Erdgas aus Kot statt aus Fossilien? Dieses BYU-Bakterium könnte es möglich machen

Jul 22, 2023

Der nächste Durchbruch bei erneuerbaren Energien könnte Kacke sein.

Neue wissenschaftliche Techniken, die an der Brigham Young University entwickelt wurden, weisen auf das Potenzial hin, tierische und menschliche Abfälle in Energie umzuwandeln, die als Ersatz für Erdgas aus fossilen Brennstoffen verwendet werden kann.

Die Umwandlung von Exkrementen in Energie ist keine neue Idee. Zivilisationen nutzen seit Jahrhunderten die anaerobe Vergärung. Die Methoden, die die BYU-Wissenschaftler Jaron Hansen und Zach Aanderud seit mehr als einem Jahrzehnt untersuchen, stellen jedoch einen bedeutenden Fortschritt dar, um Abfall in größerem Maßstab zu einem rentablen Energieerzeuger zu machen.

Der Schlüssel zu ihrer Arbeit ist ein spezieller Cocktail aus Bakterien, die unter extremen Bedingungen gedeihen – kein Sauerstoff, Temperaturen über 170 Grad – und Profis darin sind, Abfall in kleinere Moleküle zu zerlegen. So können Bakterien, die möglicherweise ihr Leben damit verbracht haben, einen Baumstamm in einer russischen heißen Quelle zu verdauen, jetzt in einem riesigen Tank auf einem Milchviehbetrieb Mist fressen.

„Wir machen uns die Kraft der kleinen Dinge zunutze, die man auf der Welt nicht sehen kann … um uns wirklich bei der Lösung einiger großer Probleme zu helfen“, sagte Aanderud, Professor für mikrobielle Ökologie.

Die beiden gewaltigen Herausforderungen, von denen er sagte, dass dieser Durchbruch helfen könnte, sie zu bewältigen: die Abkehr von fossilen Brennstoffen und die Entsorgung der riesigen Mengen an Abfall, die Menschen und Tiere produzieren.

Eine Milchkuh kann täglich 100 Pfund Mist produzieren, und große Molkereien können mehr als 10.000 Kühe gleichzeitig halten. Und dieser Prozess, so Hansen, könnte diesen Abfall von einer Umweltbedrohung in eine mächtige potenzielle Energiequelle verwandeln.

„Wir reden davon, genug Gas zu erzeugen, um kleine Gemeinden mit Strom zu versorgen“, sagte Hansen, der die Chemieabteilung der BYU leitet. „Wir reden von einer Leistung von Hunderten Kilowatt.“

Historisch gesehen könne die anaerobe Vergärung in einem Milchviehbetrieb möglicherweise nur 40 % der Abfälle der Kühe in Energie umwandeln, sagte er. Durch die Vorbehandlung mit diesem Bakterium wurde der Wirkungsgrad auf 80 % gesteigert und die Menge an übrig gebliebenem Abfall, der auf Bauernhöfen oder auf Mülldeponien entsorgt werden musste, reduziert.

Es ist auch schneller. Anstatt einen Monat zu benötigen, um aus Abfall Energie zu gewinnen, kann es jetzt weniger als eine Woche dauern.

„Diese Bakterien funktionieren einfach“, sagte Hansen. „Solange man sie mit Kot füttert, produzieren sie Methangas.“

Der Prozess fängt das bei der Verdauung entstehende Methan auf, verbrennt es zur Energieerzeugung und stößt Kohlendioxid aus. Wenn der Abfall auf einer Mülldeponie oder in der Kotlagune eines Bauernhofs landet, würde wahrscheinlich mehr Methan – ein Gas, das 25-mal wirksamer als Kohlendioxid ist, um Wärme zu speichern – in die Atmosphäre gelangen und den Klimawandel weiter beschleunigen.

Der Prozess nutzt auch die vorhandene Infrastruktur – Erdgasleitungen in Häuser, die Öfen, Warmwasserbereiter und Öfen versorgen –, um einen weit verbreiteten fossilen Brennstoff durch einen erneuerbareren Brennstoff zu ersetzen, der keine Bohrungen erfordert. Auch wenn es sich möglicherweise nicht um eine emissionsfreie Lösung wie Sonne oder Wind handele, könne es eine gute Option sein, diese Energiequellen nachts oder an einem ruhigen Tag zu ergänzen, sagte er.

Solange die Amerikaner ihre Toiletten spülen und Käse und Eis kaufen, wird die Energiequelle immer wieder aufgefüllt.

„Es ist erneuerbar, aber nicht unbedingt grün“, sagte Aanderud. „Gleichzeitig geht es um ein riesiges Abfallproblem, das wir in unserer Gesellschaft haben.“

Die Arbeit von Hansen und Aanderude hat bereits Eingang in die Praxis auf Milchviehbetrieben in Wisconsin und Indiana gefunden.

Larry Buckle von Trinity Renewables in Kalifornien hat das Wisconsin-Pilotprojekt unter Verwendung dieses neuen Bakterienprozesses entwickelt. Er sagte, es verkürzte die Verdauungszeit von 20 Tagen auf drei Tage und steigerte gleichzeitig die Energieproduktion um 50 %. Und die kleinere Menge fester Abfälle, die übrig bleibt, wurde durch die hohen Temperaturen, bei denen die Bakterien arbeiten, pasteurisiert, sodass es einfacher ist, einen Ort für die Entsorgung zu finden.

Derzeit baut er auf derselben Farm eine größere Version der Pilotanlage, die täglich 150.000 Gallonen Mist verarbeiten wird. Er geht nicht davon aus, dass es das letzte Projekt dieser Art sein wird, das sein Team ins Leben ruft.

„Es gibt viel Milchmist. Sie müssen nicht dafür bezahlen“, sagte Buckle. „Am wichtigsten ist, dass sie ziemlich eigenständig sind … das macht die Sache ungemein einfacher.“

Während die Menge an Fäkalien in einem Tierhaltungsbetrieb den Betrieb als idealen Ausgangspunkt erscheinen lässt, kann dieser Verdauungsprozess auch Energie aus anderen Arten von Abfällen erzeugen. Die Leute werfen das Essen weg. Grasschnitt von Rasenflächen. Und natürlich menschlicher Kot.

Dave Parry, Senior Fellow beim internationalen Ingenieurunternehmen Jacobs, hat an zahlreichen Projekten mitgearbeitet, um dieses Verfahren in kommunalen Abwasseranlagen von Oregon bis Michigan zu testen.

Mit den Fortschritten der BYU-Forschung, sagte er, könnten die Tausenden von Anlagen, die bereits für die traditionelle anaerobe Vergärung eingerichtet wurden, diese Bakterien freisetzen, Geld bei der Abfallentsorgung sparen und Energie mit bisher unerreichten Effizienzraten produzieren.

„Es ist definitiv ein Game-Changer“, sagte Parry. „Es wird die kommunale anaerobe Vergärungsindustrie auf der ganzen Welt verändern.“

Bei der Wasseraufbereitung, sagte er, könne der Prozess die Menge des übrig gebliebenen Abfalls um ein Viertel reduzieren und die Energieproduktion um ein Drittel steigern. Das könnte ausreichen, um Abwasseranlagen vom Netz zu nehmen und sie vollständig mit eigenem Kotstrom zu betreiben.

Das ist für alle eine große Sache, denn Wasseraufbereitungsanlagen sind oft der größte Energieverbraucher einer Kommunalverwaltung. Die Environmental Protection Agency berichtete, dass die Energie, die diese Anlagen antreibt, jedes Jahr mehr als 45 Millionen Tonnen Treibhausgase in die Atmosphäre freisetzt.

Und die Leute beginnen es zu bemerken, sagte Parry. Derzeit arbeitet er mit Wasserkraftwerken von Dänemark über Australien bis hin zur Central Valley Water Reclamation Facility in South Salt Lake an zukünftigen Entwürfen.

Es wird ein paar Jahre dauern, bis einer von ihnen seine volle Kapazität erreicht. Aber wenn die Welt erkennt, wie viel Energie in ihrem Mist steckt, sollten Sie aufpassen.

„Wenn es den vollen Umfang erreicht und jemand sagt: ‚Wow, schau dir das Central Valley an, schau dir Dänemark an‘“, sagte Parry. „Es wird explodieren.“