Co lze vyrobit z elektrické energie?  
Výroba paliv biologickou cestou za přispění elektrické energie aneb jak skladovat elektřinu.

 

Zvětšit obrázek
Shaoan Cheng (vlevo) a Defeng Xing (vpravo) nad mikrobiálním elektrolytickým článkem produkujícím metan. Jejich práci sleduje šéf laboratoře Bruce E. Logan.

Elektřina, coby čistá a snadno distribuovatelná energie má jednu velkou nevýhodu. Nelze ji jednoduše skladovat. Distribuční síť musí mít v každém okamžiku vyvážený odběr s výrobou a jakékoliv výkyvy jak ve spotřebě, tak v produkci mohou mít za následek nestabilitu sítě a výpadky. Klasické velké elektrárny (jádro, uhlí) jedou více méně stále na stejný výkon a energetické výkyvy na straně spotřeby jsou pokrývány zapojováním rychle využitelných zdrojů (voda, plyn). Se stále rostoucím podílem obnovitelných zdrojů elektřiny se ovšem začaly objevovat i výkyvy na straně výroby, protože dodávka z větrných nebo solárních elektráren je značně nepředvídatelná. Jenže co s přebytky energie v síti?

V současnosti jsou na papíře a v experimentální fázi projekty využívající supravodivé páteřní sítě pro přenos a skladování stejnosměrného proudu, nicméně je to hudba budoucnosti. Všechny ostatní způsoby uchování elektrické energie počítají s její konverzí do jiné formy.

 

Zvětšit obrázek
Systém, produkující elektrickou energii na principu mikrobiální fermentace organické látky (v tomhle případě glukózy) publikoval v roku 2006 v časopisu Nature také  Derek R. Lovley z Katedry mikrobiologie Univerzity v Massachusetts. Kredit: Nature 2006

Nejstarším způsobem skladování elektrické energie ve velkém měřítku jsou přečerpávací elektrárny, které elektrickou energii ukládají do polohové energie vody, jejichž účinnost nepřesahuje 80%.

Další možností skladování elektrické energie je její převedení do podoby vodíku. Notoricky známá elektrolýza (voda + elektřina –> vodík + kyslík) ale asi nikdy nebude ekonomicky obhajitelná pro svou nízkou účinnost. Rozvoj na "vodíkovém poli" má nicméně značnou podporu a některé nové technologie mohou být pro skladování elektřiny využity.

Tři technologie, se kterými vás chci seznámit, pochází z laboratoře Bruce E. Logana z Penn State University, USA. Ke skladování elektřiny se sice hodí až ta poslední, ale pojďme pěkně popořádku. Prvotně se tato laboratoř zabývala biologickým zpracováním odpadní vody.

Prvním výsledkem jejich úsilí byl mikrobiální palivový článek MFC (Microbial Fuel Cell), který sice nemá se skladováním elektřiny moc společného, ale od jeho konstrukce se odvíjí další technologie.
 

Zvětšit obrázek
Princip mikrobiálního palivového článku MFC

Obrázek vpravo: Princip MFC: V anaerobním prostředí anody mikrobi rozkládají organickou hmotu a při tomto metabolickém procesu vznikají elektrony, vodíková jádra (protony) a oxid uhličitý (CO2). Elektrický proud (elektrony) proudí přes rezistor do aerobního prostředí katody. Jádra vodíku – protony – směřují ke katodě přes protonovou membránu. Na katodě se pak protony a elektrony slučují s kyslíkem a vzniká voda.

Tato technologie sice není nijak závratně účinná - z krychlového metru odpadní vody zatím dokáže získat nejvýše 18 wattů - nicméně umožní energeticky zabezpečit chod čističek odpadní vody a to není málo. Pro chod zařízení není potřeba speciální mikrobiální kultura a bohatě k provozu stačí bakterie, které v odpadní vodě běžně jsou. Zařízení produkuje elektřinu a zároveň vodu čistí srovnatelně s klasickými čističkami (ty ale energii spotřebovávají).


Další technologie, která už ke svému provozu potřebuje elektřinu na vstupu, je mikrobiální elektrolytický článek MEC (Microbial Electrolysis Cell), jehož vstupem je biologický materiál spolu s elektřinou a výstupem je čistý vodík. Nejedná se tedy o elektrolýzu vody ale o rozklad biologického materiálu. Tento článek vznikne z výše zmíněného MFC článku dvěma úpravami: (1) obě elektrody, tedy i katoda se nacházejí v anaerobním prostředí bez přístupu kyslíku a (2) na elektrody je zvenčí přiváděno slabé elektrické napětí minimálně 0,2 V (mimo napětí, které vyprodukují samotné bakterie). Protony se pak na katodě sloučí s dodanými elektrony a vzniká čistý vodík. Bez dodané elektřiny se tato reakce spontánně nespustí, nicméně vtip je v tom, že bakterie určitý proud vyrobí samy a dodat je potřeba pouze rozdíl nutný ke spuštění reakce.

 

Zvětšit obrázek
Princip MEC – mikrobiálního elektrolytického článku v podání Brucea E. Logana. Bakterie s pomocí slabého elektrického proudu produkují vodík.

Princip byl testován na kyselině octové (C2H4O2, meziprodukt anaerobního bakteriálního rozkladu organických látek), která teoreticky vyžaduje 0,41V pro tvorbu vodíku. Bakterie produkují samy přibližně od 0,2 do 0,3V, takže je nutné dodat do soustavy minimálně 0,2 voltů. Výsledky volně dostupné studie  uvádějí energetickou účinnost tohoto způsobu produkce vodíku v rozmezí 64 - 82 % při dodání od 0,2 do 0,8V. Kromě acetátu byly testovány i jiné substráty jako glukóza, celulóza nebo kyselina mléčná.

Hlavní využití této technologie čeká na spuštění vodíkové ekonomiky, protože umožňuje s přijatelnou energetickou účinnosti vyprodukovat ze široké škály biologického materiálu velmi čistý vodík (>99,5%). Pro skladování elektřiny nicméně vhodná není, protože potřebuje externí vstupy.

Tento potenciál má až poslední třetí technologie z Loganovy laboratoře. Spočívá na principu zvaném elektrometanogeneze - tvorba metanu pomocí metanogenních bakterií za přítomnosti elektrického napětí.
Při studiu výše popsaných technologií výzkumníci narazili na metanogenní mikroorganizmus Methanobacterium palustre z vývojové domény archea,  který při anaerobním rozkladu organického materiálu produkuje metan (CH4). V laboratoři však dokázal dosud nevídanou věc. Z CO2 a vody vyráběl pod napětím metan bez jakéhokoliv dalšího organického materiálu. Pravděpodobně by to zvládly i další metanogeny, nicméně právě Methanobacterium palustre měl to štěstí být u toho.

K důkazu, že je to skutečně mikroorganizmus, kdo metan tvoří, využili vědci experimentální zařízení sestávající z dvoukomorového článku. Anodu ponořili do vody na jedné straně a katodu do vodního roztoku anorganických živin v atmosféře CO2. Nejdříve zapojili napětí bez přítomnosti mikroorganizmů a zaznamenali pouze minimální proud. Poté katodu obalili biofilmem z archeí. Jakmile na elektrody připojili napětí, nejen, že okruhem protékal proud, ale článek navíc produkoval metan. Při napětí jednoho voltu bylo do metanu převedeno 96% dodané energie!

 

Zvětšit obrázek
Vývojový strom života má tři základní větve (domény): eukaryota, bakterie a archae. Metanogenní mikroorganismy, jakým je i Methanobacterium palustre, patří do samostatné vývojové domény archea.

Princip není nijak technologicky náročný a lze jej regulovat podle dostupného výkonu. Pro skladování elektrické energie by pak bylo možné navrhnout zařízení s uzavřeným koloběhem CO2, vody a metanu. Při ukládání energie by z CO2 a vody vznikal metan. Pokud by bylo potřeba energii uvolnit, vznikne spálením metanu voda a CO2, čímž se koloběh uzavírá.

Je jasné, že krásných 96% při ukládání energie bude poníženo ztrátami při jejím opětovném získávání, ale v porovnání s 80% účinnosti přečerpávací elektrárny je tu stále nějakých 16% manévrovacího prostoru.

Energie uložená v podobě metanu má i další nespornou přednost. Je to možnost jejího přímého využití jako paliva i mimo uzavřený okruh. Produkci metanu lze spustit kdykoliv dodáním proudu a "plynárna" může být aktivována - stejně jako bojler na noční proud - stiskem tlačítka ve velíně distribuční sítě.

 

Video z americké Penn State University představující laboratoř Bruce E. Logana a výsledek výzkumu - Mikrobiální elektrolytický článek MEC (Microbial Electrolysis Cell)

 

 

Zdroje:
stránka Green Car Congress, Penn State University PNAS, Wikipedie

Autor: Jan Zikmund
Datum: 09.04.2009 12:04
Tisk článku

Ekologie a životní prostředí - Červinka P.
 
 
cena původní: 169 Kč
cena: 150 Kč
Ekologie a životní prostředí
Červinka P.

Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace