Hybrid-Brennstoffzelle liefert ausreichend Strom für Klärwerke

University Park (USA) - Das Abwasser aus Haushalten enthält neunmal mehr Energie, als zu seiner Reinigung nötig ist. Diese weitestgehend ungenutzte Ressource wollen nun amerikanische Wissenschaftler mit einem neuen Hybrid-Kraftwerk ausschöpfen. Sie nutzen eine „lebende“ Brennstoffzelle, in der Bakterien Abfälle zersetzen und dabei elektrischen Strom erzeugen. Doch erst ergänzt mit einem winzigen Osmose-Kraftwerk werden Ausbeuten erreicht, die das energieautarke Klärwerk möglich machen könnten. Einen ersten Prototypen stellen die Forscher nun in einer Vorabveröffentlichung der Zeitschrift „Science“ vor.

„Damit erhalten wir nicht nur mehr Strom und höhere Spannungen, wir reinigen auch das Abwasser schneller und besser“, sagt Bruce E. Logan vom Hydrogen Energy Center der Pennsylvania State University. Sein Team füllte Abwasser mit organischen Verunreinigungen in eine kleine Kammer. Zugesetzte Bakterien oxidierten diese organischen Bestandteile und setzten dabei Elektronen frei. Kombiniert mit einer per Membranen abgetrennten zweiten Wasserkammer ließen sich diese Elektronen abziehen und etwa ein halbes Watt Leistung pro Quadratmeter Membranfläche gewinnen.

Zwischen den beiden Hälften der Bakterien-Brennstoffzelle bauten Logan und Kollegen nun – ebenfalls per Membranen abgetrennt – ein Kammersystem ein, welches über einen unterschiedlichen Salzgehalt im Wasser zwischen benachbarten Behältern Strom erzeugen kann. Negativ und positiv geladene Ionen wandern darin in entgegengesetzte Richtungen und führen an angeschlossenen Elektroden zu einer nutzbaren, elektrischen Spannung. Bisher werden meist salziges Meerwasser und Süßwasser für solche Osmosekraftwerke genutzt. Logan jedoch löste im Wasser einer seiner Kammern Ammoniumbikarbonat – ein Backtriebmittel – und erreichte so eine höhere Strom-Ausbeute von bis zu drei Watt pro Quadratmeter Membranfläche.

Durch die Kombination mit der Bakterien-Brennstoffzelle konnte das Team die Zahl der nötigen Membranen, die einen bedeutenden Kostenfaktor bei Osmose-Zellen darstellen, deutlich reduzieren. Beide Effekte – bakterieller Abbau der organischen Substanzen und Osmose – führten im ersten Prototypen zu einer Stromausbeute von 0,94 Kilowattstunden pro Kilogramm organischer Abfälle. Damit liegt der Strombedarf des Reinigungsprozess in Klärwerken von etwa 1,2 Kilowattstunden pro Kilogramm in greifbarer Nähe. Mit optimierten Versionen seiner mikrobiologischen Umkehr-Elektrodialyse-Zellen (MRC) hofft Logan, den Wirkungsgrad noch weiter steigern zu können. „In Abwasser ist insgesamt etwa neunmal mehr Energie enthalten, als für die Reinigung benötigt wird“, sagt der Forscher. Diese Ressource will er mit den ausgeklügelten Hybrid-Kraftwerken ausschöpfen, so dass in Zukunft Klärwerke ihren gesamten Strombedarf selbst decken können.