Resultaten en bevindingen van project
Planten maken elektriciteit & biofuels Dit rapport is onderdeel van de projectencatalogus energie-innovatie. Tussen 2005 en 2011 kregen ruim 1000 innovatieve onderzoeks- en praktijkprojecten subsidie. Ze delen hun resultaten en bevindingen, ter inspiratie voor nieuwe onderzoeks- en productideeën. De subsidies werden verleend door de energie-innovatieprogramma's Energie Onderzoek Subsidie (EOS) en Innovatie Agenda Energie (IAE).
Datum Status
Juni 2011 Definitief
Wageningen Universiteit in opdracht van Agentschap NL
Colofon
Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon
Planten maken elektriciteit & biofuels Energie Onderzoek Subsidie Lange Termijn EOSLT06020 Wageningen Universiteit
Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.
Planten maken elektriciteit & biofuels
- niet-conventionele bioraffinage -
openbare eindrapport “Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie, regeling EOS: Lange Termijn uitgevoerd door Agentschap NL.”
EOS: Lange Termijn onderzoeksproject Wageningen Universiteit – Sectie Milieutechnologie Plant Research International Wageningen - Juni, 2011
Inhoudsopgave
1
Gegevens project
3
2
Samenvatting
4
3
Beschrijving van de behaalde resultaten, de knelpunten en het perspectief voor toepassing
5
3.1
Plant Microbial Fuel Cell
5
3.2
Resultaten en knelpunten
7
3.3
Perspectief voor toepassing
9
4
Beschrijving van de bijdrage van het project aan de doelstellingen van de regeling
10
4.1
De bijdrage aan een duurzame energiehuishouding
10
4.2
De versterking van de kennispositie van Nederland
12
5
Spin off binnen en buiten de sector
13
6
Overzicht van openbare publicaties
14
7
Referenties
15
2
1
Gegevens project
Projectnummer: Projecttitel: Penvoerder en medeaanvragers:
EOSLT06020 Planten maken elektriciteit & biofuels Wageningen Universiteit – Sectie Milieutechnologie Stichting DLO PPO-PRI
Projectperiode:
1 september 2008 tot 1 december 2011
Dit openbare eindrapport is bedoeld voor een breder publiek. Dit rapport is zonder kosten digitaal verkrijgbaar via bovengenoemde contactpersonen. Contactpersonen voor meer informatie: Wageningen Universiteit – Sectie Milieutechnologie Dr.ir. David P.B.T.B. Strik
[email protected] www.ete.wur.nl
Wageningen UR Greenhouse Horticulture (Stichting DLO PPO-PRI) Dr Jan F.H. Snel
[email protected] www.glastuinbouw.wur.nl
2
Samenvatting
De Plant Microbial Fuel Cell (Plant-MFC) is een technologie die op basis van een nieuw principe het mogelijk maakt direct elektriciteit of biofuels (H2, CH4 of ethanol) te ontrekken aan een plant, zonder dat deze geoogst hoeft te worden. De kern van de Plant-MFC technologie is de combinatie van een plant die organisch stof produceert en een MFC die deze uitgescheiden organische stof verwerkt tot de gewenste energiedrager. De doelstelling van dit project is:
“Het realiseren van een opschaalbaar
prototype van de Plant Microbial Fuel Cell met een netto energieopbrengst van 160 GJ per hectare per jaar. De potentie van het systeem ligt nog veel hoger. Bij een fotosynthese efficiëntie van 2,5 % (van 150 MW/km2 zonne-energie instraling in Nederland), een 70% exudaat productie en een MFC efficiëntie van 60% kom je op 500 GJ per hectare per jaar. Het onderzoek richt zich op 4 thema’s te weten: 1. Productie van de organische stof door de plant; 2. Omzetting van de organische stof door de MFC; 3 Integratie van productie en consumptie in een interface; 4. prototype ontwerp en evaluatie. In het project wordt eerst breed ingezet op een aantal alternatieven en vervolgens wordt getrapt gezocht naar het beste alternatief voor het prototype. De
samen
werkende
partijen
zijn
Wageningen
Universiteit
–
Sectie
Milieutechnologie & Wageningen UR Glastuinbouw (onderdeel van de Stichting DLO). Het onderzoek wordt uitgevoerd door Wageningen UR Greenhouse Horticulture, een toonaangevend instituut op het gebied van plantenonderzoek en de Sectie Milieutechnologie van Wageningen Universiteit en Researchcentrum een leidende groep op het gebied van de MFC. Beide groepen hebben een bewezen talent om innovatieve technologie naar de markt te brengen. Spin-off uit dit project is Plant-e B.V. (
[email protected]) De belangrijkste conclusies en aanbevelingen vanuit dit project worden in dit rapport gegeven. De Plant-MFC levert in het laboratorium gelijkwaardige hoeveelheid stroom als bestaande biomassa elektriciteit systemen. Verder onderzoek en ontwikkeling is nodig voor grootschalige toepassing in de praktijk mogelijk is. Details betreft de experimenten zijn terug te vinden via openbaar toegankelijke publicaties zoals aangegeven in hoofdstuk 6. 4
3
Beschrijving
van
de
behaalde
resultaten,
de
knelpunten en het perspectief voor toepassing 3.1
Plant Microbial Fuel Cell
De Plant Microbial Fuel Cell (Plant-MFC) is een technologie die op basis van een nieuw principe het mogelijk maakt direct elektriciteit of biofuels (H2, CH4 of ethanol) te ontrekken aan een plant, zonder dat deze geoogst hoeft te worden. De technologie heeft de potentie om per oppervlakte eenheid grond een 8x hogere netto energie opbrengst te realiseren dan conventionele bio-energie systemen. De basis van de Plant-MFC technologie is de combinatie van een plant die organisch stof produceert en een MFC die deze uitgescheiden organische stof verwerkt tot de gewenste energiedrager. De Plant-MFC technologie heeft een aantal karakteristieken dat het mogelijk maakt om op een duurzame en efficiënte manier energie te produceren. De volgende karakteristieken zijn van belang: 1.
2. 3. 4.
5.
6. 7.
De technologie is gebaseerd op een planten groei systeem met significant lagere input van energie voor bewerking en transport. Doordat de planten niet geoogst hoeven te worden kunnen nutriënten ter plaatse hergebruikt worden. Door het lage verbruik van energie en nutriënten kan dit systeem een significant hogere netto meeropbrengst en CO2 reductie realiseren; De technologie heeft een hoge landschappelijk inpasbaarheid vanwege het gebruik van planten; De technologie produceert 24 uur per dag energie en kan tevens als een batterij functioneren; De technologie zal niet direct concurreren met voedsel landbouw omdat de technologie toegepast kan worden in gebieden die niet geschikt zijn voor voedsel landbouw, bv. moerassen of brakke delta’s; Doordat gebruik wordt gemaakt van een MFC is de technologie efficiënt en flexibel in zijn producten, zowel elektriciteit, H2, CH4 en ethanol horen tot de mogelijkheden; Productie is in-situ en gedecentraliseerd; De technologie is een aanvulling op de huidige duurzame energie systemen en concurreert niet met conventionele biomassa-energie doordat ondergronds de exudaten worden gebruikt en gewassen behouden blijven.
De technologie is dus een volledig geïntegreerde in-situ bioraffinage keten, die door zijn hoge mate van integratie een zeer hoge opbrengst bereikt. Het systeem
(Figuur 1) is gebaseerd op het feit dat levende planten door fotosynthese zonneenergie omzetten in energetische biomassa zoals eiwitten, suikers, zetmeel celllulose en lignine. Van de netto vastgelegde koolstof (CO2 uit de lucht) wordt doorgaans een fractie van 40 tot 60 % naar de wortels getransporteerd (Lynch, 1990).
Figuur 1. Model van de Plant-MFC met elektriciteit productie.
6
3.2
Resultaten en knelpunten
Dit onderzoek werd uitgevoerd door Wageningen UR business unit Glastuinbouw een toonaangevend instituut op het gebied van plantenonderzoek en de Sectie Milieutechnologie van Wageningen Universiteit en Researchcentrum een leidende groep op het gebied van de MFC. Beide groepen hebben een bewezen talent om innovatieve technologie naar de markt te brengen. Hieronder volgt een opsomming van de belangrijkste resultaten en knelpunten. Details betreft de experimenten zijn terug te vinden via openbaar toegangkelijke publicaties. De gemiddelde Plant-MFC stroomopbrengst is mede door dit project toegenomen van 1,3 GJ/ha/jaar naar 70 GJ/ha/jaar (1, 2) Dit project heeft niet geheel de technische doelstelling behaald om een opschaalbaar prototype van de Plant Microbial Fuel Cell te realiseren met een netto energieopbrengst van 160 GJ per hectare per jaar. De prototypes die zijn gerealiseerd
zijn
opschaalbaar.
De
hoogste
stroom
opbrengsten
in
het
laboratorium van Wageningen Universiteit was gemiddeld 70 GJ/ha/jaar en maximaal 126 GJ/ha/jaar (3). Dit is bijna de technische doelstelling. Theoretisch is er op verschillende vlakken verbetering mogelijk om een hogere stroom productie te realiseren. Een opbrengst van 500 GJ/ha/jaar is theoretisch haalbaar(4). Verder onderzoek moet aantonen welke opbrengst in de praktijk haalbaar is. Exudaten kunnen significant bijdragen aan stroomproductie in PlantMFCs (5) Berekeningen tonen aan dat de maximale exudatenstroom onder optimale condities maximaal dus 2-3% bedragen; een voorzichtiger schatting komt uit op 0.1-1%. Dit komt neer op ca. 30 – 300 GJ per ha. per jaar. Hiermee wordt aangetoond dat exudaten een significante bijdrage kunnen leveren aan de stroomproductie. Stroomproductie met tomaten- en kommkommerplanten in kassen is mogelijk (6) Experimenten hebben aangetoond dat tomaten planten in een bovengronds Plant-MFC systeem stroom produceren. De stroom productie is gelimiteerd door substraat beschikbaarheid. Het lage rendement maakt commerciële toepassingen op korte termijn niet interessant.
Elektrochemisch actieve micro-organismen hebben concurrentie van andere micro-organismen; deze concurrentie is in theorie deels te reduceren (7). In de Plant-MFC zijn naast de anode verschillende alternatieve elektronen acceptoren
aanwezig.
Dat
zijn
zuurstof,
nitraat,
sulfaat,
CO2
welke
(bio)chemische kunnen worden gereduceerd. Microbiologische karakterisatie gecombineerd met thermodynamische groei opbrengst berekeningen geven aan dat sulfaat reduceerders en deels de methanogen kunnen worden beconcurreerd. Met aerobe organismen kan niet worden geconcurreerd. Denitrificatie kan worden beconcurreerd door het wegnemen van nitraat in het groeimedium (7). Welk deel van de beschikbare electron donoren wordt geoogst is onbekend. Middels koolstof labellen i.s.m. modeleren is hier verder inzicht in te krijgen. Dode wortels zijn waarschijnlijk een belangrijk substraat voor de elektrochemisch actieve micro-organismen in de Plant-MFC (7) Levende planten verliezen zuurstof via de wortels in de anode van de PlantMFC. Door zuurstofmetingen en een Plant-MFC model te combineren is voorspeld dat alle exudaten kunnen worden geconsumeerd door biologische of chemische
zuurstof reductie. Stroom productie
is
daarom wellicht
afhankelijk van de aanwezigheid van dode wortels die worden afgebroken door
(mogelijk
o.a.
electrochemische
actieve)
bacteriën
(8).
Verder
gedetailleerd onderzoek moet uitwijzen waar de stroom door wie wordt geproduceerd en geconsumeerd. De interne weerstand van de Plant-MFC bestaat voornamelijk uit anode en membraan weerstand (7) De interne weerstand van de anode en cathode zijn het gevolg van massa transport verschijnselen in het systeem. Bij hogere stroomdichtheden neemt de interne weerstand toe. Door gebruik te maken van alternerende cathodes kan de interne weerstand worden beperkt (8). Daarbij moeten anodes en cathodes zo goed mogelijk worden geïntegreerd om zo laag mogelijke weerstanden te realiseren. De anode weerstand is wellicht het resultaat van lokale proton ophoping en/of substraat limitatie. De ondergrondse Plant-MFC is heden de meest belovende Plant-MFC technologie (2, 4) Laboratorium resultaten en berekeningen geven aan de dat de Plant-MFC het meest belovende Plant-MFC systeem is. Deze Plant-MFCs hebben nu de hoogste stroomopbrengst (3) en Plant-MFCs hebben in theorie een hogere stroomopbrengst dan algen-MFC systemen (4). 8
Plant-MFC prototypes produceren in de pilot situatie een mobiele telefoon deels opladen (9) Plant-MFCs zijn in principe opschaalbaar. Zowel modules als buis systemen kunnen in theorie worden opgeschaald. De Plant-MFC modules die nu door Plante worden doorontwikkeld en opgeschaald kunnen een mobiele telefoon opladen. EOS-LT project Planten maken elektriciteit & biofuels is succesvol Door de behaalde resultaten aan stroomoutput, wetenschappelijke kennis en valorisatie via de spin-off Plant-e spreken wij van een succesvol project.
3.3
Perspectief voor toepassing
Perspectief Indien de Plant-MFC met de huidige stroomproductie in het Markermeer is geïmplementeerd, dan kan voldoende stroom gegeneerd worden voor 390,000 huishoudens. Amsterdam kent ruim 400,000 huishoudens; dus met een wat zuiniger stroomverbruik in de toekomst, dan kan het Markermeer voorzien in het stroomverbruik van Amsterdam. De Plant-MFC is daarmee een serieuze technologie die daadwerkelijk een grote bijdrage aan schone groene stroom kan leveren. Fundamenteel onderzoek naar de mechanismes in Plant-MFC vereist (4) Dit EOS-LT onderzoek heeft aangetoond dat de stroomopbrengst van de PlantMFC serieus is. De stroom productie efficiëntie is reeds gelijkwaardig aan de huidige groene stroom productie uit houtsnippers of biomassa vergisting. Door fundamenteel onderzoek naar de onderliggende principes en aansluitende technologische ontwikkeling en procescontrole kan de stroomproductie verder worden verhoogd. Duurzaamheid en economische analyse nodig De Plant-MFC is een duurzaam concept. Het is schoon en er zijn geen toxische catalysatoren nodig. Eerste kosten berekeningen tonen aan dat de plant-MFC nu reeds
aantrekkelijk
is
voor
sensor
en/of
LED
technologie
(7).
Verdere
duurzaamheid en economische analyses zijn nodig. Hiermee kan worden vastgesteld welke materialen geschikt zijn en kan getoetst worden wanneer de technologie economisch haalbaar is.
4
Beschrijving van de bijdrage van het project aan de doelstellingen van de regeling
4.1
De bijdrage aan een duurzame energiehuishouding
De Plant-MFC technologie is een volledig geïntegreerde in-situ bioraffinage keten, die door zijn hoge mate van integratie een zeer hoge opbrengst bereikt. De conventionele bioraffinage waarin na winning via verschillende ontsluitingen en conversie stappen het product wordt gemaakt, wordt hier gecombineerd in één technologie.
Onze
technologie
noemen
wij
daarom
niet-conventionele
bioraffinage, een nieuw gebied dat éénduidig gepositioneerd kan worden binnen het EOS-Biomassa onderzoeksterrein. De Plant-MFC technologie geeft een oplossing voor de centrale vraagstelling; hoe kan bioraffinage significant efficiënter. Onderstaande figuur (overgenomen uit het onderzoeksvoorstel) geeft een vergelijking van onze doelstellingen en conventionele biomassa electriciteits systemen. De Plant-MFC behaald nu over langere periodes overeenkomstige stroom opbrengsten als conventionele methodes. Daarmee is in een kort tijdsbestek een grote stap gemaakt in verbetering alsook kennis realisatie. Indien de kosten en duurzaamheid van de Plant-MFC ook aantrekkelijk zijn dan kan de Plant-MFC op lange termijn een bijdrage gaan leveren aan een duurzame energiehuishouding in Nederland. Bijvoorbeeld, indien het markermeer (700 km2) wordt ingericht met Plant-MFC technologie met de huidige stroom opbrengst van 70 GJ/ha/jaar, dan is dat voldoende voor 390,000 huishoudens (3,500 kWh/huishouden per jaar).
500
Plant MFC - Theoretisch haalbaar Plant MFC - Lange Termijn Doelstelling Vergisting - Verbranding Vergassing (67 - 85)
160 76
Netto energie opbrengst [GJ / ha . jaar]
Vergelijking van netto energie opbrengsten van Plant MFC met conventionele bio-energie systemen voor Noordwest-Europa.
10
De
Plant-MFC
is
een
nieuwe
technologie
die
wereldwijd
(nog)
nergens
geïmplementeerd is in de praktijk. Dit project was gericht op een technologische doorbraak van de Plant-MFC voor elektriciteit & biofuels productie. De innovatie ligt zowel in de integratie van Plantenwetenschappen en Milieutechnologie als in de toepassing van de MFC technologie, een innovatieve technologie op zichzelf. Voor Nederland is dit onderwerp interessant, zowel op het gebied van de Plantenwetenschappen, en de Milieutechnologie is ons land vooraanstaand. Ons land heeft op deze gebieden vooraanstaande bedrijven. Een prototype is noodzakelijk voor verdere investeringsprojecten in samenwerking met het bedrijfsleven. Dit project heeft wereldwijd het eerste proefschrift opgeleverd geheel toegewijd aan de Plant-MFC (7). Het explorerende onderzoek heeft geleid tot verschillende doorbraken die o.a. i.s.m. het Europese onderzoeksproject PlantPower zijn gerealiseerd. Zo is de lange termijn (minimaal 2 weken) stroomproductie 50 keer zo hoog dan tijdens de eerste proof-of-principle is gemeten. De opbrengst is nu 0,222 W/m2 oftewel 70 GJ/ha/jaar (3). Korte termijn (10 minuten) maximale stroom productie is 0,4 W/m2 oftewel 126 GJ/ha/jaar (3). De doorbraken zijn met name gerealiseerd door de electrochemische en technologische kennis opgedaan in dit project.
De behoefte aan duurzame biomassa energie is aanwezig; en waar behoefte is komt aanbod. Bij toepassing van de Plant-MFC blijft het landschap behouden. Doordat de Plant-MFC ondergronds gesitueerd is kunnen bovengrondse functies grotendeels blijven bestaan. Voorzien was dat de technologie Plant-MFC eerst decentraal worden geïmplementeerd. Dit lijkt ook uit te komen. Op dit moment wordt aan de eerste pilot gewerkt van het groen elektriciteitsdak. dan
de
basis
voor
verdere
kennis
ontwikkeling
en
overdracht
worden
gewaarborgd. Verder fundamenteel wetenschappelijk onderzoek is nodig om de volledig potentieel aan stroom productie middels Plant-MFC te gebruiken.
4.2
De versterking van de kennispositie van Nederland
Vanuit internationaal perspectief zijn beide onderzoekspartners tezamen met de spin-off Plant-e nu wereldwijd toonaangevend op het gebied van Plant-MFC onderzoek en valorisatie. Wageningen Universiteit – Sectie Milieutechnologie heeft nu de meest peer reviewde papers gepubliceerd op het gebied van de Plant-MFC. Hiermee hebben we in Nederland een sterke kennispositie opgebouwd en kunnen we o.a. i.s.m. Europese
partijen de technologie
verder ontwikkelen en
valoriseren. De opgedane kennis van dit project wordt verspreid via zowel wetenschappelijke als reguliere media. Kennis wordt verspreid via symposia, papers, presentatie en een proefschrift. Deze kennis is merendeels vrij toegankelijk via het internet. Oa. De website www.plantpower.eu verzorgd verspreiding van kennis. Ook heeft dit project en het Europese PlantPower project veel aandacht in de media. Nationale kranten (FH, AD, Trouw, Volkskrant, NRC next, ect), populaire wetenschappelijke
bladen
(o.a.
Kijk,
New
Scientist)
en
radio
(BNR,
Wereldomroep) hebben over de technologie gepubliceerd. Dit heeft geleid tot vele reacties en bekendheid bij zowel het bedrijfsleven, de onderzoekswereld als mede de gewone consument.
12
5
Spin off binnen en buiten de sector
Tijdens dit project is spin-off bedrijf Plant-e opgericht. Plant-e werkt aan de wereldwijde implementatie van de Plant-MFC technologie. De technologie bestaat uit de plant die organische stof uitscheidt in de bodem, die vervolgens door natuurlijk
voorkomende
bacteriën
wordt
omgezet
in
elektriciteit.
Plant-e
ontwikkelt deze vinding in opschaalbare modules van 1 m2 en heeft in 2011 een 25 m2 groot pilotproject gebouwd op het groene dak van het NIOO (Nederlands instituut voor ecologisch onderzoek) te Wageningen. Mede op basis van deze pilot zal Plant-e, tezamen met strategische partners, deze unieke bron van energie commercialiseren. Het pilot-project zal bovendien dienen als een demonstratie-site voor deze schone groene stroom technologie.
Meer info op: www.plant-e.com of
[email protected]
6
Overzicht van openbare publicaties
Timmers R.A. PhD thesis 2012 Living plants generate electricity in plant microbial fuel cells: http://edepot.wur.nl/209871 Annemiek ter Heijne. PhD thesis 2010. Improving the cathode of a Microbial Fuel Cell for efficient electricity production http://edepot.wur.nl/156877 Proceedings of 1st PlantPower symposium in Gent: www.plantpower.eu/index.php?option=com_docman&task=doc_download &gid=31&Itemid=26 Strik, D.P.B.T.B., Hamelers, H.V.M., Buisman, C.J.N. Solar energy powered microbial fuel cell with a reversible bioelectrode (2010) Environmental Science and Technology, 44 (1), pp. 532-537 http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/es902435v (niet gratis beschikbaar). Strik, D.P.B.T.B., Ter Heijne, A., Hamelers, H.V.M., Saakes, M., Buisman, C.J.N. Feasibility study on electrochemical impedance spectroscopy for microbial fuel cells: Measurement modes & data validation (2008) ECS Transactions, 13 (21), pp. 27-41. http://www.microbialfuelcell.org/Publications/WUR/Strik%20etal.%20EIS %20MFC%202008.pdf Strik, D.P.B.T.B., Terlouw, H., Hamelers, H.V.M., Buisman, C.J.N. Renewable sustainable biocatalyzed electricity production in a photosynthetic algal microbial fuel cell (PAMFC) (2008) Applied Microbiology and Biotechnology, 81 (4), pp. 659-668. http://www.microbialfuelcell.org/Publications/WUR/Strik_PAMFC_2008.pdf
Meer info via:
www.plant-e.com www.plantpower.eu
14
7
Referenties
1.
D. P. B. T. B. Strik, H. V. M. Hamelers, J. F. H. Snel, C. J. N. Buisman, Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell. International Journal of Energy Research 32, 870 (2008). B. Hamelers, The PlantPower project. Communications in agricultural and applied biological sciences 76, x (2011). M. Helder, D. P. Strik, H. V. Hamelers, C. J. Buisman, Year round performance of the flat-plate plantmicrobial fuel cell. Communications in agricultural and applied biological sciences 76, 55 (2011). D. P. B. T. B. Strik et al., Microbial solar cells: applying photosynthetic and electrochemically active organisms. Trends in Biotechnology 29, 41 (2011). G. Neumann, Rhizodeposition--an overview. Communications in agricultural and applied biological sciences 76, 3 (2011). R. Khodabaks, C. Blok, C. van den Berg, J. Snel, Plant - Microbiele Brandstofcel (MFC): exudate productie : het optimaliseren van wortelexudatie met een split-root systeem. (Wageningen UR Greenhouse Horticulture, Bleiswijk, 2009). R. A. Timmers, Wageningen University (2012). R. A. Timmers, D. P. Strik, C. Arampatzoglou, H. V. Hamelers, C. J. Buisman, Radial oxygen loss decreases available substrate for electrochemically active bacteria in a PMFC. Communications in agricultural and applied biological sciences 76, 79 (2011). C. Williams, “Power plants: Grow your own electricity,” New Scientist, 2012.
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Foto van Dr. Ruud Timmers gedurende zijn Plant-MFC onderzoek.
“Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie, regeling EOS: Lange Termijn uitgevoerd door Agentschap NL.”
