Fast jedes Lebewesen auf diesem Planeten wird mit Solarenergie betrieben. Der Mechanismus ist einfach: Pflanzen wandeln Sonnenlicht in chemische Energie um. Tiere fressen die Pflanzen. Der Mensch frisst die Tiere oder die Pflanzen. Wir verbrennen Holz, Kohle oder verarbeitete Pflanzen, um Wärme zu gewinnen. Erdöl ist lediglich uralte Biomasse, die über Millionen von Jahren versteinert wurde. Selbst Biokraftstoffe der ersten Generation werden aus Mais, Zuckerrohr oder Pflanzenöl hergestellt. Es ist ein geschlossener Kreislauf.
Die Schleife ist unterbrochen.
Erdöl ist chaotisch. Es schafft geopolitische Instabilität. Es verschmutzt. Biokraftstoffe der ersten Generation sind nicht klimaneutral. Zur Raffinierung müssen andere Brennstoffe verbrannt werden. Das größere Problem ist die Landnutzung. Wenn Sie Nahrungspflanzen in Treibstoff umwandeln, sinkt der Vorrat. Die Preise steigen. Der Hunger nimmt zu. Es folgen politische Spannungen.
Gibt es einen besseren Weg?
Forscher betrachten es aus einem anderen Blickwinkel. Sie wollen Energie aus Pflanzen gewinnen, ohne sie zu töten. Sie wollen Flächen nutzen, die nicht für die Ernährung geeignet sind. Sie möchten, dass Mikroben die schwere Arbeit übernehmen. Dies ist das Kernkonzept hinter pflanzlich-mikrobiellen Brennstoffzellen.
Pflanzen rücken ins Rampenlicht. Mikroben tragen die Schuld. Beides ist unerlässlich. Cyanobakterien bilden die Basis der Nahrungskette. Darmmikroben helfen uns bei der Verdauung. Bodenbakterien verwandeln Abfälle in Nährstoffe für Pflanzen. Jahrzehntelang untersuchten Wissenschaftler diesen mikrobiellen Stoffwechsel. Sie wollten die Energie ernten.
In den 1970er Jahren hatten sie einen Prototyp.
Diese frühen Geräte wurden mikrobielle Brennstoffzellen genannt. Sie erzeugen Strom durch chemische Reaktionen, die von Mikroben angetrieben werden. Die Leistung ist gering. Aber es ist erneuerbar. MFCs können Schadstoffe überwachen. Sie können helfen, Wasser zu reinigen. Sie können entsalzen. Sie können Fernsensoren mit Strom versorgen.
Es gibt eine Einschränkung.
MFCs brauchen Nahrung. Normalerweise handelt es sich bei diesen Lebensmitteln um organische Abfälle im Abwasser. Die Forscher erkannten etwas Einfaches. Pflanzen scheiden Zucker in den Boden aus. Aus Sicht der Anlage handelt es sich hierbei um Abfall. Es ist Treibstoff für die Bodenmikroben. Es ist ein endloses, solarbetriebenes Buffet. Warum den Abfall sammeln, wenn man ihn einfach in die lebende Wurzel stecken kann?
Die Idee setzte sich durch.
Im Jahr 2008 erschienen erstmals Aufsätze. Die ersten pflanzenbetriebenen MFCs wurden angekündigt. Das Potenzial war klar. Die Technologie ist skalierbar. In Entwicklungsregionen könnten Dörfer autark werden. Bauernhöfe könnten sich selbst mit Strom versorgen. In den Industrienationen könnten wir unseren CO2-Fußabdruck reduzieren. Wir könnten Strom aus Feuchtgebieten beziehen. Wir könnten Gewächshäuser gebrauchen. Wir könnten sie in Bioraffinerien integrieren.
Es klingt zu schön, um wahr zu sein.
Aber es ist nur eine Neuinterpretation einer alten Idee. Dabei handelt es sich um pflanzen-mikrobielle Brennstoffzellen. Sie sind grün. Sie sind ruhig. Sie fangen gerade erst an.
Die Chemie der Lebenskraft
Man könnte meinen, dass Elektrizität Drähte und Netze braucht, aber die Natur betreibt seit Äonen ihre eigenen Mikrokraftwerke unter unseren Füßen. Es ist keine Zauberei. Es ist nur Biologie mit einer elektrischen Wendung.
Pflanzen sind fleißige Photosynthesemaschinen. Sie nehmen Sonnenlicht auf, wandeln es in chemische Energie um und speichern es als Zucker. Aber sie behalten nicht alles. Sie scheiden Abfallstoffe über ihre Wurzeln in die Rhizosphäre aus. Das ist der Bereich des Bodens, der direkt von Wurzelsekreten beeinflusst wird. Dort leben Bakterien. Sie fressen den Zucker und die Proteine, die die Pflanze ausspuckt.
Diese Beziehung ist der Motor einer pflanzlichen mikrobiellen Brennstoffzelle (PMFC). Die Anlage liefert den Brennstoff. Den Mechanismus liefern die Bakterien. Solange die Sonne scheint und die Pflanze grün bleibt, haben die Bakterien eine Fresskarte. Und diese Mahlzeit erzeugt Strom.
Ja, der erste Hauptsatz der Thermodynamik gilt immer noch. Man kann keine Energie aus dem Nichts gewinnen. Die Sonne ist die äußere Quelle. Aber die Umwandlung geschieht genau dort im Dreck.
Wie Mikroben Nahrung in Strom verwandeln
Wie löst der Verzehr von Zucker einen Funken aus? Es ist Chemie. Konkret geht es darum, eine Reaktion in zwei Hälften zu teilen.
In einem Standard-Verbrennungs- oder Atmungsmodell reagieren Glukose und Sauerstoff unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser. Die Gleichung sieht sauber aus:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Aber Zellen schaffen das nicht in einem großen Schritt. Sie unterteilen es in Schritte. Bei einigen dieser Zwischenschritte werden Elektronen freigesetzt. Elektronen sind das, was wir für den Strom benötigen.
Anstelle der vollständigen Reaktion spaltet sich der mikrobielle Prozess wie folgt auf:
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
Beachten Sie die Elektronen (e-) auf der rechten Seite? Das sind die Free Agents. Sie wollen irgendwohin. Sie wollen sich mit Sauerstoff verbinden.
Diese Aufteilung definiert die beiden Hälften der Brennstoffzelle.
Die erste Hälfte findet in der Rhizosphäre statt. Es ist dunkel, feucht und voller Bakterien, die Wurzelausscheidungen abbauen. Die Pflanzenwurzeln, die Abfälle und die Mikroben teilen sich diesen Raum.
Die zweite Hälfte befindet sich auf der anderen Seite einer durchlässigen Membran. In der Natur ist diese Membran die Grenze zwischen Boden und Wasser. Dort ist es sauerstoffreich.
Der Stromkreis ist geschlossen
Hier passiert die Magie. Die Protonen (H+) und Elektronen (e-) aus der ersten Hälfte müssen auf Sauerstoff treffen, um die Reaktion abzuschließen.
In der zweiten Kammer verbinden sie sich mit Sauerstoff zu Wasser:
6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O
Die Protonen strömen über die Ionenaustauschermembran. Dadurch entsteht eine positive Nettoladung. Die Elektronen? Sie können die Membran nicht passieren. Also nehmen sie den Umweg. Sie fließen durch einen externen Draht, um zur Sauerstoffseite zu gelangen.
Dieser Fluss ist aktuell. Voila. Sie haben gerade etwas mit Pflanzenabfällen betrieben.
Mögliche Probleme ausmerzen
Es klingt perfekt. Saubere Energie. Keine beweglichen Teile. Aber es gibt Probleme.
Wir verstehen nicht vollständig, wie sich Elektroden auf die Wurzelumgebung auswirken. Das Einführen von Metallsonden in den Boden verändert alles. Es könnte die Nährstoffverfügbarkeit verringern. Es könnte das Immunsystem einer Pflanze schwächen. Stirbt die Anlage, stoppt die Brennstoffzelle.
Dann ist da noch das Standortproblem. PMFCs funktionieren am besten in Feuchtgebieten und Ackerland. Dies sind geschützte Gebiete. Die Umweltgenehmigung für die Installation von Elektroden in geschützten Feuchtgebieten wird ein juristischer Albtraum sein.
Es gibt jedoch einen potenziellen Aufwärtstrend. Mikrobielle Brennstoffzellen im Abwasser können Ammonium oxidieren und Nitrate reduzieren. Landwirtschaftliche Abwässer sind ein großes Problem für Feuchtgebiete. Wenn PMFCs dazu beitragen können, das Wasser bei der Stromerzeugung zu reinigen, könnten sie das Umweltrisiko ausgleichen.
Es ist ein Kompromiss. Wir suchen nach einer Technologie, die das Land heilen und es gleichzeitig mit Energie versorgen könnte. Aber wir müssen genau wissen, was diese Elektroden mit den Wurzeln machen, bevor wir sie überall anbringen.
Die Wissenschaft ist solide. Die Technik ist chaotisch. Die Zukunft ist schlammig.
Die Grenzen des Ökostroms
Schauen Sie sich eine PMFC-Anlage aus dem Jahr 2012 an. Sie sieht aus wie ein Garten. Genauer gesagt, ein Feuchtgarten. Im Boden wachsen Schilf-Mannagras, Reis, Cordgras oder Riesenschilf. Bunte Drähte ragen aus dem Dreck. Das ist der einzige Hinweis darauf, dass Energie erzeugt wird.
Sie produzieren nicht viel Strom. Noch nicht. Sie funktionieren nur im Wasser.
Aber die Wissenschaft bewegt sich. Forscher werden von einem größeren Problem angetrieben: dem Nahrungsmittel-Energie-Konflikt. Biokraftstoffe belasten die globale Nahrungsmittelversorgung. PMFCs bieten einen Ausweg. Sie müssen die Reisfelder nicht entwässern. Landwirte können weiterhin Nahrungsmittel anbauen. Dörfer können diese Systeme in Feuchtgebieten installieren. Gebiete mit armen Böden können Strom erzeugen, ohne Ackerland zu stehlen.
Gewächshäuser könnten sie das ganze Jahr über betreiben. Offene Felder? Das hängt von der Jahreszeit ab.
Lokale Energie reduziert die Notwendigkeit, Treibstoff zu transportieren. Weniger Transport bedeutet weniger CO2-Emissionen. Es klingt nach einem Sieg.
Es gibt einen Engpass. Ein großes. Die Pflanze selbst.
Die Photosynthese ist ineffizient. Chloroplasten absorbieren nur Licht im Bereich von 400–700 Nanometern. Das sind 45 Prozent der Sonnenstrahlung. Der Rest prallt ab. Den Rest verschwenden Pflanzen.
C3- und C4-Pflanzen handhaben dies unterschiedlich. C3-Pflanzen bilden zunächst Moleküle mit drei Kohlenstoffatomen. Sie machen 95 Prozent der Arten aus. Bäume, Weizen, Reis. Ihr theoretischer Wirkungsgrad liegt bei maximal 4,6 Prozent. Tatsächlich erreichten sie 70 Prozent davon. Etwa 3,2 Prozent.
C4-Pflanzen? Mais. Zuckerrohr. Sie bilden Moleküle mit vier Kohlenstoffatomen. Sie sind besser. Theoretische Grenze: 6 Prozent. Praktische Grenze: rund 4,2 Prozent.
Dann kommt der Boden. Nur 20 Prozent der pflanzlichen Biomasse erreichen den Wurzelbereich. Die Rhizosphäre. Von dort werden nur 30 Prozent zur Nahrung für Mikroben. Die Mikroben erledigen ihre Arbeit. Sie spucken Elektronen aus.
PMFCs fangen 9 Prozent dieser mikrobiellen Energie als Elektrizität ein.
Rechnen Sie nach.
Für C3-Pflanzen: 0,70 x 0,046 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Ergebnis: 0,017 Prozent Solar-zu-Elektro-Umwandlung.
Für C4-Pflanzen: 0,70 x 0,060 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Ergebnis: 0,022 Prozent.
Winzige Zahlen. Einige Forscher halten diese Modelle jedoch für zu pessimistisch. Ist das Potenzial höher, gewinnen die Verbraucher.
Wasserstoff-Hoffnung
Brennstoffzellen gewinnen an Bedeutung. Sie geben Autos mehr Reichweite als Batterien. Sie passen besser in große Fahrzeuge. Das Interesse stieg Ende 2012 stark an.
Wasserstoff-Brennstoffzellen scheinen grün zu sein. Das sind sie nicht. Für die Herstellung von Wasserstoff werden große Mengen Strom benötigt. Der Prozess ist nicht CO2-neutral. Es macht den Zweck zunichte.
PMFCs produzieren auf natürliche Weise Wasserstoffgas. Durch denselben mikrobiellen Prozess, der Strom erzeugt. Dies könnte der Schlüssel zu einer echten grünen Wasserstoffproduktion sein.
Von Erdöl zu Pflugscharen
Bei der Umstellung von Öl auf Pflanzen geht es nicht nur um Kraftstoff. Es geht um Landnutzung. Es geht darum, die Konkurrenz zwischen Nahrung und Energie zu stoppen. Feuchtgebiete werden zu Kraftwerken. Reisfelder werden zu Hybridsystemen. Der Boden arbeitet härter. Das Raster wird sauberer.
Der Wirkungsgrad ist gering. Die Technologie ist jung. Aber die Alternative – die Erde nach Öl auszugraben – erscheint zunehmend obsolet. Die Wurzeln sind fertig.
Die Technologie ist nicht fehlerfrei. Pflanzliche mikrobielle Brennstoffzellen (PMFCs) befinden sich in einem Tauziehen. Das Substrat muss die Pflanzenwurzeln unterstützen und gleichzeitig den Elektronentransfer erleichtern. Diese beiden Ziele stehen oft im Widerspruch zueinander. Messen Sie den pH-Wert. Wenn der Säuregehalt zwischen den beiden Zellkammern unterschiedlich ist, strömen Ionen durch die Membran, um den Ausgleich herbeizuführen. Dadurch wird die Spannung kurzgeschlossen. Das elektrische Potenzial sinkt. Ingenieure müssen das lösen.
Beheben Sie die Probleme, und das Potenzial ist atemberaubend. Es hängt alles von der Energiedichte ab. Eine Studie aus dem Jahr 2008 bezifferte den Ertrag auf 21 Gigajoule pro Hektar pro Jahr. Das sind 5.800 Kilowattstunden pro 2,5 Hektar. Neuere Daten deuten darauf hin, dass die Zahl auf 1.000 Gigajoule pro Hektar steigen könnte.
Um das ins rechte Licht zu rücken, betrachten Sie die Grundlinie:
– Ein einziges Barrel Öl enthält etwa 6 Gigajoule chemische Energie.
– Europa hat 13,7 Millionen Landwirte. Die durchschnittliche Betriebsgröße beträgt 12 Hektar.
– In den USA gibt es 2 Millionen Landwirte. Die durchschnittliche Betriebsgröße beträgt 180 Hektar.
Führen Sie die Zahlen aus. Wenn nur 1 Prozent des US-amerikanischen und europäischen Ackerlandes auf pflanzliche mikrobielle Brennstoffzellentechnologie umgestellt würde, wäre der Ertrag enorm. Europa könnte jährlich 34,5 Millionen Gigajoule erzeugen. Die USA könnten 75,6 Millionen Gigajoule erreichen.
Vergleichen Sie das mit dem Verbrauch. Im Jahr 2010 verbrannten die 27 EU-Staaten 1.759 Millionen Tonnen Öläquivalent (TOE). Das entspricht 74,2 Milliarden Gigajoule. Oder 20,5 Billionen Kilowattstunden. TOE ist die Standardmetrik zum Vergleich von Energiequellen. Eine Tonne Öläquivalent.
In diesem vereinfachten Modell sind PMFCs nur ein Tropfen auf den heißen Stein. Ein enormer Rückgang, aber immer noch ein Rückgang im Vergleich zur Gesamtnachfrage. Dennoch ist es ein schadstofffreier Tropfen. Es kommt von grünen Feldern, nicht von Schornsteinen oder Windkraftanlagen, die Vögel töten.
Das ist erst der Anfang. Forscher entwickeln Bakterien, die Abfall schneller fressen. Zwischen 2008 und 2012 wurde die elektrische Leistung in einigen Tests durch Optimierungen der Substratchemie verdoppelt. PlantPower, ein wichtiger Akteur auf diesem Gebiet, behauptet, perfektionierte PMFCs könnten 20 Prozent der Primärenergie Europas liefern. Das ist Strom, der direkt aus natürlichen, nicht umgewandelten Quellen stammt.
Die Kosten sind immer noch das Hindernis. Sie müssen kostengünstiger und effizienter sein, bevor sie flächendeckend eingesetzt werden können. Es gibt Fortschritte. Hersteller verzichten auf Edelmetalle und tauschen stattdessen leitfähige Kohlenstoffgewebeelektroden aus. Es spart Geld. Im Jahr 2012 kostete der Betrieb eines Ein-Kubikmeter-Aufbaus in einem Labor 70 US-Dollar.
Denken Sie an die Nebenvorteile. Schadstoffentfernung. Reduzierung von Treibhausgasen. Wenn Investoren und Regierungen den Wert erkennen, könnten PMFCs die Kraftwerke der Zukunft werden. Oder sie legen einfach den Grundstein für etwas noch Besseres.
