Erdöl ist nach wie vor einer der wichtigsten fossilen Rohstoffe und wird sowohl als Energieträger, als auch als Ausgangsstoff für die chemische Industrie genutzt. Nachwachsende Rohstoffe für die Produktion von Energie und Chemikalien sind eine wichtige Alternative zu fossilen Quellen – allerdings nicht die einzige. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt „BEFuel – Gekoppelte bioelektrochemische Produktion von E-Treibstoffen und hochwertigen Chemikalien aus Abgasen und Abwässern“ sollen Abgase und Nährstoffe aus Kläranlagen für die bioelektrochemische Produktion von E-Treibstoffen und hochwertigen Chemikalien nutzbar gemacht werden. Das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) koordiniert das Vorhaben, an dem vier weitere Forschungs- und Industriepartner beteiligt sind.

CO₂ und Nährstoffe aus Kläranlagen

Bioelektrochemische Produktionsverfahren kombinieren elektrochemische Synthesen und biotechnologische Synthesen durch Mikroorganismen. Im Projekt BEFuel sollen verschiedene solcher Syntheseprozesse miteinander gekoppelt werden. Die dafür benötigten Ausgangsstoffe stammen zum Großteil aus Kläranlagen: CO₂ aus Rauch- oder Biogasen sowie Nährstoffe aus kommunalen Abwässern und organischen Abfällen. Als weiterer Rohstoff für die Syntheseprozesse dient Rohglyzerin, ein Reststoff aus der Biodieselproduktion. „Diese Kopplung bioelektrischer Systeme für die gleichzeitige Biokonversion mehrerer Abfallströme ist einzigartig. Sie ermöglicht die parallele Produktion mehrerer hochwertiger Güter, senkt die Betriebskosten und erhöht gleichzeitig die Energieumwandlungseffizienz“, erklärt Projektkoordinator Daniel Siegmund vom Fraunhofer UMSICHT.

Nachhaltige Produktion von Biogas, Biodiesel und Biotensiden

Ausgangspunkt des Verfahrens ist die mit erneuerbaren Energien betriebene Elektrolyse. Dabei werden chemische Verbindungen durch elektrischen Strom aufgespalten, der von der Kathode zur Anode fließt. An der Kathode wird das Klärwasser elektrolytisch gespalten, es entsteht grüner Wasserstoff. Diesen können die Mikroorganismen als Energiequelle nutzen, um CO₂ zu binden und organische Säuren herzustellen. Die Säuren werden abgetrennt und angereichert und können dann als Ausgangsstoff für die Herstellung von Biodiesel und Biogas verwendet werden. An der Kathode wird Rohglyzerin elektrolytisch oxidiert. Die dabei entstehenden Oxidationsprodukte können von Mikroorganismen als Nährstoffe zur Herstellung von Biotensiden genutzt werden.

Umfassende Bewertung des Anwendungspotenzials

Ziel des Projektes ist nicht nur die Umsetzung des komplexen Zusammenspiels von Elektrolyse, biotechnologischer Verarbeitung und Produktisolierung, sondern auch eine umfassende ökonomische und ökologische Bewertung des Prozesses. Dazu gehören unter anderem Treibhausgasemissionsbilanzen, Kostenberechnungen und soziale Aspekte, um das Potenzial für eine industrielle Anwendung zu ermitteln. Beteiligt ist ein interdisziplinäres Team aus Expertinnen und Experten der Ruhr-Universität Bochum, der SolarSpring GmbH, der Emschergenossenschaft und des Instituts für Automation und Kommunikation. Das BMBF fördert das Projekt im Rahmen der Maßnahme „Klimaneutrale Produkte durch Biotechnologie – CO₂ und C1-Verbindungen als nachhaltige Rohstoffe für die industrielle Bioökonomie (CO2BioTech)“.

dpd