Die biologische Batterie mit Potenzial für die Stromversorgung der Landwirtschaftsbetriebe von morgen
Die Landwirtschaft der Zukunft erfordert nachhaltigere Energiequellen für dezentrale Anwendungen mit geringem Stromverbrauch wie etwa die Präzisionsbewässerung und Umweltüberwachung. „Aktuelle Lösungen basieren üblicherweise auf herkömmlichen Batterien oder externen Stromquellen. Diese haben eine begrenzte Lebensdauer, einen hohen Wartungsaufwand und negative Auswirkungen auf die Umwelt. Erneuerbare Alternativen wie Sonnen- oder Windenergie sind derweil nach wie vor unbeständig, instabil oder kostspielig“, erklärt Naroa Uria, Koordinatorin des Projekts SOIL2POWER [DB1.1](öffnet in neuem Fenster), das durch den Europäischen Innovationsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde. Ausgehend von der starken Nachfrage kleiner und mittlerer landwirtschaftlicher Betriebe nach einer zugänglichen, zuverlässigen und wartungsarmen Energieversorgung, erschloss SOIL2POWER die Stoffwechselaktivität von Bodenmikroben für die Stromerzeugung. „Unsere Demonstration optimierter bodenbasierter Bioenergiesysteme, die in realen landwirtschaftlichen Umgebungen funktionieren, ebnet den Weg zu skalierbaren naturbasierten Energielösungen“, sagt Uria vom Living Lab Agròpolis der polytechnischen Universität Katalonien(öffnet in neuem Fenster), einem landwirtschaftlichen Versuchsstandort, der für die Feldvalidierung genutzt wird.
Bioelektrochemische Systeme nutzen
SOIL2POWER entwickelte stromerzeugende mikrobielle Brennstoffzellen durch die Nutzung der natürlichen Stoffwechselaktivität von Bodenmikroorganismen. Mikroorganismen verzehren organische Stoffe und setzen dabei im Rahmen ihrer Stoffwechselaktivität Elektronen frei. Diese Elektronen werden auf eine Anode Anode(öffnet in neuem Fenster) übertragen, fließen dann durch einen externen Stromkreis und erreichen eine Kathode(öffnet in neuem Fenster), wo sie mit Sauerstoff und Protonen reagieren, Wasser bilden und den Stromkreis schließen. Eine zentrale Innovation des Projekts war die Herstellung von elektrogenen Bakterienbeschichtungen auf der Oberfläche der Anodenelektroden auf Basis der Immobilisierung ausgewählter elektrogener Bakterien. Diese vereinfachen und stabilisieren den Elektronentransfer von den Mikroorganismen zur Anode. „Die Steuerung der Bildung und Struktur dieser Biofilme verbessert die Effizienz und Reproduzierbarkeit der mikrobiellen Brennstoffzelle, um die mit natürlich gebildeten Biofilmen verbundenen Schwankungen zu überwinden“, merkt Uria an. Die Arbeit an der Substratcharakterisierung lieferte unterdessen Erkenntnisse über die Faktoren, die Auswirkungen auf die Leistung von Biobatterien haben. „Die Analyse der mikrobiellen Gemeinschaften und der physikalisch-chemischen Zusammensetzung verschiedener Substrate half dabei, die Parameter zu identifizieren, die sich auf die Leistung auswirken, und erleichterte die Substratauswahl für mikrobielle Brennstoffzellen“, bemerkt Uria. Um die geringe und schwankende Energieerzeugung mikrobieller Brennstoffzellen zu überwinden, wurden die Systemkomponenten – mithilfe von äußerst energiearmen Designs – einzeln optimiert, bevor eine Optimierung der gesamten Systemarchitektur folgte. „Dieser Ansatz verdeutlichte den Beitrag jedes einzelnen Elements zur Leistungssteigerung und den Unterschied, den die Integration des Gesamtsystems für einen zuverlässigen Betrieb ausmacht“, fügt Uria hinzu. Aus der Integration der Komponenten ging BIOOCELL hervor, ein funktionsfähiger Prototyp für Anwendungen in der Präzisionslandwirtschaft, der sowohl im Labor als auch vor Ort validiert wurde. Bei Vor-Ort-Versuchen am Standort Agròpolis wurden Daten zum Systemverhalten in einem realistischen landwirtschaftlichen Szenario gewonnen, die für das Verständnis des Einflusses externer Variablen wie Temperatur und Feuchtigkeit unerlässlich sind. „Wir haben die Herausforderungen, die mit der Arbeit im Bereich modernster Mikrobiologie und Technik einhergehen, überwunden, und erfolgreich die Fähigkeit des Systems zur Erzeugung und Verwaltung direkt aus dem Boden gewonnener Energie demonstriert, um Anwendungen mit geringem Stromverbrauch wie die Bewässerungssteuerung zu unterstützen“, erklärt Uria.
Digitale Technologien in ländlichen und abgelegenen Gebieten bereitstellen
Die biologische Batterie von SOIL2POWER unterstützt den Übergang zu einer effizienteren Wassernutzung und zu intelligenteren landwirtschaftlichen Verfahren, die für EU-Strategien im Zusammenhang mit der Klimaanpassung(öffnet in neuem Fenster), der nachhaltigen Bodenbewirtschaftung und Ernährungssystemen(öffnet in neuem Fenster) sowie der Kreislaufwirtschaft von zentraler Bedeutung sind. Während die unmittelbarste Anwendung von BIOOCELL voraussichtlich in der Stromversorgung von Bewässerungsventilen für die Präzisionslandwirtschaft liegen wird, dürfte die Technologie auch für andere energiearme Anlagen wie beispielsweise Umweltüberwachungssysteme von Interesse sein. „Die Bereitstellung zuverlässiger, vor Ort einsetzbarer Energieerzeugungsanlagen für kleine und mittlere landwirtschaftliche Betriebe erhöht deren Zugang zu landwirtschaftlichen Innovationen und ermöglicht so eine widerstandsfähigere Nahrungsmittelerzeugung mit geringeren Umweltauswirkungen“, sagt Uria. Mit Blick auf die Bereitstellung in der realen Welt entwickelt das Team derzeit Vermarktungspläne, die den direkten Markteintritt und strategische Partnerschaften zur Maßstabsvergrößerung von Produktion und Vertrieb umfassen.
