Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Gegenstand der Projektidee ist die Durchf\u00fchrung 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 vielf\u00e4ltigen Anforderungen, vor allem im Unterwasserbereich, M\u00e4ngel wie z. B. Selbstentladung und relativ kurze Lebensdauer auf, die eine Sedimentbatterie durch die Nutzung von ausschlie\u00dflich nat\u00fcrlich vorkommender und unersch\u00f6pflicher Ressourcen ausschlie\u00dfen kann. Ziel des Vorhabens ist es, neue Erkenntnisse und Erfahrungen im Umgang mit Sedimentbatterien zu erhalten, und deren Funktion als kontinuierliche Energiequelle f\u00fcr z. B. maritime Technologien zu optimieren.<\/p>\n
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 w\u00e4hrend Laborexperimenten optimiert werden, um hohe Energiedichten und m\u00f6glichst lange Einsatzzeiten zu gew\u00e4hrleisten. 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, Salinit\u00e4t, organischer Kohlenstoffgehalt und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft im Sediment auf die Batterieleistung untersucht. Im Ergebnis dieser Aktivit\u00e4ten sollen Demonstratoren von Sedimentbatterien f\u00fcr den Feldeinsatz realisiert und anschlie\u00dfend f\u00fcr 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 Durchf\u00fchrung des Projektes wird angestrebt, die Entwicklung der Sedimentbatterie bis hin zur kommerziellen Energieversorgung f\u00fcr Unterwasseranwendungen voranzutreiben.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Rahmen des Projekts wurde ein Sedimentbatterie-Laborsystem aufgebaut. Dazu geh\u00f6rte sowohl die Ausstattung der Gef\u00e4\u00dfe mit Sediment und Elektroden als auch die Bereitstellung der Mess- und Regelelektronik. Des weiteren wurden Laborversuche mit den Sedimentbatterien durchgef\u00fchrt, in denen der Einfluss mehrerer Parameter wie Leitf\u00e4higkeit des Sediments, Gehalt an organischem Material und Umgebungstemperatur untersucht wurden. Zus\u00e4tzlich wurden verschiedene Elektrodenmaterialien und -formen auf ihre leistungsf\u00f6rdernde Wirkung untersucht. Der auf den Anoden siedelnde Biofilm wurde mittels Fluoreszenz-in situ-Hybridisierung, einer molekular\u00f6kologischen 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 zun\u00e4chst im Labor getestet wurde. Nach erfolgreichen Labortests wurden 2 baugleiche Systeme im Feld eingesetzt, eins im Brackwasser-Sediment und eins im S\u00fc\u00dfwassersediment. 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 S\u00fc\u00dfwasserbatterie 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 au\u00dferdem, dass die Systeme einer noch nicht n\u00e4her zu definierenden Kontrolle durch Umweltfaktoren unterliegen. Das Feldsystem liegt am Ende des Projekts in einer Form vor, welche als Basis f\u00fcr Folgeuntersuchungen dienen kann. Diese sollten neben einer n\u00e4heren Charakterisierung der m\u00f6glichen leistungslimitierenden Umweltfaktoren die Optimierung der Feldsysteme beinhalten, um im Ergebnis den Betrieb eines Sensors zu erm\u00f6glichen. Kooperationspartner des Instituts f\u00fcr marine Ressourcen GmbH f\u00fcr das Projekt Untersuchungen zur Anwendung einer Sedimentbatterie als alternative Energiequelle f\u00fcr maritime Einsatzgebiete war die Firma iSiTEC GmbH. Die Kollegen von iSiTEC waren weitgehend f\u00fcr die Entwicklung und Konstruktion des Feldsystems sowie f\u00fcr die Bereitstellung der Mess- und Regelelektronik zust\u00e4ndig.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse wurden als folgende Manuskripte und bei folgenden Veranstaltungen pr\u00e4sentiert:
\n\tArtikel Deutsche Bundesstiftung Umwelt – Projekte f\u00fcr den Mittelstand, Magazin der Handelskammer in Bremen 1\/2011, Deutsche Industrie- und Handelskammer, S. 46
\n\tPoster 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.
\n\tPoster 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.
\n\tPr\u00e4sentation der Sedimentbatterie beim Wissenschafts-Festival im Rahmen von Pier der Wissen-schaft 7.5.2011
\n\tBachelorarbeit Temperaturregulierung von Sedimentbatterien im Labor und Messung der Leistungsdichte bei verschiedenen Temperaturen, Kai Richter, 2011. Hochschule f\u00fcr Technik und Wirtschaft, Berlin.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
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 abh\u00e4ngt. 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 f\u00fcr jeweils mehrere Wochen getestet und produzierte f\u00fcr in situ operierende Sedimentbatterien typische Energiemengen. Die entwickelten Feldsysteme k\u00f6nnen als Basis f\u00fcr weitere Untersuchungen genutzt werden. Die Herausforderung liegt dabei in der Erh\u00f6hung der produzierten Strommenge bei relativ niedrigen Arbeitsspannungen. Durch die Konzeption eines geeigneten Energiemanagementsystems soll eine Anwendung der Sedimentbatterie als Energieversorger f\u00fcr maritime Sensoren erm\u00f6glicht werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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