Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

Kontakt

Prof. Dr. Michael Sievers

Clausthaler Umwelttechnik-Institut GmbH (CUTEC-Institut)
Leibnizstr. 21+23
38678 Clausthal-Zellerfeld

Tel.: +49 5323 933-243
michael.sievers@cutec.de

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Logo BioBZDie bio-elektrochemische Brennstoffzelle als Baustein einer energieerzeugenden Abwasserbehandlungsanlage

Hintergrund

Aufgrund der Möglichkeit der Eigenstromerzeugung und bei konsequenter Senkung des Stromverbrauchs insbesondere durch Reduzierung des Belüftungsenergieaufwandes können kommunale  Abwasserbehandlungsanlagen prinzipiell zu Nettolieferanten regenerativer Energien umgewandelt werden. Hierzu sind allerdings noch erhebliche Entwicklungsschritte erforderlich, aber auch grundsätzliche Fragen zu klären im Zusammenhang mit der Reinigungsleistung und den Möglichkeiten einer technischen Integration auf Abwasserbehandlungsanlagen. Mit dem Verbundvorhaben wird ein neuartiger Systemansatz verfolgt, der einen substanziellen Beitrag für die Energiewende in der Abwasserbehandlung leisten könnte. Der Ansatz beinhaltet eine Brennstoffzelle, die mit Abwasser beschickt wird und Mikroorganismen als Biokatalysatoren nutzt, um elektrische Energie durch biologischen (Teil-)Abbau organischer Abwasserinhaltsstoffe zu erzeugen.

Funktionsprinzip der bio-elektrochemischen Brennstoffzelle

Abb. 1: Funktionsprinzip der bio-elektrochemischen Brennstoffzelle

Ziele

Gesamtziel ist die Entwicklung, Untersuchung und Bewertung einer bio-elektrochemischen Brennstoffzelle (BioBZ) im Pilotmaßstab. Weitere Ziele sind

(a) nachzuweisen, dass eine Netto-Stromproduktion möglich ist und

(b) festzustellen, inwieweit ein solches System auf einer Kläranlage integriert werden kann und welche Auswirkungen es auf den Kläranlagenbetrieb haben könnte.

Darüber hinaus soll der Abbau von ausgewählten Mikroschadstoffen untersucht werden. Ergänzende Untersuchungen betreffen die Entwicklung und Bewertung einer bio-elektrochemischen Elektrolyse zur Wasserstoffproduktion als Alternative zur Stromproduktion.

Arbeitsschwerpunkte

(1) Entwicklung von Elektroden, Elektrodenstack und Gesamtsystem Bio-Brennstoffzelle

Die Arbeitsziele betreffen die Optimierung von Aufbau, Materialien und Form der Elektroden und des Diaphragmas sowie die prinzipielle Anordnung und Verschaltung von Zellpaaren.

(2) Optimierung von Elektrodenmaterial, Elektrodenaufbau, Komponenten- und Stackdesign

Es werden weitergehende Optimierungen bezüglich Form, Material und Aufbau von Elektroden, Elektrodenstack und Komponenten unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Fertigungs- und Montagemöglichkeiten angestrebt. Weiteres Ziel ist die Etablierung eines Standards für eine reproduzierbare Produktqualität von Elektroden und Komponenten. Es sollen materialtechnische, elektrochemische und biochemische Analysemethoden entwickelt und angepasst werden, um die Qualität der hergestellten Elektroden und Komponenten zu bewerten und gegebenenfalls zu verbessern.

(3) Optimierung der Reinigungsleistung bei gleichzeitiger Strom-/Wasserstoffgewinnung

Dieses Arbeitsziel betrifft die Verbesserung der Effizienz der Brennstoffzelle in Bezug auf den CSB-Abbau im Verhältnis zur Strom-/Wasserstoffgewinnung. Auch Fragen zum Einfluss auf die  Nährstoffelimination werden untersucht. Über systematische Untersuchungen sind die verschiedenen Einflussgrößen (z. B. Abwasserzusammensetzung, Material, Strömungsbedingungen, Biofilmaufbau etc.) abzuklären und Betriebsbedingungen sowie Materialeigenschaften dahingehend zu optimieren, dass möglichst viel Strom bzw. Wasserstoff pro abgebauter CSB-Einheit gewonnen und der Klärwerksbetrieb nicht gestört wird. Ein wichtiger Aspekt ist auch das Scale-up von kleineren auf größere Komponenten sowie die Serien- und Parallelschaltung von Zellpaaren.

(4) Untersuchungen zum Abbau von Mikroschadstoffen und zur Bildung von Abbauprodukten

Über einen Vergleich mit konventionellen Nachweismethoden für biologische Eliminationsverfahren und einer Massenbilanzierung über Radiotracer-analytische Methoden soll der Nachweis des Abbaus von Mikroschadstoffen für eine gezielte Auswahl von pharmazeutischen Wirkstoffen und anderen Mikroschadstoffen erbracht werden. Die Auswahl repräsentiert sowohl Stoffe, die bisher als biologisch abbaubar gelten als auch solche, die als nicht biologisch abbaubar angesehen werden. Die Problematik der Transformationsproduktbildung wird über geeignete interne und externe Analysemethoden untersucht.

(5) Bewertung des Anwendungspotenzials

Durch Entwicklung, Herstellung, Installation und Betrieb einer Pilotanlage auf einer kommunalen Kläranlage wird eine Datenbasis für eine praxisnahe Bewertung des Anwendungspotenzials aus abwasserreinigungstechnischer, betriebswirtschaftlicher, betriebstechnischer und umweltrelevanter Sicht geliefert. Für die Kläranlagen-Größenklassen 1 bis 5 wird das Anwendungspotenzial abgeschätzt.

(6) Kommunikation der neuen Technik und Verbreitung der Ergebnisse

Neben den üblichen Kommunikationsmitteln wie z.B. Projektwebsite, Newsletter, Film, Vorträge, Messeveranstaltungen etc. sind zwei zusätzliche von DWA und  DECHEMA organisierte Workshops sowie ein experimentell zu betreibendes Exponat vorgesehen.

Struktur und Verknüpfung der Arbeitspakete (AP) bei BioBZ

Abb. 2: Struktur und Verknüpfung der Arbeitspakete (AP) bei BioBZ

Weitere Informationen

>> zu den Arbeitspaketen

>> zur Homepage des Verbundes