Biologiczny akumulator, który zasili gospodarstwa przyszłości
Gospodarstwa rolne przyszłości będą musiały wykorzystywać bardziej zrównoważone źródła energii do zasilania rozproszonych urządzeń o niskim poborze mocy, takich jak precyzyjne systemy nawadniania i urządzenia monitorujące środowisko. „Konwencjonalne rozwiązania opierają się zazwyczaj na akumulatorach lub zewnętrznych źródłach zasilania. Charakteryzują je ograniczona żywotność, konieczność regularnej konserwacji i negatywny wpływ na środowisko. Tymczasem alternatywne źródła energii, takie jak energia słoneczna czy wiatrowa, nadal są niestabilne oraz drogie”, wyjaśnia Naroa Uria, koordynatorka projektu SOIL2POWER(odnośnik otworzy się w nowym oknie) [DB1.1] który został sfinansowany przez Europejską Radę ds. Innowacji(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Projekt SOIL2POWER jest odpowiedzią na zapotrzebowanie małych i średnich gospodarstw rolnych na dostępne, niezawodne i łatwe w utrzymaniu źródła energii. Opracowane przez zespół rozwiązanie wykorzystuje aktywność metaboliczną mikroorganizmów glebowych w celu wytwarzania energii elektrycznej. „Nasz prototyp zoptymalizowanego rozwiązania bioenergetycznego opartego na glebie, który działa w rzeczywistych warunkach, otwiera drogę do wytwarzania skalowalnych rozwiązań energetycznych opartych na naturze”, mówi Uria, badaczka Agròpolis – eksperymentalnego ośrodka rolniczego Politechniki Katalońskiej(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wykorzystywanego na potrzeby badań terenowych.
Wykorzystanie rozwiązań bioelektrochemicznych
W ramach projektu SOIL2POWER powstały ogniwa paliwowe wytwarzające energię elektryczną dzięki wykorzystaniu naturalnej aktywności metabolicznej mikroorganizmów glebowych. Drobnoustroje gromadzą materię organiczną, uwalniając elektrony w ramach przemian metabolicznych. Elektrony te trafiają do anody(odnośnik otworzy się w nowym oknie), a następnie przepływają przez obwód zewnętrzny, docierając do katody(odnośnik otworzy się w nowym oknie), gdzie reagują z tlenem i protonami. W wyniku procesu powstaje woda, co powoduje zamknięcie obwodu elektrycznego. Najważniejszą innowacją opracowaną w ramach projektu było stworzenie wytwarzających energię powłok bakteryjnych na powierzchni anod, co wymagało unieruchomienia wybranych bakterii elektrogenicznych. Takie rozwiązanie sprzyja transferowi elektronów z mikroorganizmów do anody i stabilizuje proces. „Kontrolowanie procesu powstawania biofilmów i ich struktury zwiększa sprawność i powtarzalność ogniw paliwowych wykorzystujących drobnoustroje, co rozwiązuje problem zmienności i niejednorodności wynikający ze stosowania naturalnych biofilmów”, dodaje Uria. Prace nad charakterystyką podłoża pozwoliły na zrozumienie czynników wpływających na osiągi bioakumulatorów. „Analiza społeczności mikroorganizmów i składu fizykochemicznego różnych podłoży pomogła w określeniu parametrów wpływających na osiągi, ułatwiając wybór podłoża na potrzeby ogniw paliwowych wykorzystujących drobnoustroje”, zauważa Uria. Aby sprostać wyzwaniom wynikającym z niskiej i nierównomiernej produkcji energii przez ogniwa paliwowe wykorzystujące drobnoustroje, zespół zajął się optymalizacją poszczególnych podzespołów stosując rozwiązania o bardzo niskim poborze mocy, a następnie przeszedł do optymalizacji architektury rozwiązania. „Dzięki zastosowaniu takiego podejścia udało nam się ustalić, w jakim stopniu każdy element rozwiązania przyczynia się do zwiększenia mocy, a także jak dużą różnicę w niezawodności działania systemu wprowadza jego integracja”, dodaje Uria. Połączenie podzespołów zaowocowało powstaniem BIOOCELL - funkcjonalnego prototypu rozwiązania opracowanego z myślą o rolnictwie precyzyjnym, którego osiągi zostały potwierdzone w testach laboratoryjnych i terenowych. Próby przeprowadzone w Agròpolis pozwoliły zespołowi zgromadzić dane dotyczące zachowania systemu w realistycznych warunkach rolniczych, co ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia wpływu zmiennych zewnętrznych, takich jak temperatura i wilgotność. „Rozwiązując problemy nierozerwalnie związane z pracą nad nowoczesnymi technologiami w zakresie mikrobiologii i inżynierii, udało nam się z powodzeniem wykazać, że nasze rozwiązanie jest w stanie skutecznie generować energię bezpośrednio z gleby i zarządzać nią, co umożliwia zasilanie urządzeń o niskim poborze mocy, w tym sterowników nawadniania”, zauważa Uria.
Wdrażanie technologii cyfrowych na wiejskich i odległych obszarach
Akumulator opracowany w ramach projektu SOIL2POWER wspiera transformację w kierunku bardziej efektywnego wykorzystania wody i wdrażanie lepszych praktyk rolniczych, które są kluczem do realizacji unijnych strategii w zakresie przystosowania do skutków zmiany klimatu(odnośnik otworzy się w nowym oknie), zrównoważonego zarządzania gruntami i systemami żywnościowymi(odnośnik otworzy się w nowym oknie), a także gospodarki o obiegu zamkniętym. Choć najbardziej prawdopodobnym zastosowaniem technologii BIOOCELL będzie zasilanie zaworów nawadniających w rolnictwie precyzyjnym, technologia ta znajdzie również zastosowanie w innych urządzeniach o niskim poborze mocy, na przykład w systemach monitorowania środowiska. „Dostęp małych i średnich gospodarstw rolnych do niezawodnych urządzeń wytwarzających energię na miejscu zwiększa dostępność innowacji w rolnictwie, co przekłada się na bardziej odporną produkcję żywności i mniejszy wpływ na środowisko”, mówi Uria. Skupiając się na wdrażaniu praktycznych rozwiązań zespół opracowuje obecnie plany komercjalizacji, które obejmują wejście na rynek i strategiczne partnerstwa w celu zwiększenia produkcji i dystrybucji nowych akumulatorów.
