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Biobrennstoffzellen - Energy Harvesting aus natürlichen Substraten

Biobrennstoffzellen können die chemische Energie eines vor Ort ohnehin vorhandenen natürlichen Substrats in direkt nutzbare elektrische Energie umwandeln und sind nicht auf die Zufuhr externer „Brennstoffe“ angewiesen. Je nach Typ des dazu verwendeten Katalysators sind verschiedene Varian-ten möglich, die sich in unterschiedlichen Forschungs- und Entwicklungsstadien befinden. Anwen-dungsmöglichkeiten sieht man z. B. bei der Energieversorgung medizinischer Implantate oder - hier gibt es bereits erste prototypische Einsätze - bei der Nutzbarmachung der Abwässer in Kläranlagen.

Brennstoffzellen wandeln chemische Bindungsenergie direkt in elektrische Energie um und vermeiden so den Umweg konventioneller Motor-Generator-Einheiten über Wärme- und kinetische Energie. Bei den Biobrennstoffzellen kommt als weiterer Vorteil die Unabhängigkeit von gesondert zuzuführenden externen Brennstoffen hinzu, weil sie in der Umgebung vorhandene Biobrennstoffe wie z. B. Glukose umsetzen. Je nach dem für die Aktivierung der benötigten chemischen Reaktionen eingesetzten Katalysatortyp unterscheidet man zwischen abiotischen, enzymatischen und mikrobiellen Biobrennstoffzellen.

In abiotischen Biobrennstoffzellen werden wie in den bekannten konventionellen Wasserstoff-Brennstoffzellen Katalysatoren wie Platin oder andere Edelmetalle verwendet. Ihre Lebensdauer ist theoretisch unbegrenzt. Abiotische Biobrennstoffzellen sind aus technischer Sicht schon seit längerem realisierbar. Allerdings ist die Verwendung von Edelmetallen mit hohen Kosten verbunden. Außerdem können komplexere organische Stoffe wie z. B. Glukose bisher nur bei relativ geringen Reaktionsraten und somit niedrigen Leistungsdichten umgesetzt werden.

Höhere Leistungsdichten sind hier durch Einsatz natürlicher Katalysatoren, also von Enzymen, möglich. Dann spricht man von enzymatischen Biobrennstoffzellen. Enzyme sind wesentlich leichter verfügbar als z. B. Platin und haben außerdem eine hohe katalytische Selektivität, fördern also sehr gezielt nur die genau gewünschten chemischen Reaktionen. Allerdings denaturieren Enzyme mit der Zeit. Die Verlängerung der Lebensdauer steht deshalb im Fokus der aktuellen Forschungsanstrengungen zur Nutzbarmachung enzymatischer Biobrennstoffzellen. Ansatzpunkte liegen bei der Stabilisierung der Enzyme durch Immobilisierung (z. B. durch Einbettung in eine Matrix aus bestimmten Polymeren), bei der gentechnischen Optimierung der Enzymstruktur oder bei der kontinuierlichen Nachlieferung frischen Enzyms an die Elektrode. Hier hat es gerade in letzter Zeit signifikante Fortschritte gegeben.

Das gilt auch für die sog. mikrobiellen Biobrennstoffzellen, die es inzwischen bis zum prototypischen Einsatz zur Stromerzeugung aus organischem Material in Klärwerken gebracht haben.  Diese nutzen das gesamte enzymatische System lebender Mikroorganismen als Katalysator. Sie umgehen so die geringe Lebensdauer der Enzyme, weil Mikroorganismen über Fähigkeiten zur Selbstregeneration verfügen. Der gleichzeitige Einsatz verschiedener Mikroorganismen ermöglicht zudem die Nutzbarmachung komplexer „Brennstoff“-Gemische, wie sie insbesondere in Abwässern auftreten.

Biobrennstoffzellen haben ein großes Anwendungspotenzial, z. B. als implantierbare Glukosebrennstoffzellen auf abiotischer Basis zur Stromversorgung von Herzschrittmachern. Für den klinischen Einsatz muss allerdings insbesondere deren Langzeit-Biokompatibilität erst noch sichergestellt werden. Umgekehrt könnte natürlich ein Gerät, dessen Stromerzeugungsrate von der vorhandenen Glukose-Konzentra­tion abhängt, im Prinzip auch zur Messung dieser Konzentration und damit des Blutzuckerspiegels eingesetzt werden. Aber auch in nicht-medizinischen Anwendungen könnten Biobrennstoffzellen in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Die Überlegungen reichen hier von der Stromversorgung, z. B. unter Wasser verteilter Sensornetze, bis hin zur Realisierung von Kleinstrobotern, die sich von natürlichen Ressourcen quasi „ernähren“ können.

Jürgen Kohlhoff

 

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