Naukowcy z PW budują nowy typ mikrobiologicznego ogniwa paliwowego
Poszukiwanie nowych ekologicznych źródeł energii elektrycznej staje się coraz większym wyzwaniem nie tylko dla producentów energii, ale i dla naukowców. Źródłem tzw. czystej energii są nie tylko elektrownie wiatrowe i wodne czy ogniwa chemiczne wykorzystujące jako paliwo czysty wodór.
Naukowcy chcą stworzyć także ogniwa paliwowe, które umożliwiają czerpanie energii ze ścieków. Prace nad mikrobiologicznymi ogniwami paliwowymi, które byłoby zasilane ściekami i wytwarzałyby z nich energię elektryczną prowadzą naukowcy na całym świecie - w Polsce m.in. w Laboratorium Bioprocesów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej. "Dzięki takim ogniwom, zamiast zużywać energię na oczyszczanie ścieków, otrzymywalibyśmy jednocześnie oczyszczone ścieki i energię elektryczną - opowiada prof. Krzysztof Szewczyk z Laboratorium Bioprocesów PW, kierownik badań. - Prace nad takimi ogniwami prowadzimy w naszym laboratorium od kilku lat".
Ogniwa paliwowe to układy, które wytwarzają energię elektryczną w procesie utleniania paliwa dostarczanego im z zewnątrz. Ich zadaniem jest bezpośrednie przekształcenie energii chemicznej na elektryczną. Znajdują zastosowanie w energetyce, a także produkcji sond i statków kosmicznych, systemów zasilania awaryjnego, samochodów na wodór oraz mobilnych robotów wykonujących prace serwisowe lub transportowe.
Ogniwa paliwowe dzielą się na trzy rodzaje: chemiczne, mikrobiologiczne i enzymatyczne. "To urządzenia, które choć wykorzystują różny rodzaj paliwa, działają w podobny sposób - zamieniają energię chemiczną zawartą związku chemicznym na energię elektryczną" - tłumaczy prof. Szewczyk.
Naukowcy z Politechniki Warszawskiej chcą stworzyć taki rodzaj ogniwa, które wykorzystywałyby bakterie do przetwarzania ścieków na energię. Energię w ogniwach mikrobiologicznych uzyskuje się dzięki bakteriom, które utleniają substancje organiczne zawarte w ściekach.
Obecnie ciepło i elektryczność najczęściej uzyskuje się pobierając energię zawartą w jakimś związku - metanie, ropie naftowej czy węglu kamiennym. "Spalając te związki uzyskujemy ciepło, a ciepło przerabiamy na elektryczność. To jednak mało ekologiczny i bardzo nieefektywny sposób, ponieważ w trakcie procesu dochodzi do dużych strat energii" - zauważa prof. Krzysztof Szewczyk. Stąd badania mające na celu poszukiwanie efektywniejszych źródeł energii. Takimi są ogniwa paliwowe.
Reakcje przeprowadzane w ogniwach to sprawniejszy sposób uzyskiwania energii. "Nie ma tu zamiany energii chemicznej na cieplną, tylko od razu na elektryczną i to daje większa sprawność, czyli stopień w jakim jedna forma energii przetwarzana jest na inną - wyjaśnia naukowiec. - Obecnie w ogniwach paliwowych utleniamy paliwo, ale w sposób rozłożony. Paliwo jest przekształcane w jednym miejscu, a tlen reaguje z produktami tego rozkładu w drugim miejscu. Dzięki temu nie mamy do czynienia ze spalaniem, podczas którego wyzwala się dużo energii cieplej, tylko z takim procesem, w którym rozkład paliwa jest oddzielony od przemiany tlenu i dzięki temu można tę energię zamienić na energię elektryczną".
Chemiczne ogniwo paliwowe jest zbudowane z anody zawierającej platynowy katalizator, która rozbija atomy wodoru na protony i elektrony, umożliwiając swobodne przeniknięcie protonów przez warstwy elektrolitu do katody. Na katodzie protony łączą się z atomami tlenu, tworząc wodę. W wyniku tego procesu dochodzi do rozseparowania ładunków i generowana jest energia elektryczna.
Jednak, jak zauważa prof. Szewczyk, wadą stosowania ogniw chemicznych jest m.in. konieczność wykorzystywania tzw. czystych nośników energii takich jak wodór i metanol oraz stosowania kosztownych elektrod, wykonanych z metali szlachetnych. Ponadto, reakcje pozyskiwania energii często muszą zachodzić w wysokich temperaturach.
"Lepszym rozwiązaniem jest stosowanie ogniw, w których reakcje przeprowadzane są w mniej wymagających warunkach technologicznych przy użyciu znacznie tańszych katalizatorów: bakterii lub enzymów" - opowiada naukowiec.
Efektem dotychczasowych prac naukowców z PW jest m.in. zbudowanie nowego typu ogniwa mikrobiologicznego, składającego się z trzech, a nie jak inne tego typu ogniwa, z dwóch komór, w których zachodzą reakcje. Trzecia, dodatkowa komora umożliwia ochronę bakterii przed toksycznymi substancjami zawartymi w ściekach.
Jak powstaje prąd ze ścieków? "W komorze bakterie asymilują cukier, który jest im potrzebny do życia, a powstające w tym procesie elektrony zamiast przenosić na tlen - jak robi większość organizmów, które oddychają - przenoszą na elektrodę - anodę" - wyjaśnia naukowiec. - Elektrony - protony przenoszone są przez membranę do katody, która znajduje się w drugiej komorze. Wytwarza się prąd elektryczny, który trzeba pobrać".
"W naszym ogniwie dodaliśmy jeszcze jedną komorę, która służy do tego, by ścieki nie oddziaływały niekorzystnie na drobnoustroje. Drobnoustroje są oddzielone od ścieków membraną półprzepuszczalną. Dzięki zastąpieniu bezpośredniego kontaktu bakterii i ścieków oddziaływaniem dyfuzyjnym, udało nam się uzyskać efekt przepływowy - drobnoustroje nie są usuwane, a są ukryte za membraną, gdzie +pracują+. Nie są też narażone na większe stężenia toksyczne substancji, które mogą się pojawić w ściekach" - dodaje badacz.
Najważniejsze procesy mikrobiologiczne lub enzymatyczne zachodzą na anodzie. Tu dochodzi do utleniania substancji organicznej.
Naukowcy zrealizowali już część prac badawczych - zbudowali ogniwo, w którym do produkcji energii wykorzystuje się drobnoustroje. "Teraz chcemy opracować skuteczną metodę wykorzystywania w reakcjach tlenu z powietrza. To sposób na to, by do układu nie była doprowadzana żadna energia z zewnątrz - wyjaśnia profesor. - Urządzenie musi nam dawać energię, a nie ją zużywać".
Badacze z Politechniki Warszawskiej mają kilka pomysłów na różne wykorzystanie takiego układu. "Stworzyliśmy ogniwo, w którym w jednej komorze utleniany jest związek organiczny, a w drugiej jest redukowany tlen. Teraz zbudowaliśmy urządzenie, w którym w drugiej komorze nie dochodzi do redukcji tlenu, tylko powstaje wodór. W ten sposób można w elektrochemiczny sposób otrzymywać wodór - cenne i ekologiczne paliwo. Spalanie wodoru jest bowiem całkowicie nieszkodliwe dla środowiska. Nie powoduje żadnych zanieczyszczeń ani tzw. efektu cieplarnianego" - zauważa prof. Szewczyk.
Elektrochemiczny sposób pozyskiwania wodoru to, jak zaznacza profesor, sposób na elektrolizę wody, ale wspomaganą biologicznie. "Dzięki temu uzyskujemy więcej energii w postaci wodoru niż zużywamy w procesie. W tradycyjnej elektrolizie wody musimy włożyć więcej energii niż uzyskujemy w postaci wodoru. Tu mamy natomiast zysk, dzięki wspomaganiu biologicznemu. To wykorzystywanie tego samego układu, ale w innych zastosowaniach" - tłumaczy naukowiec.
"Zaletą tego rodzaju ogniw jest możliwość instalowania ich lokalnie - w otoczeniu oczyszczalni ścieków, miejsc przeróbki drewna. W ogniwach tych można zastosować taki rodzaj paliwa, który nie znajdzie zastosowania gdzie indziej" - wyjaśnia profesor.
Jego zdaniem, zastosowanie mikrobiologicznych ogniw paliwowych pozwoli w przyszłości zdecentralizować system zaopatrzenia w energię, bo do uzyskiwania energii tą metodą nie są konieczne wielkie centralne elektrownie, które rozsyłają energię na dużym obszarze. Wykorzystując lokalne warunki można wytwarzać energię na miejscu, zmniejszając przy tym zanieczyszczenie wody.
Ogniwa mikrobiologiczne ustępują jednak ogniwom chemicznym jeśli chodzi o wytwarzaną moc. Pojedyncze biologiczne ogniwo pozwala na uzyskanie napięcia wielkości 0,7 V. Sposobem na zwiększenie napięcia jest łączenie ogniw.
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe mogą znaleźć zastosowanie w miejscach, gdzie trudno dostarczyć energię - na stacjach meteorologicznych czy bojach żeglarskich.(PAP)
ostatnia zmiana: 2009-04-06
poleca:
