BioBZ - Die bio-elektrochemische Brennstoffzelle als Baustein einer energieerzeugenden Abwasserbehandlungsanlage

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1 ERWAS Abschlusskonferenz 15./16. Mai 2017 Berlin BioBZ - Die bio-elektrochemische Brennstoffzelle als Baustein einer energieerzeugenden Abwasserbehandlungsanlage Michael Sievers, Dennis Haupt, Michael Niedermeiser, Ottmar Schläfer in Kooperation mit den Verbundprojektpartnern

2 Uwe Schröder, TU Braunschweig Projektidee Direkte Stromgewinnung durch CSB-Abbau Abwasser Ablauf Beispielreaktion Anode C 12 H 22 O H 2 O 12CO H e - Beispielreaktion Kathode 4H + + O 2 + 4e - 2H 2 O Schlüsselprozess Elektronentransfer 2

3 Autarker KA-Betrieb oder Stromüberschuss? Strom Sandfang Vorklärbecken Belebungsbecken Nachklärbecken KA Zulauf KA Ablauf Strom Wärme Weitere Fragestellungen Abbau von CSB, NH4 (!?) Mikroschadstoffelimination (s. Poster) Wasserstoffproduktion (s. Poster)

4 Ziel Projektteam Aufgaben Ziel Entwicklung und Bewertung einer Bio-Brennstoff-/Elektrolysezelle im halbtechnischen Maßstab Projektteam Aufgaben Scale-up Ökobilanz Materialien Speicherkonzept Wasserstoff Mikroschadstoffe Biofilm Mikroschadstoffe Elektroden Klärwerk Goslar Eurawasser Pilotbetrieb 4

5 Entwicklungsergebnisse I Scale-up vom Labor in die Praxis 0,5 x 0,7 m 0,1 x 0,1 m 0,15 x 0,7 m Durchflusszelle Tauchmodul Proof-of-Concept-Modul Scale-up Faktor Module, 30 m 2 Anode und 30 m 2 Kathode Gesamtvolumen 5 m 3, Anodenkammer 650 L

6 Entwicklungsergebnisse II Materialentwicklung Elektroden Anode: Composit-Elektrode Kathode: Katalysator und Beschichtung Jiang et al. (2017) Journal of The Electrochemical Society, 164 (3) H3083-H3090 Polymer- Graphit- Compound, Kupferfolie

7 Entwicklungsergebnisse III Regelungskonzept MPPT Maximum Power Point Tracking Leistung baugleicher Zellen Entwicklung galvanisch getrennter Konstant-Stromquellen als Werkzeug für neue Konzepte Konzept der Einzelzellenregelung zur Leistungsmaximierung aller Zellen á la Photovoltaik

8 Entwicklungsergebnisse IV Stromspeicherung und Nutzung Konventionelle Stromspeicher/Wandler Harvester 2-5 V, 90 ma Wirkungsgrad größer 70 % Prototypentwicklung Harvester mit DC/DC-Wandler mv, 3-4 A Bio-Brennstoffzelle

9 kwh_el/kwh_csb in % Untersuchungsergebnisse - Leistungskennzahlen 20,0 15,0 10,0 Wirkungsgrad CSB-zu-Strom: 9-15 % 5,0 0,0 0,31-0,55 kwh/kgcsb abgebaut 1-22 h Behandlungszeit 0,0 20,0 40,0 60,0 CSB-Abbaugrad in % Erntepotenzial: 3-9 kwh/(e. a) 9

10 Auswirkungen auf Energiebilanz der Kläranlage EW, ohne Hebewerk, 40 % CSB Entnahme Verbrauch Erzeugung Energie Bilanz kwh/(ew*a) Sandfang Vorklärung Belebung Nachklärung Faulung Verbrauch Faulung/ BHKW BioBZ Produktion Schmitt et al ,5 27, ,5 Mit BioBZ ,5 7 21,5-2,5 Schmitt et al. (2014) UMSTELLUNG VON KLA RANLAGEN AUF SCHLAMMFAULUNG, Hrsg. MULEWF, Rheinland Pfalz Mit Einkammersystem (keine Belüftungsenergie) ggfs. energieproduzierende Gesamtanlage CO 2 -Senke ab ca. 3 Jahre unter Berücksichtigung des Materialverbrauches 10

11 Potenzial Mikroschadstoffelimination Vier Probenahmestellen (Ports), Verweilzeit je Port: 4h Reihenschaltung von drei BioBZ-Laborzellen Zugabe von Sulfamethoxazol (SMX) 800 µg/l Anfangskonzentration 11

12 Potenzial Biofilmkonditionierung Verbesserung der Reinigungsleistung und Wandlungseffizienz Sekundärer Biofilm CSB-Abbau: 63,3 ± 10,5 % CE: 37,6 ± 22,3 % Quartärer Biofilm CSB-Abbau: 72,8 ± 9,0 % CE: 38,2 ± 12,2 Art. WW 1.0 Biofilm CSB-Abbau: 49,6 % ± 12,7 % CE: 61,7 ± 11,6 12

13 Transfer I Prototypen in marktfähige Produkte Einzelkomponenten separat vermarktungsfähig Kurz- bis mittelfristig nach Projektende möglich 13

14 Transfer II DWA Themenband über Querschnittsthema Biobrennstoffzelle In Kooperation mit Projektpartnern aus Verbünden Nach Projektende verfügbar (Projektende BioBZ 10/2017) 14

15 Transfer III Veröffentlichungen 6 (+ 4 review, weitere in Planung) Vorträge und Poster (mehr als 15) Organisation eines fachspezifischen Workshops Tag der offenen Tür, Besichtigungen der Pilotanlage Live-Ausstellung auf Fachmessen etc. 15

16 Ausblick Kleine Bio-Brennstoffzellen-Systeme sind in den größeren Maßstab gut übertragbar => Bio-Elektrolyse, Bio-elektrochemische Synthese Energieproduzierende Kläranlage in Verbindung mit maximaler CSB- Verwertung, Deammonifikation, sowie insbesondere bei Einkammersystemen und anaerober Schlammstabilisierung darstellbar Wettbewerber im Ausland (bis 100 kgbsb/d) Zukünftige Herausforderungen: Maßstab weiter vergrößern Material- und Herstellkosten senken Leistung steigern (Antifouling/-scaling) Gesamtkonzept N- und P-Elimination Wartungsfreier Betrieb 16

17 BioBZ - Die bio-elektrochemische Brennstoffzelle als Baustein einer energieerzeugenden Abwasserbehandlungsanlage Michael Sievers, Dennis Haupt, Michael Niedermeiser, Ottmar Schläfer, Hinnerk Bormann, Torsten Zeller, Jan Schlecht (CUTEC) Ulrich Kunz, Bolong Jiang, Thorben Muddemann (TU Clausthal) Thosten Hickmann, Rouven Henkel, Isabell Kundler (Eisenhth GmbH & Co. KG) Uwe Schröder, Robert Kreuzig, Robert Brown, Sebastian Riedl, Juliane Naujoks Harald Horn, Michael Wagner, Dominic Breitkopf Nora Sickora, Astrid Vogt, Jörg Hinke, Martin Lebek,