Projekt 26746/01

Untersuchungen zur Anwendung einer Sedimentbatterie als alternative Energieressource für maritime Einsatzgebiete

Projektdurchführung

IMARE - Institut für Marine Ressourcen GmbH
Bussestr. 27
27570 Bremerhaven

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gegenstand der Projektidee ist die Durchführung von Labor- und Feldversuchen mit Sedimentbatterien als biologisches Energiegewinnungssystem an der Sediment/Wasser-Grenzzone. Trotz des hohen Entwicklungsstandes weisen konventionelle Energiequellen im Hinblick auf die vielfältigen Anforderungen, vor allem im Unterwasserbereich, Mängel wie z. B. Selbstentladung und relativ kurze Lebensdauer auf, die eine Sedimentbatterie durch die Nutzung von ausschließlich natürlich vorkommender und unerschöpflicher Ressourcen ausschließen kann. Ziel des Vorhabens ist es, neue Erkenntnisse und Erfahrungen im Umgang mit Sedimentbatterien zu erhalten, und deren Funktion als kontinuierliche Energiequelle für z. B. maritime Technologien zu optimieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas neuartige, auf mikrobielle Prozesse an der Sediment/Wasser-Zone basierende Energieversorgungssystem, soll durch die Untersuchung verschiedener leistungsrelevanter Faktoren während Laborexperimenten optimiert werden, um hohe Energiedichten und möglichst lange Einsatzzeiten zu gewährleisten. Nach dem Aufbau und der Inbetriebnahme von Versuchsanlagen im Labor soll der Einfluss verschiedener Graphit-Elektroden sowie deren Abstand zueinander auf den Langzeitbetrieb einer Sedimentbatterie untersucht werden. Zudem wird durch den Einsatz von Sediment/Wasser-Systeme aus unterschiedlichen aquatischen Regionen der Einfluss verschiedener Umweltfaktoren wie pH-Wert, Salinität, organischer Kohlenstoffgehalt und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft im Sediment auf die Batterieleistung untersucht. Im Ergebnis dieser Aktivitäten sollen Demonstratoren von Sedimentbatterien für den Feldeinsatz realisiert und anschließend für in situ Untersuchungen eingesetzt werden. Bestandteile dieses Projektteils sind die Konstruktion der mechanischen Komponenten einer Sedimentbatterie als feldtaugliches System, die Entwicklung eines Messwert-Erfassungs- und Energiemanagementsystems sowie die Validierung des Systems unter Feldbedingungen. Bei erfolgreicher Durchführung des Projektes wird angestrebt, die Entwicklung der Sedimentbatterie bis hin zur kommerziellen Energieversorgung für Unterwasseranwendungen voranzutreiben.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projekts wurde ein Sedimentbatterie-Laborsystem aufgebaut. Dazu gehörte sowohl die Ausstattung der Gefäße mit Sediment und Elektroden als auch die Bereitstellung der Mess- und Regelelektronik. Des weiteren wurden Laborversuche mit den Sedimentbatterien durchgeführt, in denen der Einfluss mehrerer Parameter wie Leitfähigkeit des Sediments, Gehalt an organischem Material und Umgebungstemperatur untersucht wurden. Zusätzlich wurden verschiedene Elektrodenmaterialien und -formen auf ihre leistungsfördernde Wirkung untersucht. Der auf den Anoden siedelnde Biofilm wurde mittels Fluoreszenz-in situ-Hybridisierung, einer molekularökologischen Technik, auf Bakteriengruppen untersucht, die am Elektronentransfer an der Anode beteiligt sind. Die im Laborteil gewonnenen Erkenntnisse wurden bei der Konzipierung eines Feldsystems umgesetzt. Es wurde eine leicht ins Sediment zu integrierende Sedimentbatterie gebaut, die zunächst im Labor getestet wurde. Nach erfolgreichen Labortests wurden 2 baugleiche Systeme im Feld eingesetzt, eins im Brackwasser-Sediment und eins im Süßwassersediment. Nach einer Akklimatisationsphase begannen die Sedimentbatterien Strom zu produzieren. Die Arbeitsspannung, bei der die optimale Leistung erzielt wurde, lag bei 0,35-0,4 V. Die resultierende Leistung der Brackwasser-Batterie war maximal 8,7 mW/m2, bei der Süßwasserbatterie 3,7 mW/m2. Einige der Batterien hatten bei Versuchsende noch nicht die maximale Leistung erreicht, was verdeutlicht, dass es sich bei den Sedimentbatterien um sehr langsame Systeme handelt. Zum Teil erhebliche Schwankungen in der Leistung zeigen außerdem, dass die Systeme einer noch nicht näher zu definierenden Kontrolle durch Umweltfaktoren unterliegen. Das Feldsystem liegt am Ende des Projekts in einer Form vor, welche als Basis für Folgeuntersuchungen dienen kann. Diese sollten neben einer näheren Charakterisierung der möglichen leistungslimitierenden Umweltfaktoren die Optimierung der Feldsysteme beinhalten, um im Ergebnis den Betrieb eines Sensors zu ermöglichen. Kooperationspartner des Instituts für marine Ressourcen GmbH für das Projekt Untersuchungen zur Anwendung einer Sedimentbatterie als alternative Energiequelle für maritime Einsatzgebiete war die Firma iSiTEC GmbH. Die Kollegen von iSiTEC waren weitgehend für die Entwicklung und Konstruktion des Feldsystems sowie für die Bereitstellung der Mess- und Regelelektronik zuständig.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse wurden als folgende Manuskripte und bei folgenden Veranstaltungen präsentiert:
Artikel Deutsche Bundesstiftung Umwelt - Projekte für den Mittelstand, Magazin der Handelskammer in Bremen 1/2011, Deutsche Industrie- und Handelskammer, S. 46
Poster Benthic microbial fuel cells for alternative energy supply, Dunker, R., Kanzog, C., 2010. ESF-COST Research Conference Marine Biotechnology: Future Challenges. 20.-25.6.2010 Hotel Villa del Mare, Acquafredda di Maratea, Italien.
Poster Development of a benthic microbial fuel cell field system, Dunker, R: Kanzog, C. Lilienthal, H., 2011. 3rd International Microbial Fuel Cell Conference. 6.-8.6.2011, Leeuwarden, Niederlande.
Präsentation der Sedimentbatterie beim Wissenschafts-Festival im Rahmen von Pier der Wissen-schaft 7.5.2011
Bachelorarbeit Temperaturregulierung von Sedimentbatterien im Labor und Messung der Leistungsdichte bei verschiedenen Temperaturen, Kai Richter, 2011. Hochschule für Technik und Wirtschaft, Berlin.


Fazit

In den Labor- und Feldversuchen wurde nachgewiesen, dass es zu einer Stromproduktion kommt, wenn eine Anoden im anaeroben Sediment und eine Kathode im sauerstoffhaltigen Wasser elektrisch leitend miteinander verbunden werden und das Zellpotential abgesenkt wird. Diese Stromproduktion ist messbar. Die Laborversuche indizieren, dass der Betrieb einer Sedimentbatterie deutlich von der Beschaffenheit der Sedimente abhängt. Zudem ist der Einfluss der Temperatur in den Labor- sowie Feldversuchen klar zum Ausdruck gekommen. Basierend auf den Experimenten im Labor wurde ein Feldsystem entwickelt. Das Feldsystem wurde an 2 verschiedenen Orten für jeweils mehrere Wochen getestet und produzierte für in situ operierende Sedimentbatterien typische Energiemengen. Die entwickelten Feldsysteme können als Basis für weitere Untersuchungen genutzt werden. Die Herausforderung liegt dabei in der Erhöhung der produzierten Strommenge bei relativ niedrigen Arbeitsspannungen. Durch die Konzeption eines geeigneten Energiemanagementsystems soll eine Anwendung der Sedimentbatterie als Energieversorger für maritime Sensoren ermöglicht werden.