Lebende Hybrid-Brennstoffzelle gewinnt mehr Strom aus Abwasser
Kombination mit winzigem Osmosekraftwerke steigert Wirkungsgrad.
Bakterien können organischen Material abbauen, dadurch dreckiges Abwasser reinigen und zugleich elektrischen Strom erzeugen. Doch der Wirkungsgrad solcher lebenden Brennstoffzellen ist noch sehr gering. Um die Ausbeute zu erhöhen, kombinierten US-amerikanische Forscher eine Bakterien-Brennstoffzelle mit einem winzigen Osmosekraftwerk, das Strom aus Wasser mit unterschiedlichen Ionenkonzentrationen – beispielsweise in Süß- und Salzwasser – gewinnen kann. Ihr erster Prototyp steigerte die Ausbeute so starl, dass solche Module prinzipiell den gesamten Strombedarf von Klärwerken decken könnten.
Abb.: Prototyp der Hybrid-Brennstoffzelle: Zwischen den beiden größeren Kammern mit Strom erzeugenden Bakterien befindet sich ein Membran-Stapel, der über den unterschiedlichen Salzgehalt des eingefüllten Wassers zusätzlich Strom liefert. (Bild: B. E. Logan, Penn State)
„Damit erhalten wir nicht nur mehr Strom und höhere Spannungen, wir reinigen auch das Abwasser schneller und besser“, sagt Bruce E. Logan vom Hydrogen Energy Center der Pennsylvania State University. Mit seinen Kollegen füllte er Abwasser mit organischen Verunreinigungen in eine kleine Kammer. Zugesetzte Bakterien oxidierten die organischen Bestandteile und setzten dabei Elektronen frei. Kombiniert mit einer über Membranen abgetrennten zweiten Wasserkammer lassen sich diese Elektronen abziehen und etwa ein halbes Watt Leistung pro Quadratmeter Membranfläche gewinnen.
Zwischen den beiden Hälften der Bakterien-Brennstoffzelle bauten Logan und Kollegen nun – ebenfalls über Membranen abgetrennt – ein Kammersystem ein, dass über einen Ionengradienten Strom zwischen den benachbarten Behältern erzeugen kann. Negativ und positiv geladene Ionen wandern darin in entgegengesetzte Richtungen und führen an angeschlossenen Elektroden zu einer nutzbaren, elektrischen Spannung. Bisher wird meistens salziges Meerwasser und Süßwasser für solche Osmosekraftwerke genutzt. Logan jedoch löste in dem Wasser einer Kammer Ammoniumbikarbonat – ein Backtriebmittel – und erreichte so eine höhere Ausbeute von bis zu drei Watt pro Quadratmeter Membranfläche.
Wegen der Kombination mit der Bakterien-Brennstoffzelle konnten die Forscher die Zahl der nötigen Membranen, die einen bedeutenden Kostenfaktor bei Osmose-Zellen darstellen, deutlich reduzieren. Beide Effekte zusammen – bakterieller Abbau der organischen Substanzen und Osmose – führten in dem ersten Prototypen zu einer Stromausbeute von 0,94 Kilowattstunden pro Kilogramm organischer Abfälle. Damit liegt der Strombedarf des Reinigungsprozess in Klärwerken von etwa 1,2 Kilowattstunden pro Kilogramm in greifbarer Nähe. Mit optimierten Versionen seiner mikrobiologischen Umkehr-Elektrodialyse-Zellen (MRC) hofft Logan, den Wirkungsgrad noch weiter steigern zu können. „In Abwasser ist insgesamt etwa neunmal mehr Energie enthalten als für die Reinigung benötigt wird“, sagt der Forscher. Diese Ressource will er mit den ausgeklügelten Hybrid-Kraftwerken ausschöpfen, so dass in Zukunft Klärwerke ihren gesamten Strombedarf selbst decken können.
Jan Oliver Löfken
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