Almost all living things on this planet run on solar energy. The mechanism is simple: plants convert sunlight into chemical energy. Zvířata jedí rostliny. Lidé jedí zvířata nebo rostliny. We burn wood, coal or processed crops to generate heat. Oil is simply ancient biomass that has fossilized over millions of years. Even first-generation biofuels are made from corn, sugar cane or vegetable oils. Je to začarovaný kruh.
Cyklus je přerušený.
Olej je špinavý. Vytváří geopolitickou nestabilitu. Znečišťuje životní prostředí. First generation biofuels are not carbon neutral. To process it, it is necessary to burn other types of fuel. Větším problémem je využití půdy. Když přeměníte potravinářské plodiny na palivo, nabídka klesne. Ceny stoupají. Hlad se zhoršuje. Následuje politické napětí.
Existuje lepší způsob?
Researchers are looking at the issue from a different angle. They want to get energy from crops without killing them. They want to use land that is unsuitable for food production. Chtějí, aby většinu práce udělali mikrobi. This is the basic concept of plant-microbial fuel cells.
Středem pozornosti jsou rostliny. Vinu nesou mikrobi. Ale obojí je nutné. Sinice tvoří základ potravního řetězce. Střevní mikroby nám pomáhají trávit potravu. Půdní bakterie přeměňují odpad na rostlinné živiny. For decades, scientists have studied this microbial metabolism. Chtěli z toho čerpat energii.
V 70. letech měli prototyp.
These early devices were called microbial fuel cells. They generate electricity through chemical reactions controlled by microbes. Výstupní výkon je nízký. Ale je obnovitelný. Mikrobiální palivové články mohou monitorovat znečišťující látky. Mohou pomoci čistit vodu. Mohou odsolovat. Mohou napájet vzdálené senzory.
Existuje omezení.
Mikrobiální palivové články potřebují jídlo. Obvykle je tato potravina organickým odpadem v odpadních vodách. Vědci si uvědomili jednu jednoduchou věc. Rostliny uvolňují cukry do půdy. Z pohledu závodu je to odpad. Je palivem pro půdní mikroby. Je to nekonečný bufet na solární pohon. Proč sbírat odpad, když můžete jednoduše sáhnout do živého kořene?
Nápad se chytil.
V roce 2008 se začaly objevovat vědecké články. Byly oznámeny první rostlinné MFC. Potenciál byl zřejmý. Technologie je škálovatelná. V rozvojových regionech by se vesnice mohly stát soběstačnými. Farmy by se mohly samy zásobovat energií. V průmyslových zemích bychom mohli snížit naši uhlíkovou stopu. Mohli bychom získat energii z bažin. Mohli bychom použít skleníky. Mohli bychom je integrovat do bio Rafinérií (biorafinerií).
Zní to příliš dobře, aby to byla pravda.
Ale to je jen nová interpretace staré myšlenky. Jedná se o rostlinně-mikrobiální palivové články. Jsou šetrné k životnímu prostředí. Jsou tiché. Svou cestu teprve začínají.
Chemie živé energie
Může se zdát, že elektřina vyžaduje dráty a sítě, ale příroda provozovala své vlastní mikroelektrárny přímo pod našima nohama již před mnoha lety. Není to magie. Je to jen biologie s elektrickým zvratem.
Rostliny jsou aktivní fotosyntetické stroje. Zachycují sluneční záření, přeměňují ho na chemickou energii a ukládají ve formě cukrů. Ale nenechávají si to všechno pro sebe. Prostřednictvím svých kořenů uvolňují odpad do rhizosféry. Toto je zóna půdy, která je přímo ovlivněna kořenovými exsudáty. Žijí tam bakterie. Jedí cukry a bílkoviny, které rostlina produkuje.
Tyto vztahy pohánějí rostlinné mikrobiální palivové články (PMFC). Zařízení poskytuje palivo. Mechanismus zajišťují bakterie. Dokud svítí slunce a rostlina zůstává zelená, mají bakterie „jízdenku na oběd“. A tento oběd vyrábí elektřinu.
Ano, stále platí první termodynamický zákon. Nemůžete získat energii z ničeho. Slunce je externí zdroj. Ale transformace se děje přímo v zemi.
Jak mikrobi přeměňují jídlo na elektřinu
Jak tedy konzumace cukru vytváří jiskru? Tohle je chemie. Zejména mluvíme o rozdělení reakce na dvě části.
Ve standardním modelu spalování nebo dýchání reagují glukóza a kyslík za vzniku oxidu uhličitého a vody. Rovnice vypadá čistě:
C6H12O6 + 602 -> 6C02 + 6H20
Ale buňky to neudělají jedním velkým skokem. Rozdělují proces na kroky. Některé z těchto mezikroků uvolňují elektrony. Elektrony jsou to, co potřebujeme pro proud.
Namísto úplné reakce je mikrobiální proces rozdělen takto:
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
Všimli jste si elektronů (e-) na pravé straně? To jsou volní hráči. Potřebují někam jít. Chtějí se spojit s kyslíkem.
Toto rozdělení definuje dvě poloviny palivového článku.
První polovina se vyskytuje v rhizosféře. Je tmavý, vlhký a plný bakterií, které rozkládají kořenové sekrety. Kořeny rostlin, odpad a mikroby sdílejí tento prostor.
Druhá polovina je na druhé straně propustné membrány. V přírodě je tato membrána hranicí mezi půdou a vodou. Je tam hodně kyslíku.
Obvod uzavřen
Tady se děje kouzlo. Protony (H+) a elektrony (e-) z první poloviny se musí pro dokončení reakce setkat s kyslíkem.
Ve druhé komoře se spojují s kyslíkem a tvoří vodu:
602 + 24H+ + 24e- -> 12H20
Protony procházejí iontoměničovou membránou. To vytváří čistý kladný náboj. Elektrony? Nemohou projít membránou. Takže jdou daleko. Proudí podél vnějšího drátu, aby dosáhly kyslíkové strany.
Tento tok je proud. To je vše. Právě jsi použil rostlinný odpad k pohonu něčeho.
Identifikujte potenciální problémy
Zní to perfektně. Čistá energie. Žádné pohyblivé části. Ale jsou tu problémy.
Plně nerozumíme tomu, jak elektrody ovlivňují prostředí kolem kořenů. Vložením kovových sond do půdy se vše změní. To může snížit dostupnost živin. To může oslabit imunitní systém rostliny. Pokud rostlina zemře, palivový článek se zastaví.
Pak je tu otázka umístění. PMFC fungují nejlépe v mokřadech a zemědělské půdě. Jedná se o chráněná území. Ekologické schválení instalace elektrod v chráněných mokřadech by bylo legální noční můrou.
Existuje však potenciální přínos. Mikrobiální palivové články v odpadních vodách mohou oxidovat amonium a redukovat dusičnany. Zemědělský odtok je pro mokřady obrovským problémem. Pokud PMFC mohou pomoci vyčistit tuto vodu a zároveň vyrábět energii, mohou kompenzovat environmentální riziko.
Je to kompromis. Díváme se na technologii, která dokáže léčit zemi a zároveň ji vyživovat. Ale musíme přesně vědět, co tyto elektrody dělají s kořeny, než je všude zasadíme.
Věda je spolehlivá. Strojírenství je chaotické. Budoucnost je temná.
Limity zelené elektřiny
Podívejte se na instalaci PMFC v roce 2012. Vypadá to jako zahrada. Přesněji řečeno, jako zahrada typu bažiny. V půdě roste rákos, rýže, spartinga nebo obří rákos. Ze země vycházejí vícebarevné dráty. To je jediné vodítko, že se vyrábí energie.
Produkují málo energie. Zatím. Fungují pouze ve vodě.
Ale věda jde dopředu. Výzkumníci jsou vedeni větším problémem: konfliktem mezi jídlem a energií. Biopaliva zatěžují globální zásoby potravin. PMFC nabízí východisko z této situace. Nevyžadují odvodnění rýžových polí. Zemědělci mohou pokračovat v pěstování potravin. Vesnice mohou instalovat takové systémy v bažinách. V oblastech s chudou půdou lze energii vyrábět, aniž by se zabírala orná půda.
Skleníky by je mohly využívat celoročně. Otevřená pole? Záleží na ročním období.
Místní energie snižuje potřebu přepravy paliva. Méně dopravy znamená méně emisí uhlíku. Zní to jako výhra.
Je zde úzké hrdlo. Velký. Samotná rostlina.
Fotosyntéza je neefektivní. Chloroplasty absorbují světlo pouze v rozmezí 400–700 nanometrů. To je 45 procent slunečního záření. Zbytek se odráží. Zbytek rostliny vyplýtvají.
Závody C3 a C4 to řeší odlišně. C3 rostliny nejprve tvoří tříuhlíkové molekuly. Tvoří 95 procent druhů. Stromy, pšenice, rýže. Jejich teoretická hranice účinnosti je 4,6 procenta. V praxi dosahují 70 procent této hodnoty. Asi 3,2 procenta.
rostliny C4? Kukuřice. Cukrová třtina. Tvoří čtyřuhlíkové molekuly. Jsou lepší. Teoretická hranice: 6 procent. Praktický limit: asi 4,2 procenta.
Pak přichází na řadu půda. Pouze 20 procent biomasy rostliny se dostane do kořenové zóny. Rhizosféry. Odtud se pouze 30 procent stává potravou pro mikroby. Mikrobi dělají svou práci. Uvolňují elektrony.
PMFC zachycují 9 procent této mikrobiální energie ve formě elektřiny.
Spočítejte si to.
Pro rostliny C3: 0,70 x 0,046 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Výsledek: 0,017 procenta přeměny sluneční energie na elektrickou energii.
Pro rostliny C4: 0,70 x 0,060 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Výsledek: 0,022 procenta.
Malá čísla. Někteří vědci se však domnívají, že tyto modely jsou příliš pesimistické. Pokud je potenciál vyšší, těží spotřebitelé.
Naděje pro vodík
Palivové články získávají na popularitě. Poskytují vozidlům delší dojezd než baterie. Jsou vhodnější pro velká vozidla. Zájem prudce vzrostl na konci roku 2012.
Vodíkové palivové články se zdají být ekologické. Ale to není pravda. Výroba vodíku vyžaduje obrovské množství elektřiny. Proces není uhlíkově neutrální. To maří samotný účel.
PMFC přirozeně produkují plynný vodík. Prostřednictvím stejného mikrobiálního procesu, který vyrábí elektřinu. To by mohl být klíč ke skutečně zelené výrobě vodíku.
Od oleje k pluhu
Přechod z ropy na rostliny není jen otázkou paliva. To je otázka využití půdy. Jde o to ukončit soutěž mezi potravinami a energií. Z bažin se stávají elektrárny. Rýžová pole se stávají hybridními systémy. Půda pracuje tvrději. Síť se stává čistší.
Účinnost je nízká. Technologie je mladá. Ale alternativa – vytěžit ropu ze země – se stále více jeví jako zastaralá. Kořeny jsou připraveny.
Tato technologie není bez nevýhod. Rostlinné mikrobiální palivové články (PMFC) jsou ve stavu kontroverze. Substrát musí podporovat kořenový systém rostliny a zároveň umožňovat přenos elektronů. Tyto dva cíle jsou často v rozporu. Vezměte si například úrovně pH. Pokud se kyselost ve dvou komorách článku liší, ionty pronikají membránou, aby vyrovnaly hodnoty. To má za následek napěťový zkrat. Elektrický potenciál klesá. Inženýři musí tento problém vyřešit.
Odstraňte tyto nedostatky a potenciál je ohromující. Vše závisí na hustotě energie. Studie z roku 2008 odhadla výnos na 21 gigajoulů na hektar za rok. To je 5800 kilowatthodin na 2,5 akru. Novější údaje naznačují, že toto číslo by se mohlo vyšplhat až na 1 000 gigajoulů na hektar.
Chcete-li porozumět stupnici, zvažte základní hodnoty:
– Jeden barel ropy obsahuje asi 6 gigajoulů chemické energie.
– V Evropě je 13,7 milionu zemědělců. Průměrná velikost farmy je 12 hektarů.
– V USA jsou 2 miliony farmářů. Průměrná velikost farmy je 180 hektarů.
Proveďte výpočty. Pokud by pouhé 1 procento orné půdy v USA a Evropě přešlo na technologii mikrobiálních palivových článků na rostlinné bázi, výstup by byl kolosální. Evropa by mohla ročně vyprodukovat 34,5 milionu gigajoulů. USA by mohly dosáhnout 75,6 milionu gigajoulů.
Porovnejte to se spotřebou. V roce 2010 spálilo 27 zemí EU 1 759 milionů tun ropného ekvivalentu (TOE). To se rovná 74,2 miliardám gigajoulů. Nebo 20,5 bilionu kilowatthodin. TOE je standardní metrika pro porovnávání zdrojů energie. Ekvivalent jedné tuny ropy.
V tomto zjednodušeném modelu je PMFC kapkou v kýblu. Obrovský propad, ale stále pokles ve srovnání s celkovou poptávkou. Jedná se však o kapku bez kontaminace. Pochází ze zelených polí, nikoli z komínů nebo větrných turbín zabíjejících ptáky.
To je jen začátek. Vědci vyvíjejí bakterie, které zpracovávají odpad rychleji. Mezi lety 2008 a 2012 změny v chemii substrátu v některých testech zdvojnásobily elektrický výkon. PlantPower, klíčový hráč v této oblasti, tvrdí, že vylepšené PMFC by mohly dodávat 20 procent evropské primární energie. Jedná se o energii získanou přímo z přírodních, netransformovaných zdrojů.
Bariérou je stále cena. Než budou rozšířeny, musí být levnější a efektivnější. Dochází k pokroku. Výrobci opouštějí drahé kovy ve prospěch elektrod z vodivých uhlíkových tkanin. Šetří peníze. V roce 2012 stála instalace v laboratoři o objemu jednoho metru krychlového 70 dolarů.
Přemýšlejte o vedlejších výhodách. Odstraňování škodlivin. Snížení emisí skleníkových plynů. Pokud investoři a vlády uvidí hodnotu, PMFC by se mohly stát elektrárnami budoucnosti. Nebo mohou jen zasít semeno něčeho ještě lepšího.
