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Abwasser ist mehr als nur lästiger Abfall – Abwasser zur alternativen Energiegewinnung

Vor dem Hintergrund des Klimawandels und der Endlichkeit fossiler Rohstoffe wird die Forschung nach erneuerbaren Energien immer bedeutender. Seit einiger Zeit suchen Wissenschaftler auch zunehmend nach Möglichkeiten, organische Stoffe in Abwässern als nachhaltige Energieträger zu nutzen. Carsten Meyer von der Universität Stuttgart beschäftigt sich mit der Gewinnung alternativer Energieträger. Er und sein Forschungsteam untersuchten im Rahmen eines Projektes die biologische Produktion von Wasserstoff aus Abwasser und Klärschlamm.

Die von C. Meyer und I. Mariakakis zur Wasserstoffproduktion benutzte Biogasanlage in Büsnau. Rechts ist der 30-Liter-Bioreaktor zu sehen, der durch die Gärung bräunlich verfärbt ist. © Iosif Mariakakis

Wasserstoff wird als Kraftstoff für Wasserstoffverbrennungsmotoren oder in Brennstoffzellen eingesetzt. Die bisher verwendeten Methoden zu Herstellung von Wasserstoff benötigen aber zum einen sehr viel Energie, zum anderen werden dabei noch überwiegend fossile Primärenergieträger eingesetzt. Eine mögliche Alternative ist die biologische Wasserstoffproduktion. Diese kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise bilden Algen unter Schwefelmangel Wasserstoff, aber auch Bakterien können Wasserstoff produzieren. Diese zweite Variante hat Carsten Meyer, Leiter des Arbeitsbereichs Abwassertechnik aus dem Lehr- und Forschungsklärwerk in Büsnau für sein Forschungsvorhaben ausgewählt: Mit seiner Arbeitsgruppe forschte er an der Möglichkeit, energiereiche organische Verbindungen in Abwässern zu nutzen und in der anaeroben Klärschlammfaulung zu Wasserstoff umzusetzen. Dies bietet sich an, da auf Kläranlagen ein Großteil der erforderlichen Anlagentechnik bereits vorhanden ist und die für den Prozess benötigte Energie in Form von Kohlenstoff stetig durch das Kanalnetz angeliefert wird.

Wasserstoff und Methan durch zweistufige Gärung

Das von März 2009 bis Februar 2012 durchgeführte Projekt „2-stufiges Konzept zur fermentativen Produktion von Wasserstoff und Bioerdgas durch innovative Gasaufbereitung“ wurde von Iosif Mariakakis, Doktorand am Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft, geleitet. Bei diesem Projekt wurde Klärschlamm aus dem Klärwerk Büsnau in einem 30-Liter-Bioreaktor mit einer Mischkultur versetzt. Diese enthielt unter anderem wasserstoff- und biogasproduzierende Bakterien. Da der Zuckergehalt im verwendeten Abwasser nicht ausreichte, wurde zusätzlich Saccharose als Nahrung für die Bakterien hinzugegeben. In einem ersten Schritt produzieren die Bakterien Wasserstoff. Anschließend bauen biogasbildende Bakterien die restliche Saccharose und die angefallenen organischen Säuren weiter ab. Hierbei entsteht Methan, das ebenfalls als Energieträger dienen kann.

Als bestes Ergebnis in dem 120 Tage andauernden Versuch erzielten die Wissenschaftler eine Menge von 1,72 Mol Wasserstoff pro Mol Substrat. Laut Meyer ist das erreichte Ergebnis „sehr gut im internationalen Vergleich und bei dieser Reaktorgröße“. Würde Mariakakis Verfahren mit einer Ausbeute von 1,72 Mol Wasserstoff pro Mol Substrat auf das Abwasser der gesamten jährlichen Melasseproduktion der EU angewendet werden, so könnten mit dem erzeugten Wasserstoff circa 58.000 Pkw in Deutschland ein Jahr lang fahren. Voraussetzung dafür ist natürlich, dass es sich um Wasserstoffautos handelt. Würde der Bioabfall der EU ebenfalls zur Wasserstofferzeugung verwendet, stiege die Pkw-Zahl auf das Zehnfache, also auf circa 580.000.

Erfolgreicher Prozess kann noch verbessert werden

Doch trotz des guten Ergebnisses hatten Mariakakis und sein Team einige Probleme zu bewältigen. „Es war schwierig, den Prozess über so lange Zeit hinweg konstant zu halten und trotzdem eine hohe Wasserstoffausbeute zu erreichen“, erläutert Mariakakis. „Außerdem war es schwierig, die Milchsäurebakterien im Klärschlamm zu hemmen. Sie fressen das Substrat und produzieren CO2, was eine aufwändige Aufbereitung des Gasgemisches erfordert.“

Da es jedoch keine Ergebnisse von vorherigen Forschungsgruppen bezüglich dieser Reaktorgröße und Betriebsparameter wie pH-Regelung und Substrat gab, war es für Meyer und sein Team schon ein großer Erfolg, dass die Wasserstoffproduktion unter Laborbedingungen überhaupt funktioniert hat.
Um dieses Verfahren irgendwann einmal im großen Stil anwenden zu können, müsste der Prozess noch erheblich verbessert werden. Bisher ist er noch nicht wirtschaftlich genug, um eine angemessene Menge Energie daraus gewinnen zu können. Um den Prozess voranzutreiben, könnte beispielsweise bei niedrigeren pH-Werten gearbeitet werden, um die Milchsäurebakterien weiter zu hemmen. Oder auch die Temperatur könnte gesenkt werden, um eine bessere Energiebilanz zu erzielen. Denn das Substrat muss erwärmt werden, damit es Mikroorganismen nutzen können. Außerdem müssten verschiedene Abwässer auf ihre Eignung erforscht werden. Da ein sehr hoher Zuckergehalt notwendig ist, eignet sich nämlich nicht jedes Abwasser zur Produktion von Wasserstoff. Abwässer aus der Fruchtsaftindustrie oder der Zuckerherstellung sind besonders vielversprechend.

Technologien müssen zusammenarbeiten

Laut Mariakakis dauere es aber noch mindestens 8 bis 10 Jahre, bis eine Produktion im großen Stil technisch überhaupt versucht werden könne. Seiner Einschätzung zu Folge könne es nur funktionieren, wenn andere Technologien wie die Biogasaufbereitung und die Biogasverarbeitung auch verbessert würden. „Denn wenn die Brennstoffzellen 100 Prozent reinen Wasserstoff brauchen und wir aber nur 99 Prozent Reinheit liefern können, bedeutet das schon, dass es nicht funktioniert.“

Meyer sieht das Ganze weniger technisch. Seiner Ansicht nach gibt es eine eindeutige Tendenz weg vom Abwasser als Abfall hin zu einem Stoff, den man weiter verarbeiten kann. „Sei es Energieerzeugung oder Nährstoffrückgewinnung. Die Zeit wird zeigen, wo der Bedarf in Zukunft hingehen wird.“ Es gäbe ein gutes Nebeneinander verschiedener Technologien und Ansätze, wo die vielfältige Forschung auch angebracht sei. „Wir sind einfach noch nicht so weit, dass wir genau wissen, wo wir hin müssen“, so Meyer.

Vorerst ist das Projekt abgeschlossen. Doch Meyer und Mariakakis denken schon über einen Folgeantrag für ein weiteres Forschungsprojekt zur Wasserstoffproduktion nach. Denn „das ist ein sehr breiter Bereich, in dem wir noch nicht so viel gemacht haben. Und wir wollen mehr machen!“

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/abwasser-ist-mehr-als-nur-laestiger-abfall-abwasser-zur-alternativen-energiegewinnung