Weiterentwicklung und Optimierung der Mikrobiellen Brennstoffzellentechnik

Die biologische Reinigung von kommunalem Abwasser erfolgt in aller Regel aerob/anoxisch mit Hilfe von Mikroorganismen und künstlicher Belüftung. Diese Technologien sind bewährt und seit Jahrzehnten erfolgreich im Einsatz. Neben einer guten Reinigungsleistung zeichnen sie sich allerdings auch durch einen hohen Energieverbrauch aus, der besonders im Zuge der aeroben Prozesse anfällt. Der Energieverbrauch kann nur zum Teil durch Energieeinsparmaßnahmen im Betrieb und durch die Nutzung von Biogas, das im Zuge der Fermentation von Faulschalmm gewonnen wird, reduziert werden. Das ist insofern bedauerlich, als dass es der chemische Energiegehalt des Abwassers grundsätzlich ermöglichen würde, weitaus mehr Energie aus dem Abwasser zu gewinnen und letztendlich zu energieautarken bzw. energieproduzierenden Kläranlage zu kommen.

Hier setzt das Forschungsvorhaben ein. Mit mikrobiellen Brennstoffzellen (MBZ) lässt sich die chemische Energie des Abwassers über elektrochemische Reaktionen direkt in nutzbare elektrische Energie umwandeln. Die biochemischen Prozesse laufen in zwei Halbreaktionen ab. An der Anode wird ein kohlenstoffhaltiges Substrat (Abwasser) durch anaerobe Mikroorganismen in CO2, Protonen und Elektronen umgewandelt. An der Kathode werden die Protonen und die Elektronen durch die Zugabe von Sauerstoff zu Wasser (H2O) reduziert. Ziel dieses Projektes ist es, die biochemischen Prozesse anhand von unterschiedlichen Elektrodenmaterialien so zu optimieren, dass zum einen die Leistung der mikrobiellen Brennstoffzelle gesteigert wird und zum anderen eine Konfiguration entwickelt wird, die sich für einen dauerhaften kontinuierlichen Betrieb auf Kläranlagen eignet. Es sollen vornehmlich Kohlenstoff- und Graphit-Elektroden eingesetzt werden, da diese über Eigenschaften verfügen, die für die biochemischen Prozesse der mikrobiellen Brennstoffzellen erforderlich sind. Die Materialien sollen so gewählt werden, dass die Investitionskosten im Hinblick auf den Aufbau einer Pilotanalage nicht zu hoch werden. Darüber hinaus sollen verschiedene Einflussfaktoren wie Temperaturschwankungen, Schwankungen in der Substratbelastung (Abwasserzusammensetzung) betrachtet werden. Die Effektivität der MBZs wird anhand der elektrotechnischen Kenngrößen wie der Spannung, Stromstärke und der elektrischen Leistung beurteilt. Darüber hinaus sind Laboranalysen des Abwassers und der Mikroorganismen vorgesehen, um die Kohlenstoffelimination anhand des Summenparameters CSB zu beurteilen. Zusätzlich sollen Wartungskonzepte und Steuerungssysteme weiterentwickelt werden, um die Leistung der mikrobiellen Brennstoffzellen im kontinuierlichen Betrieb zu steigern.

Projektträger: Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen

Verbundleitung: Dr.-Ing. Friederich-Wilhelm Bolle, RWTH
Projektleitung am LSU (RUB): Dr.-Ing. M. Lübken, Prof. Dr.-Ing. M. Wichern
Projektbearbeitung am LSU (RUB): Dipl.-Ing. Thomas Kletke
Projektpartner: Emschergenossenschaft/Lippeverband, Forschungsinstitut für Wasser- und Abfallwirtschaft an der RWTH Aachen e.V.

Quelle: http://www.ruhr-uni-bochum.de/siwawi/Forschung/Forschungsvorhaben.html