Hyvolution


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Pensionated Radiologist, interested in Green Chemistry, Technology, Environment and Share | var addthis_config = {"data_track_clickback":true}; nce.
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5 Antworten zu Hyvolution

  1. hinterauer schreibt:

    Die Grüne Evolution müssen wir selbst starten. Beginnen wir mit der Sonnen- und Windernte – dann Biowasserstoff – dann ultrafeine Vernetzung der Energie für alle – dann wiederverwerten bis nurmehr Atemluft, Trinkwasser und fruchtbare Erde übrig bleibt.

  2. hinterauer schreibt:

    Atomkraftwerke, Kohlekraftwerke und andere fossile Enegietraeger sind out. Biowasserstoff, Sonne, Wind und Geothermie sind in, und ausreichend vorhanden. Bitte ueber ultrafeines Netz (ultrasmart grid) verteilen um Leitungsverluste zu vermeiden. Und wiederverwerten bis nurmehr Atemluft, Trinkwasser und fruchtbare Erde als Endprodukte uebrig bleibe. Das Energiespeichermedium sind Wasserstofftanks, Batterien und Wasserkraftwerke wie bisher, viele warmegefuehrte Wasserstoffbrennstoffzellenblockkraftwàrme die Strom und Waerme gleichzeitig erzeugen. Der Landwirt wird auch zum Energiewirt, da von ihm die Biomasse kommt, und er auch die Flaechen fuer Solare-,Wind- und geothermische Energiegewinnung nutzen sollte. Herkoemmliche Verbrennungsmotoren sind out. Biowasserstoff-gespeiste-Brennstoffzellen Elektromotoren sind in.

  3. hinterauer schreibt:

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    [ CATEGORIE ] [ TESI IN EVIDENZA ]Il bioidrogeno
    Gli aspetti tecnici fondamentali della produzione di bioidrogeno

    di Alessandro Flammini

    L’Ing. Alessandro Flammini, nostro autore, ci presenta una nuova prospettiva per la produzione di idrogeno quale fonte di alimentazione per macchine e sistemi energetici.

    [12/09/2007]
    Nonostante si parli spesso di idrogeno, di tecnologie ad esso legate e di metodi di produzione, rimane un punto critico di base, ciò che ne decreterà il successo nel lungo termine e quindi l’economia del sistema, ovvero: come produrre idrogeno in modo economico, nel rispetto dei limiti posti dall’ambiente e con un processo utilizzabile su larga scala.
    L’unica soluzione sostenibile nel lungo termine sembra quella di combinare la produzione di idrogeno con lo sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili. Le fonti energetiche rinnovabili sono l’energia solare diretta, l’energia eolica, l’energia dei moti ondosi, l’energia delle maree, la legna (entro certi limiti) e l’energia da biomassa. In realtà si tratta sempre di energia proveniente dal sole in modo diretto o indiretto ed è proprio il sole, con i suoi 3,8 milioni di EJ (da confrontare con un consumo globale di 400 EJ), l’unica energia a cui ci si può affidare nel lungo periodo.
    Un metodo di produzione dell’idrogeno innovativo e molto promettente è quello biologico che, attraverso un processo naturale, rende disponibile idrogeno a partire da biomassa. E’ un processo ad emissioni totali 0 di CO2 in quanto sebbene alla fine del processo la CO2 sia un co-prodotto dell’idrogeno, la stessa CO2 è stata prelevata dall’ambiente durante la formazione biologica della biomassa. L’idrogeno prodotto in questo modo prende il nome di bioidrogeno, di cui viene analizzata la tecnica di produzione. Tra le diverse modalità di impianti di produzione di bioidrogeno attualmente in fase di ricerca, la soluzione proposta dall’autore è quella divisa in due fasi, una fermentativa ed una fotofermentativa.

    Figura 1 – Schema del processo a doppia fermentazione

    La prima fase è costituita da una fermentazione di tipo dark (in assenza di luce) in un termobioreattore. Qui il materiale di partenza viene fermentato in idrogeno molecolare, ioni idrogeno ed altri acidi organici dipendenti dal sostrato di partenza (a tal fine sono adatti la maggiorparte dei carboidrati). La fermentazione viene effettuata da particolari microrganismi fermentativi (batteri) che hanno la caratteristica di metabolizzare la reazione di produzione dell’idrogeno grazie ad un particolare enzima, l’enzima idrogenasi, contenuto al loro interno.

    Partendo ad esempio da una mole di glucosio è possibile ricavare al massimo 12 moli di H2 secondo la formula [1]:

    senza produzione di energia metabolica.
    Per garantire però una produzione nel tempo, è possibile ottenere, da un’ossidazione non completa, al massimo 4 moli di H2 per mole di glucosio in modo da generare al contempo un’energia ΔG0 = -206 kJ/mol sufficiente a sostenere la crescita microbica:

    Le specie di batteri utilizzabili per la fermentazione dark sono numerosissime come pure numerosissimi sono i sostrati di partenza da fermentare e possono essere recuperati dati sperimentali su tipi di batteri, temperature di mantenimento (i batteri si possono dividere infatti tra non termofili, termofili ed ipertermofili), sostrati utilizzabili, velocità di produzione di H2 ed efficienze di produzione di H2. La produzione di bioidrogeno può avvenire da materiale organico in generale (come ad esempio la componente organica dei RSU che è pari al 30% circa) ma buone efficienze di conversione si raggiungono solo per particolari materiali di partenza, come carboidrati, glucosio, melassa, amido, scarti dell’agricoltura, dell’allevamento e dell’industria alimentare ma anche materiali cellulosici. Il coefficiente di produzione teorico non viene quasi mai raggiunto nella pratica in fase di fermentazione dark a causa dei numerosi fattori limitanti ed inibenti del processo, uno dei quali è l’inibizione dell’enzima idrogenasi da parte dell’ossigeno, che pone al momento il principale limite tecnologico e, proprio per questa ragione la fermentazione dark viene effettuata in ambienti anaerobici. Esistono anche batteri che a fronte di efficienze di conversione minori hanno la capacità di consumare rapidamente l’ossigeno presente e di ristabilire le condizioni anaerobiche a seguito di una possibile contaminazione con aria esterna. Durante lo studio vengono esaminati in dettaglio sia i problemi legati ai sostrati utilizzabili, che ai microrganismi utilizzabili (colture miste, in lotti, ecc.).
    La seconda fase del processo è la fase fotofermentativa. Dalla fermentazione dark vengono prodotti infatti, insieme ad un primo quantitativo di idrogeno, degli acidi organici. Partendo da glucosio in seguito ad una fermentazione non molto “spinta” il tipico co-prodotto è acetato che può fungere da sostrato per la fase fotofermentativa. Il processo fotofermentativo è indicato anche per il trattamento delle acque di scarico ed è basato sull’attività di certi microrganismi fototrofi: fotoautotrofi o fotoeterotrofi come spiegato nel lavoro di tesi, il cui fotosistema è capace di catturare e convertire la luce del sole.

    Attraverso la biofotolisi diretta, sfruttando la capacità dell’enzima idrogenasi contenuto ad esempio in molte microalghe e/o cianobatteri, è possibile separare in condizioni anaerobiche l’idrogeno e l’ossigeno a partire da molecole d’acqua (senza produzione di CO2 poiché non si parte da alcuna fonte carboniosa!):

    L’energia per la reazione è fornita dalla luce solare, assorbita dal fotosistema, formato da decine o centinaia di molecole pigmenti (o molecole antenna) che assorbono la luce e da un “centro di reazione” formato da molecole altamente specializzate che trasformano l’energia luminosa in energia chimica.
    L’enorme limite all’utilizzo della biofotolisi diretta è che l’enzima idrogenasi è fortemente inibito dall’ossigeno che viene inevitabilmente prodotto simultaneamente nel processo. Le possibili vie per risolvere il problema sembrano essere:
    · aumentare il trasferimento di gas per ridurre la pressione parziale dell’O2 (non fattibile praticamente)
    · sviluppi dell’ingegneria genetica che potrebbe essere in grado nel medio periodo di creare microrganismi geneticamente modificati con una maggiore tolleranza all’ossigeno
    · utilizzare assorbitori di O2 rigenerabili (non disponibili su larga scala) o irreversibili (si avrebbe come risultato un dimezzamento del rendimento del processo).

    Questi limiti evidenziano come il processo di biofotolisi sia infattibile nel breve termine con la tecnologia attuale e per questo la seconda fase della produzione di bioidrogeno è una fase fotofermentativa.

    In condizioni aerobiche invece gli organismi fotoautotrofi sono in grado di sintetizzare materiale organico altamente energetico a partire dalla CO2 presa dall’ambiente secondo la reazione [4]:

    I batteri fotoeterotrofi ed alcuni cianobatteri (eterocisti) hanno invece la capacità di fissare l’azoto molecolare utilizzando come catalizzatore del processo l’enzima nitrogenasi secondo la reazione endoergonica 5:

    In assenza di azoto, l’enzima nitrogenasi ha la capacità di catalizzare la produzione di idrogeno partendo da vari possibili sostrati, come ad esempio acetato [6]. Si tratta anch’essa di una reazione endoergonica (∆G0 = +75,2 kJ) in cui il fabbisogno energetico può essere fornito dalla radiazione solare.

    L’enzima nitrogenasi viene fortemente inibito dalla presenza di ossigeno e di ioni ammonio ed è proprio per questo che i bioreattori operano normalmente in condizioni anaerobiche ed in assenza di azoto molecolare, in presenza di radiazione solare e con una presenza limitata di fonti di azoto.

    Esiste inoltre la possibilità di separare l’attività dei microrganismi fotoautotrofi e fotoeterotrofi. Si tratta di un processo in cui la separazione fotosintetica dell’acqua e le seguenti reazioni che sviluppano l’H2 sono separate nello spazio o nel tempo (anche detto processo di fotobiolisi indiretta). In questo modo l’inibizione da parte dell’O2 non è più un problema. Nella prima fase, in condizioni aerobiche, possono essere utilizzate microalghe o cianobatteri (microrganismi fotoautotrofi) che, partendo dalla CO2 atmosferica, sono in grado di sintetizzare materiale organico che può poi essere utilizzato come sostrato nella seconda fase. In quest’ultima, per mezzo di microrganismi fotoeterotrofi (es. cianobatteri eterocisti), cellule specializzate in cui l’enzima idrogenasi è protetto dall’inibizione del processo dell’O2, è possibile proseguire con una fotofermentazione liberando così l’H2. Le efficienze di conversione dei cianobatteri eterocisti sono comunque molto basse (di solito 0,2-0,3%).

    In questo modo la produzione di H2 va avanti anche se il liquido di fermentazione è in condizione ipersatura con H2 gassoso ma lo svantaggio è che l’enzima nitrogenasi richiede energia extra sotto forma di ATP e ciò diminuisce l’efficienza del processo se esso deve essere derivato dall’energia luminosa.

    Lo sviluppo e la ricerca attuali sulle tecniche di produzione di bioidrogeno, sono sempre più favorevoli all’accoppiamento dei due metodi visti fin’ora: la fermentazione dark e la biofotolisi indiretta. La fermentazione dark è infatti, come spiegato analiticamente nel lavoro di tesi, un’ossidazione incompleta. Ciò significa che la materia organica non viene ossidata direttamente in CO2 ma in composti intermedi come acido acetico o lattato, ed ossidare ulteriormente questi composti sarebbe estremamente sfavorevole dal punto di vista termodinamico. Dalla fermentazione si ottengono, oltre all’H2, anche altri prodotti organici (energetici) che possono essere ulteriormente sfruttati e considerati in un bilancio completo.
    Teoricamente da una mole di glucosio si ottengono 4 moli di H2, 2 moli di acido acetico e 2 moli di CO2, ma la maggior parte delle conversioni microbiche non raggiungono tali risultati. La quantità di energia ancora “accumulata” all’interno del materiale organico dopo una prima fermentazione è ancora disponibile per un processo fotobiologico. In questo modo a scapito di una minore produzione di H2 durante la fermentazione dark, se ne otterrà un quantitativo maggiore nella seconda fase. La quantità di idrogeno prodotto rimane quindi sostanzialmente la stessa sia con una fermentazione molto “spinta” che con una fermentazione fotobiologica (termodinamicamente più conveniente).
    Poiché, secondo molti autori, sembra possibile sostenere il fabbisogno energetico del termobioreattore della prima fase (fermentazione dark) con il contenuto energetico dell’idrogeno prodotto nella fase fotofermentativa, è stato dimostrato come, considerando un irraggiamento globale tipico della zona di Bologna ed i dati sull’efficienza fotochimica disponibili in letteratura, sia necessario un fotobioreattore di ben 5,8 ettari di superficie per soddisfare completamente i fabbisogni dell’impianto 24/24h considerando una disponibilità di luce di 10 ore al giorno ed un irraggiamento globale pari a 1300 kWh/m2/anno. Il risultato è indicativo poiché non è stato calcolato il rendimento di riconversione delle fuel cells ed inoltre non è assolutamente necessario che tutta l’energia debba provenire dalla fotofermentazione.
    Con le stesse ipotesi viene stimata la quantità massima di idrogeno producibile dalla sola fase fotofermentativa utilizzando come vincolo l’irraggiamento solare, pervenendo ad un valore di 1.111,5 m3/ha/giorno (fig.4).

    Viene quindi effettuata un’analisi dei costi preliminare, basandosi per quanto riguarda i costi “nudi” dei componenti dell’impianto e per i rispettivi fabbisogni energetici su dati disponibili in letteratura, prendendo in considerazione un impianto a due fasi, con un’efficienza dei bioreattori pari all’80%, un fabbisogno di 1000 kg di biomassa secca/ora ed un sostrato lignocellulosico (65% cellulosico di cui 65% fermentabile dopo pretrattamento). Si ipotizza un tempo di vita dell’impianto pari a 10 anni ed un costo opportunità del capitale pari al 2% annuo composto (fig.5). Considerando dei fattori di costo verosimili nella pratica e per il nostro Paese, si perviene a definire per la produzione di idrogeno dei costi unitari, per unità di peso, per unità di volume, per unità di biomassa utilizzata, per unità di energia che possono essere così paragonati a quelli dei combustibili tradizionali (ipotizzando un costo per la manodopera e le opere civili, così come nullo il costo di acquisizione della biomassa – Bisogna comunque tenere in considerazione che il costo di acquisizione della biomassa risulta a volte anche negativo.).

    Figura 5

    Si perviene quindi ad un costo di produzione pari a 1,99 €/kg H2, pari a 0,18 €/nm3 o ancora a 14 €/GJ.
    Nel grafico seguente (fig. 6) viene evidenziata la posizione del costo del bioidrogeno calcolato nel panorama delle fonti energetiche fossili e dei metodi alternativi per la produzione di idrogeno. I valori di costo sono espressi in euro/GJ.

    Figura 6

    Inoltre, considerando i dati sulla biomassa disponibile in Italia per la produzione di bioidrogeno, vengono calcolati il contenuto energetico dell’idrogeno producibile (Considerando il nostro impianto con una capacità produttiva di 39 kg H2/ton biomassa.), la produzione di elettricità da bioidrogeno ed il numero totale di famiglie italiane energeticamente sostenibili da bioproduzione di idrogeno. Se si escludono i residui solidi urbani ed i fanghi delle acque di scolo, la somma dei residui di biomassa di origine agricola e forestale prodotta in Italia ogni anno ammonta a circa 33 milioni di tonnellate di materia secca (Risorsa totale) al ‘96. La Risorsa accessibile è stimata in 17 milioni di t., mentre la Risorsa praticabile (utilizzabile secondo le condizioni tecnologiche e socio-economiche date) al presente è valutata tra 7.5-9.5 milioni di t. Secondo vari autori circa il 50% della biomassa totale è utilizzabile per i processi (foto)fermentativi.

    Tabella 1

    Oltre a ciò è importante sottolineare come ulteriori benefici collaterali (ma non secondari!) derivano dallo sfruttamento del bioidrogeno e tra questi:
    · Valore commerciale di altri co-prodotti della fotofermentazione (es. CO2 praticamente pura derivante dalla fase fotofermentativa utilizzabile nell’industria);
    · Risparmio economico derivante dall’utilizzo della frazione organica dei RSU che si eviterebbe di smaltire in discarica ma che potrebbe essere utilizzata localmente per la produzione (di circa 0,05 euro/kg, non trascurabile tenendo presente che per l’analisi dei costi è stato ipotizzato un fabbisogno di biomassa di 1000 kg/ora);
    · Vantaggi economici derivanti dalla commercializzazione di certificati verdi all’impianto, secondo quanto stabilito dal decreto ministeriale del 24 Ottobre 2005 che ammette all’assegnazione tutti gli impianti che utilizzano idrogeno per la produzione di energia elettrica.

    Concludendo, il lavoro svolto ha mostrato come sia possibile applicare con successo le tecnologie dell’idrogeno in sostituzione di quelle che utilizzano combustibili fossili, basandosi su dati reali e proponendo un’alternativa ad impatto ambientale nullo e molto promettente per la produzione di energia.

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    L’idrogeno come alternativa: stato dell’arte, politiche ed analisi dei costi per la produzione di bioidrogeno

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  4. hinterauer schreibt:

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    HYDROGENASE, ALGAE FARM TO RECYCLE CO2 FOR BIOHYDROGEN AIRSHIP

    SHANGHAI 2010
    SOUTH CHINA SEA

    PROGRAM : Algae Farm and Bio-Hydrogen Airship, Emergency Housings, Scientific Laboritories, Freight
    LOCATION : Shanghai, South China Sea
    FREIGHT : 200 Tons
    SPEED : 175 km/h
    ACTION FIELD : 5 – 10 000km
    HEIGHT : 480m
    DIAMETER : 180m
    SURFACE AREA : 350.000 m²
    INHABITED FLOOR COUNT : 67
    AGRICULTURAL FIELDS : 8
    WIND TURBINES : 20
    HYDRO PROPELLERS : 32
    MODEL & PERSPECTIVES : Vincent Callebaut Architectures

    .

    HYDROGENASE, ALGAE FARM TO RECYCLE CO2 FOR BIO-HYDROGEN AIRSHIP

    Between engineering and biology, Hydrogenase is one of the first projects of bio-mimicry which draws its inspiration from the beauty and the shapes of the nature, but also and especially from the qualities of its materials and its self-manufacturing processes. The new green revolution is really in progress and enables us to design the air mobility of the foil after shock, 100% self-sufficient in energy and zero carbon emission! This inhabitated vertical aircraft inaugures a clean and ethic mobility to meet the needs of the population en distress touched by the natural and sanitary catastrophes, and all that without any runway! Its architecture is subversive and fundamentally critic towards the ways of living of our contemporary society that we have to reinvent totally! Let’s take off thanks to biofuels and let’s propel to the eco-responsible transport of the future!

    2015: Biofuels of the 3rd generation, the challenge of a sustainable mobility ! :

    The price of the fuel has just reached a new historical record by passing 75 dollars the barrel in 2010. Within 10 years, we could reach the famous „Hubbert Peak“, the precise moment from which the worldwide fuel production will begin to decrease because of shortages. In such a context, the massive resort to renewable energies and nanotechnologies, that do not emit gaswith greenhouse effect, is becoming an absolute economical, technological and political priority! From Queensland’s university to the Karlsruhe’s one, going through Berkeley in California, the « third generation » biofuels are in gestation and will revolutionize our future sustainable land or air mobility. Their main strengths: they do not compete either with the food cultures nor with the forest spaces and can be developed naturally everywhere in the world even in arid territories, the whole tending to a targeted bio-remediation of the industrial CO2 !

    Able to produce electricity and biofuel without emit CO2 or other polluting substances, the hydrogen especially is nowadays such as a very promising clean energy source. Therefore (its production that respects the environment and in sufficient quantity) is a study theme that interests the biggest scientific international groups. Actually, at the end of the 90s it has been discovered that the private sulphur micro-seaweeds go from the oxygen production (classical photosynthesis) to the hydrogen production. Such as a growing tree uses the solar radiance to manufacture organic material, we aim today at producing by photosynthesis some dihydrogen (i.e. gaseous hydrogen) from living micro-organisms as seaweeds from the « Chlamydomonas reinhardtii » family that owns enzyme of hydrogenase type.

    According to biologists, the output obtained by a farm with micro-seaweeds would be superior to those made currently with farming means to produce biodiesel or bioethanol. This could be estimated at 1000 litres of hydrogen for 330 grams of chlorophyll per day whereas for example colza produces roughly only 1000 litres of oil per hectare. According to industrials a hectare of seaweeds could thus produce organically 120 times more biofuels than a hectare of colza, soya or sunflower.

    Moreover, a farm with seaweeds is a true miniature biochemical power station able to absorb CO2 as main nutrient by photosynthesis accelerated by producing hydrogen in vitro or in bioreactors. This natural process, nourishing itself with our waste enables thus to recycle under the effect of the sun, in seaweeds or sea water baths, up to 80% of carbonic gas and NOx (nitrogen oxides also very impacting on the greenhouse effect). The global organic cycle enables therefore to revaluate our carboned rejections such as for example those are coming from filters with particles of our cars, reactors of our airplanes or also our rockets coming from thermal power stations with coal or gas.

    2020: Towards an aerial revolution and agree generation of airships ? :

    The builders of airplanes get involved at maxima until 2020 according to an international agreement to be less polluting (reduction by 80% of their rejection in nitrogen oxides), to be thriftier in fuel (reduction of 20% of the fuel quantity by carried passenger) and finally to be more silent (reduction of 10 decibels, i.e. twice less noise). But what will happen when there will be no more fuel? The end of air freight in 2030 ? According to forecasts, every year from 2010, 200 billion of Chinese people will fly to spend holidays abroad. After the last born A380 of Airbus and the 777-200LR of Boeing, the airplanes of the future will not have such as their previous energy-consumers to be designed without taking into account the notions of sustainable development and the respect of the environment. A theme totally ignored fifteen years ago in this sector! This transport must be eco-designed from renewable energies and present a statement of carbon emission equal to zero!

    No airplane, no helicopter, no aircraft, the project « Hydrogenase » marks a new generation of state-of-the-art hybrid airships. It is dedicated to humanitarian missions, rescue operations, installation of platforms for scientific studies, and of course to air freight. Then, complementary activities could be entertainment, eco-tourism, hotel, human transports, air media coverage and territorial waters surveillance.

    This mode of transport is certainly less interesting than the piggyback or sea freight and slower than airplane; however it needs less infrastructure and multimodal platforms (runway, freeways, ship/truck alternation…). It consumes thus less territory and will progressively enable to heal our landscapes slashed by the transport network leading to a massive deforestation. Therefore, it costs 10 times less for the carriage of heavy loads as well as traveller transport, and everything without damaging the planet! For the specialists of logistical transport facing the long lasting absence of appropriated road or airport infrastructures in many parts of the world (desert and oceans), this new generation is also very expected to link production sites and using sites. Moreover, flying free health care centres or even country hospitals could also interfere during natural catastrophes, where lives could be in danger. It could also explore and help underprivileged territories of the third world by carrying the raw materials of our globalised alimentation to those who are hungry in remote places!

    Hydrogenase is thus a jumbo jet vessel (DGP) that flies at an average of 2 000 meters high. This cargo measures almost 400 meters high for 250 000m3. It can carry up to 200 tons of freight at 175 km/h (i.e. twice the speed of a ship and more than one and a half time than the one of a truck). Seven times slower than an airplane, it has an action potential between 5 and 10 000km and re-teach our contemporary travellers the long time of sea cruises and the praise of the slowness. The history of the transports which was until now summarized in a study that reveals to always go faster, is soon finished for the benefit of “better travel” in airship!

    2030: Hydrogenase, the 100% self-sufficient organic airship of the future

    The project Hydrogenase brings to question the « always faster » of our frenetic society and thinks differently to the mobility and services. With bionic look, this inhabited vertical airship sets in the heart of a floating farm of seaweeds that reload it directly with bio-hydrogen. These two interdependent entities are both nomad and organic, the first one flies in the sky and the second one on the seas and oceans.

    The proactive ship flourishing in the air :

    The semi-rigid not pressurised airship stretches vertically around an arborescent spine that air-dynamically twists on more than 400 meters high and 180 meters of diameter. Forming a big flower ready to open, the spaces divide in cross under the shape of petals that welcome respectively the main sectors of activities: housing, offices, scientific laboratories and entertainment. The stem around the one these functional petals structure themselves, welcome the vertical circulations, the technical premises and the goods warehouses for the freight.

    These 4 inhabited spaces are included between 4 great bubbles inflated with bio-hydrogen, a renewable energy. These bubbles are made with a rigid hull in light alloy shaped with twisted longitudinal beams linked together by wide sinusoidal rings. Every end is finished by a cone, and the one at the bottom, the most sharpened one carries the stabilizers and the rudders of deepness and of direction. This framework is covered by a double layer of waterproof, fireproof, glazed canvas to reduce the resistance to advancement. The in-between is divided into slices in which there are small balloons full of helium. The helium mattress in periphery enables to protect the balloons of bio-hydrogen and helium, the remaining 30% are provided by the aerodynamic of the airship twisted fuselage with the speed, as for an airplane.

    This type of airship is of course heavier than a flexible aerostat of same cubing because of the weight of the structure, but it can reach higher speeds, thanks to the solidity of its hull in titan, and carry more tons thanks to the ability to build always bigger layers (10000 m3 in 1900, 70 000 m3 in 1924 and 200 000m3 in 1938, 250 000 m3 in 2010). What distinguishes also such a machine from classical aircrafts from the past is that this one is heavier than the air and flies thanks to the Archimedes’ thrust (that does every balloon or aircraft), to helixes or at its subtle twisted aerodynamic that enables to reduce the oscillations of the limited layer. The fact that it is heavier than the air enables actually descents faster without having especially to eject gas. Moreover, the sustentation is based on the compression and the decompression of the biogas. Hydrogenase can thus be lighter or heavier according to the wished needs and the height.

    In order to build a proactive airship with positive energy, we also have integrated all the renewable energies. Actually, whereas the inflatable bubbles are glue-backed with flexible photovoltaic cells the four wings of the vessel are each of them inlayed with turbo-propellers with recuperation of energy. These 20 wind propellers are articulated around orbital rings which enable them to go from the horizontal position at the take-off to the vertical position assuring the vessel a navigation speed of 175km/h. The inhabited spaces integrate by steps vegetable gardens photopurifyng the used waters, the biomasses damaging the organic waters and loaded fuel cells. Nothing is lost, everything is recycled and transformed !

    On top of absorbing the solar energy, this flying castle draws its inspiration from the biomimicry technologies and is built in lighter and more resistant composite materials (fibreglass and carbon fibre) in order to reduce the weight of its structure at the maximum. The fitting is thus self cleaning, in nanostructured glass inspired from the lotus leave that does not get wet. The vessel is thus made of « intelligent layers » avoiding for example the accumulation of ice or snow and « self-separable ceramics » offering a bigger resistance to the split and that fill the cracks. This bionic coating draws also its inspiration from shark skin that enables without being toxic to avoid the adhesion of bacteria whereas the four wings present irregularities of surface, as the finely beaded whale fins do, in order to reduce the turbulences. The green industry meets thus through this bionic prototype the expectations of the consumption, the always more demanding antipollution regulation and the rarefaction of resources.

    The floating organic farm on seas and oceans :

    The floating farm is a true organic purifying station composed of 4 carbon wells in which the green seaweeds recycle our carbonated waste brought by ships. This is directly dedicated to feed organically in biohydrogen the proactive airship. It replaces thus the petrol station as the runway for traditional airplanes and looks like a weaving of fine amphibian laces!

    Actually, it sets up as much underneath as on top of the sea surface and respects the quadripartite sharing out in petals of the whole Hydrogenase project. Continuing the 4 wings of the pneumatic tower, 4 great arches structure this circular platform and distribute vertically all the levels of the central ring inhabited by the scientists. At the surface, these arches are covered by thermal and photovoltaic solar shields whereas under the water they are set with 32 hydro-turbines transforming the tidal energy of the sea streams into electricity.

    Energically self-sufficient, this farm organises on a radiant plan, the seaweed bioreactors exposed to the zenith sun under the lenticular accelerators for a better photochemical output. The whole set forms four gardens dedicated to the accelerated photosynthesis where we access through marinas setting the exchanges between this true new floating city and the surrounding coasts. On top of producing clean energy, this floating purifying station is also an incredible observatory of the sea fauna and flora that fight for the protection of ecosystems and for the revitalization of the beds of corals and of endangered species. It is a true cleaner of seas and oceans by skimming and damaging as main nutrient the floating waste banks of our energy-consuming civilisation.

    Hydrogenase is thus a project of environmental resiliency that will enable to invent a clean mobility according to a « cradle to cradle » cycle respecting our planet by assuring also the technological evolution of the human adventure ! As biotechnological prototype, it aims at being the symbiosis of men actions and their positive impacts on the nature. By imitating the processes of natural ecosystems, it deals with reinventing the industrial, town-planning and architectural processes to produce clean solutions and create an industry where everything is reused, either back to the ground under the shape of not toxic « organic nutrients », or back to the industry under the shape of “technical nutrients” able to be indefinitely recycled.

    Vincent Callebaut Architect

    TEXTE FRANCAIS

    HYDROGENASE, ALGAE FARM TO RECYCLE CO2 FOR BIO-HYDROGEN AIRSHIP

    Entre ingénierie et biologie, Hydrogénase est un projet pionnier de bio-mimétisme qui s’inspire de la beauté et des formes de la nature, mais aussi et surtout des qualités de ses matériaux et de ses processus d’auto-fabrication. La nouvelle révolution verte est bien en marche et nous permet de concevoir la mobilité aérienne de l’après pic pétrolier, 100% autosuffisante en énergie et à émission de carbone zéro ! Cet aéronef vertical habité inaugure une mobilité propre et éthique pour subvenir aux populations en détresse touchées par les catastrophes naturelles et sanitaires, et tout cela sans piste d’atterrissage ! Son architecture est subversive et fondamentalement critique sur les modes de vie de notre société contemporaine qu’il faut réinventer sur le fond ! Prenons notre envol grâce aux biocarburants et propulsons-nous vers le transport éco-responsable du futur !

    2015: Biocarburants de 3ème génération, le défi d’une Mobilité Durable ! :

    Le prix du pétrole vient de battre un nouveau record historique en franchissant les 75 dollars le baril en 2010. D’ici 10 ans, nous pourrions atteindre le fameux „Hubbert Peak“, ce moment précis à partir duquel la production de pétrole mondiale va commencer à baisser, faute de réserves. Dans un tel contexte, le recours massif aux énergies renouvelables et aux nanotechnologies, non émettrices de gaz à effet de serre, est en train de devenir une priorité économique, technologique et politique absolue ! De l’université du Queensland à celle de Karlsruhe, en passant par Berkeley en Californie, les biocarburants « troisième génération » sont en gestation et vont révolutionner notre mobilité durable de demain qu’elle soit terrestre ou aérienne. Leurs principaux atouts : ils ne font concurrence ni aux cultures alimentaires ni aux espaces forestiers et peuvent être développés naturellement partout dans le monde même en territoires arides, le tout tendant vers une bio-remédiation ciblée du C02 industriel !

    Capable de produire de l’électricité ou du biocarburant sans émettre de CO2 ou d’autres substances polluantes, l’hydrogène notamment se présente aujourd’hui comme une source d’énergie propre très prometteuse. C’est pourquoi sa production respectueuse de l’environnement et en quantité suffisante est un thème de recherche qui occupe les plus grands groupes scientifiques mondiaux. En effet, on a découvert à la fin des années 90 que les micro-algues privées de soufre passent de la production d’oxygène (photosynthèse classique) à la production d’hydrogène. Tout comme un arbre qui se développe utilise le rayonnement solaire pour fabriquer de la matière organique, on vise aujourd’hui à produire par photosynthèse du dihydrogène (c.à.d. de l’hydrogène gazeux) à partir de micro-organismes vivants comme les algues de la famille « Chlamydomonas reinhardtii » qui possèdent des enzymes du type hydrogénase.

    D’après les biologistes, le rendement obtenu par une ferme de micro-algues serait supérieur à ceux réalisés actuellement avec des moyens agricoles pour produire du biodiesel ou du bioéthanol. Celui-ci pourrait être estimé à 1000 litres d’hydrogène pour 330 grammes de chlorophylle par jour tandis que, à titre d’exemple, le colza ne produit grosso modo que 1000 litres d’huile par hectare. Selon les industriels, un hectare d’algues pourrait donc produire biologiquement 120 fois plus de biocarburants qu’un hectare de colza, de soja ou de tournesol.

    De plus, une ferme d’algues est une véritable centrale biochimique miniature capable d’absorber le CO2 comme principal nutriment par photosynthèse accélérée en produisant de l’hydrogène in vitro ou en bioréacteurs. Ce processus naturel, se nourrissant de nos déchets, permet ainsi de recycler sous l’effet du soleil, dans des bains d’algues et d’eau de mer, jusqu’à 80% du gaz carbonique et des NOx (oxydes d’azote par ailleurs très impactants sur l’effet de serre). Ce cycle biologique global permet donc de revaloriser nos rejets carbonés comme par exemple ceux provenant des filtres à particules de nos automobiles, des réacteurs de nos avions ou encore des fumées issues des centrales thermiques à charbon ou à gaz .

    2020: Vers une révolution aérienne et une génération verte d’aéronefs ? :

    Les constructeurs d’avions s’engagent à minima pour l’horizon 2020, en vertu d’un accord international, d’être moins polluants (réduction de 80% de leurs rejets en oxydes d’azote ), d’être plus économes en carburant (réduction de 20% de la quantité de carburant par passager transporté) et enfin d’être plus silencieux ( réduction de 10 décibels, soit deux fois moins de bruit ). Mais que se passera-t-il lorsqu’il n’y aura plus de pétrole ? La fin du transport aérien en 2030 ? Suivant les estimations, chaque année, dès 2010, 200 millions de chinois prendront l’avion pour passer des vacances à l’étranger. Après les derniers nés que sont l’A380 d’Airbus et le 777-200LR de Boeing, l’avion du futur ne devra plus comme ses prédécesseurs énergivores se concevoir sans tenir compte des notions de développement durable et de respect de l’environnement. Un thème totalement ignoré il y a quinze ans dans ce secteur ! Le défi est de réinventer un nouveau transport aérien économiquement viable et écologiquement soutenable ! Ce transport doit être éco-conçu à partir des énergies renouvelables et présenter un bilan d’émission de carbone égal à zéro !

    Ni avions, ni hélicoptères, ni dirigeables, le projet « Hydrogénase » marque une nouvelle génération d’aéronefs hybrides à la pointe des innovations aéronautiques à biotechnologies dites embarquées. Il est destiné principalement aux missions humanitaires, aux opérations de sauvetage, à l’installation de plateformes de recherche scientifiques, et bien sûr au transport du fret. Ensuite, ces activités pourront s’étendre aux loisirs, à l’éco-tourisme, aux transports humains hôteliers, à la couverture aérienne médiatique et à la surveillance des mégapoles et des eaux territoriales.

    Certes, ce mode de transport est moins intéressant que le ferroutage ou le transport maritime, et plus lent que l’avion mais en revanche il nécessite beaucoup moins d’infrastructure et de plateformes multimodales (piste d’atterrissage, autoroutes, alternance bateau/ camion…). Il est donc beaucoup moins consommateur de territoire et permettra progressivement de cicatriser nos paysages balafrés par les réseaux de transports engendrant une déforestation massive. Par conséquent il est il est dix fois moins cher pour le déplacement de lourdes charges et le transport de voyageurs et le tout sans abîmer la planète ! Pour les spécialistes du transport logistique, confrontés à l’absence durable d’infrastructures routières ou aéroportuaires adaptées dans de nombreuses parties du monde (désert et océans), cette nouvelle génération est également très attendue pour relier les sites de production et les sites d’utilisation. De plus des dispensaires, voire des hôpitaux de campagne volants pourraient ainsi intervenir lors de catastrophes naturelles, là où des vies humaines seraient en danger. Ils pourraient aussi sillonner et venir en aide aux territoires déshérités du tiers-monde en transportant les matières premières de notre alimentation globalisée vers ceux qui ont faim dans des endroits reculés !

    Hydrogénase est donc un vaisseau gros-porteurs (DGP) qui navigue en moyenne à 2 000 mètres d’altitude. Ce cargo mesure près de 400 mètres de hauteur pour 250 000 m3. Il peut transporter jusque 200 tonnes de fret à 175 km/h (soit deux fois celle d’un bateau et plus d’une fois et demi celle d’un camion). Sept fois plus lent que l’avion, il dispose d’un rayon d’action de 5 à 10 000 km et il réapprend à nos voyageurs contemporains le temps long des croisières maritimes et l’éloge de la lenteur. L’histoire des transports qui se résumait jusqu’ici à une recherche, celle d’aller toujours plus vite, est bientôt révolue au profit d’un « voyager mieux » en paquebot volant !

    2030: Hydrogénase, l’aéronef écologique du futur 100% autosuffisant.

    Le projet Hydrogénase remet donc en question le „toujours plus vite“ de notre société frénétique et réfléchit autrement à la mobilité et aux services. Aux allures bioniques, cet aéronef vertical habité vient se poser au creux d’une ferme flottante d’algues marines qui le recharge directement en bio-hydrogène. Ces deux entités interdépendantes sont toutes deux nomades et écologiques, la première navigue dans le ciel et la seconde sur les mers et les océans.

    Le paquebot proactif florissant dans les airs :

    L’aéronef semi-rigide non-pressurisé s’étire à la verticale au tour d’une colonne vertébrale arborescente qui vient se torsader aéro-dynamiquement sur plus de 400 mètres de hauteur et de 180 mètres de diamètre. Formant une grande fleur prête à éclore, les espaces se répartissent en croix sous la forme de 4 pétales qui accueillent respectivement les 4 secteurs principaux d’activités : les logements, les bureaux, les laboratoires scientifiques, et les loisirs. La tige autour de laquelle se structurent ces 4 pétales fonctionnels accueille les circulations verticales, les locaux techniques et les hangars de marchandises pour le fret.

    Ces 4 espaces habités sont englobés par 4 bulles géantes gonflées de bio-hydrogène, une énergie renouvelable. Ces bulles sont constituées d’une carène rigide en alliage léger, formée de poutres longitudinales torsadées reliées entre elles par de larges anneaux sinusoïdaux. Chaque extrémité est terminée par un cône, et celui du bas, le plus effilé, porte les empennages et les gouvernails de profondeur et de direction. Cette charpente est recouverte d’une double peau de toile étanche, ignifugée et vernissée pour diminuer la résistance à l’avancement. L’entre deux est divisé en tranches dans chacune desquelles se trouve des ballonnets remplis d’hélium. Ce matelas d’hélium en périphérie permet de protéger les ballons de bio-hydrogène de tout contact avec l’oxygène de l’air. Cette technologie hybride assure 70 % de la sustentation par le bio-hydrogène et l’hélium, les 30 % restants étant fournis par l’aérodynamique du fuselage torsadé de l’aéronef avec la vitesse, comme pour un avion.

    Ce type d’aéronef est évidemment plus lourd qu’un aérostat souple de même cubage, en raison du poids de la structure, mais il peut atteindre des vitesses plus élevées, grâce à la solidité de sa carène en titane, et transporter un tonnage plus fort, grâce à la possibilité de construire des enveloppes de toujours plus grande capacité (10 000 m3 en 1900, 70 000 m3 en 1924 et 200 000 m3 en 1938, 250 000 m3 en 2010). Ce qui distingue aussi un tel engin des classiques dirigeables d’antan est que celui-ci est plus lourd que l’air et vole grâce à la poussée d’Archimède (ce que fait tout ballon ou dirigeable), à des hélices et à sa subtile aérodynamique torsadée qui permet de réduire les oscillations de la couche limite. Le fait qu’il soit plus lourd que l’air permet en effet des descentes plus rapides sans avoir surtout à expulser du gaz. De plus la sustentation s’appuie sur la compression et la décompression du biogaz. Hydrogénase peut donc s’alléger ou s’alourdir selon les besoins et l’altitude souhaitée.

    Dans le but de construire un aéronef proactif à énergie positive, nous y avons également intégré toutes les énergies renouvelables. En effet tandis que les bulles gonflables sont contrecollées de cellules photovoltaïques souples, les quatre ailes du paquebot sont incrustées chacune de turbopropulseurs à récupération d’énergie. Ces 20 propulseurs sont articulés autour d’anneaux orbitaux leur permettant de passer de la position horizontale au décollage à la position verticale assurant au vaisseau une vitesse de navigation de 175 km/h. Les espaces habités quand à eux intègrent par palier des jardins potagers phyto-épurant les eaux usées, des biomasses dégradant les déchets organiques, et des piles à combustibles embarquées. Rien ne se perd, tout se recycle et se transforme !

    En plus d’absorber l’énergie solaire, ce château ambulant s’inspire des technologies biomimétiques et est construit en matériaux composites (fibres de verre et de carbone), plus légers et plus résistants dans le but de réduire au maximum le poids de sa structure globale. L’habillage est ainsi autonettoyant et il présente un verre nanostructuré inspiré de la feuille de lotus qui ne se mouille pas. Le vaisseau est ainsi constitué de «peaux intelligentes» empêchant par exemple l’accumulation de glace ou de neige et de «céramiques autoréparables» offrant une plus grande résistance à la déchirure et qui comblent automatiquement leurs fissures. Ce revêtement bionique est également inspiré de la peau du requin qui permet sans être toxique d’empêcher l’adhésion des bactéries tandis que les quatre ailes présentent des irrégularités de surface tout comme le font les nageoires de baleine finement perlées afin de réduire les turbulences. L’industrie verte répond donc par ce prototype bionique aux aspirations écologiques de consommation, à une réglementation antipollution toujours plus exigeante et à la raréfaction des ressources.

    La ferme biologique flottante sur les mers et les océans :

    La ferme flottante est une véritable station d’épuration biologique composée de 4 puits de carbone dans lesquelles les algues vertes recyclent nos déchets rapatriés par bateaux en carburant hydrogéné. Celui-ci est directement destiné à alimenter biologiquement l’aéronef. Elle remplace donc aussi bien la station essence que la piste d’atterrissage des avions traditionnels et prend la forme d’un tissage de fines dentelles amphibiennes !

    En effet, elle s’implante aussi bien en dessous qu’au dessus de la surface de l’eau et respecte la répartition quadripartite en pétales de l’ensemble du projet Hydrogénase. Dans la prolongation des 4 ailes de la tour pneumatique, 4 grandes arches viennent structurer cette plateforme circulaire et distribuent verticalement tous les niveaux de son anneau central habité par les scientifiques. A la surface, ces arches sont recouvertes de boucliers solaires thermiques et photovoltaïques tandis que sous l’eau elles sont serties de 32 hydroliennes transformant l’énergie marémotrice des courants marins en électricité.

    Energétiquement autosuffisante, cette ferme organise, sur un plan rayonnant, les bioréacteurs de micro-algues exposés au soleil zénithal sous des accélérateurs lenticulaires pour un meilleur rendement photochimique. Le tout constitue quatre jardins dédiés à la photosynthèse accélérée auxquels on accède par des marinas établissant les échanges entre cette véritable nouvelle ville flottante et les littoraux avoisinants. En plus de produire de l’énergie propre, cette station d’épuration flottante est également un formidable observatoire de la faune et de la flore marines qui milite pour la protection des écosystèmes et pour la revitalisation des bancs de coraux et des espèces en voie de disparition. Elle constitue un véritable nettoyeur des mers et des océans en écumant et en dégradant comme nutriment principal les bancs de déchets flottants de notre civilisation énergivore.

    Hydrogénase est donc un projet de résilience environnementale qui permettra d’inventer une mobilité propre suivant un cycle « cradle to cradle » respectant notre planète tout en assurant l’évolution technologique de l’aventure humaine ! Prototype biotechnologique, il vise donc la symbiose des actions des hommes et de leurs impacts positifs sur la nature. En imitant les processus des écosystèmes naturels, il s’agit donc de réinventer les processus industriels, urbanistiques et architecturaux afin de produire des solutions propres et de créer une industrie où tout est réutilisé, soit retourné au sol sous forme de ‘nutriments biologiques’ non toxiques, soit retourné à l’industrie sous forme de ‘nutriments techniques’ pouvant être indéfiniment recyclés“.

    Vincent Callebaut Architecte

    ——————————————————————————–

  5. hinterauer schreibt:

    1) Right now a lot of people in Scotland, Iceland & Denmark are actually
    using electrolytically derived H2!Perhaps you could share with the other readers
    as to why the addition of an electric current and a few drops of H2SO4 or
    NaCl (or other ioniser such as sewage), to water will not generate copious H2.
    Any form of turbine could be used – solar/ steam turbine, wind turbine alone,
    tidal, wave all seem to work just fine. Shell has a large H2 project, including
    gas filling stations. However I see use of H2 more of an energy storage
    strategy, direct electricity would be better over short distances. Can you give
    us an idea of the H2 producing efficiency of the electrolysis of acid-doped
    water?.

    2) There are a whole bunch of patents for genetically
    engineered cyanophyta to augment their oil (lipid) content to 60%!
    Algae are being made to directly produce octane! The ethanol route (anyway)
    suffers from the need to boil off the ethanol (from high specific heat water)
    using bagasse or other fuel source, and also involves devoting land
    that should be growing food to one of fuel production. This puts the price of
    food up and causes social unrest..

    3)Are you conceding that the CO2 problem is now solved.? I am aware of
    the greenhouse problem concerning freon, SF6 & N2O & other industrial
    gases. Except for N2O these can be solved by legislation. The N2O problem is now
    beng partly solved by USDA by coating the urea in fertilizer in a
    slow time release capsule. Methane is a „different kettle of fish“ & may
    entail cessation of the use of the paddy field & also going vegetarian. Lots
    of tofu to look forward to!

    4)Enlighten us!

    5)The carbon cycle, for all it’s labyrinthine complexities, can
    be oversimplified into a „two carbon molecules“ in a box
    model“. One carbon particle is attached to the floor of the box (fossil fuels
    & limestone). The other particle oscillates between biosphere,
    detritus & atmosphere. 3/4 of time it is in the biosphere &
    „detrivosphere“(box floor), maybe 1/4 of time (or less) it is in the atmosphere
    as CO2. If the fossilised carbon „molecule“ is also released during
    combustion or calcining., the concentration of carbon in the atmosphere of the
    box can increase by 100%. Carbonising the detritus would remove all carbon
    from the air.

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