Mikrobielle Elektromethanogenese

Wissenschaftler des amerikanischen Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben in Zusammenarbeit mit dem kalifornischen Energieversorger Southern California Gas (SoCalGas) und der Stanford University haben mit Hilfe von Grünstrom und Mikroben Kohlendioxid direkt in Erneuerbares Erdgas umgewandelt.Ein bayerisches Unternehmen macht etwas Ähnliches.

Die Verwendung von Mikroben zur direkten Umwandlung von CO2 in Methan wird als mikrobielle Elektromethanogenese (ME) bezeichnet. ME speichert leichter überschüssigen Strom aus Erneuerbaren Energien, wodurch die Kosten für die Produktion von Erneuerbarem Erdgas deutlich gesenkt, die Verfügbarkeit von Erneuerbarem Erdgas erhöht und die CO2-Emissionen reduziert werden.

Die Forschung stützt sich auf frühere Forschungen des Stanford Spormann Laboratory über Mikroben, die Methan erzeugen, sowie auf Fortschritte bei den vom LLNL hergestellten 3D-gedruckten Kohlenstoff-Aerogel-Elektrodenmaterialien stützen, die auf ihre Lebensfähigkeit als Reaktormaterialien geprüft werden. Biogas wird von Delta Diablo, einer Kläranlage in Antiochia, Kalifornien, geliefert. Rohbiogas ist meist Methan, enthält aber auch etwa 30 bis 40 Prozent CO2, das in Biogasanlagen normalerweise in die Atmosphäre entlassen wird.

“Mit diesem Projekt wollen wir skalierbare, effiziente Prototyp-Reaktoren entwickeln, die sowohl die wirtschaftliche Aufbereitung von Biogas als auch die Speicherung von Erneuerbarem Strom als Methan ermöglichen”, sagt die LLNL-Chemikerin Sarah Baker. “Um das zu erreichen, werden wir die jüngsten Fortschritte in der Materialsynthese und -herstellung nutzen, um Reaktoren herzustellen, die auf die Anforderungen der Mikroben und des Gesamtprozesses zugeschnitten sind.”

Neue Power-to-Gas-Technologien

Die Forschung ist Teil der von SoCalGas entwickelten P2G-Technologien, die überschüssigen Strom aus Erneuerbaren Energien in Gasform statt in Batterien speichern. Power-to-Gas hat gegenüber der Speicherung Erneuerbarer Energie in Batterien zwei entscheidende Vorteile: Nahezu unbegrenzte Mengen an Strom können problemlos über sehr lange Zeiträume gespeichert und mit der vorhandenen Infrastruktur verteilt werden.

“Diese Technologie hat das Potenzial, die Kosten für die Aufbereitung von Biogas zu Erneuerbarem Erdgas in Pipeline-Qualität zu senken und gleichzeitig fast die doppelte Menge dieser leicht zu speichernden Erneuerbaren Energie zu produzieren und die CO2-Emissionen zu reduzieren”, sagte Yuri Freedman von SoCalGas: “Es könnte einen großen Unterschied für kleine Biogasproduzenten wie Milchviehbetriebe und Feedlots machen, die zusammen den Großteil des Erneuerbaren Erdgaspotenzials Kaliforniens ausmachen.”

Zwischen 3.300 und 7.800 GWh überschüssige Sonnen- und Windenergie werden in Kalifornien bis 2025 aufgrund eines zeitlichen Missverhältnisses zwischen Angebot und Nachfrage “weggeworfen”, so eine aktuelle Studie des Lawrence Berkley National Lab. Wenn diese überschüssige Sonnen- und Windenergie in Methan umgewandelt und als Erneuerbares Erdgas gespeichert würde, lieferte sie genügend Erneuerbare Energie, um 158.000 bis 370.000 Haushalte zu heizen oder 80.000 bis 187.000 Haushalte mit Grünstrom zu versorgen.

Konkurrenz für deutsches Unternehmen: Electrochaea setzt patentierten Biokatalysator ein

In einer mikrobiellen elektrochemischen Zelle statt erzeugt bei SoCalGas überschüssiger Strom Wasserstoff, der mit eingespeistem Kohlendioxid den Mikroorganismen, vermutlich aus der Familie der Archaeen, als Nährstoff dient. Stoffwechselprodukt ist reines Methan. Ähnliche Zellen entwickelt auch Electrochaea in Planegg bei München. Dort setzt man einen eigenen patentierten Biokatalysator ein, um preiswerte und, nicht gebrauchte Elektrizität und CO2 in Erneuerbares Gas in Pipeline-Qualität umzuwandeln. Dieses kann dann direkt ins Erdgasnetz eingespeist werden. Der firmeneigene Biokatalysator von Electrochaea ist ein selektiv entwickelter – nicht genetisch veränderter – Stamm von methanogenen Archaeen, einem einzelligen Mikroorganismus, der die Erde seit Milliarden von Jahren bevölkert. Diese Organismen finden sich in einer Vielzahl von Lebensräumen, darunter extremste Umweltbedingungen, wie vulkanische heiße Quellen, Salzarten, aber auch Ozeane und Böden. Der im Electrochaea-Power-to-Gas-Verfahren verwendete Archaea-Stamm wurde an der University of Chicago für den industriellen Einsatz entwickelt.

Er weist mehrere einzigartige Eigenschaften auf, darunter eine hohe Massenkonversionseffizienz, Toleranz gegenüber vielen Verunreinigungen, die typischerweise in industriellen CO2-Quellen vorkommen (Sauerstoff, Schwefelwasserstoff, Partikel), hohe Selektivität bei der Methanproduktion und eine sehr schnelle Reaktionskinetik, die eine Skalierung bis zur kommerziellen Anwendung ermöglicht. Darüber hinaus sind die Organismen selbstreplizierend und selbst erhaltend und müssen daher nicht regelmäßig ersetzt werden.

 

Systemaufbau

Electrochaea verfolgt die Energiespeicherung über ein zweistufiges Power-to-Gas-System, das mit einem handelsüblichen Elektrolyseur Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff wird dann zusammen mit Kohlendioxid aus biogenen oder industriellen Quellen in einen separaten Bioreaktor geleitet. Die Organismen reagieren nicht mit der CO2-Quelle  und können gängige Quellen wie Rohbiogas aus anaeroben Fermentern, Gärabgas aus Brauereien und Ethanolanlagen sowie Rauchgas aus Verbrennungsprozessen nutzen. Aufgrund der hohen Selektivität der Archaeen ist eine minimale Nachbehandlung des Gases erforderlich, bevor es in das Gasnetz eingespeist wird. Sauerstoff und Wärme sind Nebenprodukte des Prozesses und können in vielen verschiedenen Märkten verkauft werden, sowohl vor Ort als auch außerhalb.

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