Wasserstoff aus Essig

Forscher haben eine Brennstoffzelle konstruiert, die in einem hoch effizienten Prozess aus Essig und anderen Abfällen Wasserstoff produziert - mit Hilfe von Bakterien

Wie man Wasserstoff aus Glukose oder Zellulose gewinnt, hat die Wissenschaft bereits recht gut erforscht. Nun gehören diese beiden Stoffe aber einerseits nicht unbedingt in die Kategorie „Abfall“. Weiter unten im Stoffkreislauf gibt es hingegen Substanzen wie Essig, bei denen die Prozesse nicht in der bekannten Art funktionieren. Andererseits sind die bisherigen Verfahren der Wasserstoffgewinnung aus Glukose noch ein gutes Stück vom Optimum in Sachen Effizienz entfernt. Und um Zellulose zu verarbeiten, muss man diese erst chemisch aufspalten.

Gleich mit beiden Problemen räumt eine Technik auf, die Forscher der Pennsylvania State University jetzt in den Veröffentlichungen der US-Akademie der Wissenschaften (PNAS) vorstellen. Sie bedienen sich einer Vorrichtung, die schon seit längerem in der Diskussion ist: der mikrobiellen Brennstoffzelle (siehe Aus Scheiße Strom machen). Darin beauftragt man Zellen damit, organische Materie zu zersetzen.

Dabei setzen die Bakterien einerseits Elektronen frei, die sich an der Anode sammeln, andererseits entstehen Wasserstoffkerne (Protonen), die zur negativ geladenen Kathode wandern. Dort reagieren sie normalerweise mit Sauerstoff zu Wasser. Hält man sie aber genau davon ab - und dazu muss man nur eine kleine zusätzliche Spannung an der Kathode anlegen und diese von Sauerstoff frei halten - dann entsteht molekularer Wasserstoff.

Mikrobielle Elektrolyse-Zelle mit zusätzlicher Stromquelle. (Foto: Shaoan Cheng, Penn State University)

Die Ausbeute dieses Prozesses ist normalerweise nicht hoch. Den Forschern gelang es aber, zum einen eine besonders effiziente Graphit-Anode zu erzeugen. Zum zweiten verbesserten sie die Arbeitsbedingungen der Bakterien, indem sie positiv geladene Kationen aus der Lösung transferierten und den Säuregrad im Bakterienmilieu senkten. Mit dem derart verbesserten Reaktor gelang es den Wissenschaftlern, pro Tag aus einem Kubikmeter Reaktionsvolumen 1,5 Kubikmeter reinstes Wasserstoffgas (mehr als 99,5 Prozent) aus anderweitig nicht mehr verwendbarem Essig zu erzeugen.

Für einen kompletten Zyklus benötigt der Reaktor nun drei statt 30 Stunden. Damit erreichte der Reaktor eine Energieeffizienz von 243 bis 681 Prozent - wenn man in der Energiebilanz nur die zusätzlich angelegte Spannung berücksichtigt. Bei der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Wasser erreicht man hier hingegen typischerweise 50 bis 70 Prozent.

Die für den Prozess nötige Energie könnte man in der Praxis aus ähnlich konstruierten, aber auf Stromlieferung optimierten Brennstoffzellen erhalten. Berücksichtigt man zusätzlich die Eigenenergie des Essigs, liegt die Energieeffizienz des Gesamtprozesses bei ordentlichen 62 bis 86 Prozent. Dieser Wert berücksichtigt, dass bei der Synthese des Essigs natürlich auch Energie aufgewendet werden musste. Geht man allerdings davon aus, dass die organische Substanz „energiekostenlos“ (weil als Abfallprodukt) entsteht, erreicht man die oben erwähnten Zahlen über 100 Prozent.

Den Forschern gelang es außerdem, die Funktionsweise ihres Reaktors auch mit anderen Materialien vorzuführen. Sie verarbeiteten unter anderem Zellulose, Glukose und Milchsäure, ebenfalls jeweils mit recht hoher Effizienz.

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