Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

Logo BioMethanolArbeitspakete im Verbund BioMethanol

AP 1: Entwicklung einer effizienten mikrobiellen Elektrolysezelle

Ansprechpartner:

Dr. Sven Kerzenmacher, Universität Freiburg, IMTEK - Institut für Mikrosystemtechnik, Lehrstuhl für Anwendungsentwicklung, Georges-Köhler-Allee 103, 79110 Freiburg

Kurzbeschreibung:

Übergeordnetes Ziel dieses Arbeitspakets ist die Entwicklung einer effizienten mikrobiellen Elektrolysezelle für die Gewinnung von H2 und CO2 als Edukte für die Methanol-Synthese. Hier sollen mit kommunalem Abwasser und Industrieabwasser unterschiedliche Kohlenstoffquellen betrachtet, und die Elektrolysezelle für diese Varianten optimiert werden. Im Fokus steht die anwendungsrelevante Charakterisierung und Entwicklung der einzelnen Komponenten sowie die Untersuchung des Einflusses verschiedener Betriebsmodi auf den elektrischen Wirkungsgrad der Elektrolyse und die Zusammensetzung der Produktgase. Zielrichtung für die Qualifizierung einzelner Komponenten sowie der gesamten Elektrolysezelle sind Kostenminimierung und die Maximierung von Leistungsfähigkeit und Effizienz.

AP 2: Optimierung der Mikrobiologie der Elektrolysezelle

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Johannes Gescher, Institut für angewandte Biowissenschaften, Abteilung angewandte Biologie, Karlsruher Institut für Technologie, Fritz-Haber-Weg 2, 76131 Karlsruhe

Kurzbeschreibung:

Übergeordnetes Ziel dieses Arbeitspakets ist die Isolierung von Mikroorganismen, die an die Betriebsbedingungen der Elektrolysezelle angepasst sind. Hierzu werden Wasserproben aus einem kommunalen Klärwerk sowie Industrieabwasser aus der Celluloseacetat-Produktion als Animpfmaterial verwendet. An die Isolierung soll sich eine Charakterisierung der Organismen anschließen. Diese sollen dann als Reinkulturen wie auch als Speziesmischungen angezogen und auf Anoden aufgebracht werden. Die Leistungsfähigkeit dieser neuen Bioanoden soll evaluiert werden. Als Benchmark werden bekannte Modellorganismen fungieren. Abschließend soll die Langzeitstabilität der künstlich aufgebrachten Biofilme unter Betriebsbedingungen untersucht werden.

AP 3: Heterogene Katalyse zur Methanol-Produktion

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Ingo Krossing, Universität Freiburg, Lehrstuhl für Molekül- und Koordinationschemie, Institut für Anorganische und Analytische Chemie, Albertstraße 21, 79104 Freiburg und Freiburger Materialforschungszentrum FMF, Stefan-Meier-Straße 21, 79104 Freiburg

Kurzbeschreibung:

In diesem Arbeitsschwerpunkt soll durch die Hydrogenolyse von CO2 Methanol hergestellt werden. Dazu muss ein auf den Betrieb mit der mikrobiellen Elektrolysezelle hin angepasstes Katalysatorsystems gefunden werden. Das Herzstück des gesamten Arbeitspakets ist die wissensgestützte Optimierung der identifizierten Katalysatoren hinsichtlich Robustheit, Lebensdauer und insbesondere Aktivität. Der letzte Punkt ist besonders wichtig, da durch aktivere Katalysatorsysteme tiefere Reaktionstemperaturen möglich sind, was aus thermodynamischer Sicht höhere Methanolausbeuten zur Folge hat.

AP 4: Systemdesign und Integration

Ansprechpartner:

Dr. Sven Kerzenmacher, Universität Freiburg, IMTEK - Institut für Mikrosystemtechnik, Lehrstuhl für Anwendungsentwicklung, Georges-Köhler-Allee 103, 79110 Freiburg

Kurzbeschreibung:

Übergeordnetes Ziel dieses Arbeitspakets ist der Aufbau einer Demonstrationsanlage um die Machbarkeit des Konzepts nachzuweisen. Das Demonstrationssystem wird aus einem optimierten mehrzelligen mikrobiellen Elektrolysezellstapel (Stack) bestehen, der direkt an eine mit dem optimierten Katalysator bestückte Laboranlage zur Methanolsynthese angekoppelt wird. Dieses System wird unter realistischen Bedingungen mit den verschiedenen im Rahmen des Vorhabens betrachteten Abwässern kontinuierlich betrieben und eingehend charakterisiert. Die so gewonnenen Daten und Kennzahlen werden die fundierte technische sowie ökologische und ökonomische Bewertung des Gesamtkonzepts „Nachhaltiges Methanol aus Abwasser“ ermöglichen.

AP 5: Evaluation des Technologiepotentials

Ansprechpartner:

Dr. Achim Schaadt, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Wasserstofferzeugung und -speicherung, Heidenhofstraße 2, 79110 Freiburg

Kurzbeschreibung:

Übergeordnetes Ziel dieses Arbeitspakets ist die projektbegleitende Bewertung des Technologiepotentials des Gesamtkonzepts sowie der Bewertung verschiedener Prozessvarianten unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten. Um diese ganzheitliche Bewertung durchführen zu können, ist es zunächst notwendig, ein Gesamtkonzept einer Anlage zu entwickeln. Für das favorisierte Konzept wird anschließend sowohl eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung als auch eine Ökobilanzierung durchgeführt.