15 März 2016

Biostrom aus Abwasser

Bakterium und Abwasser im Verbund - so verheißungsvoll wie ungewöhnlich

Weltweit arbeiten Wissenschaftler an der Entwicklung neuer Technologien, um saubere Energie zu erzeugen. Das Team um Sven Kerzenmacher vom Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg setzt dabei auf eine so ungewöhnliche wie erfolgversprechende Kombination: Abwasser und Bakterien.

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Dr. Sven Kerzenmacher und Joana Danzer © Baden-Württemberg Stiftung / Sebastian Schulz

Auch wenn der momentan niedrige Erdölpreis es nicht vermuten lässt: Die Reserven an fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Kohle sind endlich. Und da auch die Weltbevölkerung stetig weiterwächst – und damit der Bedarf an Energie – werden neue Technologien benötigt, die CO2-neutrale, saubere Energie erzeugen. Sonne, Wind und Energiepflanzen allein können das Weltenergieproblem nicht lösen. Als vielversprechende neue Ressourcen gelten heute Algen und Bakterien.

Das Team um Sven Kerzenmacher vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg nutzt dabei eine Ressource, die bislang nicht als solche galt: Abwasser. „Theoretisch reicht es aus, zwei Elektroden ins Abwasser einer Kläranlage zu halten: Nach einer Weile siedelt sich ein Biofilm an, mit dem man aus der Brühe Strom machen kann“, sagt Kerzenmacher.

Abwasser als Energiequelle

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- Zoom - Filtrierende, mikrobielle Brennstoffzelle: Eine bakterielle Brennstoffzelle besteht aus zwei Kompartimenten, die durch eine Protonenaustauschmembran oder einen Separator voneinander getrennt sind. Verwerten Bakterien die Bestandteile des Abwassers, entstehen Kohlenstoffdioxid, Elektronen und Protonen. Die Protonen gelangen durch den Separator zur Kathode, während die Elektronen zur Anode gezogen werden. Fließen diese Elektronen von der Anode über einen Draht zur Kathode, entsteht technisch nutzbarer, elektrischer Strom.

Der Strom entsteht wie bei einer herkömmlichen Brennstoffzelle, also indem chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die im Abwasser schwimmenden organischen Bestandteile dienen den Bakterien als Futterquelle. Wie bei allen Lebewesen, die Nahrung verwerten, fließen dabei Elektronen. Die Freiburger Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, diesen Elektronenfluss anzuzapfen, und gewinnen damit Strom. „Die Bakterien fungieren als Katalysator. Nur sind sie wesentlich günstiger als zum Beispiel Platin in normalen Brennstoffzellen“, sagt Kerzenmacher.

Allerdings eignen sich nur wenige Bakterienarten für die Stromerzeugung: „Sie müssen in der Lage sein, ihre Elektronen direkt auf eine Elektrode zu übertragen“, sagt Kerzenmacher. Zum Beispiel auf eine Anode aus porösem Edelstahl oder Grafit – eine Besonderheit, die exoelektrogenen Bakterien vorbehalten ist. Die Freiburger Wissenschaftler arbeiten mit Geobacter sulfurreducens, einem Bakterium, das überall im Boden vorkommt und demzufolge auch im Abwasser. In diesen Bakterien transportieren spezielle Proteine die Elektronen aus dem Stoffwechsel über die Zellmembran nach außen, wo sie dann auf die Anode einer Brennstoffzelle übertragen werden können. Fließen diese Elektronen dann von der Anode über einen Draht zur Kathode, entsteht technisch nutzbarer, elektrischer Strom.

Doch es geht noch effektiver: Joana Danzer, Mitarbeiterin im Team von Kerzenmacher, forscht an der sogenannten filtrierenden mikrobiellen Brennstoffzelle, die das Abwasser zusätzlich noch reinigt. „Bei dieser röhrenförmigen Brennstoffzelle besteht die Anode aus einer Membran, die gleichzeitig als Filter und als Elektrode dient“, erklärt Danzer, die diese Variante während ihrer Doktorarbeit an der IMTEK-Professur für Anwendungsentwicklung entwickelte (siehe Grafik). Für ihre Arbeit erhielt sie im Oktober 2014 den Wissenschaftspreis f-cell award des baden-württembergischen Umweltministeriums.

Vom Labor in die Praxis

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Dr. Sven Kerzenmacher und Joana Danzer im Labor © Juliette Irmer

In einem nächsten Schritt will Danzer ihre Anwendung mit echtem Abwasser testen – bislang verwendet sie synthetisches. Auch müssen für beide Brennstoffzellen alternative Materialien für die Anode gefunden werden, da etwa poröser Edelstahl für eine kommerzielle Nutzung zu teuer wäre. Und langfristig wollen die Forscher die funktionierenden Miniaturformate im großen Maßstab testen. Statt Quadratzentimeter müssen schließlich einmal Quadratmeter abgedeckt werden. „Welche Probleme beim Upscaling auftreten, können wir noch nicht abschätzen“, sagt Kerzenmacher.

Auch die Stromdichte müssen die Forscher noch erhöhen. „Bislang produzieren wir etwa 1-2 Watt pro Quadratmeter, es rechnet sich aber erst ab 5-10 Watt“, sagt Danzer. Das Ziel allerdings ist nicht die Versorgung ganzer Städte. „Aber wenn wir es schaffen, dass eine Kläranlage ihren eigenen Strombedarf damit deckt, wäre schon viel gewonnen“, sagt Danzer.

Kläranlagen – der optimale Einsatzort

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Mikrobielle Brennstoffzellen © Juliette Irmer

Denn Kläranlagen sind wahre Stromfresser: Vor allem die Belüftung des Abwassers kostet Strom. Die jedoch ist unverzichtbar, da Mikroorganismen zum Reinigen des Abwassers Sauerstoff benötigen. Laut Umweltbundesamt verbrauchen Kläranlagen durchschnittlich 20 Prozent des Energiebedarfs deutscher Städte und Gemeinden und sind damit die größten kommunalen Energieverbraucher. Der jährliche Gesamtverbrauch beläuft sich auf etwa 4.400 Gigawattstunden, was einem Strombedarf von 900.000 Vier-Personen-Haushalten entspricht. Könnte man also einen Teil der benötigten Energie direkt in der Anlage herstellen, wäre das Einsparpotenzial enorm.

Die Freiburger Wissenschaftler wollen sich zunächst auf industrielle Abwässer von Brauereien oder Lebensmittelherstellern konzentrieren: „Diese sind meist stärker belastet als das kommunale Abwasser. Die Kosten für die Reinigung beziehungsweise Entsorgung sind entsprechend höher, sodass solche Betriebe sicherlich Interesse an unserer Technologie hätten“, so Kerzenmacher.

Neben der energieneutralen Abwasserreinigung existieren aber noch andere mögliche Anwendungen der mikrobiellen Brennstoffzelle: Mit einer Variante lässt sich auch Wasserstoff erzeugen. Und mit wieder einer anderen Variante könnte man indirekt Biokunststoff herstellen: Indem man Biokunststoff produzierenden Bakterien die Elektronen der Brennstoffzelle als Energiequelle zur Verfügung stellt, statt diese – wie heute üblich – mit Zucker zu füttern.

Source: BIOPRO Baden-Württemberg, Pressemitteilung, 2016-02-29.
Author: Juliette Irmer

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