Penn State: Neuer Methanreaktor mit Mikroben skaliert um das Zehnfache

Kleine Reaktoren, die mithilfe von Mikroben Kohlendioxid in den Brennstoff Methan umwandeln, kamen bislang kaum über das Laborstadium hinaus. Bei jedem Versuch, grössere Anlagen zu bauen, trat dieselbe Hürde auf: Mit zunehmender Systemgrösse stieg der Widerstand im Inneren, wodurch die Effizienz sank.

Forschende der Penn State haben diese Hürde nun überwunden. Ihr neuer Reaktor verarbeitet die zehnfache Elektrodenfläche früherer Ausführungen – bei nahezu unveränderter Effizienz.

Das Speicherproblem

Die langfristige Speicherung erneuerbaren Stroms ist nach wie vor eine schwer zu schliessende Lücke in der Planung sauberer Energiesysteme. Pumpspeicherkraftwerke, bei denen Wasser bergauf gepumpt und später durch Turbinen zurückgeleitet wird, funktionieren dort, wo die geografischen Bedingungen stimmen. Für den grössten Teil der Welt gilt das nicht.

Bruce Logan, Ph.D., Direktor des Institute of Energy and the Environment an der Pennsylvania State University (Penn State), verfolgt seit Jahren einen anderen Ansatz. Seine Arbeitsgruppe wandelt überschüssigen erneuerbaren Strom in einen chemischen Brennstoff um, der sich in vorhandenen Tanks und Pipelines speichern und transportieren lässt.

Dieser Brennstoff ist erneuerbares Methan. Die Umwandlung übernehmen lebende Mikroben – ein System, das Logans Team nun für ausreichend skalierbar hält.

Methanreaktor nutzt Mikroben

Das Verfahren heisst mikrobielle Elektrosynthese, und sein Grundprinzip ist einfach. Strom aus einer Solaranlage spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Im Reaktor befinden sich winzige Organismen, sogenannte Methanogene, die Wasserstoff und Kohlendioxid aufnehmen und daraus Methan erzeugen.

Methan ist der wichtigste Bestandteil von Erdgas. Es wird bereits durch Pipelines transportiert, in Speichertanks gelagert und in Kraftwerken verbrannt. Wenn die Erzeugungsseite mithalten kann, ist die Infrastrukturfrage damit praktisch gelöst.

Genau darin lag bisher die Schwierigkeit. Die mikrobielle Elektrosynthese funktioniert in kleinen Laborgeräten gut. Probleme entstehen, sobald Forschende den Reaktor vergrössern: Der Widerstand nimmt in grösseren Systemen zu, Wasserstoff entweicht, bevor die Mikroben ihn aufnehmen können, und die Effizienz fällt rasch ab.

Vor dieser Studie hatte niemand die Technologie um eine volle Grössenordnung skaliert, ohne dafür Leistungseinbussen hinnehmen zu müssen.

Ein grösserer Methanreaktor

Logans Team konstruierte einen sogenannten Zero-Gap-Reaktor, bei dem die beiden Elektroden nur durch eine dünne Membran getrennt sind. Diese Anordnung hält den Innenwiderstand auch bei wachsender Reaktorgrösse niedrig.

Die Forschenden vergrösserten die Elektrodenfläche auf etwa das Zehnfache früherer Versionen und verlängerten den Strömungsweg im Inneren auf nahezu 0,3 Meter. Mehrere Ein- und Auslässe verteilen Flüssigkeiten und Gase gleichmässig im gesamten Reaktor. Es gibt weder unterversorgte Bereiche noch Überflutungen.

Was die Messwerte zeigen

Bei 30 °C erzeugte der Reaktor täglich beinahe das Siebenfache seines eigenen Volumens an Methan. Die Umwandlungseffizienz – also der Anteil des zugeführten Stroms, der als Methan endet, statt durch Nebenreaktionen verloren zu gehen – stieg auf über 95 Prozent. Damit wird Energie nahezu vollständig übertragen.

Die Energieeffizienz lag bei rund 45 Prozent. Laut einer aktuellen Übersicht zum Forschungsfeld zählt das zu den höchsten berichteten Werten für Systeme der mikrobiellen Elektrosynthese unter Standardbedingungen.

Methanreaktor erreicht schnellere Produktion

Logans Team hatte erwartet, dass der Innenwiderstand mit der Reaktorgrösse allmählich steigen würde. Das geschah nicht. „Obwohl wir das System deutlich grösser gemacht haben, wurde der Innenwiderstand nicht schlechter“, sagte Logan. „Das liegt daran, dass wir den von den Elektroden kommenden Wasserstoff viel effizienter nutzen konnten.“

Entscheidend ist die Übergabe der Energie. Frühere Reaktorkonzepte sollten Mikroben dazu bringen, Energie unmittelbar von einer Elektrodenoberfläche aufzunehmen. Nur wenige Arten können dies mit einer praktisch nutzbaren Geschwindigkeit.

Der neue Reaktor erzeugt zunächst Wasserstoff durch Wasserspaltung und überlässt dessen Verbrauch anschliessend den Methanogenen. Wasserstoff ist ein Stoff, den die meisten methanbildenden Mikroben leicht verarbeiten können – was offenbar die höheren Produktionsraten erklärt. Frühere Arbeiten aus Logans Labor hatten diesen Ansatz bereits im kleineren Massstab nahegelegt.

Pipelines und Möglichkeiten

Für Logan ist das Ziel eindeutig: Methananlagen neben Solar- und Windparks. Wenn die Stromerzeugung den Bedarf des Netzes übersteigt, soll der überschüssige Strom in den Reaktor fliessen, statt die Erzeugung abzuregeln.

Das produzierte Methan könnte anschliessend in bestehende Gasleitungen eingespeist werden. Dort lässt es sich bis zum Winter speichern oder über Hunderte Kilometer transportieren, bevor es in einem Kraftwerk oder einer Heizung verbrannt wird.

„Statt Strom ins Netz einzuspeisen, nutzt man ihn vor Ort, um Methan zu produzieren und dieses in Gasleitungen einzuleiten“, sagte Logan.

Der Ansatz hat jedoch einen Haken. Methan, das aus der Infrastruktur entweicht, ist ein bekanntes Klimaproblem. Auch wenn es aus Kohlendioxid hergestellt wird, verschwindet der Klimavorteil, falls unterwegs zu viel Methan austritt.

Wie es weitergeht

Jahrelang lautete ein Kritikpunkt an der mikrobiellen Elektrosynthese, dass sie in Laborgefässen funktioniere, aber kaum darüber hinaus. Das gilt nun nicht mehr. Der Reaktor lässt sich um eine Grössenordnung vergrössern und behält dabei seine Leistung bei, wodurch er ernsthaft mit anderen Optionen für die Langzeitspeicherung konkurrieren kann.

Die Kostenfrage bleibt offen. Günstiger erneuerbarer Strom ist die Grundlage der Rechnung, und auch die Katalysatoren bieten weiterhin Verbesserungspotenzial. Zwischen diesem Reaktor und einer funktionierenden Anlage liegt noch umfangreiche Ingenieurarbeit.

Der Weg ist nun jedoch deutlich erkennbarer als zuvor. Energieversorger, die Sommerstrom für das Heizen im Winter speichern wollen, haben eine weitere Möglichkeit zu prüfen.

Ingenieurteams, die die nächste Generation von Solar- und Windstandorten planen, können einen Methanreaktor in ihre Entwürfe aufnehmen. Kohlendioxid wird dabei vom Abfallstrom zum Ausgangsstoff.