RESEARCH GROUP COMPUTED TOMOGRAPHY

UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES UPPER AUSTRIA - RESEARCH & DEVELOPMENT LTD.

Speicherung von regenerativem Strom unter CO2-Bindung durch Elektro-Biotechnologie

RegStore: November 2011 – April 2014

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer neuartigen Kombination aus einem elektrochemischen und biotechnologischen Prozess zur Speicherung von regenerativen Energien, unter Bindung von klimarelevantem CO2. Hierfür wird ein neues und innovatives Konzept der Microbial Electrolysis Cells (MECs) grundlegend weiterentwickelt, um somit eine Möglichkeit zur effizienten Energiespeicherung in Form von flüssigen oder gasförmigen Energieträgern hoher Energiedichte wie Ethanol und Methan zu erlangen. Mittels Röntgen- Computertomografie werden verschiedene Elektrodenmaterialen drei dimensional charakterisiert dar Bakterienbewuchs auf diesen Elektroden im Betrieb dargestellt.

Ausgangssituation / Problematik

Hauptziel des Projektes ist es, diskontinuierlich erzeugten regenerativen Strom, durch eine innovative Technologie in flüssige oder gasförmige Energieträger hoher Energiedichte umzuwandeln und dadurch speicherbar zu machen. Dies soll durch eine Synergie von Elektrochemie und Biotechnologie erreicht werden. Um mit dem hergestellten Energieträger nicht zur Verstärkung des anthropogenen Treibhauseffektes beizutragen, wird als chemischer Grundbaustein CO2 eingesetzt. Kohlendioxid ist aus heutiger Sicht einer der Hauptverursacher jenes durch den Menschen herbeigeführten Treibhauseffektes. Daher kann die Technologie, welche im Zuge von Grundlagenforschungsarbeiten entwickelt wird dazu genutzt werden, negative Umwelteinwirkungen zu minimieren. Um den Wirkungsgrad einer MEC zu maximieren ist es notwendig, die geeigneten Komponenten, Materialien und Bakterien, sowie die optimalen Betriebsparameter zu finden. Eine wesentliche Komponente einer MEC, ist die mit dem regenerativ erzeugten Elektronenstrom durchflossene Elektrode. Diese kann zum Beispiel ein poröser Grafitstab oder ein Grafitfilz sein. Das Elektrodenmaterial soll neben der guten elektrischen Leitfähigkeit eine große Oberfläche und eine über das Volumen durchgängige und genügend große Hohlraumstruktur zum Eindringen und Aufwachsen der Bakterien (Dimensionen: Durchmesser 1 µm, Länge: 4 – 8 µm) aufweisen. Die verwendeten Materialen, sollen eine hohe chemische Reinheit aufweisen, um unerwünschte Redoxreaktionen zu vermeiden, die den Wirkungsgrad der Bakterien im Prozess beeinflussen. Die Bakterien selbst nehmen von den Elektroden Elektronen auf und geben diese zur Reduktion des CO2 an dieses ab. Sie erfüllen also in diesem Prozess die Funktion eines Katalysators. Eine große Rolle für den Wirkungsgrad der MEC spielen die Aufwachsdicke der Bakterienschicht über die Zeit, die optimale Aufwachsdicke für die Gewährleistung der Reduktionsreaktion und die bewachsene Elektrodenfläche.

Methoden / Ziele

Das RegStore Projekt hat zum Inhalt, eine energieeffiziente MEC zur Speicherung des regenerativ erzeugten Stromes mittels gasförmiger oder flüssiger Energieträger, unter Bindung von CO2 zu entwickeln. Um dieses Ziel zu erreichen, sind Untersuchungen der Hohlraumstruktur, Vorher-Nachher-Untersuchungen an trockenen nicht bewachsenen und bewachsenen Elektroden, sowie In-situ-Untersuchungen der im Betrieb befindlichen MEC erforderlich. Die Ermittlung der Porosität und der Hohlraumstruktur der Elektroden, sowie des Aufwachsverhaltens der Bakterien (getrocknete Proben), ist zerstörungsfrei nur mittels hochauflösender Röntgen-Computertomografie (3D-CT) mit Voxelgrößen im Sub-Mikrometerbereich möglich. Um die CT-Ergebnisse der Vorher-Nachher-Untersuchungen mit einer Referenzmethode abgleichen zu können, werden die getrockneten Proben an deren Oberfläche mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht. Zur Feststellung des chemischen Reinheitsgrades der Elektrodenmaterialien, ist zusätzlich zu den REM-Untersuchungen der nicht bewachsenen Elektroden, eine Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) durchzuführen. Das Aufwachsverhalten der Bakterien wird zeitnah, mittels In-situ Untersuchungen (2D-Radiografie) durchgeführt. Da die Bakterien einen geringen Dichteunterschied (Grauwertunterschied) zur Trägerflüssigkeit aufweisen, sind geeignete Marker zur Kontrastierung erforderlich, die den Wirkungsgrad der Bakterien nicht beeinträchtigen. Ein Zusammenhang zwischen der Struktur des Elektrodenvolumens und dem Aufwachsverhalten der Bakterien bei einem bestimmten Elektronenstrom und bestimmter CO2-Konzentration, soll mit den genannten Untersuchungsmethoden hergestellt werden um die MEC unter optimalen Bedingungen betreiben zu können.

 

Grafitfilz in 3D Ansicht - Voxel Größe 2 µm

Projekt-RegStore Grafitfiltz-ohneText

Grafitstab in axialer und frontaler Ansicht

Projekt-RegStore Grafitstab-ohneText-B1

Voxel Größe 1,5µm

Projekt-RegStore Grafitstab-ohneText-B2


Fördergeber:
Land Oberösterreich
Förderprogramm: Regio 13, Regionale Wettbewerbsfähigkeit OÖ 2007-2013

Kontakt

Hannes Scharleitner, MSc
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Ergebnisse / Erkenntnisse

Erste CT Analysen wurden an Elektroden aus Grafit und aus Grafitfilz durchgeführt. Die Auflösung wurde an das Material angepasst und betrug beim Grafit 2 µm und beim Filz 5 µm Voxelgröße. Die Segmentierung und Analyse der CT-Daten des Grafitstabs, zeigen eine vollständige Durchgängigkeit der Porenstruktur im Volumen und wenige kleine abgeschlossene Poren in der Grafitmatrix selbst. Der Grafitfilz hat eine Faserstruktur und zeigt ebenfalls durchgängige Hohlräume, die deutlich größer sind als beim Grafitstab. Weitere Auswertungen sollen zeigen, dass die Hohlräume so beschaffen sind, dass die stäbchenförmigen Bakterien durchtreten können.

Kooperationspartner

  • PROFACTOR GmbH Steyr-Gleink (Koordinator)
  • FH OÖ Forschungs & Entwicklungs GmbH - Campus Wels / Campus Linz
  • Energieinstitut Linz
  • Johannes Kepler Universität Linz
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