Energie aus Biomüll, Reststoffen und Abwasser

Heute wird Wasserstoff zum größten Teil als Nebenprodukt in Prozessen der chemischen Industrie erzeugt. Um Wasserstoff gezielt und in industriellen Maßstab herzustellen, ist die Reformierung aus Erdgas derzeit der gängige Weg - auf Basis einer knappen Ressource, die zudem CO2-Emissionen hinterlässt. Die Zukunft dürfte anders aussehen. Ein bedeutender Beitrag wird von der Elektrolyse aus Wasser mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energiequellen erwartet. Einen Teil der Produktion können aber auch Mikroorganismen übernehmen. An Verfahren zur direkten Gewinnung von Wasserstoff aus Biomüll, organischen Reststoffen und sogar aus Abwasser wird intensiv geforscht. Wissenschaftler und Hersteller aus aller Welt werden auf der H2Expo, 7. Internationale Konferenz und Fachmesse für Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologien, vom 22. bis 23. Oktober 2008 im CCH-Congress Center Hamburg über den Stand aktueller Projekte und Forschungsaktivitäten berichten und dabei auch Alternativen im Bereich der Wasserstoff-Gewinnung aufzeigen.

„Wasserstoff ist allgegenwärtig. Daher ist vom Prinzip her vieles möglich, und im Labor funktioniert auch manches“, sagt Dr. Ulrich Schmidtchen, Vorstandsmitglied des Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verbands (DWV). Entscheidend für eine großtechnische Realisierung sei, ob die H2-Ausbeute der jeweiligen Verfahren groß genug ist. Mittelfristig recht aussichtsreich ist dabei ein neues Verfahren, das sich anschickt, 10 bis 25 Prozent des Bedarfs der Europäischen Union an Wasserstoff zur Produktion von Strom oder zur Verwendung als Treibstoff bereitzustellen - bei Kosten von etwa 10 Euro/GJ. „Bis 2020 sollen erste Anlagen entstehen, die in unmittelbarer Nähe zu den Orten errichtet werden, an denen das Substrat anfällt“, erklären Dr. Wolfgang Schnitzhofer und Dr. Werner Ahrer von der Profactor GmbH in Österreich, die sich auf der H2Expo präsentiert.

Das integrierte EU-Projekt mit Titel HYVOLUTION basiert auf einem Bio-Prozess, der thermophile und phototrophe Bakterien einsetzt, um in dezentralen und kostengünstigen Kleinanlagen Wasserstoff aus lokal anfallender Biomasse zu erzeugen. So seien etwa Kombinationen von Zuckerfabriken mit „HYVOLUTION“-Anlagen zur Verarbeitung von Melasse oder weiterer Zuckerfraktionen angedacht. Aber auch andere biogene Reststoffe könnten mit hoher Effizienz zu Wasserstoff umgesetzt werden, erläutern Schnitzhofer und Ahrer. Profactor ist Teil eines multinationalen und multidisziplinären Konsortiums, das Spezialisten aus dem akademischen Bereich, der Industrie sowie aus Klein- und Mittelbetrieben vereint. In HYVOLUTION vertreten sind elf EU-Länder, die Türkei und Russland.

Das Projekt soll den Entwurf liefern für eine Realisierung im industriellen Maßstab. Der kombinierte zweistufige Prozess beginnt mit einem thermophilen Schritt, in dem Wasserstoff, CO2 und organische Säuren entstehen, gefolgt von einer photoheterotrophen Fermentation, in der diese Zwischenprodukte ebenfalls zu Wasserstoff und CO2 umgewandelt werden. Ziel ist ein Wirkungsgrad von 75 Prozent. Herausforderungen bestünden in erster Linie darin, die einzelnen Prozesse zu optimieren und aufeinander abzustimmen – immerhin wird mit Organismen gearbeitet, die unterschiedliche Milieu-Ansprüche haben. Einer Vergleichsstudie aus Österreich zufolge könnten unter den biomassebasierten Prozessen durch die Reformierung von Biogas derzeit die höchsten Wirkungsgrade erzielt werden, gefolgt von der Biomassevergasung. Beim „HYVOLUTION“-Prozess seien die Wirkungsgrade gegenwärtig maximal halb so groß wie bei den anderen Biomasseprozessen. „Man muss allerdings bedenken, dass diese Technologie erst am Anfang der Entwicklung steht.“

Dass sich nicht nur solche Biomasse, die reich an Kohlehydraten wie etwa Glukose ist, in Wasserstoff umwandeln lässt, zeigen Versuche der Pennsylvania State University. Auf Basis der Mikroben-Brennstoffzelle (MFC), einer früheren Entwicklung der PennState, haben die Forscher um Prof. Bruce E. Logan einen Reaktor geschaffen, der Wasserstoff aus Abwasser gewinnt. Diese Mikroben-Elektrolysezelle (MEC) kombiniert die bei der Oxidation organischen Materials durch Bakterien entstehende Energie mit einer geringen Eingangsspannung und erzeugt damit Wasserstoff mit bis zu zehn mal weniger Energieaufwand als bei herkömmlicher Wasser-Elektrolyse. Verglichen mit reinen Fermentations-Verfahren sei die H2-Ausbeute um ein Vielfaches höher, erklärt Douglas F. Call, der die neuesten Erkenntnisse zur MEC auf der H2Expo vorstellen wird. „MECs können Wirkungsgrade von 72 bis 93 Prozent erreichen“.

Im Labor produziert die MEC laut Douglas derzeit maximal 1 Kubikmeter Wasserstoff pro Kubikmeter Reaktor täglich. 10 Kubikmeter seien erreichbar, wie weitergehende Studien ergeben hätten. Während von der MFC bereits erste Pilotprojekte laufen, werde man auf entsprechende Tests der MEC noch ein paar Jahre warten müssen. Vielversprechende Ansätze wie dieser werden im Rahmen des Konferenzprogramms der H2Expo näher beleuchtet werden. Forscher aus den USA, Schweden, den Niederlanden und Deutschland präsentieren in einem speziellen Workshop den Stand der Dinge bei der non-konventionellen Gewinnung von Wasserstoff - von der Fermentation über den „HYVOLUTION“-Prozess bis hin zur Photoelektrolyse.

Auf der H2Expo, der 7. Internationalen Konferenz und Fachmesse für Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologien, diskutieren vom 22. bis 23. Oktober 2008 im CCH-Congress Center Hamburg Wissenschaftler, Techniker und Ingenieure aus dem In- und Ausland Anwendungsbereiche, Forschungsergebnisse und Projekte. In der begleitenden Fachausstellung der H2Expo zeigen Unternehmen ihre technischen Entwicklungen auf dem Gebiet des Brennstoffzellen-Einsatzes. Am zweiten Tag der H2Expo wird es überdies erstmals eine Konferenz zu dem EU-Projekt "Zemships - Zero Emission Ships" geben. Ein hochkarätiges Rahmenprogramm ergänzt das Angebotsspektrum von Konferenz und Fachmesse H2Expo. Sponsor ist der Gemanische Lloyd. Weitere Informationen unter www.h2expo.de