Bioogniwa paliwowe: zdumiewająca przemiana. Ścieki - w energię

Pompy ciepła | Oświetlenie LED, żarówki LED | Kolektory słoneczne | Certyfikat energetyczny | Podłogówka

Bioogniwa paliwowe: zdumiewająca przemiana. Ścieki - w energię... Tradycyjne ogniwa paliwowe przetwarzają konwencjonalne nośniki energii - wodór lub metanol w energię elektryczną i ciepło. Nieoczekiwanie - o czym większość z nas nawet nie śniła - opanowano zasadę działania bioogniwa paliwowego, wykorzystując energię przemiany substancji organicznych z udziałem mikroorganizmów.

Tu jest miejsce na reklamę.
Zobacz cennik
Dzięki tej innowacji będzie można w niedalekiej przyszłości wytwarzać z odpadów rolno-spożywczych oraz miejsko-gminnych oczyszczalni ścieków (rys. 1) energię elektryczną.
Naukowcom z Uniwersytetu Ernsta Moritza Arndta w Greifswald (Niemcy) udało się jako pierwszym "zdrutować" obieg energii elektrycznej poprzez uzyskanie jej w procesie przemiany substancji organicznej z udziałem mikrobów.
Dla tego typu ogniwa paliwowego trzeba było opracować nową technologię sporządzenia elektrody, uwzględniając jej biokompatybilne pokrycie wraz z elektrokatalityczną aktywnością: węglowo-platynową anodę pokryto przewodzącym elektryczność tworzywem sztucznym, którym jest polianilina. Ona, jako anoda, przejmuje elektrony z bakteryjnej przemiany substancji organicznej. W praktyce tę operację przeprowadzono po raz pierwszy następująco: w zbiorniku z wodnym roztworem glukozy zapoczątkowano bakteryjną jej przemianę, przy czym cały ten roztwór z biegnącą beztlenowo fermentacją był cyrkulowany pompą poprzez komorę anodową. Komora ta jest oddzielona od podobnej katodowej półprzepuszczalną membraną, przez którą mogą przenikać tylko protony (E.Lange, "VDI-Nachrichten", 2004, nr 35, s. 15.)

W ramach postępujących badań natrafiono na różnorakie przeszkody, zakłócające ciągłą i równomierną wytwórczość energii elektrycznej. Jedną z nich było osadzanie się w komorze anodowej - na częściach, które nie były pokryte wymienionym polimerem - produktów z bakteryjnych przemian substancji organicznych, co przerywało pracę ogniwa. Wprowadzenie stabilizatorów polimerowych wraz z regularnymi wstrząsami falowymi cieczy pulsatorem wyeliminowało zjawisko osadzania się produktów pofermentacyjnych w komorze anodowej. Te innowacje techniczno-procesowe zapewniły prototypowemu bioogniwu paliwowemu ciągłą eksploatację oraz równomierny przepływ energii elektrycznej 1,5 mA w przeliczeniu na każdy cm kw. anody. Nie jest to wiele, ale nie można wątpić w dalsze udoskonalenia techniczno-procesowe, jak w każdym nowym przedsięwzięciu.

Badania w tej dziedzinie są również podejmowane przez inne czołowe w świecie placówki naukowe. Szybki rozwój tego typu badań stymuluje przekonanie, że na tej drodze będzie można w przyszłości z różnorakich odpadów, np. z lokalnych oczyszczalni ścieków czy odpadów przemysłu rolno-spożywczego, wytwarzać energię elektryczną w znacznie skróconych - w porównaniu do dziś stosowanych -operacjach procesowych.
W analogicznych studiach eksperymentalnych na uniwersytecie w Pensylwanii, stosuje się w bioogniwach paliwowych (tam określanych jako Microbial Fuel Cell - MFC) w postaci nośnika energii ścieki z typowego gospodarstwa domowego.

Istota tego procesu jest podobna do przebiegającego w naszym żołądku trawienia spożytego posiłku, który bakterie przetwarzają do wody oraz ditlenku węgla, w rezultacie czego wyzwalana jest energia dla naszego organizmu. Tu też zostają wyzwolone elektrony, ale one łączą się od razu z tlenem do anionu, a ten następnie z dwoma protonami do wody.
Tymczasem w bioogniwie paliwowym tlen utrzymuje się z dala od źródła wyzwalania elektronów: one bowiem oddzielają się od nośnika energii podczas biologicznej przemiany substancji organicznej na anodzie, a tlen "czeka" na nie na katodzie, przy czym między tymi elektrodami jest membrana półprzepuszczalna. Przez nią przepływają jedynie protony. Elektrony przepływają natomiast przewodami z anody do katody, ale przez odbiornik energii elektrycznej - i to czyni bioogniwo paliwowe jej wytwornicą.

Jednokomorowy prototyp bioogniwa paliwowego w amerykańskiej wersji MFC składa się z rury o średnicy 6 cm i wysokości 15 cm. Katodę wykonano z grafitu, pokrytego tworzywem sztucznym oraz platyną i umieszczono w osi aparatu. Otoczono ją półprzepuszczalną membraną, przez którą przenikają protony z anody. Ta składa się z ośmiu czopków grafitowych. Opływają je ścieki z gospodarstwa domowego, a bakterie gromadzące się na elementach grafitowych - rozkładają ich organiczne substancje. Bakteryjnie wyzwolone protony z substancji organicznych przenikają przez membranę do katody, na której łączą się z tlenowymi jonami do wody. Natomiast elektrony z anody - uzyskiwane równocześnie z protonami w czasie bakteryjnego rozkładu substancji organicznych ze ścieków - przepływają przewodem przez odbiornik energii elektrycznej do katody. Na niej jonizują się atomy tlenu z powietrza poprzez przejmowanie dopływających elektronów.

Naukowcy amerykańscy w swoim prototypowym, jednokomorowym bioogniwie paliwowym osiągnęli moc w granicach 10-50 mW/m kw. powierzchni elektrody.
Jednokomorowe, amerykańskie bio-ogniwo paliwowe swą prostotą konstrukcyjną przewyższa dwukomorową aparaturę z uniwersytetu Greifswald, aczkolwiek dalsze intensywne prace badawcze nad obiema technologiami są w toku, gdyż każda z nich ma różnorakie wady i zalety. Należy sądzić, że tak jak nad ogniwami fotowoltaicznymi pracowano przez prawie 30 lat, to podobnie długo potrwają działania badawczo-wdrożeniowe nad bioogniwami paliwowymi.

Jest to jednak strategicznie ważny temat, zarówno w aspekcie gospodarczym, jak i ochrony środowiska. Ścieki z miasta liczącego 100 tys. mieszkańców, umożliwiają w bioogniwach paliwowych wytwórczość 50 kW energii elektrycznej na godzinę. Mikroorganizmy zmniejszają bowiem w ściekach miejskich zawartość organicznych zanieczyszczeń aż o 78%. Prezentowane rozwiązanie uefektywni wielokierunkowo miejskie oczyszczalnie ścieków, stąd konieczne jest podjęcie podobnych badań w krajowych, specjalistycznych placówkach naukowych.

Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj

Zamów prenumeratę

autor: prof. zw. dr hab. Włodzimierz Kotowski

Bioogniwa paliwowe: zdumiewająca przemiana. Ścieki - w energię

Promocje: