Lager (miljarder ton) och flöden (miljarder ton/år) av kol Förbränningsreaktioner Naturlig och konstgjord fotosyntes Örjan Hansson NO biennalen, Göteborg, 2017 10 10 bränslemolekyler + syrgas koldioxid + va en + energi bränslemolekyler + O 2 CO 2 + H 2 O + energi exergona reaktioner = avger energi i motsats till: endergona reaktioner = kräver energi Areskoug (2006, fig 4.15) Biologisk förbränning (cellrespiration) Teknisk förbränning Energiflöden på jorden CO 2 + H 2 O Värme (2/3) CO 2 + H 2 O Värme (2/3) 120 000 TW bränslemolekyler + O 2 kolhydrater fetter proteiner Dagligt energibehov: 10 MJ/dag person (medelvärde för människa) Biologiskt arbete(1/3) transport syntes signalering bränslemolekyler + O 2 kolväten kol kolhydrater Mekaniskt arbete (1/3) Samhällets totala dagliga energibehov (inklusive andra energikällor): 200 MJ/dag person (medelvärde för global medborgare) 600 MJ/dag person (medelvärde för svensk medborgare) 1 TW = 10 12 Joule/s 17,4 TW (2014) Energi till samhället för: värme bränsle elektricitet Areskoug (2006, fig 1.2) 1
CO 2 ÖH: Naturlig och konstgjord fotosyntes 2017 10 10 Global energikonsumtion, 2015 Energi för hållbar utveckling Värme från solljus Vår användning av energi (värme, bränslen, el) bör undvika fossila bränslen och kärnenergi och i stället utnyttja naturliga energiflöden, drivna av solljuset. Förbränning av biobränslen (ursprungligen från fotosyntesen) Skogsprodukter Jordbruksprodukter Avfall Gödsel torv Passiv solvärme (utformning av byggnader så att de utnyttjar solinstrålningen) Aktiv solvärme (solfångare som värmer upp vatten eller luft) Armaroli & Balzani (2016, fig 1) Aktiv solvärme (solfångare) Solljuset driver fotosyntesen Sun Air O Inflow 2 Loss of of light heat energy O 2 CO energy 2 Syrerevolutionen Chemical energy Övre och undre gräns för uppskattningar Producers Cycling Of Chemical nutrients Consumers H 2O Decomposers Ecosystem Soil Miljarder år före nutid Areskoug (2006, fig 8.2) Campbell mfl (2005) Holland (2011) 2
Technical combustion Biological combustion Biologisk förbränning med syre Energy fuel molecules + O 2 Heat CO 2 + H 2 O Energy food molecules + O 2 Glycolysis Fatty-acid oxidation Citric-acid cycle Oxidative phosphorylation ATP ADP + P i CO 2 + H 2 O Heat Biological work Rohde (2007) 3
Temperaturstrålning Ljusabsorberande pigment i fotosyntesen Areskoug (2006, fig 18.5) Mathews & van Holde (1996, fig 17.8) Mathews & van Holde (1996, fig 17.7) Fotosyntesmaskineriet 14_30_01_3rd_compartmnt.jpg Proteiner inbäddade i tylakoidmembranet Fotosystem 1 (Pc) (Photosystem 1, PS1) Ljusinducerad transport av elektroner och protoner i fotosyntesen En strukturmodell för fotosystem 1 i växter vid 3.4 Å upplösning Andréasson (2005) Nelson (2011) 4
Klorofyll a Aasa mfl (1995) Aasa mfl (1995) Separation av laddningar i fotosyntesen Aasa mfl (1995) 5
Fotosyntesens elektrontransportkedja Elektricitet från solljus Solceller (photovoltaic PV cells) Kraftvärmeverk (drivna med biobränslen) Vattenkraftverk Vindkraftverk Vågkraftverk Solceller (likheter med laddningsseparation i fotosyntesen) International Space Station (Wikipedia) Solar cell (Wikipedia) IKEA Älmhult (Areskoug, 2006, fig 9.1) Solcell av kisel Kristallint kisel med p och n dopade skikt Separation av laddningar i en solcell Areskoug (2006, fig 9.9) Areskoug (2006, fig 9.11) Areskoug (2006, fig 9.16) 6
Verkningsgrad (nyttig energi/tillförd energi) Solceller Teoretisk gräns för enkel (en skikts) solcell : 32 % Enkla solceller i kommersiella system: 18 % Solceller med flera skikt i laboratorier: 46 % Enkla solceller kopplade med elektrolys av vatten: 10 % Fotosyntes Teoretisk gräns: 12 % Under odlingssäsong: 4 % Årsmedelvärde: 1 % Fotosyntesen använder mindre andel av solljuset jämfört med solceller Solljus vid jordytan cyanobakterie solcell av kisel Priset på solceller Blankenship et al. (2011, fig 1) Rfassbind (2015) Produktion av solceller Bränsle från solljus Biobränslen 1 GW = 10 9 J/s 60 % av globala produktionen sker i Kina Biobränslen (skogsprodukter, jordbruksprodukter, mm) Konstgjord fotosyntes med katalysatorer i lösning Elektrolys av vatten driven av solceller Fotoelektrokemiska celler (solceller med katalytiska egenskaper) Rfassbind (2017) Figure 14-28 Essential Cell Biology ( Garland Science 2010) 7
Konstgjord fotosyntes med katalysatorer i lösning Bioinspirerade katalysatorer Reduktion av vatten till vätgas i vissa kvävefixerande bakterier 2 H 2 O + 2 e H 2 + 2 OH (enzymet hydrogenas) Oxidation av vatten till syrgas i fotosyntesen 2 H 2 O O 2 + 4 e + 4 H+ (Mn innehållande centrum i fotosystem 2) Ljusinducerad transport av elektroner och protoner i fotosyntesen Armaroli & Balzani (2016, fig 9) Andréasson (2005) Fotosystem 2 Fotosystem 2 Mn innehållande centrum i fotosystem 2 Structure of the WOC from T. vulcanos at 1.9 Å resolution Kawakami et al. (2011) 8
Konstgjord Mn katalysator Karlsson et al. (2011) Karlsson et al. (2011) Elektrolys av vatten driven av solceller Bränsleceller el (och värme) från H 2 och O 2 Karlsson et al. (2011) Armaroli & Balzani (2016, fig 11e) Armaroli & Balzani (2016, fig 13) 9
Fotoelektrokemiska (PEC) celler (solceller med katalytiska egenskaper) Fotoelektrokemiska (PEC) celler Sammanfattning Solljus kan användas för att tillhandahålla: värme förbränning av biobränslen passiv solvärme aktiv solvärme elektricitet kraftvärmeverk (med biobränslen) vattenkraftverk vindkraftverk vågkraftverk solceller bränslen biobränslen konstgjord fotosyntes med katalysatorer i lösning elektrolys av vatten driven av solceller fotoelektrokemiska celler Armaroli & Balzani (2016, fig 10) Armaroli & Balzani (2016, fig 11) Sammanfattning Solljus kan användas för att tillhandahålla: värme förbränning av biobränslen passiv solvärme aktiv solvärme elektricitet kraftvärmeverk (med biobränslen) vattenkraftverk vindkraftverk vågkraftverk solceller bränslen biobränslen konstgjord fotosyntes med katalysatorer i lösning elektrolys av vatten driven av solceller fotoelektrokemiska celler På god väg mot en hållbar energianvändning! Armaroli & Balzani (2016) Referenser Aasa, R., Brzezinski, P., Hansson, Ö. och Vänngård, T. (1995) Kompendium i biofysik Alberts, B. mfl (2009) Essential Cell Biology, 3rd ed, Garland Science Andréasson, Lars Erik (2005) Labhandledning Biokemi 1 Areskoug, Mats (2006) Miljöfysik, 2a uppl, Studentlitteratur Armaroli, N. & Balzani, V. (2016) Chem. Eur. J., 22, 32 Berg, Tymoczko, Gatto & Stryer (2015) Biochemistry, 8th ed, Freeman & Co Blankenship, R.E et al. (2011) Science, 332, 905 Campbell N.A. mfl (2005) Biology, concepts & connections, 5th ed, Pearson Holland, Heinrich D. (2011) https://en.wikipedia.org/wiki/great_oxygenation_event (2017 10 09) Karlsson, E.A. et al. (2011) Angew. Chem. 50, 11715 Kawakami et al. (2011) J. Photochem. Photobiol. B, 104, 9 Mathews, C.K. & van Holde, K.E. (1996) Biochemistry, 2nd ed, Benjamin/Cummings Nelson, Nathan (2011) Biochim Biophys Acta, 1807, 856 Rfassbind (2015, 2017) https://en.wikipedia.org/wiki/solar_cell (2017 10 09) 10