Energie aus Abwasser: Mikroorganismen in Kläranlagen säubern nicht nur das Abwasser, sie können auch elektrische Energie erzeugen. Dazu bedarf es einer Brennstoffzelle, in der die organischen Bestandteile des Abwassers von Mikroben zersetzt werden. Aus dem chemischen Energiegehalt des Abwassers lässt sich sogar mehr Energie gewinnen, als zum Betrieb der Anlage erforderlich wäre.
Wissenschaftler der Pennsylvania State University rund um Bruce Logan haben eine Mikrobielle Brennstoffzelle entwickelt, eine Art Mini-Osmosekraftwerk, mit der sich die chemische Energie des Abwassers über elektrochemische Reaktionen in nutzbare elektrische Energie umwandelbar lässt. Prinzipiell wird der Strom in Mikroben-Brennstoffzellen durch unterschiedliche Ionen-Konzentrationen gewonnen, beispielsweise in Süß- und Salzwasser. Der Prozess wurde bereits vor sieben Jahren vorgestellt, galt jedoch bis dato als wenig effizient. Der neue Brennstoffzellen-Prototyp hat eine so starke Ausbeutesteigerung erfahren, dass es den Forschern nun möglich war, 75 Prozent der Strommenge zu erzeugen, die in einer Kläranlage zur Reinigung des Schmutzwassers nötigt ist.
Die Mikroben-Brennstoffzelle besteht in ihrer einfachsten Form aus zwei Kammern, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. Eine der Kammern wird mit Abwasser gefüllt und mit einer Graphit-Anode versehen, auf der sich die Bakterien ansiedeln. Die Mikroben zersetzen die organischen Bestandteile des Schmutzwassers und setzen dabei Elektronen und positiv geladene Wasserstoff-Ionen frei. Die Elektronen fließen in eine zweite luftdurchströmte Kammer und werden dort auf Sauerstoff übertragen, der sich mit Wasserstoff-Ionen zu Wasser verbindet. Dadurch entsteht elektrische Spannung.
Im neuen Prototypen haben Bruce Logan und seine Kollegen ein drittes Kammersystem eingebaut, das über einen Ionen-Gradienten zwischen den benachbarten Kammern Strom erzeugen kann, ein sogenanntes Umkehr-Elektrodialyse-System, das bisher in Meer- und Süßwasser-Osmose-Kraftwerken eingesetzt wird. Eine spezielle Membran lässt positive und negative Ionen in entgegengesetzte Richtungen wandern, die an angeschlossenen Elektroden zu nutzbarer, elektrischer Spannung führen. Statt Salz- und Süßwasser verwenden Logan und seine Kollegen unterschiedlich konzentrierte Lösungen von Ammoniumbikarbonat, einem Backtriebmittel.
Aus einem Kilogramm organischem Abfall ließen sich mit einem Osmoseblock aus insgesamt elf Membranen derzeit 0,94 Kilowattstunden elektrische Energie gewinnen. Zum Vergleich: Der Strombedarf zur Reinigung der gleichen Abfallmenge liegt bei 1,2 Kilowattstunden. „In Abwasser ist insgesamt etwa neunmal mehr Energie enthalten als für die Reinigung benötigt wird“, erklärt Logan. Durch weitere Optimierung mikrobieller Brennstoffzellen will er die Ausbeute so erhöhen, dass Kläranlagen ihren gesamten Strombedarf künftig selbst decken können.
Quelle: Josephin Lehnert