Von der Grünalge zur Biobrennstoffzelle - Zukunftstechnologien in der Abwassernutzung Uwe Schröder, Nachhaltige Chemie und Energieforschung, Institut für ökologische Chemie Prof. Dr. Uwe Schröder Nachhaltige Chemie und Energieforschung, Institut für Ökologische und Nachhaltige Chemie email: uwe.schroeder@tu-bs.de Biomasse als Chemikalienlieferant Biomasse Nachhaltigkeit Kraftstoffe Requirements defined by user Vennestrøm et al., 2010 ChemCatChem 1
Das Energieproblem.. Mobilität Wohin führt der Weg? Der Klassiker: Verbrennungsmotor Der Herausforderer: Elektromotor 2
Individuelle Mobilität ein Blick in die Zukunft r Verbrennungsmoto ion X % Elektrotrakti Verbrennungsmotor Elektromotor 2010 20XY Seite 5 Elektromobilität das Energiespeicherproblem 500 > 500 Wh/kg Reichweite e / km 150 130 Li-Ionentechnologie 170 Wh/kg 200 Wh/kg Zum Vergleich Energiedichte Diesel: 110 140 Wh/kg 11800 Wh/kg 50 30 Wh/kg Bleiakkumulator 19XY 2010 2015 2020 20XY 3
Individuelle Mobilität ein Blick in die Zukunft r Verbrennungsmoto ion X % Elektrotrakti Verbrennungsmotor Elektromotor 2010 20XY Seite 7 Wir brauchen zukünftig Strom + chemische Energieträger! 4
Biokraftstoffe die Sache mit der Nachhaltigkeit Biokraftstoffe die Sache mit der Nachhaltigkeit 5
Biokraftstoffe die Sache mit der Nachhaltigkeit Terra preta Biokraftstoffe die Sache mit der Nachhaltigkeit 6
Warum Algen? Algen bieten große Vorteile gegenüber höheren Pflanzen: fehlendes Lignin (besserer Zugang zu Inhaltstoffen) hohe Wachstumsraten und Flächenerträge benötigen keine Ackerflächen nutzen CO 2 als Kohlenstoffquelle besitzen (artspezifisch!) viele interessante Inhaltstoffe: Kohlenhydrate Lebensmittel, Futtermittel, Öle/ Fettsäuren Energieträger, Pharmazeutika, Proteine / Aminosäuren Chemikalien, Kosmetika.. Vitamine, Farbstoffe, Warum Algen? Algenlipide Biodiesel Hydrierte Pflanzenöle 7
Grünalgen eine Ressource mit Ansprüchen! CO 2 Wasser Nährsalze + Algen-Biomasse Extraktion Organische Reststoffe Lipide Proteine Proteine/ Lipide/ Kohlenhydrate Biodiesel Nutzung Chemische Umwandlung Biogas Futter mittel Chemikalien Sekundär &Wirkstoffe Energetische Nutzung Biodünger Stoffliche Nutzung Grünalgen eine Ressource mit Ansprüchen! CO 2 Wasser Nährsalze + Algen-Biomasse 8
Grünalgen eine Ressource mit Ansprüchen! CO 2 Wasser Nährsalze + Algen-Biomasse Mehrfachnutzenstrategie: Elemination von Stickstoff und Phosphor (potentieller Verzicht auf Denitrifikation und Phosphatelemination); mögliche Entfernung von Schwermetallen Kein zusätzlicher Wasserverbrauch Erzeugung von marktrelevanten Produkten + (Bio)energie Themenwechsel Vision Mikrobielle Brennstoffzelle Seite 18 9
Mikrobielle Brennstoffzellen Direkte Kopplung von Abwasserbehandlung und Energie(rück)gewinung Abwasserbehandlung verursacht 10% des kommunalen Stromverbrauchs; Beispiel Stuttgart: 40 GWh/a (Elektrizität) = 4M /a i ; at an average COD 0.8 kg/m 3 ii municipal wastewater contains about 3.3 kwh/m 3 iii ; food industry: at COD of 25 kg/m 3 iv = ca. 100 kwh/m 3 ; Mikrobielle Brennstoffzellen Anode Kathode H +,CO 2 H 2 O Luft e - e - Substrat (Fuel) H + H + O 2 10
Mikrobielle Brennstoffzellen Mechanismen Substrate Substrate Substrate CO 2 CO 2 H + e - CO 2 NADH NAD+ NADH NAD+ H + e - Med red Med red Med ox NADH NAD+ H + Med ox Med ox Med red e - e - Mikrobielle Brennstoffzellen maßgeschneiderte Anoden A Geometric current den nsity / A m -2 30 20 10 0 Su ubstrate supply (20 mm Acetate) Su ubstrate supply (10 mm Acetate) 0 1 2 3 4 5 6 Time 7 / d C D B Geometric Specific Specific current dens. weigth current dens. / [A m 2 ] / [g m 2 ] / [ma g 1 ] Graphite rod 13 Carbon Felt 16 333 48 PCNF 30 42 714 11
Mikrobielle Brennstoffzellen maßgeschneiderte Anoden 30 25? Stromdichte / A m -2 20 15 10 5 0 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 Publikationsjahr Seite 23 Einfluss von Umweltfaktoren September 2008 40 24 35 22 rature / C February 2009 September 2009 30 20 tempe temperature / C 25 20 18 time / h 12 24 36 48 15 10 5 0 100 200 300 400 time / days Biosensors&Bioelectronics 2010, 26, 803-808 12
Einfluss von Umweltfaktoren: Temperatur j / µa cm -2 50 C 1000 30 32 Time 34 / h 36 38 400.6 35 C 35 C 800 600 55 C 400 0.5 0.4 j / ma cm -2 0.3 0.2 0.1 0.0 200 0 0 C 0 C 0 15 30 45 60 75 Time / h Biosensors&Bioelectronics 2010, 26, 803-808 Einfluss von Umweltfaktoren: Temperatur 1000 800 35 C 27 C 22 C / µa cm-2 jsteady state 600 400 200 0 0 10 20 30 40 50 Operation temperature / C Biosensors&Bioelectronics 2010, 26, 803-808 13
Einfluss von Umweltfaktoren: Biozide to i 0 / % Cu urrent response, normalized 100 80 60 40 20 0 electroactive microbial biofilm planctonic cells (Mediated MFC) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Biocide concentration / mg L -1 Von der Forschung in die Anwendung.. 14
Herausforderung Design und Upscaling Logan et al, 2007 07 (Penn State University) Herausforderung Design und Upscaling Angenent Lab, Cornell, USA 15
Advanced Wastewater Management Centre University of Queensland Australia (Fosters Brewery) Herausforderung Design und Upscaling Penn State Un niversity @ Napa Wine Company => Bruce Loga an, Penn State University y 16
Bioelectrochemical Systems: from Extracellular Electron Transfer to Biotechnological Application, Editors K. Rabaey, L. Angenent, U. Schröder, J. Keller; IWA Publishing., 2009 ISBN: 9781843392330 Edited by Korneel Rabaey, Lars Angenent, Uwe Schröder, Jurg Keller 17