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Dienstag, 24.10.2017
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Bakterien-Zelle produziert Wasserstoff aus Abwasser

Spannungsunterschied zwischen Salz- und Süßwasser liefert benötigte Energie

Möglicherweise könnte der wertvolle Energieträger Wasserstoff in Zukunft einfach aus der Kläranlage kommen: Forscher haben erstmals ein Verfahren entwickelt, bei dem Bakterien in nur einem Schritt und ohne zusätzliche Stromzufuhr Wasserstoffgas produzieren. Das sei gelungen, indem man zwei bereits bekannte Technologien kombiniert habe, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin "Proceedings of the National Academy of Sciences". "Die Wasserstoffproduktion wird dabei von zwei Faktoren getrieben: von der Zersetzung von organischem Material durch Bakterien sowie von der Energie, die aus dem Unterschied im Salzgehalt von Meerwasser und Süßwasser gewonnen wird ", beschreiben sie das Prinzip.
Wasserstoff-Flamme

Wasserstoff-Flamme

Wasserstoff gilt als einer der Energieträger der Zukunft. Das Gas enthält pro Gewichtseinheit mehr Energie als andere chemische Brennstoffe. Zudem hinterlässt es bei seiner Verbrennung nur Wasserdampf. Es entsteht kein klimaschädliches Kohlendioxid, wie bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen wie Erdgas, Erdöl oder Kohle. Es gibt zurzeit mehrere Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffgas. Bei den meisten werden Biomasse oder Kohlenwasserstoffe über mehrschrittige Verfahren zerlegt. Diese Methoden verbrauchen jedoch Strom. Wasserstoff als Energieträger gilt nur dann als umwelt-und klimafreundlich, wenn auch der Strom für seine Herstellung aus erneuerbaren Energien wie Wind, Sonne oder Wasserkraft gewonnen wird.

Mit der neuen Methode könne reines Wasserstoffgas dagegen klimafreundlich und ohne weitere Stromzufuhr aus Meerwasser und Flusswasser hergestellt werden, sagen Bruce Logan und Younggy Kim von der Penn State University. Die Anlage funktioniere auch, wenn man die Mikroben mit Abwasser statt mit anderen organischen Materialien füttere. In Kläranlagen eingesetzt erfülle sie dann einen doppelten Zweck, wie die Forscher betonen: Sie reinigt das Abwasser und erzeugt gleichzeitig Energie in Form von Wasserstoff.

Bakterien liefern Wasserstoff aus Biomasse


Basis des neuen Systems ist eine mikrobielle Elektrolysezelle (MEC). In dieser zersetzen Bakterien organische Verbindungen und geben dabei Wasserstoff ab. Dieses Verfahren funktioniere aber nur dann, wenn man Strom einleite, sagen die Forscher. Diesen musste man bisher anderweitig gewinnen und das verringerte die Effektivität. Dieses Problem habe man gelöst, indem man nun die mikrobielle Elektrolysezelle mit einem Verfahren zur chemischen Stromgewinnung gekoppelt habe, berichten die Wissenschaftler.


Grundlage dieses zweiten Bausteins, der sogenannten reversen Elektrodialyse (RED), ist ein physikalisches Grundprinzip: Das Streben nach einem Konzentrationsausgleich zwischen Salz- und Süßwasser. Werden beide Wassersorten aneinander vorbeigeleitet und dabei durch eine dünne, halbdurchlässige Membran getrennt, baut sich eine Spannung auf. Diese kann, beispielsweise in Osmosekraftwerken, in Strom umgewandelt werden.

1.000 Liter Wasserstoff pro Tag


Ein solches RED-System aus nur fünf Kammerpaaren mit Süß- und Salzwasser habe man nun genutzt, um die Mikrobenzelle mit Strom zu versorgen, berichten die Forscher. Mit diesem Prototyp im Kleinmaßstab habe man auf diese Weise rund 25 Milliliter Wasserstoff pro Minute erzeugt. Hochgerechnet ergebe sich damit eine Wasserstoffproduktion von rund 1.000 Litern pro Tag und pro Kubikmeter Zellgröße, berichten Logan und Kim.

Würde man diese Wasserstoffmenge in einer herkömmlichen Anlage zur Wasserspaltung erstellen, bräuchte man dafür rund 4,5 Kilowattstunden Strom - Energie, die heute meist klimaschädlich aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird. Das resultierende System habe eine Energieeffizienz von 51 Prozent erreicht und genauso viel Wasserstoff produziert wie herkömmliche, mit externem Strom versorgte mikrobielle Elektrolysezellen. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011; DOI: /10.1073/pnas.1106335108)
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 20.09.2011 - NPO)
 
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