POWERFILM: Desarrollo de baterías biológicas basadas en transductores bacterianos de estado sólido
En los últimos años, el gran avance tecnológico ha impactado enormemente a las sociedades, colectivos e individuos tanto en los países desarrollados, como también, aunque en menor medida, en los países en vías de desarrollo. Ya podemos encontrar un gran número de dispositivos electrónicos capaces de comunicarse entre ellos y actuar sin necesidad de intervención humana, dando lugar al modelo de Industria 4.0, ciudades inteligentes, agricultura de precisión, o al concepto de IoT (del inglés Internet of Things), entre otros. Todos estos sistemas autogestionados e inteligentes requieren de un gran número de sensores, actuadores y sistemas de comunicación para poder llevar a cabo las funciones por las que han estado diseñados. Esto implica la necesidad de implementar sistemas de aporte energético deslocalizado, que permitan alimentar estos dispositivos sin comprometer su funcionalidad, sostenibilidad, tamaño, peso y coste, así como su impacto medioambiental.
Las baterías químicas son la solución de almacenamiento de energía más comúnmente empleada en dispositivos IoT de comunicación y lectura de datos deslocalizados. Son sistemas pequeños fáciles de integrar dentro de la estructura de los dispositivos IoT y suelen ser bastante económicos, por lo que cumplen varios de los requisitos anteriores. No obstante, tienen un tiempo de vida útil muy corto, y deben reemplazarse al menos cada 12 meses, lo que no los hace muy atractivos en el caso de dispositivos implementados en espacios remotos o de difícil acceso. Además, la fabricación de baterías químicas genera un alto consumo de energía y una contaminación considerable (3,60 kg de CO2 son producidos por un reactor de carbón alimentado con LHV Carbon para 1 KWh de energía eléctrica utilizable). También presentan grandes problemas de contaminación ambiental ya que, durante su tiempo de operación, es frecuente que sufran problemas de lixiviación de compuestos tóxicos debido a la corrosión de las propias baterías. Finalmente, la eliminación de las baterías química también tiene gran impacto medioambiental ya que implica el uso de productos químicos tóxicos.
A pesar de esto, no existe una alternativa óptima a las baterías químicas en el mercado actual. Los paneles solares, por ejemplo, a menudo se han propuesto como la fuente de energía sostenible más adecuada. Sin embargo, hoy en día continúan siendo sistemas de generación de energía costosos, tanto a nivel de adquisición, como de instalación. Además, requieren un mantenimiento constante y considerable, lo que repercute en unos altos costes de operación. Otras alternativas basadas, por ejemplo, en sistemas piezoeléctricos, aun son más caras y presentan grandes problemas de durabilidad y fiabilidad.
En este sentido, BIOO lleva años explorando el concepto de producir “Electricidad de la Naturaleza” mediante el desarrollo de biobaterías capaces de producir energía a partir únicamente de la materia orgánica y bacterias presentes en el suelo. Esta tecnología, a pesar de ser prometedora, tiene retos relevantes a afrontar, como la obtención de un nivel de voltaje adecuado y una eficiente generación de energía de forma continua, estable y autónoma. Sin embargo, el principal desafío subyacente de sacar estas tecnologías del laboratorio ha sido la diferencia en el comportamiento bacteriano en campo debido a la alteración de las condiciones ambientales en su transferencia a un ambiente real. Una posibilidad para minimizar este problema consistiría en desarrollar sistemas en los que las bacterias encontraran con unas condiciones similares a las del laboratorio (por ejemplo tipo de suelo, nutrientes, etc.), independientemente del punto en el que se implementara la pila. Este concepto ha sido ya desarrollado e implementado por BIOO. Otro gran problema de las baterías biológicas basadas en microorganismos reside en su tiempo de arranque (start-up time). En las baterías biológicas convencionales las bacterias colonizan el ánodo formando un biofilm bacteriano donde una gran cantidad de bacterias generan la energía de la pila. Este proceso es lento (puede tardar meses) e irregular, implicando la presencia de bacterias con más y menos capacidad de producir energía. Y es precisamente en este punto en el que el proyecto POWERFILM propone una alternativa innovadora para la nueva generación de baterías biológicas para sistemas IoT.
El proyecto POWERFILM tiene como objetivo principal el desarrollo de una batería biológica sostenible de bajo coste y alta eficiencia energética basada en celdas de combustible microbianas de tipo suelo capaz de abastecer dispositivos electrónicos de bajo consumo, a través de la materia orgánica y microorganismos del suelo. Estas biobaterías funcionarán mediante la deposición controlada de una biopelícula electrogénica conductora con bacterias inmovilizadas que permitirá una transferencia directa de electrones más rápida, eficiente y controlada. Esto permitirá superar los factores relacionados con el crecimiento natural del biofilm anteriormente comentados, y que afectan al rendimiento general de la biobatería.
Funding agency: ACCIÓ
Reference: ACE053/22/00010
Period: 22/07/2022 - 26/07/2025
P.I. at IMB-CNM: Xavier Muñoz Berbel
Amb el suport d'ACCIÓ
