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Beitrag von Eva Augsten

27. November 2022

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H2 – und Stromerzeugung mit Hilfe von Mikroorganismen

Bakterien in der Pilotanlage mindestens 4 bis 5 kg Wasserstoff täglich produzieren. Hinzu kommt eine etwas kleinere Menge CO2. Methan wird dort kaum entstehen: Die entsprechenden Organismen, die in Biogasanlagen dominieren, haben wegen des pH-Werts deutlich unter 6 und der Temperatur von fast 60 °C im Wasserstoff-Fermenter keine Chance.

Abb. 3: Der kleine Pilot-Fermenter (hier liegend) aus dem Projekt HyPerFerment II steht mittlerweile neben einer Biogasanlage in Brandenburg. Mikroben sollen darin einen Teil des Substrats in Wasserstoff umwandeln.

Fermenter-Hyperferment2.jpg

Quelle: MicroPro

Für die Betreiber von Biogasanlagen soll die Wasserstofferzeugung ein Zusatzgeschäft mit geringem Aufwand sein. Nur etwa drei bis zehn Tage soll das Substrat im H2-Fermenter bleiben. Das ist etwa ein Zehntel der Verweildauer von üblichen Biogasanlagen – entsprechend kleiner kann die Anlage ausfallen.

Aus einem Kilogramm Maissilage produzierten die Bakterien im Labor etwa 100 Liter Wasserstoff, bei Weizenkleie war es etwas weniger. Wenn man alle Biogasanlagen in Deutschland mit einem H2-Fermenter kombinieren würde, könnte man nur wenige Prozent des zu erwartenden Wasserstoffbedarfs damit decken.

Es geht also auch bei großer Skalierung um eher kleine Mengen Wasserstoff. Nutzen könnte man diesen zum Beispiel lokal für landwirtschaftliche Maschinen oder Lkw. Wenn in zwei oder drei Jahren ein Pilotprojekt im größeren Maßstab anläuft, könnte daher auch eine kleine Wasserstofftankstelle dazugehören. Zunächst soll aber in der aktuellen Testanlage der Wasserstoff angereichert und in die Biogasanlage eingespeist werden, so dass die Organismen dort mehr Methan produzieren.

Mikrobielle BZ: Elektronen aus dem Abwasser

An der Kläranlage Châteauneuf-Sitten haben Forschende der Fachhochschule Westschweiz-Wallis (HES-SO Valais-Wallis) in Sitten kürzlich den Test einer 1.000 Liter großen mikrobiellen Brennstoffzelle abgeschlossen. Mit 64 einzelnen Zellen und 14 Metern Gesamtlänge handelt es sich dabei nach Angaben der Fachhochschule um das bisher längste mikrobielle Brennstoffzellensystem der Welt (s. Abb. 1).

Auf den Elektroden aus Kohlenstoffschaum siedeln sich etwa zehn verschiedene Mikrobenarten an, die von Natur aus im Abwasser vorkommen. Sie zerlegen dort die verdaubaren Bestandteile, ganz ähnlich wie es im Belebtschlammbecken einer normalen Kläranlage geschieht. Der Unterschied: In ein gewöhnliches Belebungsbecken wird mit hohem Energieaufwand Luft eingeblasen, denn die Bakterien benötigen Sauerstoff. Dieser dringt in die Zellen ein und nimmt dort Elektronen auf.

Mikroben in der Bio-Brennstoffzelle geben stattdessen direkt Elektronen an die Anode ab. „Es ist eine Art externe Atmung. Als es in der Erdatmosphäre noch keinen Sauerstoff gab, haben Bakterien auf diese Weise Elektronen zum Beispiel an oxidiertes Vulkangestein abgegeben “, sagt Fabian Fischer, Professor für Chemische Biotechnologie an der HES-SO Valais-Wallis. Die mikrobielle Brennstoffzelle erzeugt daher nicht nur Strom, sondern spart auch Energie, indem sie die Belüftung des Beckens überflüssig macht.

Von der Anode fließen die Elektronen zur Kathode – es entsteht ein elektrischer Strom. Die gleichzeitig anfallenden Wasserstoffionen diffundieren durch die Protonen-Austausch-Membran zur Kathodenseite. Dort treffen Elektronen und Protonen auf den Luftsauerstoff und reagieren zu Wasser.

Das Potenzial für die Technologie ist groß – sowohl für die Abwasserreinigung als auch für die Stromerzeugung. In den Kläranlagen kleinerer Städte mit bis zu 10.000 Einwohnern könnte eine Biobrennstoffzelle die herkömmliche Behandlung im Belebungsbecken komplett ersetzen. Der potenzielle Stromertrag liegt bei 0,2 kWh pro Einwohner und Tag. Dafür müssten die Bakterien etwa 25 Prozent der verdaubaren Masse im Abwasser in nutzbaren Strom umsetzen. Die Pilotanlage kam bisher auf sechs bis zwölf Prozent. In der nächsten Projektphase soll neben dem Wirkungsgrad auch die Leistung der Zellen steigen – bei gleicher Baugröße sollen Durchfluss und Stromerzeugung auf das Doppelte wachsen. Auch Industriepartner sollen dabei mit im Boot sein, werden bislang aber noch nicht namentlich benannt.

Autorin: Eva Augsten

Kategorien: 2022 | Allgemein
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