Penn State skaliert Methanreaktor mit Mikroben: CO2 zu Methan mit zehnfacher Elektrodenfläche und nahezu gleicher Effizienz

Kleine Reaktoren, in denen Mikroben Kohlendioxid in Methan als Brennstoff umwandeln, kamen jahrelang kaum über den Labormassstab hinaus. Sobald man versuchte, grössere Anlagen zu bauen, zeigte sich stets dasselbe Problem: Mit zunehmender Grösse steigt der elektrische Innenwiderstand im System – und damit sinkt die Effizienz.

Ein Forschungsteam an der Penn State hat diese Hürde nun überwunden. Der neu entwickelte Reaktor arbeitet mit der zehnfachen Elektrodenfläche im Vergleich zu bisherigen Ausführungen – und die Effizienz bleibt dabei nahezu unverändert.

Das Speicherproblem

Die langfristige Speicherung von erneuerbarem Strom gilt weiterhin als eine der hartnäckigsten Lücken in der Energiewende. Pumpspeicherwerke – Wasser wird bergauf gepumpt und später zur Stromerzeugung wieder durch Turbinen abgelassen – funktionieren nur dort, wo die Geografie mitspielt. In weiten Teilen der Welt fehlen jedoch die passenden Voraussetzungen.

Bruce Logan, Ph.D., Direktor des Instituts für Energie und Umwelt an der Staatsuniversität von Pennsylvania (Penn State), verfolgt seit Jahren einen anderen Ansatz. Sein Team will überschüssige erneuerbare Energie in einen chemischen Energieträger umwandeln, der sich in vorhandenen Tanks lagern und durch bestehende Leitungen transportieren lässt.

Dieser Energieträger ist erneuerbares Methan. Die Umwandlung übernehmen lebende Mikroben – und Logans Gruppe ist überzeugt, dass sich dieses System nun auch in konkurrenzfähiger Grösse realisieren lässt.

Methanreaktor nutzt Mikroben

Das Verfahren heisst mikrobielle Elektrosynthese, und das Grundprinzip ist einfach: Strom aus einer Solaranlage spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Im Reaktor befinden sich in der Nähe Methanogene – winzige Mikroorganismen, die Wasserstoff und Kohlendioxid aufnehmen und daraus Methan bilden.

Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas. Es gibt bereits Leitungsnetze dafür. Es existieren Speicherbehälter. Und Kraftwerke nutzen es als Brennstoff. Damit wäre die Infrastrukturfrage im Wesentlichen gelöst – sofern die Produktion im grossen Massstab mithalten kann.

Genau daran scheiterte es bisher. Im Labor funktionieren Systeme zur mikrobiellen Elektrosynthese zuverlässig. Beim Hochskalieren treten jedoch typische Probleme auf: In grösseren Reaktoren nimmt der Widerstand im Inneren zu. Wasserstoff entweicht, bevor die Mikroben ihn verwerten können. Die Effizienz bricht schnell ein.

Bis zu dieser Studie hatte niemand die Technologie um eine volle Grössenordnung skaliert, ohne dafür bei der Leistung bezahlen zu müssen.

Ein grösserer Methanreaktor

Das Team um Logan konstruierte einen sogenannten Nullspalt-Reaktor, bei dem die beiden Elektroden nur durch eine dünne Membran voneinander getrennt sind. Dieses Design hält den Innenwiderstand niedrig, selbst wenn der Reaktor deutlich grösser wird.

Die Forschenden vergrösserten die Elektrodenfläche auf etwa das Zehnfache gegenüber früheren Versionen und verlängerten den Strömungsweg im Inneren auf fast 0,3 Meter. Mehrere Zu- und Abströmöffnungen verteilten Flüssigkeiten und Gase gleichmässig im gesamten Reaktor. Dadurch gibt es keine Bereiche, die unterversorgt sind, und ebenso wenig Bereiche, die überfluten.

Was die Zahlen zeigen

Bei 30 °C (86 °F) produzierte der Reaktor pro Tag fast das Siebenfache seines eigenen Volumens an Methan. Die Umwandlungseffizienz – also der Anteil der zugeführten elektrischen Energie, der tatsächlich als Methan gebunden wird, statt in Nebenreaktionen zu verpuffen – stieg auf über 95 Prozent. Das entspricht einer nahezu vollständigen Übertragung.

Die Energieeffizienz lag bei rund 45 Prozent. Laut einem aktuellen Überblick über das Forschungsfeld gehört dieser Wert zu den höchsten, die für mikrobielle Elektrosynthese-Systeme unter Standardbedingungen berichtet wurden.

Methanreaktor zeigt schnellere Produktion

Logans Team hatte damit gerechnet, dass der Innenwiderstand mit der Grösse des Reaktors zumindest leicht ansteigen würde. Das trat nicht ein. „Auch wenn wir das System deutlich grösser gemacht haben, ist der Innenwiderstand nicht schlechter geworden“, sagte Logan. „Das liegt daran, dass wir den Wasserstoff, der an den Elektroden entsteht, viel effizienter nutzen konnten.“

Entscheidend ist die Übergabe der Energie beziehungsweise des Reaktionspartners. Frühere Reaktordesigns setzten darauf, dass Mikroben Energie direkt von der Elektrodenoberfläche beziehen. Allerdings können nur wenige Arten das in einer praktisch relevanten Geschwindigkeit.

Im neuen Reaktor wird Wasser zunächst zu Wasserstoff gespalten, und erst danach verwerten die Methanogenen den Wasserstoff. Wasserstoff ist ein Substrat, das die meisten methanbildenden Mikroben gut umsetzen können – was offenbar die höheren Produktionsraten erklärt. Frühere Arbeiten aus Logans Labor hatten diesen Ansatz bereits in kleineren Systemen angedeutet.

Pipelines und Möglichkeiten

Für Logan ist das Ziel klar: Methananlagen, die direkt neben Solar- und Windparks stehen. Wenn die Erzeugung höher ist als der Bedarf im Stromnetz, soll die überschüssige Elektrizität nicht abgeregelt werden – stattdessen wird sie in den Reaktor geleitet.

Das erzeugte Methan kann dann in bestehende Gasleitungen eingespeist werden. Dort lässt es sich lagern, etwa bis zum Winter, oder über Hunderte Kilometer transportieren, bevor es in einem Kraftwerk oder in einer Heizung im Haushalt verbrannt wird.

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

Ganz ohne Haken ist das nicht: Methanverluste aus Leitungsnetzen und Anlagen sind als Klimaproblem bekannt. Wird Methan aus Kohlendioxid hergestellt, verpufft der Klimanutzen, wenn unterwegs zu viel entweicht.

Was als Nächstes kommt

Über Jahre hiess es als Kritik an der mikrobiellen Elektrosynthese, sie funktioniere im Becherglas, aber kaum darüber hinaus. Das gilt nun nicht mehr. Der Reaktor lässt sich um eine Grössenordnung skalieren und hält dabei seine Leistungswerte – damit steht er in echter Konkurrenz zu anderen Lösungen für Langzeitspeicherung.

Offen bleibt die Kostenfrage. Die Rechnung basiert auf günstiger, erneuerbarer Elektrizität, und bei den Katalysatoren gibt es weiterhin Verbesserungspotenzial. Zudem liegt zwischen diesem Reaktor und einer funktionsfähigen Anlage noch viel Entwicklungs- und Ingenieurarbeit.

Trotzdem ist der Weg jetzt deutlich erkennbar, wie zuvor nicht. Versorger, die entscheiden müssen, wie sich Sommerstrom für Winterwärme sichern lässt, haben eine zusätzliche Option zur Prüfung.

Auch Planerinnen und Planer, die neue Solar- und Windstandorte auslegen, können einen Methanreaktor künftig in die Gesamtkonzeption einrechnen. Kohlendioxid wird damit vom Abfallstrom zum Einsatzstoff.