Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

Kontakt

Dr. Sven Kerzenmacher

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Fahnenbergplatz
79098 Freiburg

Tel.: +49 761 203-73218
sven.kerzenmacher@imtek.uni-freiburg.de

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Logo BioMethanolNachhaltige Synthese des Energieträgers Methanol aus Abwasser

Hintergrund

Klassischerweise erfolgt die Eliminierung der organischen Kohlenstofffracht in kommunalen oder auch industriellen Kläranlagen durch bakteriellen Abbau in einer aeroben Reinigungsstufe. Dort muss das Abwasser unter beträchtlichem Einsatz elektrischer Energie aktiv belüftet werden, um die Oxidation der organischen Kohlenstoffverbindungen mittels O2-atmender Mikroorganismen zu CO2 zu ermöglichen. Die energetische Verwertung der im Abwasser vorhandenen Energie konzentriert sich dabei lediglich auf eine nachgeschaltete Vergärung des anfallenden Klärschlamms zu methanreichem Faulgas. Als alternative Technologie zur Abwasserreinigung werden derzeit mikrobielle Brennstoffzellen diskutiert, in denen sogenannte exoelektrogene Bakterien statt mit O2 als terminalem Elektronenakzeptor ihrer Atmungskette mit der Anode einer Brennstoffzelle „atmen“ (Abb.1). So kann aus Abwasser direkt elektrische Energie erzeugt und gleichzeitig auf die energieintensive Belüftung des Belebtschlamm-Beckens verzichtet werden. Wird nun zwischen Anode und Kathode eine zusätzliche Spannung angelegt, können an der Kathode statt Sauerstoff auch Protonen reduziert werden, und Wasserstoff entsteht (mikrobielle Elektrolysezelle). Die hierzu notwendige elektrische Energie ist deutlich geringer als bei der klassischen Elektrolyse, da ein Teil der Elektrizität von den Bakterien geliefert wird.

Schematische Darstellung der erneuerbaren Methanolproduktion aus industriellem oder kommunalem Abwasser

Abb. 1: Schematische Darstellung der erneuerbaren Methanolproduktion aus industriellem oder kommunalem Abwasser

Ziele

Es ist das Ziel dieses interdisziplinären Verbundprojektes mittels biochemischer Konversion aus Abwässern den lager- und transportfähigen regenerativen Energieträger Methanol zu produzieren. Im Gegensatz zur etablierten Methanolproduktion aus fossilem Synthesegas ist der vorgestellte Prozess nachhaltig und energieeffizient: Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) sollen in einer mikrobiellen Elektrolysezelle durch Aufarbeitung von kommunalem oder industriellem Abwasser gewonnen und in einem nachgeschalteten heterogenen Katalyseprozess zu Methanol umgesetzt werden. Dazu wird zunächst eine optimierte mikrobielle Elektrolysezelle zur Produktion von H2 und CO2 entwickelt. Parallel dazu werden neue Katalysatoren zur Methanolsynthese entwickelt. Diese werden auf den Betrieb mit den Produktgasen aus der mikrobiellen Elektrolysezelle und den darin eventuell auftretenden Störstoffen und Katalysatorgiften (H2S, NH3,…) hin optimiert. Im dritten Projektjahr werden dann beide Teilprozesse zu einer vollständigen Demonstrationsanlage zur Methanolproduktion aus Abwasser im Labormaßstab zusammengeführt (Abb. 1). Diese Anlage wird unter anwendungsrelevanten Bedingungen mit realen Abwässern betrieben und charakterisiert. Auf Basis der so gewonnenen Daten und Kennzahlen wird eine fundierte technische sowie ökologische und ökonomische Bewertung des Gesamtkonzepts „Nachhaltiges Methanol aus Abwasser“ erfolgen, die als Grundlage für die spätere Pilotierung des Konzepts dienen soll.

Arbeitsschwerpunkte

Zentraler Arbeitsschwerpunkt ist die Entwicklung einer mikrobiellen Elektrolysezelle für den Betrieb mit realen Abwässern und deren Optimierung und Charakterisierung unter anwendungsrelevanten Gesichtspunkten. Ziel ist es aufzuklären, welchen Einfluss die Betriebsführung und Konstruktion der Elektrolysezelle auf die Gaszusammensetzung sowie die stoffliche und energetische Effizienz hat. Am Ende des Projekts soll ein optimierter Elektrolysezellstapel kontinuierlich mit realen Abwässern betrieben und an die Methanolsynthese-Stufe angekoppelt werden. Wir möchten zudem die Leistungsfähigkeit der mikrobiellen Anode der Elektrolysezelle durch eine optimale Besiedelung und somit Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Anodenoberfläche erhöhen. Um das von uns avisierte Konzept „Methanol aus Abwasser“ erfolgreich umzusetzen ist es notwendig, die Methanolsynthese-Stufe auf den Betrieb mit dem in der mikrobiellen Elektrolysezelle gebildeten Gasgemisch hin zu optimieren. Von besonderer Wichtigkeit ist es, die bei der mikrobiellen Elektrolyse möglicherweise auftretenden Störstoffe und Katalysatorgifte zu identifizieren und zu quantifizieren, um so optimierte und robuste Katalysatoren entwickeln zu können. Darüber hinaus möchten wir durch gezielte Katalysatoroptimierung die Reaktionstemperatur der Methanolsynthese senken, um so die Ausbeute und energetische Effizienz des gesamten Prozesses weiter zu erhöhen. Diese Arbeiten werden einen direkten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Konzeptes haben. Projektbegleitend wird eine Evaluation des Technologiepotenzials durchgeführt, um bereits in diesem frühen Entwicklungsstadium eine fundierte technische sowie ökologische und ökonomische Bewertung des Gesamtkonzepts „Methanol aus Abwasser“ vorzunehmen. Explizit mit betrachtet werden dabei auch verschiedene Szenarien der Systemintegration, etwa die Einbindung von Photovoltaik zur Bereitstellung des Elektrolysestroms und die Verwendung von BHKW-Abgasen als zusätzliche CO2-Quelle (Abb. 2). Parallel soll untersucht werden, ob die Technologie geeignet ist, um durch geschickte Betriebsführung Netzüberkapazitäten im Tagesgang auszugleichen, und wie sich die mikrobielle Elektrolysezelle im Vergleich zu klassischen Membranelektrolyseverfahren zur Wasserstoffherstellung unter technischen und ökonomischen Gesichtspunkten verhält.

Überblick über mögliche Anwendungs-Szenarien des Konzepts „Methanol aus Abwasser“

Abb. 2: Überblick über mögliche Anwendungs-Szenarien des Konzepts „Methanol aus Abwasser“

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