15.05.2023
Ein aktuelles Forschungsprojekt der Lehrstühle für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik (Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften) sowie Anorganische Chemie (Fakultät für Chemie) zusammen mit dem Fraunhofer Umsicht zielt darauf ab, ein elektrochemisch-mikrobielles System für die Implementierung eines dezentralen Power-to-Gas-Konzept in kommunalen Kläranlagen zu entwickeln.
Weltweit ist eine stetig wachsende Zahl von industriellen Pilotanlagen in Betrieb, die eine Methanisierungsstufe mit Elektrolyseuren koppeln und von einem Power-to-Wasserstoff- zu einem Power-to-Methan-Konzept als grüne Energiespeicherung übergehen. Bei diesem Verfahren wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energiequellen in hochgradiges Methan (CH4) umgewandelt, das leicht gespeichert und über die bestehende Erdgasinfrastruktur verteilt werden kann. Dabei kann die biologische Fixierung von Kohlendioxid (CO2) mit Wasserstoff (H2) zu CH4 von methanogenen Archaeen mit hoher Produktselektivität und hohen Umwandlungsraten durchgeführt werden. Außerdem sind diese biologischen Katalysatoren sehr widerstandsfähig gegenüber Verunreinigungen aus den Einsatzgasen, was ein sehr wichtiger Vorteil gegenüber dem thermochemischen Methanisierungsprozess ist. In diesem Zusammenhang forschen die Lehrstühle für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik sowie Bioanorganische Chemie der Ruhr-Universität Bochum zusammen mit dem Fraunhofer Umsicht an der Entwicklung eines elektrochemisch-mikrobielles Systems für die Implementierung von Power-to-CH4-Anlagen auf Kläranlagen.
Es gibt mehrere Gründe für den Fokus auf Kläranlagen. Zunächst einmal die Verfügbarkeit von nährstoffreichen Flüssigkeitsströmen und Abgasen mit hohem CO2-Gehalt (z.B. Biogas oder Abgase aus der Klärschlammverbrennung), kombiniert mit einer guten Infrastruktur in der Nähe dicht besiedelter Gebiete. Zudem sind Kläranagen bereits bestehende komplexe Infrastrukturen, die von qualifiziertem Personal betrieben werden - Faktoren, die die Einführung der Technologie erheblich beschleunigen können. Auf diese Weise ist eine dezentrale Produktion und Nutzung von grünem CH4 möglich, und zwar in einer Kreislaufwirtschaft, da keine zusätzlichen Nährstoffe oder Substrate gekauft werden müssen.
Ein aktuelles Forschungsprojekt der Lehrstühle für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik (Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften) sowie Anorganische Chemie (Fakultät für Chemie) zusammen mit dem Fraunhofer Umsicht zielt darauf ab, ein elektrochemisch-mikrobielles System für die Implementierung eines dezentralen Power-to-Gas-Konzept in kommunalen Kläranlagen zu entwickeln.
Weltweit ist eine stetig wachsende Zahl von industriellen Pilotanlagen in Betrieb, die eine Methanisierungsstufe mit Elektrolyseuren koppeln und von einem Power-to-Wasserstoff- zu einem Power-to-Methan-Konzept als grüne Energiespeicherung übergehen. Bei diesem Verfahren wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energiequellen in hochgradiges Methan (CH4) umgewandelt, das leicht gespeichert und über die bestehende Erdgasinfrastruktur verteilt werden kann. Dabei kann die biologische Fixierung von Kohlendioxid (CO2) mit Wasserstoff (H2) zu CH4 von methanogenen Archaeen mit hoher Produktselektivität und hohen Umwandlungsraten durchgeführt werden. Außerdem sind diese biologischen Katalysatoren sehr widerstandsfähig gegenüber Verunreinigungen aus den Einsatzgasen, was ein sehr wichtiger Vorteil gegenüber dem thermochemischen Methanisierungsprozess ist. In diesem Zusammenhang forschen die Lehrstühle für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik sowie Bioanorganische Chemie der Ruhr-Universität Bochum zusammen mit dem Fraunhofer Umsicht an der Entwicklung eines elektrochemisch-mikrobielles Systems für die Implementierung von Power-to-CH4-Anlagen auf Kläranlagen.
Es gibt mehrere Gründe für den Fokus auf Kläranlagen. Zunächst einmal die Verfügbarkeit von nährstoffreichen Flüssigkeitsströmen und Abgasen mit hohem CO2-Gehalt (z.B. Biogas oder Abgase aus der Klärschlammverbrennung), kombiniert mit einer guten Infrastruktur in der Nähe dicht besiedelter Gebiete. Zudem sind Kläranagen bereits bestehende komplexe Infrastrukturen, die von qualifiziertem Personal betrieben werden - Faktoren, die die Einführung der Technologie erheblich beschleunigen können. Auf diese Weise ist eine dezentrale Produktion und Nutzung von grünem CH4 möglich, und zwar in einer Kreislaufwirtschaft, da keine zusätzlichen Nährstoffe oder Substrate gekauft werden müssen.
Das Konzept, das an der RUB zurzeit entwickelt wird, konzentriert sich darauf, einen Elektrolyseur direkt in die biologische Stufe zu integrieren und so zusätzliche Anlagenkomponenten für die H2-Speicherung und -Injektion zu vermeiden. Mit Hilfe eines neu entwickelten elektrochemischen Reaktors mit einem robusten Übergangsmetallsulfid-Katalysator vom Pentlandit-Typ ist es nun möglich, eine effiziente H2-Produktion direkt in realen Abwasserströmen zu gewährleisten. Dieser ausgewählte Katalysator basiert auf Elementen, die in der Erde reichlich vorhanden sind, anstatt auf den viel selteneren Edelmetallen. Dieses in situ erzeugte H2 ermöglicht mit hydrogenotrophen Methanogenen (wie Methanobacterium und Methanobrevibacter) eine selektive CH4-Produktion über lange Zeiträume. Die mit diesem neuartigen System erreichten Energieumwandlungswirkungsgrade von über 40 % und Stromdichten von bis zu 30 mA cm-2 kommen den praktischen Anforderungen für bioelektrochemische Methanproduktion mit weltweit herausragenden Umsatzraten bisher am nächsten.
Das Verständnis der elektrochemischen und mikrobiologischen Umwandlungsprozesse ist entscheidend für den effizienten Betrieb dieser gekoppelten Systeme, die komplexe Abwassermatrixen als Nährstoffquellen nutzen. Daher ist die modellbasierte Analyse der experimentellen Ergebnisse, die im Rahmen dieses Projekts durchgeführt werden, von hoher Bedeutung.
Mit Hilfe dieser experimentellen und mathematischen Modelle ist es möglich, die Leistung dieses Systems unter verschiedenen Umsetzungsszenarien abzuschätzen und auch weitere positive Auswirkungen dieser Power-to-Gas-Technologie auf Kläranlagen zu quantifizieren. Erstens führt das Wachstum der methanogenen Biomasse zu einer zusätzlichen Elimination von Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphor, was die Belastung der biologischen Becken reduziert. Zweitens kann der an der Anode des Elektrolyseurs gebildete Sauerstoff in die belüfteten biologischen Abwasserbecken geleitet werden, wodurch der Bedarf an Belüftung, dem größten Energieverbraucher auf Kläranlagen, reduziert wird.
Ansprechpartner
Dr.-Ing. Tito Gehring
Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik
Ruhr-Universität Bochum
Universitätsstraße 150
D-44780 Bochum
Tel.: +49 (0)234 32 22736
E-Mail: tito.gehring@rub.de
www.ruhr-uni-bochum.de/siwawi/
https://orcid.org/0000-0001-7260-9868
Prof. Dr. rer. nat. Ulf-Peter Apfel
Inorganic Chemistry 1
Ruhr-University Bochum
Universitaetsstrasse 150
D - 44780 Bochum / Germany
Room: NC 1/71a
Phone: +49 (0)234 3221831
Email: Ulf.Apfel@rub.de
Head of Department Electrosynthesis
Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT
Osterfelder Str. 3
46047 Oberhausen
Phone: +49 2088598 1571
www.umsicht.fraunhofer.de (Department Electrosynthesis)
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Letzte Änderung: 22. Jun. 2023
