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Fachartikel
04. Januar 2018

Stromerzeugung durch Abwasserreinigung

Mikrobielle Brennstoffzelle

Herkömmliche Abwasserreinigungsanlagen gehören zu den grössten Energieverbrauchern einer Gemeinde. Allein bei den Biologiebecken fallen 70% des gesamten Stromverbrauchs an. Würden aber statt aeroben Mikroben bioelektrische eingesetzt, könnte dadurch nicht nur deutlich Strom eingespart, gleichzeitig könnte auch welcher produziert werden. Theoretisch ist das Potenzial von mikrobiellen Brennstoffzellen bewiesen und ihre konkrete Umsetzung geplant. Die aktuelle Herausforderung ist die Hochskalierung der mikrobiellen Brennstoffzelle.
Fabian Fischer 

Mikrobielle Bioelektrizität – ein kürzlich entdecktes Phänomen

In einer mikrobiellen Brennstoffzelle wird mit Mikroben Strom erzeugt. Diese Idee wurde 1912 in England von Professor Michael Cresse Potter erstmals beschrieben [1]. Seine Arbeiten gerieten jedoch in Vergessenheit. Erst seit Kurzem interessieren sich Forschende wieder für dieses Thema. Wird die Stromerzeugung direkt in den mikrobiellen Abbauprozess einer Abwasserreinigungsanlage (ARA) integriert, könnte in Zukunft eine kostenfreie Abwasserreinigung möglich und gleichzeitig Strom im Überschuss produziert werden.

Bioelektrizität ist ein Phänomen, das im Alltag nur selten anzutreffen ist. Vielleicht hat man schon einmal Insekten gesehen, die nachts ihre Partner durch Biolumineszenz anziehen, oder im Zoo einen Zitteraal beobachtet, der andere Fische mithilfe von Elektroschocks jagt. Die Wirkung dieser Phänomene sind sichtbar und im Prinzip einfach zu erklären.

Bei bioelektrischen Mikroben ist es schwieriger, eine einfache, überzeugende Erklärung zu finden, weshalb sie elektrisch sind. Um ihre bioelektrischen Effekte beobachten zu können, werden ein Mikroskop und ein Volt-/Ampere-Meter benötigt.
Die Existenz rein elektrischer Mikroben wurde erst vor rund 30 Jahren entdeckt. 1988 erschienen drei Berichte zu diesem Thema. Einer davon befasste sich mit dem stark manganhaltigen Lake Oneida im Bundesstaat New York [2]. Da es keine industrielle oder andere potenziell verdächtige Manganquelle gab, wollte man der Ursache auf den Grund gehen. Mittels mikrobieller Analysen wurde die mit elektrogenen Eigenschaften ausgestattete Bakterienart namens Shewanella auf dem felsigen Seegrund, der viel Braunstein (Mangandioxid, MnO2) enthält, entdeckt. Durch ihre extrazelluläre Membran betreiben die Shewanella-Bakterien Manganatmung und übertragen dabei Elektronen ans oxidierte Mangan. Durch diesen elektrochemischen Prozess verwandelt sich das zuvor wasserunlösliche Manganoxid in leicht wasserlösliches. Die ungewöhnliche Entdeckung erklärte nicht nur den überdurchschnittlichen Mangangehalt des Sees, sondern bildete den Auftakt zu einer intensivierten Forschung über mikrobielle Brennstoffzellen [3] (Fig. 1). Heute weiss man, dass in der Natur zahlreiche andere elektrogene Mikroben existieren und auch eine praktische Anwendung möglich sein sollte.

Abwasserreinigung in mikrobiellen Brennstoffzellen

In den Industrieländern verbrauchen die ARA 2–3% des erzeugten Stromes. Der grösste Verbraucher sind die Biologiebecken, dort fallen 70% des Energieverbrauchs einer Kläranlage an. Würde die sehr energieintensive Belüftung durch Elektroden von mikrobiellen Brennstoffzellen ersetzt werden, könnte viel Energie eingespart werden (Fig. 2). Mit anderen Worten: Würden die aeroben Mikroben durch bioelektrische Mikroben ersetzt, könnte in der Abwasserreinigung deutlich Strom gespart und gleichzeitig produziert werden. Da Abwasser acht- bis zehnmal mehr Energie enthält als für seine Reinigung nötig ist, ist auch eine Nettostromproduktion denkbar. Eine Gemeinde könnte mit einer substanziellen Kostenreduktion rechnen, wenn sie für die Reinigung ihres Abwassers in diese neue Technologie investieren würde. 

In der Regel ist die geschätzte Rendite mindestens mit derjenigen der Methanisierung vergleichbar. Zudem geht bei der Stromerzeugung durch das Verbrennen von Methan 50–70% der darin enthaltenen Energie verloren. Mit der mikrobiellen Brennstoffzelle hingegen kann die in der gesamten organischen Masse des Abwassers enthaltene Energie direkt umgeformt werden. Laborstudien im kleinen Massstab haben gezeigt, dass unter idealen Bedingungen der Wirkungsgrad der mikrobiellen Brennstoffzellen mit 89% sehr hoch sein kann [4].

Hochskalierung

Die aktuelle Herausforderung ist die Hochskalierung der mikrobiellen Brennstoffzellen. Das Labor der HES-SO Wallis, das sich seit einigen Jahren mit diesem Thema befasst (Fig. 3), hat neue Betriebsmethoden für die zukünftige Anwendung in einer ARA entwickelt: Eine mikrobielle Brennstoffzelle erzeugt eine maximale Spannung von 0,5 V. Im Betriebsmodus sinkt diese Spannung rasch auf 0,2 V. Um die Leistung des Systems zu steigern, kann man mehrere mikrobielle Brennstoffzellen in Reihe schalten (Fig. 3). Es zeigte sich aber, dass mindestens 440 Brennstoffzellen in Reihe geschaltet werden müssten, um ein typisches Elektrogerät zu betreiben. Mit der modernen Elektronik, die heute auf dem Markt erhältlich ist, kann die biologische Elektrizität mit einer kleineren Reihenschaltung gewonnen und gespeichert werden. So können zum Beispiel 3,8-V-Polymer-Lithiumbatterien [5] mit drei bis vier mikrobiellen Brennstoffzellen aufgeladen werden. Dies entspricht etwa der Spannung von Batterien in Smartphones. Theoretisch ist es also möglich, Lithiumbatterien von Computern, Elektroautos und anderen Geräten mit mikrobieller Energie aufzuladen. Gleichzeitig wird auch eine vereinfachte Architektur dieser Zellen studiert. Das wichtigste Ziel besteht darin, die Abwasserströme in diesen zukünftigen Abwasserreinigungs-Kraftwerken zu vereinfachen. Ein Forschungsschwerpunkt ist deshalb die Verlängerung der Anodenkammern mit multiplen Elektroden, was eine bedeutende Vereinfachung darstellt. Die Forschung im grösseren Massstab steckt jedoch noch in den Kinderschuhen [5].

Rentabilität

Es stehen nicht genügend Daten zur Verfügung, um die Rentabilität von mikrobiellen Brennstoffzellen korrekt vorherzusagen. Alle Schätzungen beruhen nur auf den grundlegenden Funktionsprinzipen und wenigen Parametern. Tatsächlich ist viel biologische und organische Masse vorhanden, aber wie hoch sind die Kosten? Die laufenden Projekte konzentrierten sich vor allem auf Abwasser, das in grossen Mengen verfügbar und kostenlos erhältlich ist. Doch wie viel Energie ist im Abwasser einer beliebigen Gemeinde enthalten? Diese Energie kann wie folgt berechnet werden: Eine Person verbraucht ca. 2000 Kalorien pro Tag. Diese Energie reicht aus, um eine 100-W-Glühbirne 24 Stunden lang mit Energie zu versorgen. 25 Watt dieser Energie werden nicht verwendet und gehen ins Abwasser. 

Um das Abwasser einer Person zu klären, werden 7,5 Watt benötigt. Wenn dieses Wasser in einer mikrobiellen Brennstoffzelle aufbereitet würde, könnten 70% dieser Energie eingespart werden. Es müssten demzufolge nur noch 2,3 Watt Strom pro Einwohner aufgewendet werden, um die zukünftige bioelektrische ARA betreiben zu können. Somit verblieben mind. 20 Watt, die in Bioelektrizität umgewandelt werden könnten. Würde die Hälfte dieser Energie in Strom umgewandelt werden, könnten 10 Watt pro Einwohner verkauft werden. Bei einem Tarif von 20 Rappen pro kWh und einer ARA für 100 000 Einwohner ergibt sich ein jährliches Einkommen von 1,75 Mio. Franken. Die Reinigung des Abwassers würde natürlich ohne jegliche Stromkosten erfolgen.
Die mikrobielle Brennstoffzelle funktioniert auch mit anderen Abfällen. Angesichts der Tatsache, dass die Hälfte der erzeugten Lebensmittel weggeworfen wird, könnten tatsächlich 60 anstatt nur 10 Watt pro Person produziert werden. In diesem Fall steigt der Umsatz auf 10,5 Mio. Fr./Jahr. Zu den geeigneten Abfällen gehören auch diejenigen aus der Landwirtschaft. Die Kosten dieser Anlagen sollten vor einer Implementierung bekannt sein, doch sind diese heute schwierig zu beziffern, da die Forschung zu den Werkstoffen und zum Wirkungsgrad von mikrobiellen Brennstoffzellen noch nicht so weit fortgeschritten ist, als dass man diese Fragen zufriedenstellend beantworten könnte.

Schlussfolgerungen

Mikrobielle Brennstoffzellen machen es möglich, bei der Reinigung von Abwasser Strom zu sparen und gleichzeitig zu produzieren. Mittels der im Abwasser vorhandenen Mikroben kann die darin enthaltene organische Masse in Strom umgewandelt werden. Das Potenzial dieser Technologie wurde theoretisch klar bewiesen und ihre konkrete Umsetzung ist geplant. Gegenwärtig werden dazu Pilotversuche durchgeführt.

Bibliographie

[1] Potter M.C. (1912): Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds. Proceedings of the Royal Society Series B 84, 260–276
[2] Nealson, K.H.; Myers, C.R. (1992): Microbial reduction of manganese and iron: new approaches to carbon cycling. Applied and Environmental Microbiology, 58, 439–443
[3] Kim, H.J. et al. (1999): A microbial fuel cell type lactate biosensor using a metal-reducing bacterium, Shewanella putrefaciens. Journal of Microbiology and Biotechnology, 9, 365–367
[4] Rabaey, K. et al. (2003): A microbial fuel cell capable of converting glucose to electricity at high rate and efficiency. Biotechnology Letters, 25, 1531–1535
[5] Sugnaux, M. et al. (2017): Simulation and resolution of voltage reversal in microbial fuel cell stack, Bioresource Technology 238, 519–527
[6] Schlussbericht Projekt: Mikrobielle Brennstoffzelle, BFE 2015–2017

Weitere Informationen

Der Artikel ist bereits im Frühling 2017 im Bulletin des ARPEA (Association romande pour la protection des eaux et de l’air) in französischer Sprache erschienen: «Epargner et produire de l’électricité tout en épurant les eaux usées? Le potentiel des piles à combustible microbiennes», F. Fischer, 272, 36–39

Ein animiertes Schema einer mikrobiellen Brennstoffzelle kann beim Autor bestellt werden:

Prof. Dr. Fabian Fischer
HES-SO Wallis
Route du Rawyl 64, 1950 Sitten
Tel. +41 (0)27 606 8658
fabian.fischer@hevs.ch

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