Ein internationales Team unter der Leitung von Bruce Logan , dem Direktor des Instituts für Energie und Umwelt der Penn State University , hat ein neues Reaktordesign entwickelt, das Kohlendioxid und erneuerbaren Strom effizient in Methan – den Hauptbestandteil von Erdgas – umwandelt und gleichzeitig das System um etwa eine Größenordnung vergrößert, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Die in Water Research veröffentlichte Studie zeigte, dass mikrobielle Elektrosynthesesysteme über Geräte im Labormaßstab hinaus erweitert werden können, wobei eine hohe Energieeffizienz und hohe Methanproduktionsraten erhalten bleiben.
Umwandlung von erneuerbarem Strom in einen speicherbaren Brennstoff
Die Forschung befasst sich mit einer zentralen Herausforderung im Bereich der erneuerbaren Energien: Wie lässt sich Energie über lange Zeiträume speichern?
„Traditionell bedeutet großflächige, langfristige Speicherung, Wasser bergauf zu pumpen und es dann durch Turbinen wieder bergab fließen zu lassen“, sagte Logan, der Hauptautor der Studie. „Bei saisonaler Speicherung muss diese Energie jedoch in eine chemische Form umgewandelt werden.“
In diesem System wird Strom aus erneuerbaren Energien wie Sonne oder Wind genutzt, um Wasser zu spalten und Wasserstoff zu erzeugen. Mikroorganismen, sogenannte Methanogene, nutzen diesen Wasserstoff dann, um Kohlendioxid in Methan umzuwandeln – einen Kraftstoff, der mithilfe der bestehenden Infrastruktur gespeichert und transportiert werden kann.
„Das große Ganze ist, dass wir kostengünstigen Strom aus erneuerbaren Energien nutzen können, um Methan herzustellen, das in bestehende Speicher- und Pipelinesysteme eingespeist werden kann“, sagte Logan, Evan Pugh University Professor und Kappe Professor für Umwelttechnik im Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen der Penn State University.
Skalierung ohne Effizienzverlust
Die mikrobielle Elektrosynthese war lange Zeit durch geringe Effizienz und Schwierigkeiten bei der Skalierung über kleine Geräte hinaus eingeschränkt. In dieser Studie konzentrierten sich die Forscher auf die Reaktorkonstruktion, um diese Einschränkungen zu überwinden.
Sie entwickelten einen vergrößerten „Nullspalt“-Reaktor, bei dem die Elektroden nur durch eine Membran getrennt sind. Diese Konfiguration minimiert den Innenwiderstand und verbessert die Energieeffizienz.
Das neue System vergrößerte die Elektrodenfläche um etwa das Zehnfache und verlängerte den Strömungsweg auf fast 30 cm (11,81 Zoll). Trotz der größeren Abmessungen behielt der Reaktor seine hohe Leistungsfähigkeit bei.
„Obwohl wir das System deutlich vergrößert haben, hat sich der Innenwiderstand nicht verschlechtert“, sagte Logan. „Das liegt daran, dass wir den von den Elektroden freigesetzten Wasserstoff viel effizienter nutzen konnten.“
Der Reaktor verfügt außerdem über mehrere Durchflussöffnungen, um Flüssigkeiten und Gase gleichmäßiger zu verteilen und so für gleichbleibende Bedingungen im gesamten System zu sorgen.
Hocheffiziente Methanproduktion
In Labortests bei 30 Grad Celsius (86 Grad Fahrenheit) produzierte das System bis zu 6,9 Liter – fast zwei Gallonen – Methan pro Liter Reaktorvolumen und Tag. Der Reaktor erreichte einen Wirkungsgrad von über 95 %, was bedeutet, dass der größte Teil der zugeführten elektrischen Energie in Methan und nicht in Nebenprodukte umgewandelt wurde.
Laut Logan erreichte die Energieeffizienz etwa 45 % und zählt damit zu den höchsten Werten, die jemals für mikrobielle Elektrosynthesesysteme unter Standardbedingungen berichtet wurden.
„Wir wandeln Strom mit einem Wirkungsgrad von etwa 45 bis 47 Prozent in Methan um“, sagte Logan. „Aus Kohlendioxid und Elektronen Methan herzustellen – das ist schon beachtlich.“
Wasserstoff ermöglicht eine schnellere Methanproduktion
Die Studie klärte auch, wie Methan in dem System produziert wird.
Anstatt sich darauf zu verlassen, dass Mikroben direkt Elektronen von einer Elektrode aufnehmen – ein Prozess, der eine relativ geringe Ausbeute liefert – erzeugt der Reaktor Wasserstoff, der von Mikroorganismen schnell verbraucht wird, um Methan zu produzieren.
„Wir spalten Wasser, um Wasserstoff zu erzeugen, und die Methanbildner sind sofort zur Stelle, um ihn zu nutzen“, sagte Logan. „Man kann sich das wie einen Wasserelektrolyseur vorstellen, der mithilfe von Elektrizität Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet, kombiniert mit einem biologischen System.“
Dieser wasserstoffvermittelte Prozess ermöglicht höhere Stromdichten und eine schnellere Methanproduktion im Vergleich zu früheren Ansätzen.
Auf dem Weg zu einer praktischen Energiespeicherung
Die Ergebnisse legen nahe, dass mikrobielle Elektrosynthesesysteme effektiv skaliert werden können, wenn die Reaktorkonstruktion einen effizienten Wasserstofftransport und eine stabile mikrobielle Aktivität unterstützt.
Logan sagte, zukünftige Systeme könnten direkt mit erneuerbaren Energiequellen gekoppelt werden.
„Ich sehe Methanerzeugungsanlagen, die neben Solar- oder Windparks gebaut werden“, sagte er. „Anstatt den Strom ins Netz einzuspeisen, nutzt man ihn vor Ort, um Methan zu produzieren und dieses dann in Gasleitungen einzuleiten.“
Solche Systeme könnten eine langfristige Energiespeicherung ermöglichen und dabei Kohlendioxid wiederverwenden und die bestehende Erdgasinfrastruktur nutzen, erklärte er.
Die Forscher wiesen darauf hin, dass die wirtschaftliche Rentabilität maßgeblich vom Zugang zu kostengünstigem, erneuerbarem Strom sowie von kontinuierlichen Verbesserungen bei Katalysatormaterialien und Reaktorkonstruktionen abhängt. Sie betonten zudem die Wichtigkeit, Methanleckagen zu minimieren, da diese die Klimavorteile zunichtemachen könnten, wenn sie nicht sorgfältig kontrolliert werden.
Dennoch bietet das Konzept einen möglichen Weg, Kohlendioxid in einen lagerfähigen und transportierbaren Kraftstoff umzuwandeln, sagte Logan.
„Wir müssen das Methan nicht aus dem Boden graben“, sagte Logan. „Wir können das Kohlendioxid, das wir bereits produzieren, nutzen und in etwas Nützliches umwandeln.“
Eine vollständige Liste der Autoren und Förderer ist in der Veröffentlichung enthalten .
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Credits
Bereitgestellt von Bruce Logan
