Mikrobiyal Yakıt Pilleri: Kısaca Uygulama Alanları, Araştırma Konuları ve Diğer Yenilenebilir Enerji Kaynakları ile Karşılaştırma

Temiz enerji üretimi ile fosil yakıt kullanımının azaltılması günümüzün en önemli meselelerindendir. Temiz enerji üretimine yönelik atılan adımlardan bilim dünyasında en popüleri olanı yakıt pilleri ile alakalı çalışmalardır. Yakıt pilleri geleneksel yanmalı motorlara alternatif, güç üretim elemanıdır ve günümüzde otomobillerde ve yerel enerji üretiminde kullanılmaktadır. Yakıt pilleri, hidrojen ya da hidrojence zenginleştirilmiş yakıtın ve oksijen kullanıldığı sıfır emisyonlu sistemlerdir. Hidrojen ile beslenen yakıt pillerinde sıfır emisyonlu yüksek enerji üretimi sağlanabilinirken hidrojenin yakıt olarak kullanılabilecek formda doğal olarak bulunmaması bu sistemlerin çok yaygınlaşmamasının önünde bir engeldir.

Yakıt pillerindeki yakıtın yenilenebilir olması bu sistemi “temiz enerji” üretim prosesi yapar. Ayrıca hidrojen yakıt pillerinde anotta hidrojenin protona yükseltgenmesi için soy metal katalizörlerine ihtiyaç duyulması, karmaşık çevre koşulları, hidrojenin güvenli depolanamaması (hidrojen gazı depoda bir yolunu bulup kaçabiliyor) gibi bazı engeller yakıt pillerinin ticarileşmesinin yaygınlaşmasını engellemektedir. Bu engeller, sürdürülebilir enerji kaynaklarından temiz enerji üretiminin gerçekleştirildiği mikrobiyal yakıt pillerine (MYP) yönelimi sağlamıştır.

MYP’ler, mikroorganizmaların katalitik aktiviteleri ile akımın üretildiği bir biyoelektrokimyasal sistemdir. MYP’lerde kimyasal enerjinin doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi, içten yanmalı motorlarla karşılaştırıldığında daha yüksek dönüşüm veriminin elde etmesini sağlamıştır. MYP’ler sadece diğer yakıt pillerine oranla değil diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına oranla da çok avantajlı yenilenebilir enerji üretim kaynağıdır.

microbial fuel cell
Geleneksel ve MYP enerji dönüşüm prosesleri ve MYP’lerin avantajları

Güneş pilleri gün içinde enerji ihtiyacımızı karşılayabilirken gündüz ve gece süresince enerji depolama cihazları olmadan birincil enerji kaynağı olarak kullanılamaz. Ayrıca güneş pillerinden kutup bölgelerinde ve kış mevsimlerinde yararlanılamaz. Tekrar şarj etme teknolojisi, ağır metal içeriği ve şarj etmek için ihtiyaç duyulan elektrik, geleneksel pillerin “temiz enerji kaynağı” olması önünde büyük engellerdir. Organik maddelerin mikrobiyolojik olarak dönüşümü ile üretilen biyogaz ve hidrojen gazlarından enerji üretmek için bu gazların reformasyonu gerekir. Organik kirliliğin elektriğe biyoetanol ile dönüşüm verimi düşüktür (% 10-25). Rüzgar türbinlerinin pahalı malzeme kullanımı, mevsimsel bağımlılığı ve gürültü kirliliği (bazen küçük bir jet motoru kadar) gibi dezavantajları vardır. Hidrotermal enerji üretimi yüksek miktarda temiz su kullanımı gerektirir. Günümüzde sık sık yaşanan su kıtlıkları ve doğal yaşam popülasyonu üzerindeki olumsuz etkileri bu enerji üretim prosesinin engelleridir. Fakat, MYP’ler bu enerji üretim prosesleri ile kıyaslanınca birçok özel avantaja sahiptir. Bunları sıralayacak olursak; sürdürülebilir ve çevre duyarlı yakıt kaynakları, yakıt depolama sorununun olmaması, ucuz katalizörlerin kullanımı, oda sıcaklığında ve ılıman çevre şartlarında çalışabilmeleri, düşük kirlilik, pis yakıtın kullanılması ve temiz suyun üretilmesi, tasarım esnekliği, yüksek dayanıklılığı ve atık suyun yakıt olarak kullanılması ile enerji üretiminin çok düşük maliyette gerçekleştirilmesi. Sürdürülebilir yakıt, sıfır kirlilik, atığın rejenere edilmesi ve düşük maliyet, yeşil enerji kaynaklarının özel gereksinimleri olup bu gereksinimler MYP’ler ile sağlanmaktadır.

  MYP’lerde yeşil enerji üretimi şu üç basamakta gerçekleşir:
– Mikroorganizmaların biyokatalitik tepkimeleri sonucu protonların ve elektronların üretilmesi
– Elektronların elektrotlarla, protonların membranlarla aktarımı
– Oksijenin elektronlarla indirgenmesi ve su oluşumu
Bu bahsedilen mekanizma, mikroorganizmaların aktivitelerine, substrat bozunum hızına, elektrotların ve iyon değişim membranın performanslarına ve sistemin iç direncine bağlıdır.

MYP’lerin Uygulama Alanları
Yapılan binlerce araştırma ile MYP’lerin biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOD) sensörü olarak, biyoremediasyonda, toksik metal geri kazanımında ve gıda atıklarının arıtılmasında kullanımı gösterilmiştir.

Güç Yoğunlukları Karşılaştırma
Enerji üretim sistemlerinin hacimsel güç yoğunluklarına bakıldığında lityum piller, süper kapasitörler, güneş pilleri ve yakıt pilleri sırasıyla 0.8 kWh/kg, 0.01 kWh/kg, ~1 kWh/kg ve 1.1 kWh/kg güç yoğunluğuna sahiptir. Fakat MYP’lerin ortalama maksimum hacimsel güç yoğunluğu 2333 W/m3 olduğu görülmüştür.

Düşük güç yoğunlukları mikroorganizmaların büyütülmesi ve kültürü kaynaklı veya elektronların taşınım süreci kaynaklı olabilir. Gerçek koşullarda MYP’lerin açık devre potansiyelleri teorik değerden düşüktür. Bu, dış direnç konulmadığı durumlarda bile MYP’lerde bazı kayıpların olduğunu gösterir.

MYP Araştırma Konuları
MYP’ye bir dış direnç ilave edildiğinde hücre potansiyeli, oluşan akımın bir fonksiyonu olarak aktivasyon, ohmik ve kütle taşınım kayıplarından dolayı düşer. MYP araştırmaların hepsi çoğunlukla bu önemli konu üzerine yoğunlaşmıştır. Ayrıca çeşitli mikroorganizmalar ve medyatörler üzerine de çalışmalar yapılmıştır. Yakıt pili sisteminin iç direncinin düşürüldüğü birçok reaktör tasarımı keşfedilmiştir. Çeşitli katyon ve anyon değişim membranlarının da sistemin kolombik verimini arttırdığı gözlemlenmiştir. Mikroorganizma, medyatör, membran ve reaktör haricinde çalışılan bir diğer önemli konu MYP’lerdeki elektrotlardır. Özellikle elektronların ve protonların üretildiği anod bölmesindeki elektrot mikroorganizmaların yaşayabilmesine olanak sağlamalı (biyouyumlu olmalı), etkin elektron aktarımını sağlamalı, çok miktarda mikroorganizmanın elektrotta yaşayabilmesi için yüksek yüzey alanına sahip olması önemlidir.

Kaynaklar 
Lütfen Login yada Register gizli linkleri görebilmek için

Rıdvan

Yıldız Teknik Üniversitesi'nde Doktora yapmakta.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir