Bio-electriciteit

Recent zijn er methoden ontwikkeld voor het rechtstreeks omzetten van biomassa in elektriciteit. Microbial Fuel Cells (MFC) zijn in staat om de energie, beschikbaar in een bioconverteerbaar substraat, rechtstreeks in elektriciteit om te zetten met behulp van bacteriën.

In een aerobe omgeving dragen bacteriën hun elektronen over op zuurstof of nitraat. Het anodecompartiment van een MFC is echter zuurstofvrij, zodat de bacteriën er andere electronenacceptoren moeten gebruiken, in dit geval de MFC anode zelf (Figuur 2). De overdracht kan gebeuren door membraangeassocieerde componenten of door oplosbare elektronen shuttles. De elektronen stromen vervolgens door een weerstand met een kathode, waar de elektronenacceptant wordt verminderd. In tegenstelling tot bij anaerobe vergistingsprocessen, maakt een MFC elektrische stroom en een off-gas dat hoofdzakelijk kooldioxide bevat (in plaats van energierijke gassen zoals methaan of waterstof).

Microbiële brandstofcellen zijn niet nieuw. Het concept van het gebruik van micro-organismen als katalysatoren in de brandstofcel werd reeds onderzocht in het begin van de zeventiger jaren. Microbiële brandstofcellen die huishoudelijk afvalwater behandelen zijn in 1991 voorgesteld. Pas recentelijk zijn microbiële brandstofcellen met een versterkt vermogen zijn ontwikkeld die perspectieven openen voor praktische toepassingen.

MFC's hebben operationele en functionele voordelen vergeleken met de technologieën die momenteel worden gebruikt voor het genereren van energie uit organisch materiaal. De rechtstreekse omzetting van energiesubstraat in elektriciteit zorgt voor een hoge efficiëntie in de conversie. MFC's functioneren doeltreffend bij omgevingstemperatuur, en zelfs bij lage temperaturen. Dit onderscheidt hen van alle huidige bio-energieprocessen. MFC’s hebben geen gasbehandeling nodig, daar de off-gasses van MFC's verrijkt zijn met kooldioxide en geen bruikbare energie-inhoud hebben. In het algemeen hebben MFC's potentieel voor grootschalige toepassing op locaties waar elektrische infrastructuur ontbreekt. Ze dragen de mogelijkheden in zich om de diversiteit van de brandstoffen uit te breiden waardoor voldaan kan worden aan onze energiebehoefte.

MFC's zijn ontwikkeld voor afvalbehandeling en voor bio-energieopwekking. Afvaltoepassingen vereisen vooral grondige verwijdering van het afvalsubstraat. Met een conventionele aërobe behandeling is ongeveer 1 kWh energie nodig voor de oxidatie van één kilogram koolhydraten.

MFC's kunnen ook worden gebruikt om een substraat met een positieve marktwaarde, zoals glucose, om te zetten in elektriciteit. Het bekomen van een hoog energetisch rendement is hier van essentieel belang. Hoewel de kracht van de MFC's in vergelijking met bijvoorbeeld van methanol aangedreven FC's aanzienlijk lager is, betekent de veelzijdigheid op het gebied van veilige substraten een belangrijke troef van de MFC-technologie.

Bij wijze van referentie. De uitgaven voor de terugwinning van energie uit biomassa door middel van een hoog percentage anaërobe gisting zijn in de orde van 1 M € / MW geïnstalleerde capaciteit. Deze waarde geldt ook voor de productie van energie uit fossiele brandstoffen door conventionele verbrandingsmotor processen, windturbines of chemische brandstofcellen. Bovendien zijn de processen in een concurrentiële omgeving. Microbiële brandstofcellen bereiken momenteel geen vermogensuitgangen van dit niveau. Loading rates van 0.1-10 kg COD procent per m³ reactor per dag mogen worden verwacht die in de praktijk een vermogen opwekken tussen 0.01-1.25 kW/m³. Voor een granulair bed in een gestapelde MFC worden de uitgaven op dit moment geschat op een niveau van 10 maal die van de bovengenoemde energieproducerende processen. Rekening houdend met een afname van de kosten voor de chemische brandstofcellen in de toekomst, moeten microbiële brandstofcellen nog belangrijke doorbraken kennen om economisch concurrentieel te zijn. Hun algemene toepasbaarheid en de mogelijkheden voor gebruik bij omgevingstemperaturen is nog grotendeels onontgonnen.