Vypěstujte si vlastní elektřinu

Na výrobu elektřiny to sice zatím tak úplně nevypadá, ale… Z malého čtvercového trávníku na střeše Nizozemského ekologického institutu ve Wageningenu vychází spleť jasně červených kabelů. Podle výzkumníků by tento zelený záhon mohl znamenat revoluci ve výrobě elektřiny. Na elektřinu z kořínků trav je zde napojeno ve dne v noci elektrické zařízení…

Pokud bude tato technologie fungovat na střeše institutu, pak není důvod se domnívat, že by nefungovala ani na bažinatých polích, v zaplevelených příkopech nebo v obyčejných starých květináčích. Živé rostliny a půda, v níž jsou pěstovány, dosud nikdo za potenciální zdroj elektřiny nepovažoval. Několik vědců nyní zkoumá, zda by jimi mohly být. Lákavé by bylo například využít energii stromů k napájení senzorů pro dálkové monitorování lesů, jiní, včetně týmu z Wageningenu, vidí větší potenciál ve využívání elektronů uvolňovaných z kořenů rostlin. Domnívají se, že trávy, rákos a jiné rostliny by mohly uspokojovat významnou část domácí spotřeby elektrické energie. Tímto způsobem vyrobená elektřina by byla ještě „zelenější“ než elektřina ze slunečních panelů nebo větrných turbín. Nová technologie by mohla poskytnout spolehlivý zdroj elektřiny pro asi 1,5 miliardu lidí na celém světě, kteří nemají přístup k elektřině ze sítě. Mohla by rovněž přispět ke snížení oteplování Země díky snížení emisí metanu z bažinatých oblastí a rýžových polí.

Počátky výzkumu

První pokusy využívání energie rostlin k výrobě elektřiny byly velmi skrovné. Gordon Wadle, výzkumný pracovník ze státu Illionois, přišel v roce 2006 s myšlenkou, zda by mohl získat malý elektrický proud tak, že by zatloukl hliníkový hřebík do kmene stromu a spojil ho drátem s měděnou elektrodou zabodnutou do země. Ve spolupráci s malou firmou MagCap Engineering (MCE) se sídlem v Bostonu si dal tuto myšlenku patentovat. Mnozí výzkumníci byli skeptičtí, včetně fyzika Andrease Mershina z Massachusettského technologického institutu. Když se na něj ale společnost MCE obrátila, aby se zúčastnil výzkumného projektu na toto téma, pověřil tímto úkolem svého studenta Christophera Lovela. Po několika experimentech s malým fíkovým stromem v květináči však svůj názor změnil. I když obě elektrody byly ze stejného kovu a rostlina byla odstíněna od všech rušivých elektromagnetických zdrojů, okruh produkoval nepatrný proud. Love a Mershin brzy zjistili, že příčinou jsou ionty vodíku. Malý přebytek kladně nabitých iontů v půdě – ve srovnání s mízou stromu – stačí k tomu, aby se nepatrný proud elektronů dostal drátem ze stromu do země.

Průmyslové využití

Výsledky experimentů povzbudily firmu MagCap Engineering k založení společnosti Voltree Power za účelem průmyslového využití výsledků výzkumu. V roce 2009 společnost začala budovat systém monitorování lesních požárů pro US Forestry Service and Bureau of Land Management na bázi využití energie stromů. Ani po třech letech ale výsledky nebyly příliš růžové. Ukázalo se, že stromy nejsou schopné produkovat tolik energie, jak se Wadle domníval, a že výkon nelze spolehlivě zvýšit. Ve stejné době, kdy Wadle a MagCap Engineering zatloukali hřebíky do stromů, uvědomil si Bert Hamelers z nizozemské Wageningen University, že velké stromy mají kořenový systém, který je zhruba stejně rozsáhlý jako systém nadzemní. Začal přemýšlet o tom, zda by mikrobi žijící mezi kořeny rostlin mohli posloužit k výrobě elektřiny ve speciálním typu palivového článku.

Na pomoc přicházejí kořeny rostlin

U konvenčních palivových článků se slučuje například kyslík s vodíkem a výsledkem je elektřina a voda. Tento způsob výroby spoléhá na dvě elektrody, které jsou vyrobeny z drahých kovů, jako je platina, tak, aby bylo možné oddělit elektrony. Hamelers místo toho pracoval na mikrobiálním palivovém článku, který využívá enzymy živých bakterií – reálnost koncepce prokázal na zařízeních využívajících organické látky, jako je plankton nebo městské odpadní vody. Daná technologie však vyžaduje neustálý přísun paliva. Hamelers dospěl k závěru, že by na pomoc mohly přijít kořeny rostlin, z nichž se uvolňuje asi polovina uhlovodíků a jiných organických molekul, které rostliny produkují při fotosyntéze. Po dobu svého života by tak strom mohl produkovat dokonalé krmivo pro mikrobiální palivový článek. Stromy však nejsou pro tuto technologii nejlepší rostlinou, protože jejich kořeny jsou mohutné a sahají do velké hloubky. Když bakterie rozkládají uhlovodíky, předávají své volné elektrony kyslíku a vytvářejí vodu a oxid uhličitý. Jiná situace vzniká, když jde o vodou nasáklou půdu, v níž chybí kyslík. Anaerobní bakterie zde produkují oxid uhličitý a volné protony a elektrony. Elektrony obvykle reagují se sulfáty nebo nitráty obsaženými v půdě. Hamelers se domnívá, že pokud umístí vhodné elektrody do blízkosti bakterií, které elektrony produkují, bude moci tyto elektrony přesměrovat. K tomu jsou vhodné rostliny s mělkými kořeny, kterým se daří ve vlhkých nebo vodou nasáklých půdách, kde je výskyt kyslíku vzácný. Spolu s biologem Davidem Strikem z University of Wageningen začal experimentovat s trávami a rákosem rostoucími ve slaných bažinách.

Začínalo se s miliwatty

Počáteční výsledky nebyly ale příliš povzbudivé – výkon dosáhl pouze několik miliwattů na čtvereční metr. U pozdějších laboratorních zkoušek se výkon zvýšil na 200 miliwattů na čtvereční metr zelené plochy. Během následujících dvou let se ho podařilo zvýšit na dokonce více než dvojnásobek, a to na 500 mW/m². Při této úrovni výkonu by zatravněná střecha o ploše 16 m² mohla zásobovat mobilní telefon. Byl to bezpochyby krok vpřed, nicméně ani tento výkon by nemohl pokrýt velkou část spotřeby domácnosti. Solární panely a větrné turbíny v severní Evropě mají obvykle výkon 4 W až 7,7 W na čtvereční metr. Aby bakteriální palivové články mohly konkurovat na trhu výroby elektřiny, bude se muset jejich výkon zvýšit desetinásobně až stonásobně. Výzkumník Strik zdůraznil, že od začátku výzkumů před pěti lety se podařilo zvýšit výkon padesátkrát. O budoucím úspěchu je přesvědčen do té míry, že se svou spolupracovnicí Marjolein Helder založil společnost Plant-e s cílem uplatnit novou technologii na trhu.

Podpora Evropské Unie

Oba uvedení výzkumníci spojili své síly se společností Verstraete z belgického Gentu a spolu s botaniky, mikrobiálními specialisty a inženýry z celé Evropy se podílejí na projektu EU Plant Power, který EU dotuje částkou 4 miliony EUR. Cílem projektu je zvýšit účinnost bakteriálních palivových článků. Předpokládá se, že lze dosáhnout výkonu 3,2 W/m². K tomu ale k tomu bude třeba vynaložit ještě velké úsilí.

Nejprve bude nutné vytipovat rostliny vylučující více organických molekul do půdy. Mezi nejvhodnějšími by mohla být cukrová řepa, která přeměňuje sluneční záření na cukry s účinností okolo 7 %. K zajištění maximálního elektrického výkonu budou muset být rovněž nalezeny směsi mikrobů v půdě. Tato směs bude patrně obsahovat i bakterie specializující se na rozklad organické hmoty, stejně jako i bakterie, které uvolňují elektrony.

Dále se na pořad dne dostane technické řešení vlastního palivového článku. Klíčovou otázkou budou návrhy elektrod. Nizozemský tým používá anodu, kterou tvoří kašovitá směs malých grafitových granulí, jimiž kořeny rostlin prorůstají. Problém je ale v tom, že anoda předává elektrony katodě rychleji, než je katoda stačí oxidovat, a výkon se tím snižuje. Strik se domnívá, že správná směs bakterií katody by urychlila slučování elektronů, protonů a kyslíku k vytvoření vody.

Problémem je také zvyšování rozsahu technologie. Univerzitní tým vypočítal, že kdyby se optimalizovaný laboratorní výsledek převedl do polních podmínek, pak by se dosáhlo výkonu jen asi okolo 1,6 W/m², což se rovná asi jen pětině výkonu dosahovaného u slunečních panelů a větrných turbín. Účinnost by ale byla vyšší než u prostého spalování rostlin k výrobě biopaliv. Navíc by odpadla výstavba továren a složitý inženýrský komplex napojený na sluneční a větrné elektrárny. Nižší investiční náklady by pak podstatně zkrátily dobu návratnosti.

Slibné prognózy
Strik vypočítal, že by série optimalizovaných bakteriálních palivových článků na střeše domu mohla každoročně vyprodukovat na jeden metr čtvereční14 kWh elektřiny (průměrná nizozemská domácnost ročně spotřebuje 3 500 kWh). Ozeleněná střecha o ploše 50m² by proto ročně poskytla asi 20 % z celkové spotřeby elektřiny domácnosti.

Zelené rostliny na střeše však budou užitečnější než jen k pouhému osvětlování, nabízejí totiž další výhody. Poskytnou například dodatečnou izolaci, možnost skladování dešťové vody a také městský habitat pro volně žijící zvířata. Strik se rovněž domnívá, že nová technologie by mohla být instalována v bažinatých oblastech u řek nebo pobřeží, kde by vyráběla elektřinu, aniž by narušila vzhled krajiny. Na rozdíl od konvenčních slunečních elektráren by bakteriální palivové články mohly vyrábět elektřinu i v noci. Při aplikaci této technologie by se nezpomaloval růst rostlin. Experimenty ukázaly, že v některých případech rostliny rostly lépe, než se původně předpokládalo.

Možnosti využití ve větším měřítku

Nová technologie by mohla být velmi vhodná k využití v Asii na milionech hektarů rýžových polí. Nápadu se chopili v Japonsku, které má omezené vlastní zdroje výroby elektřiny a rýžová pole zde pokrývají velkou plochu. Zkoumáním této myšlenky se již začal zabývat biolog Kazuya Watanabe z tokijské univerzity. Palivový článek zakopaný do rýžového pole bohatého na mikroby vyrobil ale jen 10 mW/m² elektřiny. Watanabe ve svých výzkumech ve spolupráci se zemědělskou společností pokračuje ve snaze výkon článků zvýšit. Na rozdíl od nizozemského týmu, který buduje svůj systém na modulovém základě, Watanbe bude muset používat systém rohoží, které by se daly snadno pokládat, a které by byly odolné tak, aby přežily tvrdé podmínky na farmě. V současné době jsou jeho anody vyrobeny z tenké plstěné rohože impregnované grafitem. Účinnost je ale nízká, proto se pokusil do rohože rozptýlit platinový prášek. Díky tomu se podařilo zvýšit výkon článku trojnásobně. Protože je ale platina velmi drahá, jeho systém se zatím nevyplatí.

Je třeba zdolat současné bariéry

Podle Walta Pattersona, analytika a poradce think tanku Chatham House se sídlem v Londýně, je třeba tuto technologii i nadále rozvíjet. A to již proto, že ji lze aplikovat téměř všude, včetně městských a venkovských oblastí, a v jakémkoli měřítku. Existuje však i další důvod pro rozvoj této technologie. Mohla by totiž pomoci i v boji proti globálnímu oteplování. Anaerobní podmínky, které vyhovují rostlinám jako je rýže nebo rákos, poskytují životní prostředí pro třídu bakterií, které rozkládají organickou hmotu a uvolňují elektrony; ty potom generují metan, potenciální skleníkový plyn. Vloží-li se do půdy anoda, elektrony získají alternativní využití a tvorba metanu se omezí. Uvážíme-li, že rýžová pole se podílejí dvaceti procenty na emisích metanu, může být snížení emisí významné. A přitom se jako vedlejší produkt ještě získá elektřina.

Podle: Caroline Williams: Power plants. New Scientist, 2012, č. 2851, s. 46-49

O stejném výzkumu už jsme psali v článku Elektrický potenciál bažin:
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/obnovitelne-zdroje/979-elektricky-potencial-bazin

Video od studentů zabývajících se výzkumem najdete zde: www.youtube.com/watch?v=Ku1-_MOzkTE