Микробные топливные элементы изменят производство электроэнергии в будущем.

По оценкам, к 2050 году численность населения мира достигнет 9,5 миллиардов человек. С учетом того, что большая часть нашей нынешней энергии получается из ископаемых видов топлива, нас ждут серьезные проблемы: придется всерьез задуматься, как получить достаточное количество стабильной электроэнергии одновременно смягчить климатические последствия.

В этой статье мы познакомим вас с одной из концепций, которая получила распространение в последние годы. Она заключается в производстве электроэнергии с помощью бактерий в устройствах, называемых микробными топливными элементами (МТЭ). Биотехнология заключается в способности некоторых микроорганизмов осуществлять жизнедеятельность, при этом передавая электроны. Большим преимуществом технологии является то, что этот процесс может быть стимулирован с помощью веществ, называемых субстратами, в том числе органическими веществами, содержащимися в сточных водах.

В настоящее время микробные топливные элементы способны вырабатывать электроэнергию для питания небольших устройств, таких как калькуляторы, небольшие вентиляторы и светодиоды. Но если эта технология получит развитие, у нее большие перспективы.

Как это работает?

МТЭ используют систему анодов и катодов — электродов, которые пропускают ток как внутрь, так и наружу. Как правило, применяются анодная и катодная камеры, разделенные мембраной. Анаэробные бактерии растут на аноде и преобразуют субстрат в углекислый газ, протоны и электроны. Электроны затем передаются через внешнюю цепь в катодную камеру, в то время как протоны проходят через мембрану. В катодной камере реакция между протонами и электронами приводит к израсходованию кислорода и образованию воды. И до тех пор, пока подложки непрерывно преобразуются, электроны будут направленно двигаться, т.е. будет существовать электрический ток.

Выработка электроэнергии с помощью МТЭ имеет ряд преимуществ: системы могут быть установлены в любом месте; они создают меньше «ила», чем обычные методы очистки сточных вод, такие как системы с активным илом; они могут быть небольшого размера, но модульная конструкция может быть использована для создания более крупных систем; они обладают высокой устойчивостью к солености; и они могут работать при комнатной температуре.

Наличие широкого спектра возобновляемых субстратов, которые могут использоваться для производства электроэнергии в МФЦ, может в будущем коренным образом изменить производство электроэнергии. К таким субстратам относятся моча, органические вещества в сточных водах, вещества, выделяемые живыми растениями в почву, неорганические отходы, такие как сульфиды, и даже газообразные загрязнители.

1. Моча.

Биоразлагаемые вещества в отходах, такие как фекалии и моча, могут преобразовываться в электричество. Это было продемонстрировано в туалете на микробных топливных элементах в Гане, что позволяет предположить, что в будущем туалеты могут стать потенциальными электростанциями. Уборная, которая эксплуатировалась в течение двух лет, смогла вырабатывать 268 нВт/м² электроэнергии, достаточной для питания светодиодного светильника внутри уборной, одновременно удаляя азот из мочи и компостируя фекалии.

Для мест, где нет электрической сети, или для лагерей беженцев, использование отходов в уборных для производства электроэнергии могло быть поистине революционным.

2. Растительные МТЭ.

Другим возобновляемым и устойчивым субстратом, который можно было бы использовать для производства электроэнергии, являются корневые экссудаты растений, в так называемых растительных МТЭ. В процессе роста флора производит углеводы, такие как глюкоза, некоторые из которых выделяются в корневую систему. Микроорганизмы вблизи корней превращают углеводы в протоны, электроны и углекислый газ. Подключив нагрузку к цепи, можно использовать вырабатываемую электроэнергию.

Растительные МТЭ могут революционизировать производство электроэнергии в изолированных сообществах, не имеющих доступа к сети. В городах улицы можно было бы освещать деревьями.

3. Микробиологические опреснительные камеры.

Еще один вариант микробных топливных элементов — это микробные опреснительные элементы. Эти устройства используют бактерии для выработки электроэнергии, например, из сточных вод, и одновременно опресняют воду. Вода, подлежащая опреснению, помещается в пространство между анодной и катодной камерами с помощью мембран с отрицательным (анион) и положительным (катион) зарядом ионов.

Когда бактерии в анодной камере потребляют сточные воды, высвобождаются протоны. Эти протоны не могут пройти через анионную мембрану, поэтому отрицательные ионы перемещаются из соленой воды в анодную камеру. Ионы, высвобождаемые в анодной и катодной камерах, помогают повысить эффективность выработки электроэнергии.

Обычное опреснение воды в настоящее время является очень энергоемким и, следовательно, дорогостоящим. Процесс, при котором достигается крупномасштабное опреснение воды при одновременном производстве (а не потреблении) электроэнергии, был бы революционным.

4. Природный газ.

Анаэробное сбраживание — когда микроорганизмы используются для расщепления биоразлагаемых веществ без необходимости использования кислорода — используется для извлечения энергии из сточных вод путем производства биогаза, который в основном представляет собой метан — основной ингредиент природного газа. Но этот процесс, как правило, неэффективен.

Подача небольшого напряжения в анаэробные реакторы — процесс, называемый электроматаногенезом, — позволяет значительно повысить выход метана (и, следовательно, электричества, производимого теплоэлектростанциями).

В то время как микробные топливные элементы способны вырабатывать электричество для питания небольших устройств, исследователи ищут способы увеличения размеров реакторов для увеличения количества энергии, которую они могли бы вырабатывать, и дальнейшего понимания того, как работает внеклеточный перенос электронов. Несколько начинающих компаний, таких как Robial и Plant-e, начинают коммерциализацию микробных топливных элементов. В будущем микробные топливные элементы могут даже использоваться для выработки электроэнергии в регенеративных системах жизнеобеспечения во время длительных полетов человека в космос.

А Вам нравится такой вариант производства энергии? Как по-вашему, сможет ли он заменить производство электроэнергии с помощью ископаемых топлив? Мы еще не знаем, какой будет новая энергетическая эпоха. Зато мы знаем, что домены в зоне .energy все еще ждут своих владельцев.