Hem temiz hava hem ucuz yakıt! "Yeşil metan" devrimiyle CO2 artık bir atık değil hazine

Pensilvanya Eyalet Üniversitesinden (mikrobiyal yakıt hücreleri ve biyoelektrokimyasal sistemler konusunda dünyanın önde gelen uzmanlarından biri olarak kabul edilen) Profesör Bruce E. Logan liderliğindeki çevre mühendislerinden oluşan ekip, yeşil enerji depolama sorununu çözebilecek yeni bir biyoreaktör tasarımı geliştirdi.

DOĞAL GAZIN YERİNİ "MİKROBİYAL GAZ" MI ALACAK? ENDÜSTRİYEL ÖLÇEKTE İLK ADIM

Bu cihaz, güneş veya rüzgar enerjisi santrallerinden gelen fazla elektriği ve karbondioksiti, doğal gazın ana bileşeni olan metana dönüştürmek için canlı mikroorganizmalar kullanıyor.

En önemli başarılardan biri, teknolojinin başarılı bir şekilde ölçeklendirilmesidir: Bilim insanları, yüksek performansı korurken, elektrot alanını laboratuvar prototiplerine kıyasla on kat artırdılar.

Sistemin önemli bir özelliği sıfır boşluklu mimarisidir. Geleneksel konfigürasyonlarda, anot ve katot bir sıvı tabakasıyla ayrılır ve bu da akım akışına karşı güçlü bir direnç oluşturur. Yeni reaktörde, elektrotlar iyon değişim membranına sıkıca bastırılır, bu da enerji kayıplarını önemli ölçüde azaltır.

Bu mühendislik çözümü, standart 30°C sıcaklıkta %45,2'lik bir enerji verimliliği sağlıyor. Harici ısıtma olmadan çalışan bu tip sistemler için bu, dünyadaki en yüksek değerlerden biridir.

Bu gelişmeden önce, çoğu mikrobiyal elektrosentez (MES) sistemi yalnızca küçük laboratuvar kaplarında (H-hücreleri olarak adlandırılan) başarılı bir şekilde çalışıyordu. Bu sistemler endüstriyel ölçeğe çıkarıldığında büyük kayıplar meydana gelir: iç direnç artar ve bu da enerji verimliliğini düşürür.

Ayrıca, ölçeklendirme sürecinde bir dengesizlik oluşur: reaktörün girişinde bakteriler aktif olarak çalışırken, çıkışta artık yeterli "yakıt" (hidrojen) veya yaşam koşulları kalmaz.

Karbondioksiti ve yenilenebilir elektriği verimli bir şekilde metana dönüştüren reaktör sisteminin iç görünümü (fotoğraf: Bruce Logan/PennState)

Gazın yakıta dönüştürülmesi işlemi, Methanobacterium cinsine ait arkeler tarafından gerçekleştirilir. Bu mikroplar canlı katalizörler gibi davranırlar: katot yüzeyinde üretilen hidrojeni emerler ve CO2'yi metana indirgemek için gereken elektronları elde etmek üzere bir "köprü" olarak kullanırlar.

Araştırmacılar, reaktör içindeki akış yolunun 30 santimetreye uzatılması durumunda bile bakterilerin enerji "kuyruğunun" hem başlangıcında hem de sonunda eşit derecede etkili olduğunu gösterdi.

GELECEĞİN YAKITINI BAKTERİLER ÜRETECEK

Ekip, sistemi tasarlarken, durgun bölgeleri önleyecek şekilde akışkan akışını hesaplamalarına olanak tanıyan Brinkmann ve Navier-Stokes denklemlerine dayalı gelişmiş matematiksel modelleme kullandı.

Bu model, ilk defa yerinde hidrojen üretimi ve mikroorganizmalar tarafından anlık tüketimi süreçlerini dikkate alıyor. Görselleştirme, hidrojenin 30 santimetrelik panelin tamamına eşit olarak dağıldığını ve biyofilm tabakasının istikrarlı çalışmasını sağladığını doğruluyor.

Genetik analiz, mühendislerin bulgularını doğruladı: Mikrobiyal topluluğun bileşimi, devasa elektrotun tüm alanlarında sabit kaldı. Metan üreten arkeaların oranı alt kısımda yaklaşık %60, üst kısımda ise %50'den fazlaydı. Bu küçük fark, bilim insanlarının, sistemin hacmi önemli ölçüde artırılmış olsa bile, elektrik bakterilerinin yaşamı için ideal bir mikro ortam yaratmayı başardığını gösteriyor.

Yeni reaktörde metan üretim hızı, metrekare başına 17,5 amper akım yoğunluğunda, cihaz hacminin litre başına günde 6,9 ​​litreye ulaşmaktadır. Ayrıca, elektrik enerjisi verimliliği (Coulomb verimlilik katsayısı) %95'i aşmaktadır, bu da neredeyse hiç yan ürün oluşmadığı anlamına gelir.

Sistem 2,3 V ile 2,8 V arasında bir voltajda çalışır ve bu da onu standart endüstriyel elektrolizörlerle uyumlu hale getirir.

Novo Nordisk CO2 Araştırma Merkezi tarafından finanse edilen bu çalışma, mikrobiyal elektrosentezin laboratuvar sınırlarının ötesine geçmeye hazır olduğunu göstermektedir. Bilim insanları sadece bir deney yapmakla kalmadılar, aynı zamanda karbon yakalama tesisleri inşa etmek için uygulanabilir bir mühendislik modeli de yarattılar.

Bu araştırma, büyük ölçekli gaz enerjisi depolama sistemlerinin önünü açıyor. Pillerin aksine, metan mevcut gaz depolama tesislerine kolayca enjekte edilebilir ve ısıtma veya endüstriyel amaçlar için kullanılabilirken, aynı zamanda atmosferdeki sera gazı konsantrasyonlarını da azaltabilir.

Geliştiriciler, teknolojiyi ticari kullanıma sunmak için sistemleri daha da büyütmeyi planlıyorlar.

Mühendisler daha önce Darpa Blue programı kapsamında çalışan otonom sualtı bataryaları için bir tasarım sunmuştu. Yakıt sentez sistemlerinin aksine, bu cihazlar derin deniz sensörlerine güç sağlamak için mikrobiyal yakıt hücreleri kullanıyor.