2. la fi dels combustibles fòssils
• el consum de combustibles fòssils té vessants negatives
– l'escalfament global,
– l'escassetat del cru i la seva distribució desigual en el món
– el preu del cru està subjecte a grans fluctuacions impredictibles
• es preveu que la producció de petroli es compliqui
– l'esgotament de les reserves de petroli de fàcil extracció,
– el ràpid augment de la demanda dels nous països industrialitzats
– la falta d'inversió en el desenvolupament de noves produccions.
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
3. l’inici de les energies renovables
• Les energies renovables són aposta estratègica de futur
– són netes, es restitueixen gratuïtament i, poden ser part de la solució al
problema energètic actual.
– en el 1997 (protocol de Kyoto) més de 160 països es comprometien a
reduir les seves emissions en un 5% respecte els valors de 1990 abans
del 2012.
– La comunitat europea el 2007, es va comprometre a un 20%
d’utilització d’energies renovables per al 2020.
• A Catalunya el consum total d’energies renovables és
relativament baix
– El Pla de l’Energia a Catalunya 2005-2015 proposa estratègies i
accions per tal que la participació de les energies renovables en el
balanç d’energia primària passi del 3,6% de l’any 2003 a l’11,0% de
l’any 2015.
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
4. les aigües residuals
• D’energies renovables n’hi ha moltes (solar, eòlica, hidràulica) ...
però una de les menys desenvolupades i, per tant, amb un marge
de millora més important és la valorització energètica dels nostres
residus
– tractar eficientment els residus generats i obtenint energia sostenible a
partir de fonts renovables.
• A Catalunya produïm diàriament al voltant de 2 milions de m3
d’aigua residual amb una concentració d’uns 0.35 g/L de matèria
biodegradable.
– Això significa gairebé 700 tones diàries de matèria orgànica que no tan sols
es desaprofita sinó que, a més a més, hem de tractar.
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
5. pensar
sistemes bioelectroquímics, un línia de recerca per a pensar
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
6. pensar
sistemes bioelectroquímics, un línia de recerca per a pensar
produir energia sostenible a partir d’aigües residuals
demostrar la viabilitat de diverses estratègies d’operació
innovadores que optimitzin el funcionament d’aquests sistemes
bioelectroquímics per a convertir-los en una tecnologia fiable i,
sobretot, per a escurçar els terminis de la seva aplicació
industrial.
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
7. els bacteris exoelectrògens
organic matter electron donor
e-
e-
e-
energy to
the cell e-
H2O
electron acceptor O2
O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
8. els bacteris exoelectrògens
organic matter electron donor
e-
e-
e-
energy to
the cell e-
N2
electron acceptor NO3-
NO3- + 6H+ + 5e- -> 1/2N2+3H2O
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
9. els bacteris exoelectrògens
organic matter electron donor
e-
e-
e-
energy to
the cell e-
2-
S2-
electron acceptor SO4
SO42-+ 8H+ +8e- -> S2-+4H2O
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
10. els bacteris exoelectrògens
organic matter electron donor
C6H12O6
e-
e-
e-
energy to
the cell e-
acceptor d’electrons
insoluble
Els bacteris exoelectrògens són bacteris solid anode
que tenen una característica que els fa
diferents a la resta: són capaços de transferir
electrons a l’exterior de la cèl·lula
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
11. MFC, cel·les microbianes de combustible
e-
Ω
Anode EANODE < E CATHODE Cathode
CxHyOz H2O H2O
Microbial
oxidation Chemical Microbial
Reduction reduction
O2
O2
CO2 +H+ H+
Proton Exchange Membrane (PEM)
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
12. MFC
e-
Ω
Anode EANODE < E CATHODE Cathode
CxHyOz H2O H2O
Microbial
oxidation Chemical Microbial
Reduction reduction
O2
O2
CO2 +H+ H+
Així doncs, el resultat final del procés és que es consumeix matèria
orgànica i de manera simultània es produeix electricitat.
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
14. MEC, cel·les electrolítiques microbianes
e-
Ω
Anode EANODE < E CATHODE Cathode
CxHyOz H2O H2O
Microbial
oxidation Chemical Microbial
Reduction reduction
O2
O2
CO2 +H+ H+
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
15. MEC
e-
Ω
Anode EANODE < E CATHODE Cathode
CxHyOz H2O H2O
Microbial
oxidation Chemical Microbial
Reduction reduction
O2
O2
CO2 +H+ H+
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
16. MEC
CxHyOz H2
H2
Microbial Chemical Microbial
oxidation Reduction reduction
MEC
CO2 +H+ H+ H+
EANODO > E CATODO cathode
Anode e-
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
17. per què hidrogen?
• L'hidrogen gas pot ajudar a superar la dependència actual dels
combustibles fòssils
• ja que és un transportador d'energia net i renovable sense
influència en l'efecte hivernacle durant el procés de generació
d'energia.
• l'hidrogen té un elevat calor de combustió (122 kJ/g) quan es
compara amb altres possibles combustibles (metà, 50.1 kJ/g o
etanol, 26.5 kJ/g).
• es pot produir des de diferents fonts naturals
• es pot esperar que tingui un preu amb poques fluctuacions en el
futur.
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
18. MEC per a produir hidrogen
• Proporcionen energia en forma d'hidrogen gas.
• Més sostenible que steam reforming a partir d'hidrocarburs
• Més eficient que la fermentació fosca (màxim termodinàmic de 4 mol
H2/ mol de glucosa),
• Poca producció de sòlids
• Poden minimitzar la producció d'olors
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
19. MEC vs MFC
MFC are devices that use bacteria as the catalyst to
oxidize organic and inorganic matter and generate
current
MEC are devices that use bacteria as the catalyst to
oxidize substrates and produce hydrogen with an
energy input in a sustainable way
MFC MEC
Anode: CH3COO- + 4 H2O →2HCO3- + 9 H+ + 8e- Anode: CH3COO- + 4 H2O →2HCO3- + 9 H+ + 8e-
Cathode : 2 O2 + 8H+ + 8e- → 4H2O Cathode : 8H+ + 8e- → 4H2
Total : CH3COO- + 2 O2 →2HCO3- + 1 H+ Total : CH3COO- + 4 H2O →2HCO3- + 1 H+ + 4H2
∆G = -847.60 kJ/mol, emf = 1.10 V ∆G = 93.14 kJ/mol, emf = -0.12 V
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
20. Oportunitats dels sistemes bioelectroquímics
MFC – Obtenir electricitat a partir de residus aquosos
Fer funcionar equips de baix consum elèctric
Aprofitar reaccions metabòliques d’oxidació
Biosensors
MXC – Obtenir productes de manera sostenible i més eficient
Altres oportunitats més trencadores
Microbial Solar Cells, Microbial Plant Cells
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012
21. Preguntes ?
Gràcies per la vostra atenció
Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012