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Fortschritt für nachhaltige Abwasserbehandlung: Ammoniumrückgewinnung mit Nafion-Membranen

Abwasserreinigungsanlage Bern

Mit dem weltweiten Bevölkerungswachstum und der damit einhergehenden zunehmendem Umweltbelastung wird der Bedarf an nachhaltiger Abwasserbehandlung immer dringlicher. Herkömmliche Verfahren konzentrieren sich auf die Entfernung von Schadstoffen, übersehen jedoch oft die Chance, wertvolle Ressourcen zurückzugewinnen. Eine dieser Ressourcen ist Ammonium.Dieses Stickstoff enthaltende Molekül ist wachstumsfördernd und ein zentraler Bestandteil von Düngemitteln. Bei unsachgemäßer Handhabung, wie z.B Überdüngung ist Ammonium einer der Hauptverursacher von Stickstoffverschmutzung.

Eine vielversprechende Lösung bieten bioelektrische Systeme. Das ist ein Sammelbegriff für innovative Technologien, die nicht nur Abwasser reinigen, sondern auch Ressourcen wie Ammonium zurückgewinnen. Gleichzeitig erzeugen bioelektrische System saubere Energie wie z.B. elektrischen Strom oder Biogas. Die Technologie basiert auf galvanischen Zellen, wobei die beiden Zellkammern oft durch eine Membran getrennt sind. 115-Leistungsstarke Kationenaustauschmembran ermöglichen präzisen Ionentransport und Systemstabilität. Das Premiumprodukt unter den Kationenaustauschmembranen ist Nafion, wie z.B. unsere Nafion 115 Membran.

Bei Frontis Energy haben wir gezeigt, daß bioelektrochemische Systeme Ammonium aus Abwasser entfernen können und damit eine energieeffiziente Alternative zum energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren bieten. Zur Validierung dieses Konzepts entwickelten wir mikrobiologische Elektrolysezellen, die mit Mikroorganismen aus sauerstoffreien marinen Sedimenten vor der Küste Namibias besiedelt wurden. Diese Sedimente sind von Natur aus reich an Ammoniak und arm an organischem Kohlenstoff. Das sind ideale Bedingungen für Mikroben, die zur anaeroben Ammoniumoxidation befähigt sind. Zum Vergleich nahmen wir gewöhnliches kommunales Abwasser zur Besiedelung der Elektroden.

Die Aufrechterhaltung anoxischer Bedingungen war entscheidend, um Nitrifikation zu vermeiden. Dabei handelt es sich um einen Prozeß, der Elektronen direkt auf Sauerstoff überträgt und die Anode umgeht, was zu Energieverlust und verminderter Wasserstoffproduktion führt. Stattdessen regulierten wir das Anodenpotenzial zwischen +150 mV und +550 mV. Das war – deutlich unter dem für Wasseroxidation erforderlichen Redox-Potential von +820 mV. Diese Konfiguration ermöglichte die Oxidation von Ammonium zu Stickstoffgas (N₂) an der Anode, während an der Kathode Wasserstoff (H₂) erzeugt bzw. Methangas wurde.

Zentral für diesen Prozeß ist Nafion 115. Dabei handelt sich um eine Membran aus Perfluorsulfonsäurepolymeren (PFSA-Polymere). Ihre außergewöhnliche Protonenleitfähigkeit, chemische Beständigkeit und mechanische Robustheit machen sie ideal für anspruchsvolle Abwasserumgebungen. Nafion 115 funktioniert wie ein selektives Tor, das Ammoniumionen (NH₄⁺) von der Anode zur Kathode wandern läßt, während konkurrierende Ionen blockiert und anoxische Bedingungen aufrechterhalten werden. Dieser selektive Transport, getrieben durch elektrische Feldgradienten und Konzentrationsunterschiede, gewährleistet eine effiziente Nährstoffrückgewinnung und stabile Leistung des bioelektrischen Systems.

Eine praktische Validierung dieser Technologie stammt aus unserem früheren Bericht, in dem Forscher einen zweikammerigen, anoxischen bioelektrischen Reaktor entwickelten, der Ammonium kontinuierlich mit einer Rate von etwa 5 g/m³/Tag entfernte. Ihr System wandelte über 97 % des Ammoniums direkt in Stickstoffgas um. Diese Umwandlung konnte ohne die Bildung schädlicher Zwischenprodukte wie Nitrit oder NOx-Gase durchgeführt werden. Besonders beeindruckend war der Energieverbrauch von nur 0,13 kWh pro Kilogramm entferntem Stickstoff. Das war eine 35-fache Reduktion im Vergleich zur konventionellen Belüftung, die typischerweise etwa 5 kWh/kg benötigt.

Diese Ergebnisse unterstreichen das transformative Potential von bioelektrischen Systemen. Wie eingangs erwähnt, wird viel Energie aufgewendet, um Stickstoff aus Abwasser zu entfernen, nur um ihn anschließend über das Haber-Bosch-Verfahren erneut verfügbar zu machen. Das macht 1–2 % des weltweiten Energieverbrauchs aus. Bioelektrische Systeme bieten eine zirkuläre Alternative: Durch die Kopplung von Ammoniumoxidation mit Wasserstoffproduktion könnten Kläranlagen zu Nettoenergieerzeugern werden. Erzeugte Wasserstoff und Biogas können direkt zur Stromerzeugung und letztendlich zur Reduktion von Treibhausgasen genutzt werden.

Mit den richtigen Biofilmen, gut kontrollierten Elektrodenpotenzialen und robusten Membranen wie Nafion 115 kann Ammonium als saubere, ressourcenschonende Alternative zur Wasserelektrolyse dienen. Dies verdeutlicht das Potential bioelektrischer Systeme, eine zirkuläre Wasserwirtschaft aufzubauen, wobei Abfall als Ressource genutzt wird.

Diese Technologie spiegelt das Engagement von Frontis Energy wider, saubere, effiziente und zirkuläre Lösungen zu fördern, die ökologische Herausforderungen in nachhaltige Chancen verwandeln.

Bild: Abwasserreinigungsanlage Bern

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Stabilität von Anionenaustauschmembranen für saubere Elektrolyse

Hydrogen electrolyzer China

Energiesicherheit und Klimawandel gehören zu den größten Herausforderungen unserer Zeit. Um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, treten erneuerbare Energiequellen als entscheidende Lösungen für eine nachhaltige Energieerzeugung in den Vordergrund. Zur Speicherung und zum Transport von erneuerbarer Energie sind skalierbare Lösung ein wichtiger Bestandteil. Wasserstoff erzeugt in Wasserelektrolyseure und verbraucht in Brennstoffzellen kann dabei helfen, die saisonale Variabilität erneuerbarer Energien auszugleichen.

Brennstoffzellen haben das Potential, erheblich zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors beizutragen. Der Transport von Personen und Gütern ist für fast ein Drittel der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Trotz ihres Potentials bleibt die breite Einführung moderner Brennstoffzellen und Elektrolyseure aufgrund hoher Investitionskosten begrenzt. Das liet vor allem and teuren Katalysatoren aus Edelmetallen und perfluorierten Protonenaustauschmembranen.

Diese Herausforderung hat gestiegenes Interesse an Anionenaustauschmembranen geweckt. Unter alkalischen Bedingungen bieten sie mehrere Vorteile:

  • nicht‑edle Metallkatalysatoren dank nicht-korrosiver Bedingungen und
  • nachhaltigere Membranmaterialien

Allerdings gibt es bei der Einführung von Anionenaustauschmembranen einige Hürden. Dazu zählen insbesondere ihre kurze Lebensdauer unter alkalischen Bedingungen und oxidativem Streß.
Die Bildung von Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikalen unter alkalischen Bedingungen ist verantwortlich für den beschleunigten Zerfall von Polymeremembranen. Die Untersuchung des radikalinduzierten Zerfalls von Anionenaustauschmembranen ist daher von zentraler Bedeutung.

Dazu müssen im Labor effizient Radikale hergestellt werden. Die aktuellen Methoden wie thermische Zersetzung oder UV‑Aktivierung von Wasserstoffperoxid zur Herstellung solcher Radikale sind jedoch ineffizient. Sie sind zudem anfällig für Nebenreaktionen, wodurch ihre Relevanz für reale Betriebsbedingungen eingeschränkt wird.

Die Immersion in sauerstoffgesättigten alkalischen Lösungen ist ein effizienter Ansatz, der brauchbare Erkenntnisse geliefert hat. Dies Methode kann aber nicht unterscheiden zwischen dem natürlichen Zerfall von Membranen und dem durch Radikale beschleinigten Abbau.

Radioaktivität und starke elektromagnetische Strahlung ermöglichen eine präzise Kontrolle der Radikalbildung, erfordern jedoch teure, spezialisierte Infrastruktur. Es werden erschwingliche und praktikable Lösung benötigt, um Radikale im Labor unter realistischen Bedingungen gezielt zu untersuchen.

Dieser Herausforderung haben sich Forscher der von SINTEF in Norwegen und der ETH Zürich gestellt. Sie stellten angepaßte photochemische Methoden vor, die Radikale erzeugen und deren Einfluß auf die Stabilität von Anionenaustauschmembranen unabhängig von anderen Abbauprozessen untersuchen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Membranes veröffentlicht.

Durch die Bestrahlung wäßriger Kaliumnitritlösungen oder Titanoxidsuspensionen mit UV‑Licht bei 365 nm wurden erfolgreich Hydroxylradikale beziehungsweise eine Kombination aus Hydroxyl‑ und Superoxidradikalen erzeugt. Tests dieser Ansätze an drei kommerziellen Anionenaustauschmembranen – PiperION®‑40 (PiperION), FM‑FAA‑3‑PK‑75 (Fumasep) und PNB‑R45 (Polynorbornen) – zeigten deutliche Unterschiede in der Haltbarkeit. Erwartungsgemäß zerfielen dünnere, nicht verstärkte Membranen schneller als dickere, verstärkte Membranen. Verursacht wurde dieser Unterschied vermutlich durch die begrenzten Eindringtiefe hochreaktiver Radikale.

Beide Methoden erwiesen sich als praktische, erschwingliche und leicht zugängliche Werkzeuge zur Bewertung der Stabilität von Anionenaustauschmembranen gegenüber Radikalangriffen.
Photochemische Radikalerzeugung war daher ein praktikabler Weg, um den radikalinduzierten Zerfall von Anionenaustauschmembranen unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Der nitritbasierte Ansatz erzeugte selektiv Hydroxylradikale, während Titanoxiduspensionen sowohl Hydroxyl‑ als auch Superoxidradikale lieferten.

Längere Bestrahlung schädigte die Membranen stärker. Dieses Ergebnis beweist deutlich die entscheidende Rolle von Radikalen bei der Zersetzung von Membranen. Experimente bei pH 10 ermöglichten eine Unterscheidung von natürlichen und radikalgetriebenen Ursachen.

Über den Nutzen im Labor hinaus sind beide Methoden auch von industrieller Bedeutung. Kombiniert mit kostengünstiger Laborausrüstung bieten sie weitflächig einsetzbare und reproduzierbare Werkzeuge zur Evaluierung kommerzieller und prototypischer Anionenaustauschmembranen. Durch die Kostenreduktion und die Verlängerung von Haltbarkeitstests unter realen Bedinungen kann die Entwicklung robuster Anionenaustauschmembranen für Brennstoffzellen und Elektrolyseure beschleunigt werden.

Frontis Energy ist Teil der Mission, kostengünstige Lösungen zur Entwicklung effizienter Technologie zur Energieumwandlung zur Verfügung zu stellen. Dadurch stärken wir den weltweiten Übergang zu sauberen, widerstandsfähigen und nachhaltigen Energiesystemen.

Solyom, P.; Nauser, T.; Nemeth, T. Photochemical Methods to Study the Radical-Induced Degradation of Anion-Exchange Membranes. Membranes 2025, 15, 305. https://doi.org/10.3390/membranes15100305

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Fortschritte bei der Ammoniumrückgewinnung mit bioelektrischen Systemen

DOI: 10.13140/RG.2.2.16014.22082

In den letzten Jahrzehnten hat sich der Schwerpunkt der Abwasserbehandlung von der reinen Entsorgung hin zur Rückgewinnung von Ressourcen verlagert. Dabei werden im Abwasser enthaltene Energie und Nährstoffen erschlossen. Unter den aufkommenden Technologien befinden sich auch bioelektrische Systeme. Neben Energie und Kohlenstoff können auch wertvolle Verbindungen wie Ammonium zurückgewonnen werden. In Ammonium gebundener Stickstoff ist ein zentraler Bestandteil von Düngemitteln. Zwei Drittel dieser Ressource werden heute im sehr energieaufwendigen Haber-Bosch-Verfahren mithilfe von Erdgas aus Luft gewonnen. Die Düngemittelherstellung trägt damit wesentlich zu anthropogenen CO2-Emmissionen und schlußendlich zur globalen Erwärmung bei.

Bioelektrische Systeme zur Ammoniumrückgewinnung werden in mikrobielle Brennstoffzellen und mikrobielle Elektrolysezellen unterteilt. In beiden oxidieren elektrogene Mikroorganismen im Abwasser enthaltenes organisches Material zu Kohlendioxid und Protonen. Elektrogene Mikroorganismen werden auch als anodenatmende Bakterien bezeichnet. Im Gegensatz zu sauerstoffatmenden Bakterien nutzen Elektrogene die Anode als Elektronenakzeptor und gewinnen dadurch Energie für ihren Stoffkreislauf.

Durch die Verbindung mikrobieller Aktivität mit elektrochemischen Prozessen werden die chemischen Reaktionen bei der Abwasserreinigung effektiv katalysiert. Diese neuartige biokatalytische Anwendung steht jedoch vor Herausforderungen bei der Optimierung für den praktischen Einsatz. Bei Frontis Energy haben wir in einem patentierten Verfahren schon gezeigt, daß Ammonium in bioelektrischen Systemen effektiv aus Abwasser entfernt werden kann. Wir arbeiten derzeit daran, das Verfahren für den industriellen Einsatz zu skalieren. Allerdings fehlt derzeit noch das Verständnis sowohl der genauen Prozesse, als auch der für mögliche Rückgewinnung von Ammonium.

Eine neue Studie der Autonomen Universität Barcelona wurde die Entwicklung und Optimierung bioelektrischer Systeme untersucht. Ziel war es, Ammonium aus Abwasser energieeffizient und in konzentrierter Form zurückzugewinnen. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachblatt Bioelectrochemistry veröffentlicht. Mithilfe einer Drei-Kammer-Konfiguration mit hydrophober Membran untersuchten die Forscher systematisch den Einfluß unterschiedlicher Stromstärken und Ammoniumkonzentrationen auf die Rückgewinnung. Das System erreichte seine höchste Ammoniumrückgewinnungsrate von 55 g / m² / Tag bei einem Strom von 75 mA. Insgesamt wurde eine 97%ige Entfernung des Ammoniums aus einer 0.3%igen Lösung erzielt.

Bemerkenswerterweise fließen Elektronen vom Anoden- zum Kathodenbereich über einen externen Stromkreis, wo sie mit einem Elektronenakzeptor reagieren. In Systemen zur Rückgewinnung von Ammonium wandern Ammoniumionen durch eine Kationenaustauschmembran von der Anode zur Kathode, angetrieben durch Konzentrationsgradienten und das elektrische Feld, wodurch sie sich in der Kathodenkammer anreichern können.

Während dieser Ionentransportmechanismus eine effiziente Ammoniumrückgewinnung unterstützt, beobachteten die Forscher, daß ein Betrieb mit hoher Leistungsfähigkeit zu einem Materialverschleiß an der Kathode führte. Das unterstreicht die Notwendigkeit, Betriebsintensität mit Materialbeständigkeit in Einklang zu bringen. Folglich untersuchten die Forscher verschiedene Kathodenmaterialien und Spannungen. Dabei zeigte sich, daß Edelstahlkathoden bei 1,4 V die besten Ergebnisse lieferten – mit einer Entfernungsrate von 21 g / m² / Tag und einer Rückgewinnungsrate von 17 g / m² / Tag, vor allem aufgrund der verbesserten Kationenmigration infolge höherer Stromdichte.

Langzeitversuche zeigten, daß eine höhere Ammoniumkonzentration im Anolyt die selektive Migration von Ammoniumionen durch die Kationenaustauschmembran deutlich verbessert. Diese Verbesserung steigert wiederum die Gesamtleistung des Systems. Der Betrieb bei 1,4 V erhöhte die Rückgewinnungseffizienz und senkte den Energieverbrauch pro Gramm Stickstoff – was den Prozeß kosteneffizienter und umweltfreundlicher machte.

Diese Erkenntnisse unterstreichen das praktische Potential bioelektrischer Systeme als wegweisend zur nachhaltigen Stickstoffrückgewinnung. Durch die Abstimmung von Materialwahl, Systemdesign und Betriebsparametern lassen sich hohe Ammoniumentfernungs- und Rückgewinnungsraten bei minimalem Energieeinsatz erzielen.

Aus industrieller Sicht stelt diese Studie einen skalierbaren Fortschritt in Richtung Ressourcengewinnung bestehender Abwasserbehandlungssysteme dar. Skaliert könnte die Technologie die Abhängigkeit vom energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren reduzieren.

Da es sich bei Ammonium in konzentrierter Form um ein marktfähiges Produkt handelt, senkt seine Rückgewinnung die Betriebskosten von Kläranlagen. Sollte das skalierte Produkt durch die selbe stabile Langzeitleistung und geringen Energiebedarf überzeugen, wären dies starke Argumente für den Einsatz bioelektrischer Technologien im Rahmen der Kreislaufwirtschaft.

Bei Frontis Energy sehen wir großes Potential darin, diese Technologie zu skalieren und einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Abwasserbehandlung zu leisten.

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Verbesserte Membrananordnungen für kapazitive Flußelektroden-Entsalzung

DOI: 10.13140/RG.2.2.19476.16002

Mit der sich verschärfenden globalen Trinkwasserknappheit wächst der Bedarf an praktikablen und energiesparenden Entsalzungsmethoden. Zu den potentiellen Lösungen zählen osmotische Entsalzungsverfahren wie die kapazitive Deionisierung und deren fortschrittliche Variante, die kapazitive Flußelektrodendeionisierung. Flußelektroden sind strömende Elektroden, bestehend aus in der Flüssigkeit suspendierten leitfähigen Partikeln. Sind diese Partikel elektrisch aufgeladen, verhalten sie sich wie ein Kondensator, gewinnen also kapazitive Eigenschaften.

Bei der Flußelektrodendeionisierung werden fließfähige Kohlenstoffelektroden mit Ionenaustauschermembranen kombiniert. Der Einsatz der Membranen ermöglicht eine kontinuierliche und effiziente Entsalzung. Membranen verursachen einen selektiven Transport geladener Ionen, wobei entgegengesetzt geladene Ionen (Gegenionen) durchgelassen und gleichgeladene Ionen (Koionen) zurückgehalten werden. Dieser selektive Ionentransport ist entscheidend für die gezielte Entfernung von Salzen aus dem Zulaufstrom.

Fortschritte in der Forschung haben zu Verbesserungen von Membraneigenschaften, der damit verbunden Ionenselektivität und dem Design galvanischer Zellen geführt. Dadurch konnten praxisnahe Anwendungen entwickelt werden. So wurde die Flußelektrodendeionisierung z.B. im Jahr 2023 in einer Pilotanlage auf industrielle Umsetzbarkeit getestet.

Die Optimierung der Leistung hängt stark vom Verständnis darüber ab, wie sich der Ionentransport mit unterschiedlichen Membrananordnungen verhält. Ionenaustauschmembranen spielen dabei eine zentrale Rolle bei der Steuerung des Ionentransports. Bestimmte Membrananodnungen, wie z.B. einem Membransandwich bestehend aus Anionen- und Kationenaustauschmembranen konnten die Entsalzung deutlich beschleunigen. Zwar wurden vielversprechende Ergebnisse mit einfachen Salzlösungen wie NaCl und KCl erzielt. Ein Mix aus verschärfenden Ionen, wie er natürlicherweise im Meerwasser vorkommt, ist jedoch deutlich schwieriger.

Forscher der RWTH Aachen haben kürzlich untersucht, wie unterschiedliche Anordnungen von Ionenaustauschmembranen bei der Flußelektrodendeionisierung selektive Entfernung von Ionen aus komplexen Salzgemischen – etwa mit Carbonat- und Sulfationen – beeinflussen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Desalination veröffentlicht. Zwei Deionisierungsmodule mit unterschiedlicher Membrananordnung wurden analysiert. Getestet wurden Membranschichten mit der der Kationenmembran innen und der Anionenmembran außen – und umgekehrt. Beide Konfigurationen erreichten ähnliche Entsalzungleistung. Die Zeit bis zum Erreichen des stabilen Zustands variierte jedoch je nach Anordnung und Pufferkapazität der Flußelektrode.

Die getesteten Anionenaustauschmembranen zeigten eine stärkere Affinität zu Sulfationen als zu Karbonationen, was die Stabilisierung in einigen Versuchen verzögerte. Strategien wie die Reduzierung des Elektrodenvolumens und die gezielte Lenkung bestimmter Ionen entlang des Elektrodenpfads halfen, den stationären Zustand schneller zu erreichen. Diese Ergebnisse unterstreichen erneut die Bedeutung von Membranselektivität, Elektrodeneigenschaften und Systemdesign für die Leistungssteigerung der Flußelektrodendeionisierung, insbesondere bei gemischt-ionischen Wasserquellen.

Die Effektivität der Flußelektrodendeionisierung hängt nicht nur vom Erreichen des stationären Entsalzungszustands ab, sondern auch davon, wie gut Ionenselektivität und Systemanpassung gehandhabt werden. Bei Salzwasser mit mehreren Kationen und Anionen reicht die Membrananordnung allein nicht aus, um die gewünschten Entsalzungsergebnisse zu erzielen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, müssen Strategien wie Membranbeschichtungen oder die Modifikation der Elektrodeneigenschaften in Betracht gezogen werden.

Die Forscher gingen in Ihrer Studie auch auf die Methoden zur Auswertung ihres Ansatzes ein. Interessanterweise reicht für die Bewertung der Entsalzungsleistung die Messung der Leitfähigkeit allein nicht aus. Sie gibt zwar die Gesamtsalzkonzentration an, erfaßt aber nicht die Veränderung in der Salz-Zusammensetzung. Daher sind genauere Bewertungsmethoden erforderlich, um spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.

Diese Fortschritte sind entscheidend für die Optimierung der Leistung der Flußelektrodendeionisierung und zur Deckung des wachsenden Bedarfs an effizienten, anpassungsfähigen Wasseraufbereitungstechnologien. Bei Frontis Energy sind wir gespannt auf zukünftige Entwicklungen in der Skalierung dieser richtungsweisenden Technologie.

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Elektrolytische Wasserspaltung für Bindemittel in Baustoffen

DOI: 10.13140/RG.2.2.27780.18562

Die Ozeane sind reich an Magnesiumressourcen, die für die Baustoffproduktion genutzt werden könnten. Sorelzement (Magnesitzement) zum Beispiel kann im Innenausbau von Gebäuden anstelle von Estrich eingesetzt werden. Um Magnesium aus Meerwasser zu gewinnen, müssten die Magnesiumoxid (Magnesia) zuerst aus dem Meerwasser mithilfe des den traditionellen Kalzinierungsprozess sehr energieaufwendig abgeschieden werden. Die innovative Methode der elektrolytischen Wasserspaltung kann das umgehen und dadurch viel CO2 einsparen.

Dabei kann Magnesiumhydroxid (Mg[OH]₂) unter alkalischen Bedingungen ausgefällt werden. Die bisherige Forschung hat zwar elektrochemische Methoden zur Hydroxid-Erzeugung untersucht. Doch nur wenige haben die effiziente Alkali-Synthese mit direkter Fällung der Magnesiavorstufe Magnesiumhydroxid mit kohlenstoffarmen Zement kombiniert. Diese Wissenslücke für die Optimierung der Energie- und Materialeffizienz wurde nun geschlossen.

Eine neue Studie, die von einem Forschungsteam der Columbia University geführt wurde, bediente sich der elektrochemischen Wasserspaltung bei Niedrigspannung (1,6–2,0 V). Durch die Wasserstoffproduktion wurden Hydroxidionen (OH⁻) aus Meerwasser erzeugt. Dadurch kam es zu einer direkten Ausfällung von Magnesiumhydroxid, der Vorstufe von Magnesia. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Desalination veröffentlicht. Der neue Ansatz reduziert die Energieintensität um 52–78%. Normalerweise liegt der Energieverbrauch pro Tonne MgO bei 0,56 MWh. Durch die neue Methode können Kohlenstoffemissionen pro Tonne Magnesia in Höhe bis zu 0,41 Tonnen CO₂ eingespart werden.

Um die Produktionseffizienz weiter zu steigern, wurde die Nanostruktur von Magnesiumhydroxid mithilfe von Harnstoff als Vernetzer optimiert. Dadurch wurden die Reaktivität, die Porosität und spezifische Oberfläche verbessert. Bei einer optimalen Dosierung von 0,2 mol/L Harnstoff zeigten die Magnesiapartikel gute Bindungseigenschaften. Die Autoren führten dies auf die Verschlußwirkung von rosettenförmigem Dypingit und stabförmigem Nesquehonit zurück. Durch die Bildung dieser Mineralien wird nach Ansicht der Autoren der CO2-Einbau und dadurch auch die Karbonathärtung erleichtert.

Fortschritte in symmetrischen elektrochemischen Systemen, wie die die hier gezeigten, haben eine bis zu 78%ige Reduktion des Energiebedarfs für Herstellung von Laugen zur Folge. Damit haben solche Methoden das Potential, sich als tragfähige Alternative zu traditionellen Verfahren zu etablieren. Die weitere Optimierung von Elektroden und Elektrolyt stellt einen wegweisenden Ansatz für die kohlenstoffneutrale Produktion von Baustoffen und Laugen dar. Zudem zeigt diese Methode, daß die Herstellung von Baustoffen einen effizienten Einbau von CO2 ermöglicht. Dadurch kann eine dauerhafte Entfernung des Treibhausgases aus der Atmosphäre stattfinden.

Die industrielle Skalierung der elektrochemischen Laugenerzeugung kann Betriebskosten senken, Umweltauswirkungen minimieren und die Eigenschaften kohlenstoffarmer Baustoffe verbessern. Die ökonomischen Aspekte dieses Herstellungsprozesses sind besonders hervorzuheben, da der Bedarf an effizienten  Bindematerialien weiter wächst.

Bei Frontis Energy widmen wir uns der Förderung nachhaltiger und zugleich wirtschaftlicher Energielösungen. Forschung wie die hier vorgestellte liefert wichtige Erkenntnisse und Innovationen zur Unterstützung solcher nachhaltiger Lösungen.

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Von Abwärme zu hochreinem Wasser: Revolutioniert eine neue Technologie erneuerbaren Wasserstoff?

Wasserstoff (H₂), hergestellt mit erneuerbarer Energie, hat sich als mögliche Alternative zu fossilen Brennstoffen herauskristallisiert. Dieses vielseitige Molekül kann als Energieträger, effiziente Speicherlösung und nachhaltiger Rohstoff für den Transport, die chemische Verarbeitung und Energiesysteme weltweit dienen.

Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen verursacht Wasserstoff bei der Nutzung keine schädlichen Emissionen. Er kann mittels Elektrolyseuren, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden, sowie mit reichlich verfügbarem Wasser als Ausgangsstoff erzeugt werden. Das macht ihn zu einer erneuerbaren und nachhaltigen Energiequelle, die die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffreserven reduziert und den Klimawandel bekämpft. Folglich ist die Wasserstoffproduktion zu einer wichtigen Priorität zahlreicher Industriestaaten geworden.

Allerdings muss das in Elektrolyseuren verwendete Wasser ultrarein sein, um die Elektroden der Elektrolyseure vor Verunreinigung zu schützen und die Oxidation von Chloriden zu Chlor zu vermeiden. Reichlich vorhandenes Meerwasser bringt mehrere Herausforderungen mit sich, wenn es direkt in Elektrolyseanlagen zur Wasserstoffproduktion eingespeist wird. Dadurch wird hochreines Wasser zu einer teuren Notwendigkeit. Hochreines Wasser wird in einer Reihe von Schritten hergestellt, darunter die Vorbehandlung zur Entfernung von Feststoffen, Entsalzung und die Eliminierung von kleineren Partikeln. Reinigungstechniken wie Ionenaustausch, Entgasung und UV-Behandlung werden zur Reinigung verwendet. Unter diesen Prozessen ist die Entsalzung besonders entscheidend für die Entfernung der meisten Verunreinigungen.

Umkehrosmose, insbesondere Meerwasserumkehrosmose, ist eine weit verbreitete Entsalzungstechnologie, hat jedoch erhebliche Nachteile, wie z. B. den Betrieb unter hohem Druck (hoher Energieverbrauch), intensive Vorbehandlung und die Erzeugung konzentrierter Sole, die sich bei der Einleitung ins Meer auf sein Ökosysteme schädlich auswirkt. Membrandestillation hat als Alternative zur Herstellung von hochwertigem Wasser und seiner Rückgewinnung Interesse erregt. Sie arbeitet bei niedrigeren Temperaturen und kann Abwärme nutzen.

Membrandestillation ist ein thermischer Trennungsprozeß, bei dem ein Dampfdruckunterschied über eine hydrophobe Membran Flüssigkeitspartikel zur Phasenumwandlung veranlaßt, so daß diese die Membran als Gas passieren. Der Betrieb bei Umgebungsdruck und die Nutzung von Niedertemperaturwärmequellen (<90 °C) bieten erhebliche Vorteile. Die Forschung zur Membrandestillation als praktikable Alternative zur Umkehrosmose für die Produktion von hochreinem Wasser blieb jedoch weitgehend auf Bereiche wie Moduldesign und techno-ökonomischer Analyse begrenzt.

Eine Gruppe von Forschern am Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) in Freiburg, Deutschland, hat das Potential der Membrandestillation als kosteneffiziente und energiesparende Alternative zur Umkehrosmose bei der Herstellung von hochreinem Wasser für Protonenaustausch-(PEM)-Elektrolyseure erforscht. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachmagazin Desalination Journal veröffentlicht. Sie untersuchten die Membrandestillation als mögliche Alternative zur Umkehrosmose für die Herstellung von hochreinem Wasser. Also besonderes eleganten Ansatz benutzten die Forscher die Abwärme eines 5 MW PEM-Elektrolyseurs fuer ihr Membrandestillationssystem. So verwandelten sie einen sonst typischen Effizienzverlust in einen ökonomischen Vorteil. Ihre Ergebnisse sind beeindruckend: Membrandestillation produziert nicht nur außergewöhnlich reines Destillat (<3 μS/cm), sondern tut dies zu Kosten zwischen €2,33 und €2,85 pro Tonne Destillat im Vergleich zu den üblichen Kosten von €2,80 bis €5,51 bei Umkehrosmose. Mit Membrandestillation könnte die Meerwasserentsalzung um 50% oder mehr kostengünstiger werden.

Wirtschaftliche Analysen zeigen, daß die Kosteneffizienz der Membrandestillation durch ihren niedrigen Strombedarf und ein optimiertes Moduldesign mit kurzen Kanälen verbessert wird. Die beeindruckende Energieeffizienz wird durch die Nutzung von Restwärmeenergie ermöglicht. Das macht Membrandestillation zu einer äußerst vielseitigen und umweltfreundlichen Lösung, die gut für erneuerbare Wasserstoffproduktion geeignet ist.

Die neue Studie positioniert die Membrandestillation nicht nur als Alternative zur Umkehrosmose, sondern auch als intelligenten und nachhaltigen Ansatz zur Herstellung von hochreinem Wasser. Die vorgestellten Ergebnisse bieten einen neuen industriellen Ansatz zur Produktion von hochreinem Wasser neu zu definieren. Durch die neue Veröffentlichung einer effizienten Nutzung von Abwärme und die Bereitstellung einer kostengünstigen Lösung bietet die Studie zahlreichen Branchen einen Weg zur Verringerung der Betriebskosten und fördert gleichzeitig die Nachhaltigkeit. Dies paßt besonders gut zu Sektoren, die nachhaltige Betriebe anstreben, wie z.B. die erneuerbare Wasserstoffproduktion und andere energieintensive Anwendungen. Darüber hinaus könnte die Einführung der Membrandestillation Innovationen bei der Systemgestaltung und -integration fördern und die Industrie dazu anregen, Prozesse zu optimieren und die Abhängigkeit von traditionellen, energieintensiven Methoden zu verringern. Dieser Wandel kann zu umfassenderen Nachhaltigkeitszielen beitragen und die wirtschaftliche Umsetzbarkeit von Initiativen im Bereich der erneuerbaren Energien verbessern.

Bei Frontis Energy setzen wir uns dafür ein, nachhaltige und wirtschaftliche Energielösungen voranzutreiben. Innovative Technologien wie die Membrandestillation helfen, uns einer nachhaltigen Zukunft näherbringen.

Schwantes et al. 2025 Thermally driven ultrapure water production for water electrolysis – A techno-economic analysis of membrane distillation, Volume 608, 118848, DOI: 10.1016/j.desal.2025.118848.

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Das Potenzial leitfähiger Polymere für nachhaltige Wasseraufbereitung und Energielösungen freisetzen

Kohlenstoffbasierte Materialien haben ein breites Anwendungsspektrum, wie etwa Energiespeicherung und -umwandlung, Elektronik, Nanotechnologie, Wasserreinigung und Katalyse. Sie bestehen aus einem Element, das überall verfügbar ist.

Die elektrochemischen Eigenschaften kohlenstoffbasierter Elektroden können durch die Verwendung leitfähiger Polymere verbessert werden. Kohletuch, das aus Kohlenstoff-Mikrofasern gewebt wird, ist ein vielversprechende kohlenstoffbasiertes Elektrodenmaterial. Es ist als langlebig und kosteneffizient und gut  für elektrochemische Reaktionen geeignet, die z.B. CO2 umwandeln, Schadstoffe abbauen und die Wasserqualität verbessern. Solche Elektroden, die für ihre mechanische Flexibilität, Stabilität und Kosteneffizienz bekannt sind, werden in Prozessen wie elektrochemischer Oxidation, mikrobiellen Brennstoffzellen und anderen fortschrittlichen Abwasserbehandlungstechnologien eingesetzt.

Unmodifizierter Kohletuchelektroden sind durch einige Einschränkungen gekennzeichnet, wie z.B. geringe spezifische Kapazität und eingeschränkte Benetzbarkeit durch Wasser aufgrund ihrer natürlichen Hydrophobie. Daher wird intesiv an möglichen Verbesserungen dieser modernen Elektroden geforscht. Eine bessere Benetzbarkeit trägt beispielsweise entscheidend dazu bei, die effektive Elektrodenoberfläche in wässrigen Flüssigkeiten zu erhöhen und dadurch die Interaktion mit Schadstoffen zu verbessern. Die Leistung von Kohletuchelektroden zu verbessern hilft also, kürzere Reaktionszeiten zu erreichen und so die Gesamtleistung zu verbessern.

Eine Forschungsgruppe der San Diego State University widmete sich nun der Aufgabe, diese Einschränkungen zu beheben. Ihr Ansatz bestand darin, leitfähige Polymerfilme auf die Kohlenstoffasern zu bringen. Dies erreichten sie mithilfe der Mehode oxidative chemische Dampfabscheidung (oCVD). Sie veröffentlichten kürzlich ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Advanced Material Interfaces. Mit Antimonpentachlorid (SbCl5) als Oxidationsmittel entwickelten sie eine hochgradig einheitliche Beschichtung bestehend us dem Polymer PEDOT (Poly[3,4-ethylendioxythiophen]) auf den dreidimensional angeordneten  porösen Kohlefasern. Die oCVD-Technik gewährleistetete eine gleichmäßige Beschichtung und bewahrte gleichzeitig die geometrischen und funktionellen Eigenschaften des Kohletuhs. Die Methode ist daher ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung solcher Elektroden.

Die PEDOT-beschichteten Kohletuchelektroden erreichten eine deutliche Verbesserung der spezifischen Kapazität und Pseudokapazität im Vergleich zu unbeschichtetem Kohlenstoffgewebe. Abhängig von der Abscheidetemperatur zeigte die PEDOT-beschichtete Elektrode eine 1,5- bis 2,3-fache Steigerung der spezifischen Kapazität. Zudem konnte eine Temperaturabhängigkeit beim oCVD-Verfahren gezeigt werden. Die Elektrode, die bei einer Abscheidetemperatur von 80 °C hergestellt wurde, wies die höchste spezifische Kapazität und die beste elektrochemische Leistung auf. Durch die Anpassung der Abscheidetemperatur zur Optimierung der Leistung können Kohletuchelektroden an spezifische Anforderungen wie z.B. bei der Abwasserbehandlung angepasst werden.

Die Untersuchung zeigt die Wirksamkeit der oCVD-Methode zur Verbesserung der Eigenschagften von Kohletuchelektroden. Dadurch ist eine Erweiterung des Anwendungsspektrums z.B. bei der Abwasserbehandlung und bei elektrochemischen Energiespeicherung möglich. Darüber hinaus zeigten die Forscher, daß PEDOT-beschichtetes Kohletuch in Superkondensatoren zum Einsatz kommen können, da gerade bei dieser Anwendung Flexibilität und hohe Kapazität entscheidend sind. Die Studie ist nicht nur bedeutende Fortschritte im Materialdesign, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten zur Optimierung der Elektrodenleistung für unterschiedliche Anwendungen.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse das wachsende Potential fortschrittlicher Elektrodentechnologien zur Bewältigung industrieller Herausforderungen. Durch die Verbesserung der Funktionalität kohlenstoffbasierter Elektroden mithilfe neuartiger Materialbeschichtungen können effizientere und maßgeschneiderte Lösungen sowohl für die Abwasserbehandlung als auch für die Energiespeicherung erreicht werden. Die Fähigkeit, die Eigenschaften von Elektroden an spezifische Anforderungen anzupassen, bietet einen Weg zur Entwicklung hocheffizienter und kostengünstiger Technologien, die ein Wendepunkt für verschiedene Sektoren sein könnten, insbesondere dann wenn Nachhaltigkeit und Ressourcenmanagement eine große Rolle spielen. Da sich solche Innovationen weiterentwickelen werden, könnten sie die betriebliche Effizienz und die Umweltauswirkungen in den entsprechenden Industriesektoren erheblich verbessern, wie z.B. in der Abwasserbehandlung die Elektrokoagulation, Elektrooxidation oder Elektroreduktion.

Bei Frontis Energy glauben wir, daß Verbesserungen und Anpassungen dazu beitragen können, Elektroden zu entwerfen, die auf spezifische Schadstoffe oder Arten von Abwasser abgestimmt sind.

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Komplexe Wechselwirkung zwischen Stickstoffemissionen und globaler Erwärmung

Stickstoffverbindungen sind für das Leben auf der Erde unabkömmlich. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe und Kunstdünger haben zu einem signifikanten Anstieg reaktiver Stickstoffverbindungen in der Biosphäre geführt. Dieser Anstieg hat weitreichende und zum Teil gut erforschte Auswirkungen auf unsere Ökosysteme, die Artenvielfalt und Gesundheit. Luftverschmutzung kann zudem zu vorzeitigen Todesfällen führen und Stickstoffverbindungen könnten dabei eine wichtige Rolle spielen. Frühere Studien haben die Auswirkungen des reaktiven Stickstoffs auf das globale Klimasystem seit der Industrialisierung nur unzureichend untersucht.

Eine neue Studie des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena schließt nun diese Wissenslücke. Die Forscher modellierten die terrestrische Biosphäre und die globale atmosphärische Verteilung von Stickstoff. Anschließend kombinierten sie die Resultate mit Daten der Atmosphärienchemie. Diese Kombination ermöglichte es ihnen, eine neue und umfassende Bewertung der Auswirking von anthropogenem reaktivem Stickstoff auf das Klima zu ermitteln. Die Ergebnisse wurden kürzlich im renommierten Wissenschaftsjournal Nature veröffentlicht.

Der Mensch gibt eine Reihe von Stickstoffverbindungen in seine Umwelt ab. Einige davon, wie Distickstoffmonoxid (N2O, Lachgas), sind Treibhausgase. Andere, wie z. B. feine Staubpartikel, die die Sonnenstrahlung spiegeln, haben einen kühlende Wirkung auf das Klima. Diese Effekte wurden auch in der vorliegenden Studie beschrieben. Es wurde eine signifikante Erwärmung aufgrund zunehmender Konzentrationen der Treibhausgase Lachgas und Ozon (O3) aufgezeigt. Im Gegensatz dazu wurden auch mehrere Prozesse beschrieben, die zum Kühlungseffekt von Stickstoff beitragen. Zusätzlich zu Partikeln umfassen diese Prozesse chemische Reaktionen, die zu einer kürzeren Verweilzeit des Treibhausgases Methan in der Atmosphäre sowie zu einer erhöhten Aufnahme von Kohlendioxid (CO2) durch die terrestrische Biosphäre aufgrund des Düngewirkung des biologisch verfügbaren Stickstoffs führen.

Wenn alle durch reaktiven Stickstoff verursachten globalen Erwärmungs- und Kühlprozesse in Betract gezogen werden, ist ein Nettokühlungseffekt des Stickstoffs das Ergebnis. Dieses neue Ergebnis legt nahe, daß die Stickstoffemissionen etwa ein Sechstel der globalen Erwärmung kompensiert haben, die durch den bisherigen Anstieg des CO2 während den Industriezeitalters verursacht wurden.

Die neuen Ergebnisse sind auch wichtig für zukünftige Strategien für die Regulierung von Stickstoffverbindungen im Rahmen der Klimaschutzpolitik. In den meisten Szenarien blieben die Lachgasemissionen aus der Landwirtschaft aufgrund der fortgesetzten Verwendung von Düngemitteln in der Landwirtschaft hoch. Szenarien, die mit den Klimazielen des Pariser Abkommens vereinbar sind, erfordern ein Ende der CO2-Emissionen von fossilen Brennstoffen. Dies verringert auch die Freisetzung von reaktivem Stickstoff aus fossilen Quellen und seine schädlichen Auswirkungen auf die Gesundheit und die Artenvielfalt, beseitigt aber auch deren Kühlungseffekt. Die Forscher erwarten daher einen leicht wärmenden Beitrag aus dem Gesamtstickstoff für diese Klimaschutzszenarien. Dieser ist jedoch weitaus geringer als die Erwärmung aus dem ungebremsten Verbrauch fossiler Brennstoffe.

Die Studie unterstreicht die Dringlichkeit, fossilen Brennstoffenemissionen zu stoppen und Düngemittel gezielter einzisetzen. Dies würde nicht nur die globale Erwärmung verlangsamen, sondern auch die Last durch schädliche Ozon und Partikelkonzentrationen für alle sowohl in ländlichen Gebieten wie auch in Städten verringern. Es sind neue Technologien erforderlich, um die schädlichen Stickstoffemissionen zu reduzieren und gleichzeitig den nützlichen Stickstoff gut zu nutzen. Bei Frontis Energy haben wir eine solche Technologie entwickelt. Unser patentiertes Verfahren beseitigt Ammoniak aus Abwasser und erzeugt gleichzeitig nützliche Kohlenstoff neutrale Biogas. Mit dieser Technologie können schädliche Lachgasemissionen verringert werden.

Foto: Smog über Guangzhou in China

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Landbiomasse nimmt bis zu 30% mehr CO2 auf

Große Teile der wissenschaftlichen Gemeinschaft beschäftigen sich damit, die Auswirkungen von Treibhausgasemissionen und insbesondere von CO2 auf unser vergangenes und zukünftiges Klima zu untersuchen. Um unser zukünftiges Klima zu modellieren, verwenden die Forscher CO2-Emissionen um das zukünftige Klima unseres Planeten einschaetzen zu können. Solche Modelle werden benutzt, um voraszusagen wie viel CO2 Industrie und Haushalte in die Atmospaere abgeben können, um innerhalb des gestzten 1,5°C-Ziels zu bleiben. Die zentrale Frage lautet daher: Wie viel des emittierten CO2 bleibt tatsächlich in der Atmosphäre? Wie viel wird verstoffwechselt oder auf andere Weise gebunden?

Es scheint, daß die bisherigen Modelle die Kapazität der Biomasse unterschätzt haben, CO2 aufzunehmen. Denn jetzt wurden die bisherigen Modelle mit Radiokarbondaten der Atombombentests aktualisiert. Die neuen Daten deuten darauf hin, daß terrestrische Ökosysteme mehr CO2 absorbieren können als bisher angenommen. Bedeutet das, daß die Menschheit nun mehr CO2 emittieren kann?

Forscher des Politechnischen Instituts in Worcester in Massachusetts haben nun ermittelt, daß die Pflanzen jährlich 80 Millionen Tonnen CO2 aufnehmen und publizierten dies kürzlich in einem Artikel im bekannten Wissenschaftsmagazin Science. Das sind 30% mehr als bisher angenommen.

Die Idee der Wissenschaftler war, die Überreste der Atomtests in den 1950er und 1960er Jahren genauer zu untersuchen. Kohlendioxidmoleküle bestehen aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Die von den Atombomben hinterlassene Radioaktivität ist auch als radioaktiver Kohlenstoff (14C) nachweisbar. Wie gewöhnlicher Kohlenstoff (12C) ist die radioaktive Version ein möglicher Bestandteil in CO2. Nach den Atombombentests stieg 14C-Anteil in Pflanzen durch die Photosynthese an. Dadurch gelangte Radiokarbon zusammen mit 12C in die Biosphäre an Land. Untersucht man die 14C-Anreicherung, kann man so auch die Raten der CO2-Aufnahme in Pflanzen bestimmen und letztlich, wie auch viel Kohlenstoff neu in die Biosphäre eingetragen wurde.

Tiere, die sich von Pflanzen ernähren, nehmen das selbe CO2 in ihren Organismus sowie Pilze und Bodenbakterien auf. Durch sich zersetztende Biomasse im Boden wird Kohlenstoff in Form von CO2 erneut in die Atmosphäre freigesetzt und der Kreislauf schließt sich.

Die Frage ist jedoch, wie viel CO2 aus der Luft in den Boden gelangt und so langfristig in Biomasse gebunden wird. Die Analysen des radioaktiven Kohlenstoffs zeigen nun, daß kurz nach den Atomwaffentests etwas weniger 14CO2 in der Atmosphäre verfügbar war. Umgerechnet bedeutet das, daß Pflanzen weltweit 80 Milliarden Tonnen Kohlenstoff pro Jahr binden. Bisher gingen die Klimaforscher davon aus, daß die Bindungskapazität 43 bis 76 Milliarden Tonnen betrug.

Die bisherigen Annahmen waren nicht korrekt, da hauptsächlich Baumstämme für die Berechnung verwendet wurden. In Holz gelagerter Kohlenstoff ist seit vielen Jahrzehnten oder Jahrhunderten gebunden. Die neue Studie befaßte sich mit nicht-verholzter Biomasse wie z.B. Blätter, die auch einen großen Anteil an Kohlenstoff binden. Außerdem erhielt die umfangreiche unterirdische Pflanzenbiomasse bisher zu wenig Aufmerksamkeit. In der Regel ist die unterirdische Biomasse vergleichbar mit dem, was sich über dem Erde befindet. Insbesondere wurden bisher nur Holzwurzeln berücksichtigt, nicht aber die viel feinere Rhizosphäre. Die Rhizosphäre stellt einen noch größeren Biomassanteil dar und bindet dementsprechend mehr Kohlenstoff.

Achtzig Milliarden Tonnen sind nicht nur signifikant mehr als in den derzeitigen Klimawandelprognosen. Es ist auch doppelt so viel wie die menschengemachten CO2-Emissionen (37,2 Milliarden Tonnen).

Leider bedeutet dies nicht, daß es nichts gibt, worüber man sich Sorgen machen muß. Lebewesen nutzen auch Biomasse als Energiequelle. Fast die gleiche Menge an CO2 wird wieder freigesetzt, wenn Pflanzen im Herbst ihre Blätter verlieren. Diese Blätter dienen Bodenlebewesen als Nahrungsquelle. Diese natürlichen CO2 -Emissionen aus der Biosphäre haben sich seit den 1960er Jahren stärker beschleunigt.

Insgesamt kann die Photosynthese nur 30% der von Menschen verursachten CO2-Emissionen aus der Atmosphäre binden und daher den Verbrauch fossiler Kraftstoff nicht ausgleichen. Mit großen natürlichen Landflächen für die Photosynthese kann auch mehr CO2 aus der Luft gebunden werden. Infolgedessen solten mehr und nicht weniger Wälder und Wiesen renaturalisiert werden.

Zwar basieren einige Klimamodelle auf falschen Annahmen. Doch die wichtigere Kohlenstoffspeicherung findet nicht an Land sondern im Wasser statt. CO2 löst sich dort besser auf und unzählige marine Mikroalgen führen ebenfalls Photosynthese durch. Kohlenstoff ist als Baumaterial für Schalentiere und andere Meeresorganismen sehr beliebt. Insgesamt die Ozeane 16-mal mehr Kohlenstoff als die Biosphäre an Land.

Die wichtigsten Ergebnisse der Sutdie sind:

  • Landpflanzen und Böden können bis zu 30% mehr CO2 absorbieren als in früheren Modelle angenommen.
  • Die Kohlenstoffspeicherung in diesen Ökosystemen ist vorübergehender als bisher angenommen. Das bedeutet, daß der von Menschen verursachte CO2-Ausstoß möglicherweise nicht so lang in der terrestrischen Biosphäre verbleibt, wie die aktuellen Modelle vermuten lassen.
  • Die Diskrepanz in den Modellen ist auf die kurzlebigen oder nicht belebten Pflanzengewebe sowie die umfangreichen unterirdischen Pflanzenteile zurückzuführen.

Die Auswirkungen dieser Ergebnisse sind für Klimavorhersagen und die Erstellung einer wirksamen Klimapolitik von Bedeutung. Es unterstreicht die Notwendigkeit einer genaueren Darstellung des globalen Kohlenstoffzyklus in Klimamodellen. Diese erhöhte Aufnahme von CO2 durch Vegetation ist zwar ein positives Vorzeichen, erlöst uns jedoch nicht die Notwendigkeit, die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, um den Klimawandel zu bekämpfen.

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Flüssigbrennstoff aus bio-elektrischen Reaktoren

Bei Frontis Energy haben wir viel darüber nachgedacht, wie man CO2 wiederverwerten kann. Während hochwertige Produkte wie Polymere für medizinische Anwendungen rentabler sind, ist die Nachfrage nach solchen Produkten zu gering, um CO2 in großen Mengen wiederzuverwertten. Das ist aber nötig, um die CO2-Konsentration unserer Atmosphäre auf ein vorindustrielles Niveau zu bringen. Biokraftstoffe, zum Beispiel aus Biomasse, wurden seit langem als Lösung vorgeschlagen. Leider benötigt Biomasse sie zu viel Ackerland. Zudem ist die zugrundeliegende Biochemie zu komplex, um sie in Ihrer Gesamtheit zu verstehen und so effektive Lösungen zu implementieren. Daher schlagen wir einen anderen Weg vor, um das Ziel der Dekarbonisierung unseres Planeten schnell zu erreichen. Das vorgeschlagene Verfahren beginnt mit einem gewünschten Zielkraftstoff und schlägt eine mikrobielle Vergesellschaftung vor, um diesen Kraftstoff herzustellen. In einem zweiten Schritt wird das mikrobielle Konsortium in einem bioelektrischen Reaktor (BER) untersucht.

Mögliche Biosynthesewege zur elektrosynthetischen Kraftstoffgewinnung. CO2 kann für die Herstellung von Flüssigbrennstoff auf mehreren Wegen verwendet werden. Das Endprodukt, langkettige Alkohole, kann entweder direkt als Brennstoff verwendet oder zu Kohlenwasserstoffen reduziert werden. Es werden Beispiele für Bioelektrokraftstoff-Pfade gezeigt, bei denen CO2 und Strom als Ausgangsmaterial verwendet werde. Methan, Acetat oder Butanol sind die Endprodukte. Nachfolgende Verfahren sind 1, aerobe Methanoxidation, 2, direkte Verwendung von Methan, 3 heterotrophe Phototrophen, 4, Aceton-Butanol-Gärung, 5, Biomassegewinnung, 6, Butanol als direktes Endprodukt, 7, weitere Vergärung durch Hefen zu Fuselalkoholen

Unser heutiges atmosphärische CO2-Ungleichgewicht ist die direkte Folge der Verbrennung fossiler Kohlenstoffe. Diese Realität erfordert schnelle und pragmatische Lösungen, um einen weitere CO2-Anstieg zu verhindern. Die direkte Abscheidung von CO2 aus der Luft ist schon bald rentabel. Dadurch wird die Nutzung von Ackerland für den Anbau von Treibstoff verhindert. Die Herstellung von Kraftstoff für Verbrennungsmotoren mit CO2 also Ausgangsmaterial ist kurzfristig die beste Zwischenlösung, da sich dieser Kraftstoff nahtlos in die vorhandene städtische Infrastruktur integriert. Biokraftstoffe wurden in den letzten Jahren intensiv erforscht, insbesondere auf dem neuen Gebiet der synthetischen Biologie. So verführerisch die Anwendung gentechnisch veränderter Organismen (GVO) zu sein scheint, so sind doch traditionell gezüchtete mikrobielle Stämme bereits vorhanden und somit sofort verfügbar. Unter Vermeidung von GVO, wird CO2 bereits heute in BER zur Herstellung von C1-Kraftstoffen wie Methan verwendet. BER können auch zur Herstellung von Kraftstoffvorläufern wie Ameisensäure oder Synthesegas, sowie C1+ -Verbindungen wie Acetat, 2-Oxybutyrat, Butyrat, Ethanol und Butanol eingesetzt werden. Gleichzeitig lassen sich BER gut in die städtische Infrastruktur integrieren, ohne daß kostbares Ackerland benötigt wird. Mit Ausnahme von Methan ist jedoch keiner der vorgenannten bioelektrischen Kraftstoffen (BEKS) in reiner Form leicht brennbar. Während Elektromethan eine im Handel erhältliche Alternative zu fossilem Erdgas ist, ist seine volumetrische Energiedichte von 40-80 MJ/m3 niedriger als die von Benzin mit 35-45 GJ/m3. Abgesehen davon, wird Methan als Kraftstoff von den meisten Automobilnutzern nicht gekauft. Um flüssigen Brennstoff herzustellen, müssen Kohlenstoffketten mit Alkoholen oder besser Kohlenwasserstoffen als Endprodukten verlängert werden. Zu diesem Zweck ist Synthesegas (CO + H2) eine theoretische Option und kann durch die Fischer-Tropsch-Synthese gewonnen werden. Tatsächlich sind Synthesegasvorläufer aber entweder fossile Brennstoffe (z. B. Kohle, Erdgas, Methanol) oder Biomasse. Während fossile Kraftstoffe offensichtlich nicht CO2-neutral sind, benötigt man zur Herstellung von Biomasse Ackerland. Die direkte Umwandlung von CO2 und elektrolytischen Wasserstoff in C1+ -Kraftstoffe wird wiederum durch elektroaktive Mikroben im Dunkeln katalysiert (siehe Titelbild). Dadurch wird die Konkurrenz zwischen Nahrungsmittelanbau und Kraftstoffpflanzen vermieden. Leider wurde nur bislang wenig anwendbares zu elektroaktiver Mikroben erforscht. Im Gegensatz dazu gibt es eine Vielzahl von Stoffwechselstudien über traditionelle mikrobielle Kraftstoffproduzenten. Diese Studien schlagen häufig die Verwendung von GVO oder komplexen organischen Substraten als Vorläufer vor. Bei Frontis Energy gehen wir einen anderen weg. Wir ermitteln systematisch Stoffwechselwege für die Produktion von flüssigem BEKS. Der schnellste Ansatz sollte mit einem Screening von metabolischen Datenbanken mit etablierten Methoden der metabolischen Modellierung beginnen, gefolgt von Hochdurchatztestsin BER. Da Wasserstoff das Zwischenprodukt in der Bioelektrosynthese ist, besteht die effizienteste Strategie darin, CO2 und H2 als direkte Vorläufer mit möglichst wenigen Zwischenschritten zu benutzen. Skalierbarkeit und Energieeffizienz, also wirtschaftliche Machbarkeit, sind dabei entscheident.

Zunächst produziert ein elektrotropher Acetogen Acetat, das von heterotrophen Algen im darauffolgenden Schritt verwendet wird.

Das größte Problem bei der die BEKS-Produktion ist das mangelnde Wissen über Wege, die CO2 und elektrolytisches H2 verwenden. Diese Lücke besteht trotz umfangreicher Stoffwechseldatenbanken wie KEGG und KBase, wodurch die Auswahl geeigneter BEKS-Stämme einem Stochern im Nebel gleichkommt. Trotz der hohen Komplexität wurden Stoffwechselmodelle verwendet, um Wege zur Kraftstoffproduktion in Hefen und verschiedenen Prokaryoten aufzuzeigen. Trotz ihrer Unzulänglichkeiten wurden Stoffwechelatenbanken breits eingesetzt, um Artwechselwirkungen zu modellieren, z.B. mit ModelSEED / KBase (http://modelseed.org/) in einer heterotrophen Algenvergesellschaftung, mit RAVEN / KEGG oder mit COBRA. Ein erster systematischer Versuch für acetogene BEKS-Kulturen, bewies die die Verwendbarkeit von KBase für BER. Diese Forschung war eine Genomstudie der vorhandenen BEKS-Konsortien. Dieselbe Software kann auch in umgekehrt eingesetzt werden, beginnend mit dem gewünschten Brennstoff. Im Ergebnis werden dann die erforderlichen Organismen benannt. Wir beschrieben nun einige BEKS-Kulturen.

Mögliche Kombinationen für die BEKS-Produktion mit Clostridien, 3, oder heterotrophe Algen, 7. Die Weiterverarbeitung erfolt durch Hefen.

Hefen gehören zu den Mikroorganismen mit dem größten Potenzial für die Produktion von flüssigem Biokraftstoff. Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) ist das prominenteste Beispiel. Hefen sind zwar für die Ethanolfermentation bekannt, produzieren aber auch Fuselöle wie Butan, Phenyl- und Amylderivate, Aldehyde und Alkohole. Im Gegensatz zu Ethanol, das durch Zuckerfermentation gebildet wird, wird Fuselöl im Aminosäurestoffwechsel synthetisiert, gefolgt von Aldehydreduktion. Es wurden viele Enzyme identifiziert, die an der Reduktion von Aldehyden beteiligt sind, wobei Alkoholdehydrogenasen am häufigsten beobachtet werden. Die entsprechenden Reduktionsreaktionen erfordern reduziertes NADH⁠, es ist jedoch nicht bekannt, ob an Kathoden gebildetes H2 daran beteiligt sein kann.
Clostridien, beispielsweise Clostridium acetobutylicum und C. carboxidivorans, können Alkohole wie Butanol, Isopropanol, Hexanol und Ketone wie Aceton aus komplexen Substraten (Stärke, Molke, Cellulose usw.) oder aus Synthesegas herstellen. Der Clostridienstoffwechsel wurde vor einiger Zeit aufgeklärt und unterscheidet sich von Hefe. Er erfordert nicht zwangsläufig komplexe Substrate für die NAD+-Reduktion, denn es wurde gezeigt, daß Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kathoden Elektronen für die Alkoholproduktion abgeben können. CO2 und Wasserstoff wurden in einem GMO-Clostridium verwendet, um hohe Titer von Isobutanol herzustellen. Typische Vertreter für die Acetatproduktion aus CO2 und H2 sind C. ljungdahlii, C. aceticum und Butyribacterium methylotrophicum. Sporomusa sphaeroides produziert Acetat in BES. Clostridien dominierten auch in Mischkulturen in BER, die CO2 in Butyrat umwandelten. Sie sind daher vorrangige Ziele für eine kostengünstige Produktion von Biokraftstoffen. In Clostridien werden Alkohole über Acetyl-CoA synthetisiert. Diese Reaktion ist reversibel, wodurch Acetat als Substrat für die Biokraftstoffproduktion mit extrazellulärer Energieversorgung dienen kann. In diesem Fall wird die ATP-Synthese durch Elektronenbifurkation aus der Ethanoloxidation oder durch Atmung und Wasserstoffoxidation betrieben. Ob die Elektronenbifurkation oder Atmung mit Alkoholen oder der Ketonsynthese verknüpft sind ist nicht bekannt.
Phototrophe wie Botryococcus produzieren auch C1+ Biokraftstoffe. Sie synthetisieren eine Reihe verschiedener Kohlenwasserstoffe, darunter hochwertige Alkane und Alkene sowie Terpene. Hohe Titer wurden jedoch nur mithilfe von GVOs produziert, was in vielen Ländern aus rechtlichen Gründen ökonomisch schwer möglich ist. Darüber hinaus erfordert die Dehydratisierung / Deformylierung vom Aldehyd zum Alkan oder Alken molekularen Sauerstoff, was deren Produktion in BER unmoeglich macht, da Saurstoff bevorzugt die Kathode oxidiert. Der Olefinweg von Synechococcus hängt auch von molekularem Sauerstoff ab, wobei das Cytochrom P450 an der Fettsäuredecarboxylierung beteiligt ist. Die Anwesenheit von molekularem Sauerstoff beeinflußt die BES-Leistung auch durch den sofortigen Produktabbau. Im Gegensatz dazu zeigen unsere eigenen Vorversuche (siehe Titelfoto) und ein Korrosionsexperiment, daß Algen mit einer Kathode als Elektronendonor im Dunkeln leben können, selbst wenn geringe Mengen Sauerstoff vorhanden waren. Die an der Herstellung einiger Algenkraftstoffe beteiligten Enzyme sind zwar bekannt (wie die Deformylierung von Olefinen und Aldehyden), es ist jedoch nicht bekannt, ob diese Wege durch Wasserstoffnutzung beschritten werden können (möglicherweise über Ferredoxine). Ein solcher Zusammenhang wäre ein vielversprechender Hinweis für Kohlenwasserstoff-erzeugenden Cyanobakterien, die an Kathoden wachsen können. Unsere zukünftige Forschungen wird zeigen, ob wir hier richtig liegen.
Bei Frontis Energy glauben wir, daß eine Reihe anderer Mikroorganismen Potenzial zur BEKS-Produktion haben. Um nicht GVO zurückgreifen zu müssen, müssen BER-kompatible Mischkulturen über rechnergestützte Stoffwechselmodelle aus vorhandenen Datenbanken identifiziert werden. Mögliche Intermediate sind z.Z. unbekannt. Der Kenntnis ist aber Voraussetzung für profitable BEKS-Reaktoren.