Robial, новая дочерняя компания из Университета Западной Англии, планирует коммерциализировать технологию, которая преобразует мочу и сточные воды в электричество, питая освещение, мобильные телефоны и другие устройства.
Хотя Robial была основана только в ноябре 2018 года, концепция уже давно работает и может быть революционной, имея преимущества как в производстве возобновляемой энергии, так и в рециркуляции сточных вод. Профессор Иоаннис Иеропулос, директор Бристольского центра биоэнергетики в UWE и создатель технологии Pee Power, разработал микробные топливные элементы в рамках своего докторского проекта 17 лет назад. Первоначально он пытался использовать эту технологию в качестве источника питания для автономных роботов.
Используя финансирование, предоставленное Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Британским научным советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC) и Европейской комиссией, Иеропулос продемонстрировал двух автономных роботов, которые использовали микробные топливные элементы в качестве источника энергии. Роботы могли перемещаться по отдаленным сельским районам и сообщать сенсорную информацию, такую как температура, влажность и уровень загрязнения.
Эта технология готовится к коммерциализации и была уже успешно опробована в лагерях африканских беженцев, а также на фестивале Glastonbury в Великобритании. Как работают микробные топливные элементы и каков потенциал мочи и сточных вод как жизнеспособного источника энергии?
Живые, дышащие микробные топливные элементы
Моча и сточные воды могут использоваться в качестве энергии, поскольку они содержат органический углерод, который микробы в микробных топливных элементах эффективно едят, чтобы выжить.
Микробный топливный элемент состоит из двух полуэлементов, каждый с электродами внутри. Одна из двух полуклеток заселена живыми бактериями, собранными из естественной среды. Бактерии растут и держатся на электроде, используя его в качестве анаэробного респиратора.
«Как и любая другая форма дыхания, они будут получать углеродную энергию и другие соединения, и они будут дышать и выводить из организма метаболиты», — объясняет Иеропулос. «В том полуэлементе, которая называется анодом микробного топливного элемента, электрод становится реципиентом этих электроактивных метаболитов. Микробы будут дышать непосредственно на поверхность электрода».
Как и все организмы, микробам нужно топливо или сырье. Команда Иеропулоса в UWE экспериментировала с различными видами сырья, включая муниципальные и промышленные сточные воды, мертвые насекомые, гнилые фрукты, раковины креветок и, наконец, мочу.
«Итак, это сырье», — говорит Иеропулос. «Микробы питаются этим, они разрушают его как часть своего метаболизма. Они выделяют и вдыхают эти электроактивные метаболиты. Эти метаболиты повторно окисляются на электроде, что фактически означает, что они пропускают электроны, которые они переносят на поверхность электрода. Этот электрод соединен с противоэлектродом в другой полуэлементе, называемой катодом, и поэтому существует канал; есть цепь, которая соединяет анодный электрод с катодным электродом, чтобы эти электроны могли протекать через эту цепь».
На катодной стороне другого полуэлемента окислитель используется для реакции с поступающими электронами из контура.
«Существует полупроницаемый сепаратор, который разделяет анод и катод, — говорит Иеропулос . — Кислород плюс электроны плюс протоны будут объединяться и реагировать вместе, образуя воду, и именно эта реакция замыкает цепь, которая продолжает пропускать электроны и катионы из анода через цепь или мембрану к катоду».
Проще говоря, в микробных топливных элементах используются живые микробы, которые питаются органическим углеродом, содержащимся в моче, для своего собственного роста и поддержания. Клеточная система извлекает эту биохимическую энергию, выделяемую в то время, когда микробы живут, превращая ее непосредственно в электричество.
Раскрытие потенциала микробных топливных элементов
Robial все еще находится на ранних стадиях, по крайней мере, с точки зрения усилий по коммерциализации. Тем не менее, компания надеется, что эта технология может быть использована для производства большого количества электроэнергии в будущем, что может быть применено для различных областей применения.
«Важно отметить, что микробный топливный элемент вырабатывает энергию постоянного тока, которая является эквивалентом батарей или солнечных батарей, и поэтому вы можете представить, к чему он может быть подключен напрямую», — говорит Иеропулос. «Вместо использования батарей или солнечных батарей, если солнце не светит в какой-то части света или, например, если вы находитесь под землей, вы можете использовать эту технологию».
В настоящее время микробный топливный элемент, в котором используется 10 мл мочи или сточных вод, может генерировать 1-2 милливатта (мВт) энергии, поэтому потенциал использования триллионов литров сточных вод очевиден. На этом этапе генерируемая мощность эквивалентна мощности батарей AAA, но все же меньше, чем эффективность батарей AA или солнечных батарей.
Однако Иеропулос объясняет, что это ни в коем случае не предел технологии, так как улучшенные исследования и разработки в области материалов еще больше повысят эффективность микробного топливного элемента.
«Здесь важно то, что мы все еще находимся на ранней стадии материального развития, потому что мы все еще работаем с электродами, которые мы производим в наших лабораториях, с такими сепараторами, как керамика, которые мы производим в наших лабораториях. Мы не достигли того уровня развития, который был у фотовольтаики десятилетиями или у батарей на протяжении веков», — говорит он.
«Что мы надеемся увидеть с развитием и развитием материалов, так это то, что мощность 1 мВт или 2 мВт, которую мы генерируем из 10 мл микробного топливного элемента, будет генерироваться из микробного топливного элемента объемом 1 мл или менее 1 мл.
Если мы получим одинаковое количество энергии от маленьких блоков, мы начнем складывать их и будем производить уровни мощности, которые нам нужны для освещения целых домашних хозяйств, целых зданий и так далее».
Финансирование и испытания Гластонбери
Команда Иеропулоса получила финансирование от различных видных благотворителей, включая EPSRC, Европейскую комиссию и Фонд Билла и Мелинды Гейтс, который использовался для работы команды на протяжении многих лет, включая заправку автономных роботов, очистку сточных вод и санитарию.
Иеропулос говорит, что для достижения следующего этапа коммерциализации финансирование со стороны Фонда Билла и Мелинды Гейтс имеет решающее значение для развития микробного топливного элемента.
«Финансирование, в частности от Фонда Билла и Мелинды Гейтс, подталкивает нас к коммерциализации не для получения прибыли, а для того, чтобы эта технология вышла из университета и была развернута в районах, где это нужно больше всего», — говорит он.
«В 2015 году мы обратились к Oxfam, который пришёл к нам с просьбой при посредничестве Фонда Билла и Мелинды Гейтс, в поисках технологий, которые позволили бы им обеспечить освещение в лагерях беженцев рядом с туалетами, чтобы предотвратить некоторые преступления», — говорит Иеропулос.
«Они пришли к нам и сказали:« Если вы уже используете эту технологию для зарядки мобильных телефонов и производства электричества для освещения, не могли бы вы поместить его в писсуар или туалет, который мы можем взять в лагеря беженцев и показать, что он работает?»
Первый писсуар Pee Power был установлен на кампусе Frenchay в UWE, в котором освещение внутри конструкции туалета базировалось на микробных топливных элементах, питающимися с мочой.
«Как только мы продемонстрировали это, Oxfam рассказал Гластонбери о потенциале этой технологии. Поэтому для Glastonbury 2015 мы разработали специальный писсуар с желобами, очень похожий на тот, который Oxfam использовал в лагерях беженцев, и снова с потолочными светильниками, показывающими в реальном времени, что моча использовалась через микробные топливные элементы для непосредственного производства электроэнергии».
«Конструкция туалета Glastonbury 2015 была построена компанией Dunster House — производителем садовых навесов — они работали с Oxfam над созданием деревянной суперструктуры туалета, которую Oxfam доставляет в лагеря беженцев. У нас было освещение внутри, и мы демонстрировали ночью во время фестиваля посетителям, что электричество вырабатывается из их мочи».
В 2016 году писсуар был расширен для обслуживания около 25 человек одновременно, а освещение, установленное на потолке, обеспечивалось питанием от микробных топливных элементов в писсуаре. Для Glastonbury 2017 они установили два отдельных писсуара.
«Один писсуар находился в центральной части фестиваля, рядом со сценой Пирамиды. Это был писсуар для 40 человек, и у нас был меньший писсуар в другой части фестиваля, который вмещал до двух человек, и мы снова продемонстрировали лампы, умные электронные дисплеи и зарядку мобильного телефона — все работало на микробных топливных элементах», — говорит Иеропулос.
Хотя Robial все еще является новым предприятием, но если попытки коммерциализации Pee Power окажутся успешными, мы все скоро сможем удовлетворять наши собственные потребности в электроэнергии, просто перейдя в туалет.
