Kernreaktor wandelt CO₂ mit erneuerbarem Strom in Methan um

Methanogene Mikroorganismen verbrauchen dann den Wasserstoff und wandeln Kohlendioxid in Methan um, den Hauptbestandteil, dass das Methan mit der bestehenden Gasinfrastruktur gespeichert und transportiert werden könnte und so einen neuen Ansatz für die Langzeitspeicherung erneuerbarer Energien eröffnen würde. „Traditionell bedeutet großräumige, langfristige Speicherung das Pumpen Zurückfließen durch Turbinen", sagte Logan. „Wenn es um saisonale Speicherung geht, muss diese Energie wirklich in eine chemische Form überführt werden." Größere Reaktoren bei gleicher Effizienz: Mikrobielle Elektrosynthesesysteme haben sich bisher kaum über das Laborstadium hinaus entwickeln können, da die Effizienz mit zunehmender Systemgröße sinkt.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team ein hochskaliertes „Zero-Gap"-Reaktordesign, bei dem die Elektroden lediglich durch eine Membran getrennt sind. Diese Konfiguration verringert den inneren Widerstand und verbessert den Energietransfer innerhalb des Systems. Die Forscher vergrößerten die Elektrodenfläche etwa zehnfach und verlängerten den internen Strömungsweg auf nahezu 12 Zoll.

Trotz des größeren Aufbaus behielt der Reaktor eine starke Methanproduktion und eine hohe Energieeffizienz bei. „Obwohl wir das System deutlich vergrößert haben, ist der innere Widerstand nicht schlechter geworden", sagte Logan. „Das liegt daran, dass wir den aus den Elektroden austretenden Wasserstoff deutlich effizienter nutzen konnten." Der Reaktor verwendet zudem mehrere Durchflussöffnungen, um Flüssigkeiten und Gase gleichmäßiger im gesamten System zu verteilen und so stabile Betriebsbedingungen zu gewährleisten.

In Tests bei 30 Grad Celsius erzeugte der Reaktor bis zu 6,9 Liter Methan pro Liter Reaktorvolumen und Tag. Das System erreichte zudem Coulomb-Effizienzen von über 95 Prozent, was bedeutet, dass der Großteil der elektrischen Energie direkt in Methan umgewandelt wurde und nicht in Nebenreaktionen verloren ging.

Die Forscher berichteten 45 bis 47 Prozent, die laut ihren Angaben zu den höchsten Werten zählen, die für mikrobielle Elektrosynthesesysteme unter Standardbedingungen erzielt wurden. Wasserstoff beschleunigt die Methanproduktion Die Studie klärt zudem, wie die Methanbildung im Reaktor abläuft. Anstatt dass Mikroorganismen Elektronen direkt, erzeugt das System zunächst Wasserstoff durch Wasserspaltung.

Methanogene verbrauchen das Wasserstoffgas dann rasch und produzieren Methan in höheren Mengen. „Wir spalten Wasser, um Wasserstoff herzustellen, und die Methanogenen sind genau dort, um ihn sofort zu nutzen", sagte Logan. „Man kann sich das wie einen Wasserelektrolyseur vorstellen, der elektrischen Strom nutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen, kombiniert mit einem biologischen System." Die Forscher glauben, dass zukünftige Anlagen zur Methanproduktion neben erneuerbaren Energieanlagen errichtet und direkt mit Gasleitungsnetzen verbunden werden könnten. „Ich stelle mir vor, dass Methanproduktionsanlagen neben Solar- oder Windparks gebaut werden", sagte Logan. „Anstatt den Strom ins Netz einzuspeisen, wird er vor Ort zur Methanproduktion genutzt und das Gas in die Leitungen eingespeist." Die Studie wurde in der Zeitschrift Water Research veröffentlicht.