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Verbund-Koordinator:

Dr. Sven Kerzenmacher Universität Freiburg Institut für Mikrosystemtechnik - IMTEK

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Bio

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Hintergrund: Energieeffizienz Bio

 Elektrizitätsbedarf für die aerobe Abwasserreinigung

 ~16 kWh pro Einwohnergleichwert (EWG) & Jahr

 Anlage (100.000 EWG): ~ 45 kW Strombedarf allein für die Belüftung!*

Belebtbecken

Faulturm

After: G. Fuchs, Allgemeine Mikrobiologie (2006)

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Mikrobielle Brennstoffzelle als Bio

Alternative

 Erhöhte Energieeffizienz in der Abwasserbehandlung

 ~ 2W Elektrizität pro EWG*

 Kein Elektrizitätsbedarf für die Belüftung der aeroben Stufe

 Keine bzw. geringe Entfernung von P & N  zusätzliche Verfahren



Faulturm

Michael Meding

MBZ

After: G. Fuchs, Allgemeine Mikrobiologie (2006)

* Sievers et al. 2010: Report AZ 26580-31, CUTEC; Leibniz Universität Hannover

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Funktionsprinzip der mikrobiellen Bio

Brennstoffzelle

 Strom aus Abwasser

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Erweiterung zur mikrobiellen Bio

Elektrolysezelle

 Wasserstoff und CO

aus Abwasser

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Projektidee: Methanol aus Abwasser Bio

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Vorteile des Ansatzes Bio

 Erhöhte Energieeffizienz der Abwasserreinigung

 Stoffliche/energetische Nutzung der organischen Abwasserbestandteile

 Verzicht auf energieintensive aerobe Reinigungsstufe

 Methanolgewinnung

 Lager- und transportfähiger Energieträger

 Plattform-Molekül

 Besonderes Potential bei der Behandlung hochbelasteter

Spezialabwässer aus der Industrie (C-Entfernung im Vordergrund!)

 Celluloseacetat-Herstellung

 Brauerei & Brennerei

 Molkerei & Papierfabrik

 …

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Abschätzung der Methanolproduktion* Bio

 Optimistische Annahme: 25% des CSBs werden in der mikrobiellen Brennstoffzelle abgebaut**

 Abwasserzweckverband „Breisgauer Bucht“

(EW = 600.000)

 Pro Tag: 25000 Nm³ H₂ / 14.000 L Methanol

 Leistungsbedarf Elektrolyse ~ 3000 kW

 Energieeinsparung Belüftung ~ 300 kW**

 Industrieabwasser Solvay (EW = ~ 20.000 )

 Pro Tag: 1000 Nm³ H₂ / 500 L Methanol

 Leistungsbedarf Elektrolyse ~ 100 kW

* 100% Coulomb‘sche Effizienz, Elektrolysespannung von 1,2 Volt

** Sievers et al. 2010: Report AZ 26580-31, CUTEC; Leibniz Universität Hannover

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Anwendungsszenarien Bio

BioMethanol – nachhaltige Synthese des  Energieträgers Methanol aus

Abwasser

Abwässer aus

• Celluloseacetat‐Herstellung

• Haushalten

• Klärschlammentwässerung

• Klärschlammpyrolyse (HTC)

• Brauerei & Brennerei 

• Papier‐Herstellung

• Zellstoff‐Herstellung

• Molkerei

• …

Methanol als

• Basischemikalie

• Treibstoff

• H₂‐Speicher

Gereinigtes Abwasser

• Vorfluter

• Nährstofflösung  für Algenfarmen Zusätzlicher Elektrolysestrom

• Photovoltaik

• Blockheizkraftwerke

• Netzüberkapazitäten

Zusätzliche CO₂‐Quellen

• Blockheizkraftwerke

• Rauchgase aus  Industrieprozessen

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Fragestellungen Bio

 Wie gut eignen sich verschiedene Abwässer für die mikrobielle Elektrolyse?

 Stromdichten und Gasproduktionsraten

 Gaszusammensetzung und Reinheit

 Welche Mikroorganismen sind im Abwasser vorhanden?

 Lässt sich die Leistung der mikrobiellen Anode durch gezielte Besiedelung verbessern?

 Wie lassen sich die Methanolsynthesekatalysatoren auf die Elektrolysegase optimieren?

 Langlebigkeit

 Aktivität & Effizienz

 Welche Verfahrensvarianten sind ökonomisch & ökolog. sinnvoll?

 Einkopplung von BHKW, PV, Windstrom

 Anwendungsgebiete & Szenarien

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Arbeitsschwerpunkte & Partner (I) Bio

 Entwicklung einer mikrobiellen Elektrolysezelle für den Betrieb mit realen Abwässern

 Uni Freiburg/IMTEK - AG Bioelektrochemische Systeme (Dr. S. Kerzenmacher)

 Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch optimale Besiedelung der mikrobiellen Anode

 KIT - Institut für angewandte Biowissenschaften (Prof. J. Gescher)

 Optimierung der Methanol-Synthesestufe auf den Betrieb mit dem Gasgemisch aus der mikrobiellen Elektrolysezelle

 Uni Freiburg - Lehrstuhl für Molekül- und Koordinationschemie (Prof. I. Krossing)

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Arbeitsschwerpunkte & Partner (II) Bio

 Systemdesign und Integration in Demonstrationsanlage

 Solvay Acetow GmbH (Dr. Hölter) & Uni Freiburg/IMTEK (Dr. Kerzenmacher)

 Technische sowie ökologische und ökonomische Bewertung des Gesamtkonzepts „Methanol aus Abwasser

 Fraunhofer ISE (Dr. Schaadt) & Solvay Acetow GmbH (Dr. D. Hölter)

 Eingebundene Stakeholder

 Abwasserzweckverband „Staufener Bucht“ (Dipl.-Ing. M. Hacker)

 Badenova AG (Dipl.-Ing. R. Tuth)

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Bio

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Mikrobielle Brennstoffzellen im Labor Bio