Prawie wszystkie żywe istoty na tej planecie działają dzięki energii słonecznej. Mechanizm jest prosty: rośliny przekształcają światło słoneczne w energię chemiczną. Zwierzęta jedzą rośliny. Ludzie jedzą zwierzęta lub rośliny. W celu wytworzenia ciepła spalamy drewnem, węglem lub przetworzonymi roślinami uprawnymi. Ropa naftowa to po prostu starożytna biomasa, która skamieniała przez miliony lat. Nawet biopaliwa pierwszej generacji produkowane są z kukurydzy, trzciny cukrowej lub olejów roślinnych. To błędne koło.
Cykl został przerwany.
Olej jest brudny. Tworzy to niestabilność geopolityczną. Zanieczyszcza środowisko. Biopaliwa pierwszej generacji nie są neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla. Aby go przetworzyć, konieczne jest spalanie innych rodzajów paliwa. Większym problemem jest użytkowanie gruntów. Kiedy zamieniasz rośliny spożywcze w paliwo, podaż spada. Ceny rosną. Głód jest coraz większy. Następują napięcia polityczne.
Czy jest lepszy sposób?
Naukowcy patrzą na problem z innej perspektywy. Chcą pozyskiwać energię z upraw, nie zabijając ich. Chcą zagospodarować tereny nienadające się do produkcji żywności. Chcą, aby mikroby wykonały większość pracy. Jest to podstawowa koncepcja roślinno-mikrobiologicznych ogniw paliwowych.
Rośliny są w centrum uwagi. Winą są mikroby. Ale jedno i drugie jest konieczne. Sinice stanowią podstawę łańcucha pokarmowego. Mikroorganizmy jelitowe pomagają nam trawić pokarm. Bakterie glebowe przekształcają odpady w składniki odżywcze dla roślin. Przez dziesięciolecia naukowcy badali ten metabolizm drobnoustrojów. Chcieli wydobyć z niego energię.
W latach 70. mieli prototyp.
Te wczesne urządzenia nazywano mikrobiologicznymi ogniwami paliwowymi. Wytwarzają energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznych kontrolowanych przez drobnoustroje. Moc wyjściowa jest niska. Ale jest odnawialny. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe mogą monitorować zanieczyszczenia. Mogą pomóc w oczyszczaniu wody. Mogą odsalać. Mogą zasilać zdalne czujniki.
Istnieje ograniczenie.
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe potrzebują pożywienia. Zazwyczaj żywność ta to odpady organiczne znajdujące się w ściekach. Naukowcy zdali sobie sprawę z jednej prostej rzeczy. Rośliny uwalniają cukry do gleby. Z punktu widzenia zakładu jest to odpad. Jest paliwem dla drobnoustrojów glebowych. To niekończący się bufet zasilany energią słoneczną. Po co zbierać odpady, skoro można po prostu sięgnąć do żywego korzenia?
Pomysł chwycił.
Od 2008 roku zaczęły pojawiać się artykuły naukowe. Ogłoszono pierwsze roślinne MFC. Potencjał był oczywisty. Technologia jest skalowalna. W regionach rozwijających się wsie mogłyby stać się samowystarczalne. Gospodarstwa mogłyby same zaopatrywać się w energię. W krajach uprzemysłowionych moglibyśmy zmniejszyć nasz ślad węglowy. Moglibyśmy pozyskiwać energię z bagien. Przydałoby się nam szklarnie. Moglibyśmy zintegrować je w biorafinerie (biorafinerie).
Brzmi zbyt dobrze, aby mogło być prawdziwe.
Ale to tylko nowa interpretacja starego pomysłu. Są to roślinno-mikrobiologiczne ogniwa paliwowe. Są przyjazne dla środowiska. Są ciche. Dopiero rozpoczynają swoją podróż.
Chemia energii żywej
Może się wydawać, że energia elektryczna wymaga przewodów i sieci, ale natura uruchomiła swoje własne mikroelektrownie tuż pod naszymi stopami. To nie magia. To po prostu biologia z elektrycznym akcentem.
Rośliny są aktywnymi maszynami fotosyntetycznymi. Wychwytują światło słoneczne, przekształcają je w energię chemiczną i magazynują w postaci cukrów. Ale nie zachowują tego wszystkiego dla siebie. Poprzez swoje korzenie uwalniają odpady do ryzosfery. Jest to strefa gleby, na którą bezpośrednio wpływają wysięki korzeniowe. Żyją tam bakterie. Jedzą cukry i białka produkowane przez roślinę.
Te relacje napędzają mikrobiologiczne ogniwo paliwowe roślin (PMFC). Zakład dostarcza paliwo. Bakterie zapewniają mechanizm. Dopóki świeci słońce, a roślina pozostaje zielona, bakterie mają „bilet na lunch”. A ten lunch generuje prąd.
Tak, pierwsza zasada termodynamiki nadal obowiązuje. Nie da się pozyskać energii z niczego. Słońce jest źródłem zewnętrznym. Ale transformacja zachodzi bezpośrednio w ziemi.
Jak mikroby zamieniają żywność w prąd
W jaki więc sposób jedzenie cukru wywołuje iskrę? To jest chemia. W szczególności mówimy o podziale reakcji na dwie części.
W standardowym modelu spalania lub oddychania glukoza i tlen reagują, tworząc dwutlenek węgla i wodę. Równanie wygląda na czyste:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Ale komórki nie robią tego jednym wielkim skokiem. Dzielą proces na etapy. Niektóre z tych etapów pośrednich uwalniają elektrony. Elektrony są tym, czego potrzebujemy do prądu.
Zamiast pełnej reakcji proces mikrobiologiczny dzieli się w następujący sposób:
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
Zwróć uwagę na elektrony (e-) po prawej stronie? To są wolni agenci. Muszą gdzieś iść. Chcą połączyć się z tlenem.
Podział ten definiuje dwie połowy ogniwa paliwowego.
Pierwsza połowa występuje w ryzosferze. Jest ciemno, wilgotno i pełno bakterii rozkładających wydzielinę korzeni. Korzenie roślin, odpady i drobnoustroje dzielą tę przestrzeń.
Druga połowa znajduje się po drugiej stronie przepuszczalnej membrany. W naturze membrana ta stanowi granicę między glebą a wodą. Jest tam dużo tlenu.
Obwód zamknięty
To tutaj dzieje się magia. Protony (H+) i elektrony (e-) z pierwszej połowy muszą spotkać się z tlenem, aby zakończyć reakcję.
W drugiej komorze łączą się z tlenem tworząc wodę:
6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O
Protony przechodzą przez membranę jonowymienną. Tworzy to ładunek dodatni netto. Elektrony? Nie mogą przejść przez błonę. Dlatego idą najdalej. Płyną wzdłuż zewnętrznego drutu, aby dotrzeć do strony tlenowej.
Ten przepływ jest prądem. To wszystko. Właśnie użyłeś odpadów roślinnych do zasilania czegoś.
Zidentyfikuj potencjalne problemy
Brzmi idealnie. Czysta energia. Brak ruchomych części. Ale są problemy.
Nie do końca rozumiemy, w jaki sposób elektrody wpływają na środowisko wokół korzeni. Włożenie metalowych sond do gleby zmienia wszystko. Może to zmniejszyć dostępność składników odżywczych. Może to osłabić układ odpornościowy rośliny. Jeśli roślina obumrze, ogniwo paliwowe przestanie działać.
Do tego dochodzi kwestia lokalizacji. PMFC najlepiej sprawdzają się na terenach podmokłych i rolniczych. Są to tereny chronione. Zgoda środowiskowa na instalację elektrod na chronionych terenach podmokłych byłaby prawnym koszmarem.
Istnieje jednak potencjalna korzyść. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe w ściekach mogą utleniać amon i redukować azotany. Odpływy rolnicze stanowią ogromny problem dla terenów podmokłych. Jeśli PMFC mogą pomóc w oczyszczeniu tej wody, jednocześnie wytwarzając energię, mogą zrównoważyć ryzyko dla środowiska.
To kompromis. Przyglądamy się technologii, która może uzdrowić ziemię, jednocześnie ją odżywiając. Musimy jednak dokładnie wiedzieć, co te elektrody robią z korzeniami, zanim posadzimy je wszędzie.
Nauka jest niezawodna. Inżynieria jest chaotyczna. Przyszłość jest niejasna.
Limity zielonej energii elektrycznej
Spójrzcie na instalację PMFC z 2012 roku. Wygląda jak ogród. A dokładniej ogród typu bagiennego. W glebie rośnie trzcina, ryż, spartinga lub trzcina olbrzymia. Z ziemi wychodzą wielokolorowe przewody. To jedyna wskazówka, że energia jest generowana.
Wytwarzają niewielką moc. Na razie. Działają tylko w wodzie.
Ale nauka idzie do przodu. Badaczami kieruje się szerszy problem: konflikt między żywnością a energią. Biopaliwa stanowią obciążenie dla światowych dostaw żywności. PMFC oferuje wyjście z tej sytuacji. Nie wymagają osuszania pól ryżowych. Rolnicy mogą nadal uprawiać żywność. Wsie mogą instalować takie systemy na bagnach. Na obszarach o ubogich glebach energię można wytwarzać bez zabierania gruntów ornych.
Szklarnie mogłyby z nich korzystać przez cały rok. Otwarte pola? To zależy od sezonu.
Lokalna energia zmniejsza potrzebę transportu paliwa. Mniej transportu oznacza mniejszą emisję dwutlenku węgla. Brzmi jak zwycięstwo.
Występuje wąskie gardło. Duży. Sama roślina.
Fotosynteza jest nieefektywna. Chloroplasty pochłaniają światło tylko w zakresie 400–700 nanometrów. Stanowi to 45 procent promieniowania słonecznego. Reszta jest odzwierciedlona. Resztę marnują rośliny.
Rośliny C3 i C4 radzą sobie z tym inaczej. Rośliny C3 najpierw tworzą cząsteczki trójwęglowe. Stanowią 95 procent gatunku. Drzewa, pszenica, ryż. Ich teoretyczna granica wydajności wynosi 4,6 procent. W praktyce osiągają one 70 proc. tej wartości. Około 3,2 proc.
Rośliny C4? Kukurydza. Trzcina cukrowa. Tworzą cząsteczki czterowęglowe. Są lepsi. Teoretyczny limit: 6 procent. Praktyczny limit: około 4,2 proc.
Potem przychodzi gleba. Tylko 20 procent biomasy rośliny dociera do strefy korzeniowej. Ryzosfery. Stamtąd tylko 30 procent staje się pożywieniem dla drobnoustrojów. Mikroby robią swoje. Uwalniają elektrony.
PMFC wychwytują 9 procent energii drobnoustrojów w postaci energii elektrycznej.
Wykonaj matematykę.
Dla instalacji C3: 0,70 x 0,046 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Wynik: 0,017 procent konwersji energii słonecznej na energię elektryczną.
Dla instalacji C4: 0,70 x 0,060 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Wynik: 0,022 proc.
Małe liczby. Niektórzy badacze uważają jednak, że modele te są zbyt pesymistyczne. Jeśli potencjał jest większy, konsumenci na tym korzystają.
Nadzieja na wodór
Ogniwa paliwowe zyskują na popularności. Zapewniają pojazdom większy zasięg niż akumulatory. Lepiej nadają się do dużych pojazdów. Pod koniec 2012 roku zainteresowanie gwałtownie wzrosło.
Wodorowe ogniwa paliwowe wydają się być przyjazne dla środowiska. Ale to nieprawda. Produkcja wodoru wymaga ogromnych ilości energii elektrycznej. Proces nie jest neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla. To mija się z celem.
PMFC naturalnie wytwarzają gazowy wodór. Poprzez ten sam proces mikrobiologiczny, który wytwarza energię elektryczną. Może to być kluczem do prawdziwie ekologicznej produkcji wodoru.
Od ropy po pługi
Przejście z oleju na rośliny to nie tylko kwestia paliwa. To jest kwestia zagospodarowania terenu. Chodzi o położenie kresu konkurencji między żywnością a energią. Bagna stają się elektrowniami. Pola ryżowe stają się systemami hybrydowymi. Gleba pracuje ciężej. Sieć staje się czystsza.
Wydajność jest niska. Technologia jest młoda. Jednak alternatywa – wydobywanie ropy z ziemi – wydaje się coraz bardziej przestarzała. Korzenie są gotowe.
Technologia ta nie jest pozbawiona wad. Roślinne mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (PMFC) budzą kontrowersje. Podłoże musi wspierać system korzeniowy rośliny, jednocześnie umożliwiając transfer elektronów. Te dwa cele często są ze sobą sprzeczne. Weźmy na przykład poziom pH. Jeśli kwasowość w obu komorach ogniwa jest różna, jony przepływają przez membranę, aby wyrównać odczyty. Prowadzi to do zwarcia napięcia. Potencjał elektryczny spada. Inżynierowie muszą rozwiązać ten problem.
Usuń te niedociągnięcia, a potencjał będzie zdumiewający. Wszystko zależy od gęstości energii. W badaniu z 2008 roku oszacowano plony na 21 gigadżuli z hektara rocznie. To 5800 kilowatogodzin na 2,5 akrach. Nowsze dane sugerują, że liczba ta może wzrosnąć do 1000 gigadżuli na hektar.
Aby zrozumieć skalę, należy wziąć pod uwagę podstawowe wartości:
– Jedna baryłka ropy zawiera około 6 gigadżuli energii chemicznej.
– W Europie jest 13,7 miliona rolników. Średnia wielkość gospodarstwa wynosi 12 hektarów.
– W USA jest 2 miliony rolników. Średnia wielkość gospodarstwa wynosi 180 hektarów.
Wykonaj obliczenia. Gdyby zaledwie 1 procent gruntów ornych w USA i Europie przeszło na technologię mikrobiologicznych ogniw paliwowych na bazie roślin, produkcja byłaby kolosalna. Europa mogłaby wyprodukować 34,5 miliona gigadżuli rocznie. Stany Zjednoczone mogłyby osiągnąć 75,6 miliona gigadżuli.
Porównaj to z konsumpcją. W 2010 r. 27 krajów UE spaliło 1 759 mln ton ekwiwalentu ropy naftowej (TOE). Odpowiada to 74,2 miliardom gigadżuli. Czyli 20,5 biliona kilowatogodzin. TOE to standardowy wskaźnik służący do porównywania źródeł energii. Jedna tona ekwiwalentu ropy naftowej.
W tym uproszczonym modelu PMFC jest kroplą w morzu potrzeb. Ogromny spadek, ale nadal spadek w porównaniu do ogólnego popytu. Jest to jednak kropla pozbawiona zanieczyszczeń. Pochodzi z zielonych pól, a nie z kominów czy zabijających ptaki turbin wiatrowych.
To dopiero początek. Naukowcy opracowują bakterie, które szybciej przetwarzają odpady. W latach 2008–2012 w niektórych testach zmiany w składzie chemicznym podłoża podwoiły moc elektryczną. PlantPower, kluczowy gracz w tej dziedzinie, twierdzi, że ulepszone PMFC mogłyby zapewnić 20 procent energii pierwotnej w Europie. Jest to energia pozyskiwana bezpośrednio z naturalnych, nieprzetworzonych źródeł.
Cena nadal stanowi barierę. Zanim zostaną powszechnie przyjęte, muszą stać się tańsze i wydajniejsze. Dokonuje się postęp. Producenci rezygnują z metali szlachetnych na rzecz przewodzących elektrod z tkaniny węglowej. Oszczędza pieniądze. W 2012 r. uruchomienie instalacji o objętości jednego metra sześciennego w laboratorium kosztowało 70 dolarów.
Pomyśl o korzyściach ubocznych. Usuwanie zanieczyszczeń. Ograniczenie emisji gazów cieplarnianych. Jeśli inwestorzy i rządy dostrzegą tę wartość, PMFC mogą stać się elektrowniami przyszłości. Albo mogą po prostu zasiać ziarno czegoś jeszcze lepszego.
