Table of Contents

Потенціал мікробіальних паливних елементів у операціях дистанційного вилучення

Віддалені операції видобутку — чи є в нафтогазі, гірничодобувній, або водяній накачування—постійна боротьба з надійною та стабільною потужністю. Дизельні генератори є економічно економічною, вимагають частого технічного обслуговування та виробляють викиди. Розширення сітки є непрактичною над великими відстанями. Мікробіальні паливні клітини (МФК) пропонують перспективну альтернативу за рахунок загартування метаболічної активності бактерій для вироблення електроенергії з органічних відходів. Це біологічне виробництво електроенергії може перетворити відповідальність (відновлення) в актив (потужність) при зниженні впливу на навколишнє середовище. Як технологія зрілих, МФКс може стати стразком систем дистанційного видобутку.

Як працює мікробіальні паливні елементи

Мікробіодерні паливні клітини є біоелектрохімічні пристрої, які перетворюють хімічні енергії, що зберігаються в органічних підкладках в електричну енергію через каталітичну активність мікроорганізмів. Базовий дизайн складається з анодного відділення і кабіни, відокремленого протон-обмінною мембраною (або іноді соляний міст). У камері аноду, електрогенних бактерій (наприклад, / Shewanella oneidensis або Ge цитобактерн сірководні речовини) деградовані речовини - це органічно, глюкоза або складні відходи— випуск електроні речовини

Ключові компоненти та їх ролі

  • Anode Electrode:] Часто виготовлені з вуглецевих матеріалів (графіт повсть, вуглецева тканина, або вугільна щітка), які забезпечують велику площу поверхні для бактеріальної адгезії та електрон-передача.
  • Cathode Electrode: Типово використовує платину, вуглецево-на основі каталізаторів, або біокаталіста для полегшення реакції скорочення кисню.
  • Протономірна мембрана: Дозволяє вибірковим транспортом, що запобігає кисневому дифузії і змішування аноліту і катахоліте.
  • Продукція:. Виток органічного палива — це відходи води, сільськогосподарських залишків, або навіть лігносцелюлозної біомаси з сайту видобутку.

Електрон Трансфер Механізми

Електрогенні бактерії можуть перенести електрони на анод через три основні маршрути:

  1. Прямий контакт: Зовнішній цитохром ауттеромембрани фізично торкнувшись поверхні електрода.
  2. Наніварі: Диригентний прий (наприклад, в Geobacter]) дія як біологічні нанопори, запірні електрони над мікронними відстанями.
  3. Медіатори: Екогенні або самовиготовлені окислотні медіатори (наприклад, феназини, хінони) носять електрони з клітинки до електроду.

Розуміння цих механізмів є важливим для інженерних високоефективних МФК, які можуть забезпечити практичні здібності електроенергетики для дистанційних операцій. Пошук у синтетичній біологія також досліджує генетично модифіковані бактерії з підвищеними електрон‐трансферними можливостями.

Переваги для дистанційних операцій видобутку

MFCs пропонує кілька унікальних переваг для звичайних джерел живлення в ізольованих зонах видобутку:

Сталий джерело палива

Віддалені сайти видобутку часто генерують органічні відходи: бурові бурові бури, виробляють воду з вуглеводнями, харчовими відходами з таборів, або біомасою від землеочисної очистки. МФК можуть безпосередньо перетворювати ці відходи в електрику, одночасно лікуючи відходи та виробляючи потужність. Це зменшує необхідність відпрацьованого лугу та утилізації, знижуючи загальні експлуатаційні витрати.

Низький догляд і довговічність

На відміну від дизельних генераторів, МФК не мають рухомих частин (крім насосів для рециркуляції). Вони можуть працювати безперервно протягом місяця з мінімальним втручанням. Мікробіальні громади можуть саморегенерувати, а електроди зазвичай не швидко деградуються. Добре розроблений МФК стека може знадобитися лише періодичне поповнення субстрату і очищення мембрани.

Децентралізована, модульна потужність

MFC-блоки можуть бути розгорнуті в масивах, масштабуванні від декількох Вт для сенсорних мереж до кілватів для обладнання. Вони можуть бути розміщені безпосередньо на колодязі, трубопроводі або шахтному валі, усунення втрат передачі та розміру сітки. Для офшорних платформ або арктичних бурових майданчиків MFC пропонують компактний, безпечний енергетичний розчин без жароміцних палива.

Екологічні комплаєнси

Регулятори все частіше вимагають зменшення викидів і поводження з відходами. МФК виробляють практично не газоподібні викиди (CO2 випущені біогенні), і вони можуть деградувати органічні забруднюючі речовини у вироблених водах або хвостиків. Компанії, що використовують МФС, можуть покращити їх ESG (Environmental, Social, Врядування) метрики і потенційно заробляти вуглецеві кредити. U.S. Відділ енергетики висвітлено МФК як руйнівна технологія інтегрованих систем поводження з відходами.

Виклики та поточні обмеження

Незважаючи на свою обіцянку, МФК зіткнулися з значними перешкодами, які повинні подолати перед поширеним прийняттям в операціях з видобутку:

Низька щільність потужності

Більшість MFCs виробляє потужності щільності в діапазоні 0,1–1 Вт/м2 площі електрод, що знаходяться нижче двигунів згоряння (частотні >1 кВт/м2). Це означає, що великі електронні відбитки потрібно для значущої потужності. Наприклад, потужність насоса 5 кВт може знадобитися кількасот квадратних метрів поверхні електроду. Потенціал наноматеріальних покриттів і 3D електродних архітектур висуштовхують денси вище, але практичні пороги залишаються elusive.

Скальливість і вартість

Будівля MFC стебла з тисячами окремих клітин вводить виробничу складність, проблеми розподілу рідини та вартість. Протономірні мембрани (наприклад, Nafion) є дорогими, а благороднометалеві каталізатори додають вартість. Покращує використовувати дешеві мембрани (керамічні сепаратори, катіонно-обмінні мембрани) та непрозорими металевими каталізаторами (наприклад, залізо-нітрогеном-карбон) знаходяться на ходу. Попередня дослідження показали мембранні MFC, які знижують вартість за рахунок ефективності.

Умови використання

Віддалені сайти видобутку можуть випробувати екстремальні температури, змінні pH, салінуті і тиску. Більшість електрогенних бактерій пропускаються при месоціфільних температурах (20–40°C). Психролфільні або термофільні штами характеризується, але надійні, реальні льоти в умовах суворих умов залишаються непровенними. Контамінанти люблять важкі метали або розчинники можуть також гальмувати бактеріальний обмін.

Довготривала стабільність

Зростання біофільмів на електродах може стати нестабільним протягом часу, з неелектрогенними бактеріями, що виходять на бажані види. Пілінг мембран і електродів знижує продуктивність. Неперервне спостереження і періодичне біотопування може бути необхідно, додаючи оперативну складність.

Випадкові дослідження та прототипи

Кілька пілотних проектів показали, що в умовах дистанційного налаштування МФК, що забезпечує блиск потенціалу технології:

Оліяфілд Виготовлений водовідведення

У Перм'янському базіні консорціум перевіряв 1 м3 МФК, що обробляв воду при генеруванні достатньої електроенергії для живлення невеликої сенсорної мережі. Система видалила 80% органічних забруднюючих речовин і виготовляла 15 Вт / м3 об'єму реактора. Хоча не достатньо для запуску насоса, доведено, що МФК можуть замінити аеробні ставки з енергозберігаючою роботою.

Дистанційні метеорологічні станції

Університет Техасу розгортався осад МФК в мокрій місцевості біля станції досліджень Арктики. Установку використовуються природні органічні речовини в осаді для живлення температури і датчика тиску протягом декількох місяців без технічного обслуговування. Це показує МФК можуть служити ультранизькі пристрої в екстремальних умовах.

Mine Tailings Remediation

Пілот у Чилі комбінований МФК з сконструйованім мокрою поверхнею для лікування кисного шахтного дренажу з мідного гірничого виробництва. МФК знімали сульфати та метали при генеруванні ~0.5 Вт на м2 мокрої ділянки. Під час виходу потужності був скромним, подвійний плюс фізкультуричного виробництва з системи економно привабливо порівняно з хімічними методами лікування.

Перспективи та перспективи розвитку

Шлях до комерційної MFC для дистанційного видобутку лежить в інноваційній галузі матеріалів, інтеграції системи та біологічної оптимізації:

Розширені електродні матеріали

Графен-охолоджені піни, вуглецеві нанотрубки, провідні полімери підвищують площу поверхні та норми передачі електронів. Дослідники також досліджують металеві хімічні основи (MOFs) як електродні покриття, що підвищують як провідність, так і біокомпатентність.

Гібридні системи

Комбінація МФК з іншими відновлюваними технологіями — сонячними, вітровими або водневими паливними клітинами — може створювати стійкі мікрогріди. Наприклад, під час денного світла сонячні панелі можуть обробляти пікові навантаження, а МФК забезпечують потужність базового навантаження від відходів на ніч. Такі гібриди зменшують вимоги до зберігання акумуляторів.

Інженерні мікробіоми

Синтетична біологія дозволяє проектування бактеріальної консорціії, що деградує складні органічні суміші (в тому числі вуглеводні) ефективніше. Engineered Shewanella штамів] з поліпшеними електронними транспортними ланцюгами досягається п'ятирівнені вищі точну денності, ніж диких типів.

Електроніка управління

MFCs виробляє низьку напругу (0.3–0.8 V на клітинку) і флуктуаційну потужність. Призначені для користувача перетворювачі постійного струму та чіпси збору енергії (наприклад, Texas Instruments' BQ25570) може підвищити і стабілізувати вихід на практичні навантаження. Як ці електроніка стають дешевшою, інтеграція MFC стає більш прямим.

Висновок

Мікробіальні паливні клітини представляють собою парадигмовий зсув для роботи з дистанційним вилученням: від лінійної моделі паливного транспорту і відходи до кругової системи, де відходи стає електрикою. Поки струмова потужність densities і витрати обмежують безпосереднє розгортання в нішу, низьких потужностей додатків, швидке просування матеріалів, мікробіології і системне машинобудування закривають зазор. Видобуток промисловості - Особливо в екологічно чутливих або логічно обмежених областях - витриманий контроль технології МФК тісно і інвестувати в пілотних проектах. З подальшим розвитком МФК може забезпечити чистоту, низьку потужність, яка вирівнює з метою сталого розвитку і знижує операційні ризики. потенціал не тільки в екологічне поводження, що вони інтегровані, вони не дозволяють підтримувати електрику, що інтегровані відходи, вони не просто в екологічними.