La batteria biologica che potrebbe alimentare le aziende agricole del futuro
Le aziende agricole del futuro dovranno approvvigionarsi da fonti energetiche più sostenibili per applicazioni distribuite a bassa potenza, come l’irrigazione di precisione e il monitoraggio ambientale. «Le soluzioni attuali si basano in genere su batterie convenzionali o fonti di alimentazione esterne. Questi prodotti hanno una durata limitata, richiedono molta manutenzione e hanno un impatto ambientale negativo. Nel frattempo, le alternative rinnovabili, come l’energia solare o eolica, sono ancora intermittenti, instabili o costose», spiega Naroa Uria, coordinatrice del progetto SOIL2POWER(si apre in una nuova finestra) [DB1.1] finanziato dal Consiglio europeo per l’innovazione(si apre in una nuova finestra). In base all’esigenza delle piccole e medie aziende agricole di disporre di energia accessibile, affidabile e a bassa manutenzione, SOIL2POWER ha sfruttato l’attività metabolica dei microbi del suolo per generare elettricità. «La nostra dimostrazione di sistemi bioenergetici ottimizzati basati sul suolo, operanti in contesti agricoli reali, offre una strada verso soluzioni energetiche scalabili basate sulla natura», afferma Uria, attiva presso Agròpolis - Università politecnica della Catalogna(si apre in una nuova finestra), un sito agricolo sperimentale per la convalida sul campo.
Sfruttare i sistemi bioelettrochimici
SOIL2POWER ha realizzato celle a combustibile microbiche in grado di generare elettricità sfruttando l’attività metabolica naturale dei microrganismi del suolo. I microrganismi consumano materia organica, rilasciando elettroni come parte del loro metabolismo, i quali sono trasferiti a un anodo(si apre in una nuova finestra), e quindi fluiscono attraverso un circuito esterno raggiungendo un catodo(si apre in una nuova finestra), dove reagiscono con l’ossigeno e i protoni, formando acqua e completando il circuito elettrico. Una delle innovazioni principali del progetto è stata la creazione di rivestimenti batterici elettrogenici sulla superficie degli elettrodi anodici, basati sull’immobilizzazione di batteri elettrogenici selezionati, che facilitano e stabilizzano il trasferimento di elettroni dai microrganismi all’anodo. «Il controllo della formazione e della struttura di questi biofilm migliora l’efficienza e la riproducibilità della cella a combustibile microbica, superando il problema della variabilità associata ai biofilm che si formano naturalmente», aggiunge Uria. Inoltre, il lavoro sulla caratterizzazione del substrato ha fornito utili informazioni sui fattori che influenzano le prestazioni delle biobatterie. «L’analisi delle comunità microbiche e della composizione fisico-chimica dei diversi substrati ha contribuito a identificare i parametri che influenzano le prestazioni e ha facilitato la selezione dei substrati per le celle a combustibile microbiche», osserva Uria. Per ovviare alla produzione di energia bassa e variabile delle celle a combustibile microbiche, i componenti del sistema sono stati ottimizzati singolarmente, usando progetti a bassissimo consumo energetico, prima di ottimizzare l’architettura complessiva del sistema. «Questo approccio ha permesso di rivelare il contributo di ciascun elemento al miglioramento della potenza e la differenza che l’integrazione dell’intero sistema fa in termini di affidabilità operativa», aggiunge Uria. L’integrazione dei componenti ha portato alla realizzazione di BIOOCELL, un prototipo funzionale per applicazioni di agricoltura di precisione, che è stato sottoposto a convalida sia in laboratorio che sul campo. Le prove in loco presso Agròpolis hanno generato dati sul comportamento del sistema in uno scenario agricolo realistico, essenziali per comprendere l’influenza di variabili esterne come la temperatura e l’umidità. «Superando le sfide intrinseche del lavoro all’avanguardia della microbiologia e dell’ingegneria, abbiamo dimostrato la capacità del sistema di generare e gestire energia direttamente dal suolo, a supporto di applicazioni a basso consumo energetico come il controllo dell’irrigazione», commenta Uria.
Attuazione delle tecnologie digitali nelle aree rurali e remote
La batteria biologica di SOIL2POWER supporta la transizione verso un uso più efficiente dell’acqua e contribuisce a pratiche agricole più intelligenti, due elementi centrali delle strategie UE relative all’adattamento climatico(si apre in una nuova finestra), alla gestione sostenibile del territorio e dei sistemi alimentari(si apre in una nuova finestra) e all’economia circolare. Sebbene l’applicazione più immediata di BIOOCELL sia probabilmente l’alimentazione delle valvole di irrigazione per l’agricoltura di precisione, risulterà interessante anche per altri dispositivi a basso consumo energetico, come i sistemi di monitoraggio ambientale. «Rendere disponibili alle piccole e medie aziende agricole dispositivi affidabili per la generazione di energia in loco aumenta il loro accesso alle innovazioni agricole, per una produzione alimentare più resiliente e con un impatto ambientale minore», afferma Uria. Concentrandosi sull’implementazione nel mondo reale, l’équipe del progetto sta attualmente sviluppando piani di commercializzazione che includono l’ingresso diretto nel mercato e partnership strategiche per ampliare la produzione e la distribuzione.
