BioDME

In der Abwassereinigung muss bislang eine beträchtliche Menge Strom für die Entfernung organischer Inhaltsstoffe aufgewendet werden. Gleichzeitig enthalten diese selbst chemische Energie. An diesem Punkt setzt das interdisziplinäre Verbundprojekt BioDME an: Die in Industrieabwasser enthaltene Energie soll genutzt werden, um Dimethylether (DME) herzustellen und damit die Abwasserreinigung effizienter zu machen. DME eignet sich hervorragend als lager- und transportfähiger Energieträger und kann darüber hinaus auch als Grundstoff für chemische Synthesen eingesetzt werden. Ziel des Projekts ist die Realisierung einer Demonstrationsanlage mit der die Stabilität, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit des Prozesses im Praxiseinsatz untersucht werden kann.

In der klassischen Abwasserreinigung werden die organischen Rückstände in kommunalen oder auch industriellen Kläranlagen mit Hilfe von Bakterien in einer aeroben Reinigungsstufe abgebaut und entfernt. Dort muss das Abwasser unter beträchtlichem Stromverbrauch belüftet werden, um den Abbau der organischen Kohlenstoffverbindungen zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) mit Hilfe von Mikroorganismen zu ermöglichen. Die im Abwasser vorhandene Energie kann nur zu einem Teil über eine nachgeschaltete Vergärung des Klärschlamms zu methanreichem Faulgas verwertet werden.Die in chemischen Verbindungen enthaltene Energie kann jedoch auch durch sogenannte Brennstoffzellen zur Stromerzeugung nutzbar gemacht werden. Als alternative Abwasserreinigungs-Technologie könnten mikrobielle Brennstoffzellen eingesetzt werden, in denen spezielle Bakterien die Abwasserinhaltstoffe abbauen und gleichzeitig die freiwerdende Energie in elektrischen Strom umwandeln. So kann auf die energieintensive Belüftung des Belebtschlamm-Beckens verzichtet und dabei sogar elektrischer Strom erzeugt werden. Ein vielversprechender Schritt ist außerdem, an solch einer mikrobiellen Brennstoffzelle Wasserstoff zu erzeugen, indem eine zusätzliche elektrische Spannung angelegt wird. Die hierzu notwendige elektrische Energie ist deutlich geringer als bei der klassischen Elektrolyse, da ein Teil der Elektrizität mit Hilfe der Bakterien aus dem Abwasser gewonnen wird. Wasserstoff stellt zwar einen guten Energieträger dar, doch sind die Lagerung und insbesondere der Transport von Wasserstoff vergleichsweise aufwändig. Daher setzen die Projektpartner von BioDME hier mit einem neuen Konzept an.

Schematische Darstellung der DME-Synthese aus Abwasser. Links: Mikrobielle Elektrolysezelle: An der Anode wird z.B. Acetat aus dem Abwasser durch Bakterien zu CO₂ oxidiert, dabei werden Protonen und Elektronen frei. Die Elektronen werden über einen externen Stromkreis zur Kathode geleitet, wobei durch eine externe Stromquelle eine zusätzliche Spannung angebracht wird. Die Protonen wandern durch die Polymerelektrolytmembran (PEM) zur Kathode und werden unter Aufnahme der Elektronen zu H₂ reduziert. Die Gase CO₂ und H₂ aus der mikrobiellen Elektrolysezelle werden gemeinsam aufgefangen und zur DME-Synthese geleitet. Rechts: DME-Synthese: Das Gemisch aus CO₂ und H₂ wird auf den Prozessdruck komprimiert und im Reaktor an einem bifunktionellen Mischkatalysator zu DME und Wasser umgesetzt.

Dazu wird der erzeugte Wasserstoff zusammen mit CO₂ in einem nachgeschalteten Schritt in den lager- und transportfähigen Energieträger DME umgewandelt. Im Gegensatz zur etablierten DME-Produktion aus fossilen Energieträgern wie Braunkohle oder Erdgas ist der vorgestellte Prozess nachhaltig und energieeffizient, da die im Abwasser enthaltene Energie für den Syntheseprozess verwendet wird. Darüber hinaus kann im Gegensatz zur klassischen Abwasserreinigung auf die energieintensive Belüftung verzichtet werden – was die Gesamteffizienz des Prozesses weiter erhöht. DME dient übrigens nicht nur als Energieträger in Verbrennungsmotoren, sondern stellt auch einen wertvollen Grundstoff für chemische Produkte dar.

Das Projekt BioDME baut auf Vorarbeiten des im Rahmen der Fördermaßnahme ERWAS durchgeführten Projekts BioMethanol auf. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein Prozess zur energieeffizienten Erzeugung von Methanol aus Abwasser entwickelt. Dabei konnte bereits gezeigt werden, dass das vorgeschlagene Verfahren zu einer deutlichen Verringerung der Abwasserbehandlungskosten sowie der Treibhausgasemissionen führen kann. Hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wurden insbesondere Konstruktion und Materialien der mikrobiellen Elektrolysezelle als ausschlaggebende Faktoren identifiziert, die einer gezielten Optimierung bedürfen.

An diesem Punkt setzt das Nachfolgeprojekt BioDME an. Ziel ist nun die Hochskalierung und wirtschaftliche sowie ökologische Optimierung des Gesamtprozesses auf Basis der vorhergehenden Ergebnisse. Dazu wird eine auf den m³-Maßstab skalierbare mikrobielle Elektrolysezelle mit im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Ökobilanz optimierter Konstruktion entwickelt. Darüber hinaus soll die Leistungsfähigkeit der mikrobiellen Elektrolysezelle durch gezielte Optimierung des an der Anode angesiedelten Biofilm weiter verbessert werden. Zur Steigerung der Rentabilität des Gesamtprozesses wird zudem Dimethylether als im Vergleich zu Methanol attraktiveres - da höherpreisiges - Produkt gewonnen werden.

Dabei wird die technische Umsetzung von Anfang an durch eine systematische ökologische und ökonomische Bewertung begleitet. So kann bereits in der Konzeption die Auswirkung der eingesetzten Materialien auf Wirtschaftlichkeit und Ökobilanz des Gesamtprozesses berücksichtigt werden. Abschließend wird eine komplette hochskalierte Demonstrationsanlage mit Brauereiabwasser betrieben werden. Ziel ist es die Stabilität, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit des Prozesses im Praxiseinsatz zu untersuchen.