, havsströmmar,
saltgradienter i haven…..
8
2014-03-28
Solenergin är mycket stor
125 TW
Den årliga globala fotosyntesen
Solinstrålning = 120 000 TW. Ca
1timme motsvarar vår årliga
fossilanvändning
Solenergi per timme
Fossila bränslen
0
2013: 18 TW
20
10
TW
30
40
Vårt energisystem – lokala och globala aspekter
Möjligheter med solenergi; varför solbränsle
Vår vetenskap i Konsortiet för artificiell fotosyntes
9
2014-03-28
SOLENERGI, MÖJLIGHETER
Omvandlad
solenergi; Olja,
biomassa
!!
Värme
!!
Koncentrerad solhetta
!?
Solceller
Elström
Ivanpah, Mojave, Kalifornien
Öppnade 13 februari, 2014
Nära 350 000 speglar
Avses ge el till ca 140 000
hem
10
2014-03-28
Koncentrerad solhetta
Ivanpah, Mojave, Kalifornien
Öppnade 13 februari, 2014
Nära 350 000 speglar
Avses ge el till ca 140 000
hem
Solceller i stor och liten skala
Kalkbult, Sydafrika
350 000 paneler, 75MW; 33 000 hem
Koncentrerad solhetta
Ivanpah, Mojave, Kalifornien
Öppnade 13 februari, 2014
Nära 350 000 speglar
Avses ge el till ca 140 000
hem
Solceller i stor och liten skala
Sala-Heby utanför Uppsala
11
2014-03-28
Elektricitet är inte allt!
Bränsle
Sverige, 68% som bränsle
El.
Elektricitet 17%
Bränsle
Bränsle ca 83% av
energianvändingen
Fossil
80%
10
TW
20
Lagring av energi är ”allt”!
Lagra från sommar till vinter
Lagra från dag till natt
Lagra från där energin hämtas till där
den skall användas (transport)
12
2014-03-28
Lagring av energi är ”allt”!
Energi täthet (Wh/kg)
10 000
1 000
100
Bränslen
10
Batterier
1
0,1
Pumpa vatten i lager
Kritiska insikter
1. Elektricitet är en energibärare. Den används för
att bära en ”mindre” del av världens energi.
2. Biomassa är begränsad globalt sett.
Kan inte ersätta de fossila bränslena – ens
idag!
13
2014-03-28
Förnybara tekniker (Sims et al, 2007 i IPCC rapporten).
Teknologiskt mogna med marknader
i några länder
vattenkraft; jordvärme o likn.
biomassa som ved, vanlig
vindkraft, gas i soptippar,
bioetanol, kiselsolceller....
Teknologiskt mogna med små marknader i få länder
sopkraftverk i städer, biodiesel;
vindkraft till havs,
värmeparaboler...
Under teknisk utveckling
demonstrationsanläggningar, kommer…
tunnfilmssolceller; tidvatten; vågkraft, biogas ur biomassa,
pyrolys, bioetanol från
lignocellulosa, koncentrerad
solkraft (heliostater).
Forskningskede
Organiska och nanotek solceller,
artificiell fotosyntes;
fotobiologisk vätgasproduktion
solhetta för bränsle
alger, cyanobakterier,
bioraffinaderier, havsströmmar,
saltgradienter i haven…..
Nästan alla
använder biomassa
eller gör elektricitet
Kritiska insikter
1. Elektricitet är en energibärare. Den används för
att bära en ”mindre” del av världens energi.
2. Biomassa är begränsad globalt sett.
Kan inte ersätta de fossila bränslena – ens
idag!
3. Vi behöver ett förnybart bränsle som inte
baseras på biomassa
14
2014-03-28
SOLENERGI, MÖJLIGHETER
Omvandlad
solenergi; Olja,
biomassa
!!
Värme
!!
Vår
forskning
?
Bränsle, t ex
Vätgas
!?
Solceller
Elström
Solar fuels – Solbränslen
ett nytt energikoncept!
15
2014-03-28
Vårt energisystem – lokala och globala aspekter
Möjligheter med solenergi; varför solbränsle
Vår vetenskap i Konsortiet för artificiell fotosyntes
Två utmaningar
1. Utnyttja solenergin
2. Val av råvaran till bränslet; skall vara
miljövänlig, billig och ”oändlig”
(förnybar)
16
2014-03-28
Två utmaningar
1. Utnyttja solenergin
2. Val av råvaran till bränslet; - vi kommer
att använda vatten!
....som finns överallt, aldrig kan ta
slut....men är verkligt svårt att använda.
Vatten
Forskning för
solbränslen
SOLBRÄNSLE
Begrepp: Artificiell fotosyntes
Bio-artificiell fotosyntes
Det konstgjorda lövet
Det kemiska lövet osv….
17
2014-03-28
ARTIFICIELL FOTOSYNTES
Värdefulla + O2
produkter
H O
2
Solbränsle
t ex vätgas
FOTOSYNTESEN
Vatten + Koldioxid
P
Värdefulla + O 2
produkter
Mat
Papper
Biomassa
18
2014-03-28
Artificiell fotosyntes:
Visionärt – men hur?
Ide:
Kopiera nyckelprinciper från fotosyntesen
Metod:
Bio-mimetisk kemi
Redwood skog
Chandelier tree
Kalifornien
19
2014-03-28
Algblomning:
naturlig fotosyntesframgångsrik
Fotosyntesen
- Absorption av sol energi
klorofyll proteiner
- ljusdriven elektrokemi i
Fotosyntetiska Reaktions Centra
- Biosyntes
(mörker reaktioner)
kolhydrater
amino syror
fettsyror
vitaminer
.............
Vad skall man
härma?
20
2014-03-28
Tidigare flygare tittade på fåglar
Uppenbarligen behövdes vingar!
....skulle flygplanen flaxa med vingarna?
21
2014-03-28
Till slut hade man ....vingar....stark motor......
…...man flaxade inte.........
22
2014-03-28
…...man flaxade inte.........
.......och att lägga ägg eller att flyga söderut på vintern.....
var faktiskt helt ute!
Hur effektiv är
fotosyntesen?
1-2% av solenergin
omvandlas till biomassa
23
2014-03-28
Solenergin omvandlas
mycket effektivt
40-50% av den infångade
ljusenergin omvandlas till
kemisk energi
REAKTIONS
CENTRUM
Fotosyntesen
- Absorption av sol energi
klorofyll proteiner
- ljusdriven elektrokemi i
Fotosyntetiska Reaktions Centra
- Biosyntes
(mörker reaktioner)
kolhydrater
amino syror
fettsyror
vitaminer
.............
Vad skall man
härma?
24
2014-03-28
Fotosyntetiskt
ReaktionsCentrum från
en purpur bakterie
Nobelpriset 1988 (Deisenhofer,
Huber, Michel)
PURPURBAKTERIER
evolution
VÄXTER, ALGER,
CYANOBAKTERIER
med
FOTOSYSTEM II
25
2014-03-28
FOTOSYSTEM II
Nyckeln till varför naturen ser ut
som den gör!
P
O2
O2
O2
O2
Fotosystem 2 använder
solenergi för att spjälka vatten.
Resultat: Energirika elektroner!
26
2014-03-28
Elektronerna används för att tillverka kolhydrater
av koldioxid.
O2
P
O2
O2
O2
O2
O2
O2
? Secret of life
Grundämne: Mn
Atomvikt: 55
Mn
Mn
Mn
Mn
Vatten
Fyra mangan är
hemligheten bakom
vattenspjälkningen.
27
2014-03-28
Fotosystem II, naturens underbarn
Mangankomplexet
Fotosystem II
- de viktigaste spelarna Tyr 161
His 190
Gln 165
OH
Glu 189
Ca
Asp 170
Mn
Mn
Mn Mn
28
2014-03-28
ARTIFICIELL FOTOSYNTES
Värdefulla + O
2
produkter
H O
2
Bränsle, t ex
Vätgas
Supramolekylär kemi
kemiskt LEGO
2 H 2O
4H
D
O2 +4H
+
S
Länk
e-
Länk
e-
+
A
2 H2
N
N
N
Ru
N
N
N
Rutenium i stället
för klorofyll
29
2014-03-28
Supramolekylär kemi
kemiskt LEGO
2 H 2O
4H
D
O2 +4H
S
e-
+
e-
+
A
2 H2
N
N
Mn
N
Ru
N
N
N
Mangan precis
som i Fotosystem II
Första försöken
elektron
Mn
N
N
N
Ru
N
N
Ru
Frågeställning:
N
Kan Mn ge en
elektron till Ru?
N MnN
N
30
2014-03-28
Första försöken
Blixt
belysning
Mn
Ru
N
N
Ja, det går men...!
N
Ru
N
e-
elektron
N
N
eN MnN
N
Acceptor
e-
*
Ru(II) Ru(II)
Mn
Acceptor
avstånd
Mn - Ru avstånd
För kort – kommer inte att fungera
För lång – kommer inte att fungera
Vad göra??
31
2014-03-28
Sök inspiration hos Fotosystem II
P
Tyrosin
7-10 Å
Mn
Mn
Mn
Mn
Mn
Mn
Mn
O
Mn
Vatten
Supramolekylär Kemi
kemiskt LEGO
2 H 2O
4H
D
O2 +4H
S
Länk
+
e-
Länk
e-
+
A
2 H2
N
Mn
Länk
Mn
N
N
Ru
N
N
N
32
2014-03-28
Femtielfte försöket
Acceptor
Artificiellt system
2 Mn-joner
N
N
Ru
N
N
N
länkade till
Rutenium via en
Tyrosin
N
Me
NH
EtO2C
N
N
N
N
N
O
Mn
Mn
O
O
O
N
O
Me Me
Femtielfte försöket
Acceptor
1 elektron i taget
från Ru
N
N
Ru
N
N
N
N
Me
NH
EtO2C
N
N
Mn
N
O
N
N
O
- överföring av
tre elektroner
från Mn
Mn
O
O
O
N
Me Me
33
2014-03-28
2 Mangan har kopplats till Rutenium och
elektronacceptorer
N
N
O
O
O
O
N
O O
O
NDI acceptor O
N
O
O
O
N
C8H17
N
N
Mn
Mn
N
N
3+
O
O
C H
8 17 N
N
N
N
N
Ru
N
N
N
N
N
Ru
N
O
N
N
NH
EtO2C
Me
NH
EtO2C
N
N
O
N
N
Mn Mn
N O OO O N
N
N
Mn
O
N
Mw 2800
N
Mn
N O O O O N
Me Me
Från Naturlig
Fotosyntes
till
Artificiell
Fotosyntes
Acceptor
Acceptorer
N
N
Tyr
Ru
N
P680
N
N
N
Me
NH
EtO2C
Mn
N
N
N
Mn
Mn
Mn
O
Mn
N O
N
N
O
Mn
O
Me
O
O
N
Me
34
2014-03-28
Vi behöver katalysatorer som drivs med ljus,
Mn-system har goda möjligheter
Ny utveckling –
system baserade på kobolt
har fantastiska möjligheter
Kobolt i stället för mangan
Kanan and Nocera, Science 2008, 321, 5892, 1072-1075
Yin, Tan, Besson, Geletii, Musaev, Kuznetsov, Luo, Hardcastle
and Hill, Science 2010, 328, 342-345
35
2014-03-28
Vårt koboltsystem
En nanopartikel
O
O PO
O
P OO
Co(III) oxide
Co-ligand (30µM Co2+)
Ru(bpy)32+
S2O82- (acceptor)
Pi - pH 7
Vårt koboltsystem
En nanopartikel
Co(III) oxide
Ljus: 470 nm, LED
Släck
Ljus
1 O2/Co
36
2014-03-28
Vår Koboltpartikel kan ta
elektroner från vatten – med
ljus som drivkraft
Co(III) oxide
Ljus: 470
nm, LED
Ljus
1 O2/Co
Att ta elektroner från vatten är svårt!
2 H 2O
4H
D
O2 +4H
S
Länk
+
e-
Länk
e-
+
A
2 H2
N
Mn
Link
Mn
N
N
Ru
N
N
N
Co(III)
37
2014-03-28
Ljusdriven vätgasbildning – hur då?
2 H 2O
4H
D
O2 +4H
S
Länk
+
e-
Länk
e-
+
A
2 H2
N
Mn
Link
Mn
N
N
Ru
N
N
N
Co(III)
Den supramolekylära eller
bio-mimetiska linjen
Kopiera enzymet
hydrogenas
38
2014-03-28
OH(X)
Fe
NC
OC
NC
OC
S
CO
Fe
S
CO
CN
S
Fe
Fe
CN
Fe
Fe
X
S
H2
2H+
CO
O
C
S
Hydrogenas
Enzymer som
kan göra vätgas
S-Cys
OC
OC
Cys
CO
Fe
Fe
OC
NH
Fe
Fe
CO
S
S
O
CO
O
eHN
O
N
N
N
N
Ru
N
N
39
2014-03-28
Många komplex som gör vätgas!!
Br
Vätgasbildning.
25
20
15
-8
S S
OC
Fe
turnovers
-12
N
Vårt komplex
10
Fe
CO
-4
5
OC CO CO
CO
Bakgrund
0
0
200
400
600
sekunder
…och nu går det med ljus….
1
e-
½ H2
5
Cl
Cl
2
e-
S S
3
OC
Fe
OC CO
Ascorbic acid
Fe CO
OC CO
Fe2(μ-Cl2-bdt)(CO)6
Ru(bpy)32+
4
H+
40
2014-03-28
Ljusdriven vätgasbildning från vatten
2 H 2O
4H
D
O2 +4H
S
Länk
+
e-
Länk
e-
+
A
2 H2
N
Mn
Co(III)
Link
Mn
Mn som Fotosystem II
Koboltpartiklar
N
N
Ru
N
Fe
Fe
N
N
Ru i stället för
klorofyll
Fe som hydrogenas
Men det finns fler sätt!
Vi arbetar med två linjer
Bio-mimetisk kemi
Biologisk vätgasproduktion
41
2014-03-28
Fotobiologisk vätgas produktion
Med levande organismer
Grön alger Chlamydomonas,
Fotobiologisk vätgas produktion
Med levande organismer
Vegetativa celler
H2 bildande heterocyst
Grön alger Chlamydomonas,
Cyanobakterie – Nostoc sp.
42
2014-03-28
Vätgasen bildas i särskilda celler
Vår approach
• Nitrogenas
baserad
Eliminera Upptags
Hydrogenaset med
molekylär biologi
43
2014-03-28
Var står vi? –Vätgas produktion i en bio-reaktor!
Ett enzym har eliminerats “knocked out”
• ”Knock-out”
Nostoc
• Vildtyp
Fotobioreactor
med cyanobakterie I (Nostoc)
44
2014-03-28
Köra bilen på vätgas från solenergi?
Antag: 2000 mil/år
0,5 liter/mil
Motsvarar 60 m2 solpanel
(15% omvandlingsgrad)
Garagetaket räcker !
Vätgas ur solenergi för villavärme
Elvärmd villa: drar 150 kWh/m2 år
Solinstrålning: 1000 kWh/m2 år
Hustaket räcker om vi kan göra
bränsle med 15% omvandlingsgrad!
45
2014-03-28
Vätgas som solbränsle
Vatten som råmaterial
Artificiella
System
Organismer
i bioreaktor
Snart
-kommer att fungera
-utforskas av många
H2 by photosynthesis
Water as substrate
Organismer
Snart
-kommer att fungera
-utforskas av många
Artificiella
System
Långsiktig
- hög potential
- Inte lika säkert
46
2014-03-28
Solar fuels – Solbränslen
ett nytt energikoncept!
Föredraget handlade om vår forskning!
Kanske solbränsle är den snabbaste vägen
ut ur beroendet av fossila bränslen och den
enda verkliga lösningen på uppvärmningen
av atmosfären.
Andra har tänkt i samma banor!
Jules Verne (1874) in L'Île mystérieuse)
47
2014-03-28
Jules Verne (1874) in L'Île mystérieuse)
"And what will they burn instead of coal?"
Water," replied Harding.
"Water!" cried Pencroft, "water as fuel for steamers and engines! water
to heat water!"
Jules Verne (1874) in L'Île mystérieuse)
"And what will they burn instead of coal?"
Water," replied Harding.
"Water!" cried Pencroft, "water as fuel for steamers and engines! water
to heat water!"
"Yes, but water decomposed into its primitive elements," replied Cyrus
Harding, "and
decomposed doubtless, by electricity, which will then have become
a powerful and manageable force, for all great discoveries, by some inexplicable laws, appear
to agree and become complete at the same time.
48
2014-03-28
Jules Verne (1874) in L'Île mystérieuse)
"And what will they burn instead of coal?"
Water," replied Harding.
"Water!" cried Pencroft, "water as fuel for steamers and engines! water
to heat water!"
"Yes,
but water decomposed into its primitive elements," replied Cyrus Harding, "and
decomposed doubtless, by electricity, which will then have become a powerful and manageable force, for all
great discoveries, by some inexplicable laws, appear to agree and become complete at the same time.
Yes, my friends,
I believe that water will one day be employed as fuel, that
hydrogen and oxygen which constitute it, used singly or together, will
furnish an inexhaustible source of heat and light, of an intensity of which coal is not
capable. Some day the coalrooms of steamers and the tenders of locomotives will, instead of coal, be stored with
these two condensed gases, which will burn in the furnaces with enormous calorific power. There is, therefore, nothing to
fear. As long as the earth is inhabited it will supply the wants of its inhabitants, and there will be no want of either light or
heat as long as the productions of the vegetable, mineral or animal kingdoms do not fail us.
I believe, then, that
when the deposits of coal are exhausted we shall heat and warm
ourselves with water. Water will be the coal of the future."I state that……..
......så Harding hade rätt om råmaterialet (vatten) och
energibäraren (vätgas), han hade starka åsikter om
metoden (elektricitet) ....................
........... men han förstod inte energikällan
Som tur är finns det andra tänkare!
49
2014-03-28
Solar fuels – Solbränslen
ett nytt energikoncept!
Så här sade Barack Obama i sitt installationstal:
”We will restore science to its rightful place, and wield
technology's wonders to raise health care's quality and
lower its cost. We will harness the sun and the winds
and the soil to fuel our cars and run our factories"
….Och Gud sade:
“Varde ljus”; och
det blev ljus. Och
Gud såg att ljuset
var gott. Och Gud
skilde ljuset från
mörkret. Och Gud
kallade ljuset dag,
och mörkret kallade
han natt. Och det
blev afton, och det
blev morgon, den
första dagen.
Målning från Sixtinska kapellet i Rom
Genesis 1:1
50
