Windräder und Solaranlagen liefern immer häufiger mehr Strom, als gerade benötigt wird. Kurzfristig helfen Batteriespeicher dabei, solche Überschüsse aufzunehmen. Schwieriger wird es, wenn Energie über Wochen oder sogar Monate gespeichert werden soll. Genau dort suchen Forschende seit Jahren nach Alternativen.
Ein Team der Penn State University setzt dabei auf einen ungewöhnlichen Ansatz: Mikroorganismen sollen überschüssigen Strom in Methan verwandeln. Also in einen Energieträger, der sich ähnlich wie Erdgas speichern und transportieren lässt.
Die Forschenden entwickelten dafür einen neuen Reaktortyp. Dieser wandelt Kohlendioxid und erneuerbaren Strom mithilfe von Mikroben in synthetisches Methan um. Die Ergebnisse veröffentlichten sie im Fachjournal Water Research.
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Strom wird zum Rohstoff
Im Zentrum der Technik steht ein mehrstufiger Prozess. Zunächst nutzt das System Strom aus Wind- oder Solaranlagen, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Anschließend übernehmen sogenannte Methanogene. Das sind Mikroorganismen, die Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Methan umsetzen.
Der Vorteil liegt auf der Hand: Methan lässt sich vergleichsweise einfach speichern. Zudem existiert die nötige Infrastruktur bereits. Pipelines, Gasspeicher und Teile des Gasnetzes könnten grundsätzlich weiter genutzt werden.
Bruce Logan, Leiter des Instituts für Energie und Umwelt an der Penn State University, beschreibt das Ziel so: „Das große Ziel ist, dass wir kostengünstigen Strom aus erneuerbaren Quellen nutzen können, um Methan herzustellen, das in bestehende Speicher- und Pipelinesysteme eingespeist werden kann.“
Damit verfolgen die Forschenden einen anderen Ansatz als klassische Batteriespeicher. Batterien arbeiten zwar deutlich effizienter. Ihre Stärke liegt aber vor allem bei kurzfristiger Speicherung über Stunden oder wenige Tage. Große Energiemengen saisonal zu speichern, bleibt dagegen teuer und materialintensiv.
Größerer Reaktor ohne Leistungsverlust
Genau hier setzt die neue Studie an. Die sogenannte mikrobielle Elektrosynthese gilt schon länger als interessante Technologie. Das Hauptproblem war bislang allerdings die Skalierung. Kleine Versuchsanlagen funktionierten oft stabil. Größere Systeme verloren dagegen meist deutlich an Leistung.
Die Forschenden entwickelten deshalb einen sogenannten „Zero-Gap“-Reaktor. Dabei liegen die Elektroden sehr dicht beieinander und werden nur durch eine Membran getrennt. Das reduziert elektrische Verluste im System.
Für die Studie vergrößerte das Team die Elektrodenfläche etwa um den Faktor zehn. Gleichzeitig verlängerte sich der Strömungsweg deutlich. Trotzdem blieb die Leistung stabil. Genau das sehen die Forschenden als wichtigen Schritt Richtung größerer Anlagen.
Bruce Logan erklärt: „Obwohl wir das System viel größer gemacht haben, hat sich der Innenwiderstand nicht verschlechtert.“ Zusätzlich verteilt ein neues Durchflusssystem Gase und Flüssigkeiten gleichmäßiger im Reaktor. Dadurch bleiben die Bedingungen für die Mikroorganismen stabiler.
Hohe Wirkungsgrade im Labor
In den Versuchen bei rund 30 °C produzierte der Reaktor bis zu 6,9 Liter Methan pro Liter Reaktorvolumen und Tag. Besonders auffällig war der hohe coulombische Wirkungsgrad von mehr als 95 %. Dieser Wert beschreibt, wie effizient die übertragenen Elektronen tatsächlich für die Methanbildung genutzt werden.
Die gesamte Energieeffizienz lag dagegen niedriger, nämlich bei etwa 45 % bis 47 %. „Wir nehmen Strom und wandeln ihn mit einem Wirkungsgrad in der Größenordnung von 45 % bis 47 % in Methan um“, sagte Logan.
Damit bleibt das System deutlich hinter Batteriespeichern zurück. Für die Forschenden ist das allerdings nicht entscheidend. Ihr Ziel ist keine maximale Effizienz auf kleinem Raum, sondern die langfristige Speicherung großer Energiemengen.
Wasserstoff beschleunigt den Prozess
Interessant ist auch die eigentliche Methanproduktion. Frühere Systeme versuchten häufig, dass Mikroorganismen Elektronen direkt von Elektroden aufnehmen. Das funktionierte jedoch vergleichsweise langsam.
Der neue Reaktor nutzt stattdessen Wasserstoff als Zwischenschritt. Das System erzeugt zunächst Wasserstoff aus Wasser. Die Mikroorganismen verbrauchen diesen anschließend fast sofort zur Methanbildung.
Logan beschreibt den Aufbau so: „Man kann sich das wie einen Wasserelektrolyseur vorstellen, der mit Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet, kombiniert mit einem biologischen System.“ Dadurch steigen Stromdichte und Produktionsgeschwindigkeit.
Noch keine fertige Speicherlösung
Trotz der Fortschritte bleibt die Technik weit vom industriellen Einsatz entfernt. Die Studie zeigt vor allem, dass sich solche Systeme deutlich besser skalieren lassen als bisher angenommen.
Ob daraus später wirtschaftliche Großanlagen entstehen, hängt von mehreren Faktoren ab:
- günstiger Strom aus erneuerbaren Energien,
- geringe Methanverluste,
- langlebige Materialien,
- niedrige Betriebskosten.
Gerade Methanleckagen gelten als kritischer Punkt. Denn Methan wirkt als Treibhausgas deutlich stärker als Kohlendioxid. Schon kleinere Verluste könnten die Klimabilanz verschlechtern.
Dennoch sehen die Forschenden Potenzial. „Wir müssen kein Methan aus dem Boden holen“, sagte Logan. „Wir können das Kohlendioxid nutzen, das wir ohnehin produzieren, und es in etwas Nützliches verwandeln.“
