Über die Untersuchung der Anoden in der biologischen Brennstoffzelle FEOS-XR

Inhalt

1 Einleitung

2 Theoretischer Hintergrund

3 Materialien, Vorgehensweise und Methoden
3.1 Beschreibung des FEOS-XR-Moduls
3.2 Liste verwendeter Materialien für ein Modul
3.3 Elektroden
3.4 Software
3.5 Vorherige Untersuchungen (Spannungsmessung)
3.6 Versuchsaufbau für die Spannungsmessung
3.7 Versuchsaufbau zur Messung des Redoxpotentials
3.8 Statistische Analyse

4 Ergebnisse
4.1 Leerlaufspannungen
4.2 Messung mit integriertem Widerstand
4.4 Messung des Redoxpotentials

5 Ergebnisdiskussion
5.1 Fehlerquellen

6 Zusammenfassung

7 Danksagung

8 Literaturverzeichnis

9 Selbstständigkeitserklärung

Abstract

In Folge der aktuellen Klimakrise werden neue Energiequellen benötigt. In dieser Arbeit wird die neuartige Brennstoffzelle FEOS-XR vorgestellt, die von mir entwickelt und gebaut worden ist. Dabei handelt es sich um eine biologische Brennstoffzelle, in deren Anode Schlamm, indem sich elektrogene Bakterien der Gattungen Geobacter oder Shewanella befinden könnten, als Elektrolyt dient. Neu ist die Nutzung von Substraten aus Kompost, die mit Wasser in die Anode ausgespült werden. Die elektrogenen Bakterien sind – anders als in einem galvanischen Element – dabei die Hauptakteure und der Grund für einen Stromfluss. Mithilfe von FEOS-XR werden verschiedene Materialen (Graphit, Kupfer, Nickel und Silber) auf ihre Tauglichkeit als Anode überprüft, indem die Spannung mit einem integrierten Widerstand und das Potential in der Anode und Kathode gemessen wird. Um Materialeffekte zu vermeiden, wurde neben der eigentlichen Versuchsgruppe eine Kontrollgruppe gemessen. Dabei kristallisierte sich ein Material als besonders tauglich heraus.

Due to the climate crisis, we need new energy sources. In this paper, I would like to introduce a new fuel cell (FEOS-XR) which I have developed. FEOS-XR is a biological fuel cell: Its anode contains mud that is full of electrogenic bacteria such as Geobacter or Shewanella as an electrolyte. The use of substrates out of compost which are washed out by water and later flowed in the anode is new. The electrogenic bacteria are – in contrast to a galvanic element – the main reason for the flow of electricity. With the help of FEOS-XR, some materials (graphite, copper, nickel and silver) are tested as an effective anode by measuring the voltage with an integrated resistor and the potential of the anodic and cathodic solution. To avoid any material effect, the results were tested and confirmed by a control group. During these tests, one material proved to be particularly suitable for its use in FEOS-XR.

1 Einleitung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Grafik zum Temperaturanstieg zwischen 1850 und 2018 nach Allen et. al (2018)

Der Mittelwert der weltweiten Temperaturen steigt seit 1850 – also der Zeit der Industrialisierung – kontinuierlich an: Das IPCC, vertreten durch Allen et al. (2018), stellte fest, dass der vom Menschen induzierte Temperaturanstieg im Vergleich zur Temperatur im vorindustriellen Zeitalter seither etwa 1 °C beträgt. Dieser Temperatur-anstieg, der u.a. durch die Emission von Treibhausgasen wie CO2 verursacht wird, muss aufgehalten werden, wenn keine weiteren Schäden für die Menschheit entstehen sollen (ebd.).

In Deutschland entfallen immer noch 38% der Bruttostromerzeugung auf Braun- und Steinkohle (DESTATIS 2020), welche Emittenten von CO2 sind. Nach Allen et. al (2018) müssen sämtliche Emissionen von Treibhausgasen zur Schadensregulierung gegen Null konvergieren. Daher stellt sich die Frage, welche alternativen Energiequellen sich anbieten, um fossile Energieträger vollständig zu ersetzen. Neben dem Klimaaspekt hat nicht jeder Mensch Zugang zum Strom: Der Elektrifizierungsgrad weltweit beträgt laut World Bank (2020) im Jahr 2018 im Mittel 89,59%. Den restlichen 10,4%, die vielleicht keine Anbindung an das nationale Stromnetz haben, könnte mithilfe des hier vorgestellten Moduls in Maßen geholfen werden.

Sudirjo et. al (2018) bauten eine PMFC¹, die in Feuchtgebieten wie gefluteten Reisfeldern in Indonesien integriert werden könnte. Laut FAO (2013) sind mehr als 8% der weltweiten Feuchtgebiete in Indonesien zu verorten, wodurch eine Integration dort besonders lukrativ erscheint. In die PMFC wurden unter anderem Pflanzen gesetzt, deren Wurzeln zur Abgabe von Metaboliten der Pflanze wie Aldehyden oder Alkoholen dienen. Diese Wurzelexsudate wie Glucose, Acetat-Ionen oder komplexere organische Verbindungen werden mit Wasser aus der Rhizosphere ausgewaschen und in die Bodenschicht, in der sich die elektrochemisch aktiven Mikroorganismen befinden, gespült.

Zu den elektrochemisch aktiven Mikroorganismen gehören u.a. jene der Gattungen Geobacter und Shewanella (Shi et. al 2019).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Theoretischer Aufbau einer PMFC nach Strik (2008)

Die anaeroben Mikroorganismen nutzen die Exsudate für ihren eigenen Metabolismus, wobei neue Produkte frei werden, die wiederum bei einer Redoxreaktion durch Oxidation Elektronen „freigeben“. Die Anode dient als Elektronen-akzeptor, von wo aus die Elektronen zur Kathode fließen und dort Sauerstoff zu Wasser reduziert wird (Sudirjo 2020) – es entsteht ein geschlossener Stromkreis.

Der eingezeichnete Separator (in Abb. 2 als Membrane bezeichnet) dient zur Trennung des Anoden- und Kathodenraums. Durch den Elektronenfluss entsteht eine Spannung, die die eingezeichnete Lampe zum Leuchten bringt.

Anhand dieser Erkenntnisse wurde 2018 das Projekt FEOS - Future Energy out of sun, plants & microbes – ins Leben gerufen, mit dem auch am Bundesumweltwettbewerb 2019 teilgenommen worden ist. Die hier vorgestellte Arbeit konnte einen 2. Platz beim Jugend forscht-Landeswettbewerb NRW 2021 im Bereich Chemie erringen.

Die oben genannten Paper sind die Orientierung für den aktuellen Stand der Forschung gewesen, der gezeigt hat, dass die Exsudate eine wesentliche Rolle in der hier vorgestellten Brennstoffzelle spielen. Es ist jedoch zu beachten, dass die Exsudate nicht aus einer PMFC isoliert, sondern von außen mittels Eintragung in die Brennstoffzelle eingebracht worden sind.

Es wird davon ausgegangen, dass diese Erkenntnis eine wesentliche Rolle in dem Modul FEOS-XR spielen wird, weil auf eine Bepflanzung verzichtet wird und nur die organischen Verbindungen, die in den Exsudaten nachgewiesen worden sind, für den Betrieb der Brennstoffzelle verwendet werden. Erwartet wird also eine ähnlich gute Ausbeute wie in beiden Papern beschrieben.

Daher beschäftigt sich diese Besondere Lernleistung mit der Stromproduktion mithilfe von Schlamm, in welchem Mikroorganismen der o.g. Gattungen für die Stromproduktion zu finden sind, und Kompost. Hierbei soll zum einen erforscht werden, inwiefern der Kompost, der vorwiegend ungekochte Küchenabfälle enthält, eine Auswirkung auf die Stromausbeute hat. Zum anderen sollen die verschiedenen Anodenmaterialien auf ihre Effizienz hin untersucht werden. Das Ziel ist es, nachzuweisen, dass Jedermann in der Lage ist, mit gewöhnlichem Küchenabfall klimaneutralen Strom für den Eigenbedarf zu produzieren.

Um die Vermutung zu verifizieren, wurde ein entsprechendes Modul, das FEOS-XR (Future out of sun, plants and microbes plus extra residues) genannt worden ist, entwickelt und produziert. Auf dieses Modul wird auch im Verlauf der Abhandlung eingegangen werden. Da es diese Art von Brennstoffzelle so, wie sie hier vorgeführt wird, noch nicht gab, ist auch ein entsprechender Verweis auf den aktuellen Stand der Forschung nur bedingt möglich.

2 Theoretischer Hintergrund

Um zu verstehen, warum eine biologische Brennstoffzelle überhaupt funktioniert, muss man sich klar machen, dass der Elektronentransfer von den elektrogenen Bakterien wie Geobacter und Shewanella ausgeht. Bereits in den 1980ern beschäftigte man sich mit der Elektromikrobiologie, indem man mikrobiologische Untersuchungen von Sedimenten aus Flussbetten durchführte und dort erstmals elektrogene Bakterienstämme identifizieren konnte (Shi et. al 2019).

Bis jetzt wurden insgesamt drei verschiedene Wege des Elektronentransfers gefunden: Der direkte Elektronentransport über Nanowires bzw. Mikropili, ein direkter Elektronentransport mittels Biofilm und die Nutzung von Elektronen-Shuttlen wie Flavin (Logan 2006). Diese drei Wege werden im Folgenden kurz beschrieben:

1. Direkter Elektronentransport über einen Biofilm

Am bekanntesten ist in diesem Fall der Mechanismus Shewanella oneidensis MR-1. Hierbei spielen die sog. C-type cytochromes – also Redoxproteine – wie CymA, MtrA und MtrC und ein Strukturprotein, MtrB, eine wichtige Rolle, da sie für den Elektronentransfer vom Hydrochinon in der Zellmembran durch den periplasmatischen Raum zur Oberfläche des Bakteriums verantwortlich sind. Von dort aus werden die Elektronen auf direktem Wege mithilfe der Proteine MtrC oder OmcA zur Anode transportiert (vgl. Abb. 3 (a)). Die Bakterien bilden einen Biofilm, der dicker als zehn μm werden kann (Steidl et. al 2016), wodurch ein effizienter Elektronentransfer gewährleistet werden soll (Shi et. al 2019). Laut Rowe (2018) können die Elektronen wieder von der Zelloberfläche in die Zellmembran rücktransportiert werden.

2. Direkter Elektronentransport mittels Nanowires

Ähnlich wie beim direkten Elektronentransport über einen Biofilm spielen Proteine in der Elektronenübertragung durch Nanowires ebenfalls eine wichtige Rolle – diese Art der Übertragung beobachtet man besonders bei G. sulfurreducens. Zusätzlich zu den oben genannten Proteinen kommt das Protein Pcc hinzu, das die Elektronen vom Hydrochinon in der Zellmembran an die Zelloberfläche transportiert. An der Zelloberfläche befinden sich c-type cytochromes, die einen direkten Elektronentransfer zur Anode ermöglich. Hierfür nutzt G. sulfurreducens außerdem seine Nanowires, die im Vergleich zu rostfreiem Stahl (σ=667 μS/cm) eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen (σ=3000 μS/cm) (Valero et. al 2019), um Elektronen an benachbarte Zellen oder an die Anode abzugeben (Shi et. al 2019) (vgl. Abb. 3 (b)).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Möglichkeiten des Elektronentransfers von elektrogenen Bakterien; (a) direkter Elektronentransport, (b) indirekter Elektronentransport mithilfe von Nanowires, (c) Elektronentransport mithilfe von Elektronen-Shuttlen; OM: Äußere Membran/Oberfläche, PS: Periplasmatischer Raum, CM: Zellmembran (Shi 2019)

3. Elektronentransfer mithilfe von Elektronen-Shuttlen

Anders als bei den anderen beiden Übertragungswegen wird hier ein Elektronen-Shuttle wie Flavin genutzt, um Elektronen an die Anode zu transportieren (vgl. Abb. 3 (c)). Dabei handelt es sich um eine klassische Redoxreaktion, bei der Flavin an der Anode oxidiert und in der Zelle reduziert wird, womit ein ständiger Transfer von Elektronen verbunden ist (Xu et. al 2018). Wie in Abb. 3 (c) zu erkennen ist, benötigt der Elektronentransfer auf diese Weise keinen direkten Kontakt zur Anode.

Man kann insgesamt erkennen, dass es für elektrogene Bakterien verschiedene Möglichkeiten gibt, um Elektronen an die Anode oder an Nachbarzellen abzugeben. Es ist allerdings wichtig, sich zu vergegenwärtigen, dass auch Mischungen der Transferwege möglich sind.

3 Materialien, Vorgehensweise und Methoden

Zur Überprüfung der in der Einleitung genannten Hypothesen wurde ein entsprechender Apparat gebaut, der als Modul bezeichnet wird. Das Modul kann mit einfachen Mitteln aus Baumarkt und Einzelhandel selbst gebaut werden, wobei anzumerken ist, dass es rein für wissenschaftliche Untersuchungen geschaffen worden ist.

3.1 Beschreibung des FEOS-XR-Moduls

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Abbildung 4 FEOS-XR-Modul (Vorderansicht)

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Abbildung 5 FEOS-XR-Modul (Seitenansicht)

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Abbildung 6 FEOS-XR-Modul (Aufsicht)

Bei dem in den Abb. 4-6 gezeigten Modul handelt es sich um eine Microbial Fuel Cell (MFC)² , was bedeutet, dass Energie mithilfe von Mikroorganismen erzeugt wird. Gleichzeitig ist es damit ein biologisches System, was hinsichtlich der Ergebnisdiskussion von Bedeutung sein wird. Das Modul wird von einem für diesen Zweck optimierten Getränkekasten (Abb. 4: ①) gestützt, auf den ein Regalboden festgeschraubt worden ist.

In das Holzbrett wurden zwei Reihen mit je vier Löchern³ eingebracht, in die PET-Flaschen für Getränke, von denen jeweils der Boden abgesägt wurde (Abb. 6: ②), eingesteckt werden können. Jede PET-Flasche ist mit der ihr gegenüberliegenden PET-Flasche über einen Kunststoffschlauch (Abb. 4: ③). mit einem verzinkten Winkel (Abb. 4: ⑤) und einer Tülle an beiden Seiten mit dem Schlauch verbunden. Da sich das FEOS-XR-Modul an einem galvanischen Element orientiert, dient der Kunststoffschlauch dem Ionenaustausch (hier: Protonen), wobei Anode und Kathode durch eine Protonenaustauschmembran in der Tülle (Abb. 4: ④) voneinander getrennt sind.

Zusätzlich – um die Abdichtung und damit eine Fehlerquelle hinsichtlich Sauerstoffeindrang zu vermeiden – sind die Verbindungen PET-Flasche à Winkel durch den Flaschendeckel mit Acryl-Abdichtmasse⁴ versiegelt.

Der Sauerstoff wirkt toxisch auf die oben genannten anaeroben Mikroorganismen, so dass er, um eine maximale Effizienz der Spannung zu gewährleisten, vermieden werden muss. Gleichzeitig wäre er ein zusätzlicher Elektronenakzeptor in der Anode, was bedeuten würde, dass weniger Elektronen an die Kathode gelangen würden und die Effektivität der MFC gestört würde.

Manche der Winkel mussten zusätzlich mit einem sog. Doppelnippel versehen werden, um an jeder PET-Flasche ein Außengewinde zu gewährleisten, an dem dann per Schlauchkupplung der Verbindungsschlauch aufgeschraubt wird. Alle Metallgewinde wurden mit Teflon-Dichtungsband eingedichtet.

Während der Messungen werden auf die PET-Flaschen der Versuchsgruppe weitere PET-Flaschen gesteckt (vgl. Abb. 4), die mit Kompost gefüllt und anschließend mit Waschwasser beaufschlagt werden – so wird gewährleistet, dass Substratmaterial und Schlamm voneinander getrennt sind und nur Nährstoffe in den Anodenraum gelangen. Als grobe Filterschicht wurde Quarzkies in die oberen PET-Flaschen eingebracht, der ebenso wie die fein durchbohrten Flaschendeckel der Grobtrennung dient.

Insgesamt wurden zwei baugleiche Module gebaut: Eins als eigentliche Versuchsgruppe und eins als Kontrollgruppe [JS1] , welche ohne Schlamm und nur mit Quarzkies befüllt ist.

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Tabelle 1 Liste verwendeter Materialien

3.2 Liste verwendeter Materialien für ein Modul[JS2]

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Als Kathodenmaterial wurden in allen Zellen Graphitmatten ausgewählt, mit diesen im vorherigen Projekt gute Erfahrungen gemacht wurden. Ein wesentlicher Vorteil der Graphitmatte ist ihre Struktur, die im Gegensatz zu einer Graphitplatte eine höhere Oberfläche bietet.

Das Anodenmaterial wurde auf Basis von Baudler et. al (2015) gewählt. Bedingt durch die finanziellen Mittel, die zur Verfügung standen, und die in Abb. 7 dargestellte maximale Stromdichte ( , roter Balken), wurde entschieden, Graphit, Silber, Nickel und Kupfer als Anodenmaterial zu verwenden – jeweils als Platte mit einer Fläche .

Abgesehen von Graphit sind alle anderen Anodenmaterialien verlötet worden. Für die Silberplatte wurde spezielles Silberlot zum Löten verwendet. Die Graphitplatten wurden mithilfe von Krokodilklemmen mit den Kabeln verbunden.

3.4 Software

Für die Erfassung und Verarbeitung der Messdaten wurde CASSY Lab 2 von LD Didactic, Hürth, verwendet. Um die Daten statistisch zu analysieren wurde das kommerzielle Programm SPSS von IBM, Armonk (US), genutzt. Die visuelle Aufbereitung erfolgte mithilfe von Excel von Microsoft, Redmond (US).

3.5 Vorherige Untersuchungen (Spannungsmessung)

Nach der Sichtung verschiedener Paper wurde ein Buchkapitel von Bhatia et. al (2020) gefunden, indem die Vorbehandlung mit einer Acetat-Verbindung für eine MFC ⁵ beschrieben wurde. In dem Vergleich, welches Substrat eine maximale Leistung oder Stromdichte in der MFC erzeugt, sind Acetat-Ionen besonders effektiv: Es konnte eine elektrische Stromdichte erreicht werden. Dies war der Anlass zu untersuchen, ob eine vorherige Behandlung mit Acetat sinnvoll ist. Hier wurde ein klassisches galvanisches Element aufgebaut, wobei der Anodenraum schon den Schlamm ( ) enthielt, der in den folgen-den Versuchen benutzt worden ist (vgl. Abb. 8)

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Abbildung 8 Messergebnisse des Vorversuchs ohne externen Widerstand

Als Anode wurde hier später genutzte Silber genutzt.

In den Anodenraum wurde außerdem noch Natriumacetat ( hinzugegeben. Der Kathodenraum war zwecks Leitfähigkeit mit HCl ( ) gefüllt, wobei eine Graphitmatte als Zwei-Phasen -Kathode diente, was bedeutet, dass sie sowohl Kontakt zur Natriumchlorid-Lösung als auch zum Luftsauerstoff hat, der im Laufe der Reaktion reduziert wird. Als Salzbrücke diente ein einfaches Filterpapier. Die Messungen wurden ohne externen Widerstand durchgeführt. Um eine Kontrolle durchzuführen, wurde der Versuchsaufbau ohne Acetatzugabe wiederholt. Die Messung lief aufgrund des Zeitpunktes und der Öffnungszeiten der Schule jeweils 12 bzw. 24 Stunden.

3.6 Versuchsaufbau für die Spannungsmessung

Die Anode wird mit ca. Schlamm aus einem Tümpel in einem Wald nahe Kürten befüllt, der stets feucht gehalten werden muss, um ein anaerobes Milieu zu garantieren (s. Kap. 2.1). Vor dem ersten Versuch wurde eine Natriumacetat-Lösung ( ) punktuell in den Schlamm eingetragen, um die dort enthaltenen Bakterienkulturen mit Substrat zu versorgen. Vor allen weiteren Versuchen werden 0,003 l Natriumacetat-Lösung ( ) punktuell in den Schlamm eingetragen. Die Kathode wird mit 0,2 l Natriumchlorid-Lösung ( ) befüllt, wobei die solvatisierten Natrium- und Chlorid-Ionen der Leitfähigkeit dienen.

Die Anoden werden so in den Schlamm gesteckt, dass sie keinen Kontakt mit dem Luftsauerstoff haben können, der den anaeroben Biofilm auf den Anoden vernichten würde. Die Kathode ist – wie in der vorherigen Untersuchung (Kap. 2.4) – eine Zwei-Phasen -Kathode.

Die Elektroden sind mit dem MOBILE-CASSY 2 verbunden, das die Spannungen und nebenbei die Temperaturen in den Anoden misst. Die zusätzlichen Temperaturmessungen sollen die Frage klären, ob die Spannung eine temperaturabhängige Variable ist.

Der Kompost, der in der oberen PET-Flasche vorliegt, wird zu Beginn der Messung mit 0,1 l Leitungswasser übergossen, so dass die Nährstoffe ausgewaschen werden können und in den Anodenraum fließen können.

In einem zweiten Schritt wurde überprüft, wie sich die Spannung U verhält, wenn ein Widerstand mit in den elektrischen Kreislauf eingebaut wird. Die Höhe des Widerstands basiert auf einer Publikation von Jung et. al (2011), in der die maximal zu erwartende elektrische Stromdichte für mit (a) Glucose gefütterte MFCs und (b) Acetatverbindungen gefütterte MFCs bei 150 Ω beschrieben werden. Für (a) ergibt sich eine maximale Stromdichte von und für (b) eine maximale Stromdichte .

Da aufgrund mangelnder Analysegeräte nicht bestimmt werden kann, welches Substrat bevorzugt metabolisiert wird, wird nach Bhatia et. al (2020) angenommen, dass sowohl Glucose aus dem Kompost als auch das hinzugegebene Natriumacetat in dem Anodenraum vorhanden sein könnten. Somit ist es vorerst nicht relevant, welche der maximalen Stromdichten auf diesen Versuch zutrifft; es wird vorerst von Glucose als zu metabolisierendem Substrat ausgegangen.

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Mithilfe der getroffenen Annahmen ergibt sich folgende Redoxgleichung⁶:

Wie zu erkennen ist, handelt es sich bei der Gesamtreaktion um dieselbe Gesamtreaktion, wie sie bei der Zellatmung vorzufinden ist.

3.7 Versuchsaufbau zur Messung des Redoxpotentials

Um die Redoxreaktion, die in Anode und Kathode abläuft, quantitativ und qualitativ zu untersuchen, wird eine Messung mithilfe einer Redox-Einstabmesskette, die häufig benutzt wird, um das Redoxpotential oder den pH-Wert einer Lösung zu bestimmen, vorgenommen. Da dieser Sensor trocken – also nicht in einer entsprechenden Pufferlösung – geliefert worden ist, wurde sie zur Konditionierung für 24 Stunden in einer 3-molaren KCl-Lösung aufbewahrt. Anschließend wurde das Redoxpotential einer Kupfersulfat-Lösung ( ) gemessen, um sowohl die Funktionsfähigkeit als auch die Genauigkeit der Redox-Einstabmesskette zu prüfen. Klostermeier et. al (2017) zufolge gilt der Literaturwert . Die durchgeführte Messung ergab ein Redoxpotential , weshalb davon ausgegangen werden kann, dass die Redox-Einstabmesskette ordnungsgemäß funktioniert.

Für den eigentlichen Versuch zur Messung des Redoxpotentials in der Anode und der Kathode wurde der Sensor jeweils in die betreffende Anode bzw. Kathode gesteckt, bis sich das Redoxpotential nicht mehr verändert hat.

Zunächst wurden die Anoden der Versuchs- und Kontrollgruppe untersucht; danach erfolgte die Untersuchung der Kathoden der Versuchs- und Kontrollgruppe.

Es ist zu bemerken, dass die Redox-Einstabmesskette vor der Messung jeder einzelnen Anode und Kathode mit Leitungswasser abgespült wurde, um eine Verfälschung der Messergebnisse zu verhindern.

Damit die Reproduktion der Messergebnisse gewährleistet werden kann, wurde jede Anode und jede Kathode drei Mal gemessen, weshalb ein arithmetisches Mittel mit Standardabweichung gebildet werden konnte.

3.8 Statistische Analyse

Um die Hypothese, dass Kompost einen signifikanten Effekt auf die Spannung von FEOS-XR hat, zu verifizieren oder zu falsifizieren, ist eine statistische Analyse nötig. Bei statistischen Analysen ist es von großer Relevanz, ob die Messergebnisse annährend normalverteilt sind oder nicht, da sich daraus ergibt, welche Signifikanztests infrage kommen. Im Folgenden werden die Ergebnisse des Tests auf Normalverteilung nach Kolmogorov-Smirnov für die Ergebnisse der Versuchsgruppen dargestellt.

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Abbildung 9 Ergebnisse des Tests auf Normalverteilung (Versuchsgruppen)

Nach Untersteiner (2007) ist die Annahme oder Nullhypothese H0, dass die getesteten Messergebnisse annährend normalverteilt sind, zu verwerfen, wenn für die Signifikanz⁷ gilt.

Da dies in den in Abb. 9 dargestellten Signifikanzen des Tests auf Normalverteilung nach Kolmogorov-Smirnov der Fall ist, sind die Messergebnisse nicht normalverteilt.

Daher wird auf den Mann-Whitney-U-Test zur Testung der Signifikanz zurückgegriffen. Dieser Signifikanztest basiert auf der Vergabe von Rangzahlen, mit deren Hilfe die Mediane beider Stichproben (hier: Versuchs- und Kontrollgruppe) verglichen werden.

Anschließend wird noch die Effektstärke r ⁸ nach Lenhard (2017) berechnet, um zu bestimmen, inwiefern die Ergebnisse des Mann-Whitney-U-Tests eine Relevanz haben bzw. wie wahrscheinlich es ist, dass es sich nicht doch um einen signifikanten Unterschied der Mediane beider Stichproben handelt. Die Effektstärke lässt sich dabei folgendermaßen berechnen:

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wobei das Ergebnis der sogenannten Z-Statistik, die SPSS ausgibt, und der Gesamtstichprobenumfang ist.

4 Ergebnisse

Die Messungen wurden im Biologie-Labor der Schule im Zeitraum Dezember 2020 bis März 2021 durchgeführt. Im Folgenden werden die Messergebnisse zu den in Kap. 2.5 Versuchsaufbauten dargestellt. Zuvor werden begleitend gemessene abiotische Umweltfaktoren wie Temperatur, relative Luftfeuchte und Umgebungsluftdruck vorgestellt. Die Messung der abiotischen Umweltfaktoren wurde erst im Laufe der Messungen eingeführt, da es seitens des verkaufenden Unternehmens Lieferverzögerungen gab.

Dadurch, dass die Messungen unter „Laborbedingungen“ in einem geschlossenen Raum durchgeführt worden sind, können die gemessenen abiotischen Umweltfaktoren auf die komplette Messreihe reproduziert werden. Bei den Werten handelt es sich jeweils um Durchschnittswerte mit Standardabweichung.

4.1 Leerlaufspannungen

Als Leerlaufspannung wird in diesem Fall jene gemessene Spannung bezeichnet, bei der kein Verbraucher in den Stromkreislauf integriert worden ist.

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Tabelle 2 Mittelwerte der abiotischen Umweltfaktoren

Wie in der Abb. 10 erkennbar ist, gilt für die Maximalspannung U_max=630 mV der Versuchsgruppe der Zelle Graphit – Graphit. In den weiteren Messtagen sind nach der Hinzugabe der Natriumacetat-Lösung sprunghafte Anstiege der Spannungen in einem Bereich von fast 100 mV zu erkennen. Nach den Anstiegen ist jeweils ein leichter Abfall der Spannungen zu erkennen.

Der Kurvenverlauf der Spannung der Kontrollgruppe liegt in einem anderen Bereich als der der Versuchsgruppe: Für die Maximalspannung gilt hier . Die Schwankungen sind hier deutlich stärker als in der Versuchsgruppe. Das bedeutet, dass die Aktivität der elektrochemisch aktiven Mikroorganismen nicht so konstant ist wie bei der Versuchsgruppe. Dennoch sind sie nicht ungewöhnlich, eben weil es sich um ein biologisches System handelt.

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Abbildung 10 Messergebnisse der Zelle Graphit - Graphit

Die Zelle Silber – Graphit (vgl. Abb. 11) ist die einzige Zelle, bei der die Spannung der Kontrollgruppe größtenteils höher ist als bei der Versuchsgruppe. Die Spannung der Versuchsgruppe steigt zu Beginn der ersten beiden Messtage jeweils an, wobei der Anstieg am zweiten Messtag größer ist als beim ersten Messtag.

Am dritten Messtag fehlen hier die Werte aufgrund eines Fehlers des Messgeräts. Am vierten Messtag kann der höchste Spannungsanstieg verzeichnet werden; hier wird auch die Maximalspannung U_max=340 mV verortet.

Bei der Kontrollgruppe ist ein ähnlicher Verlauf der Spannung zu beobachten, obwohl die Spannung insgesamt höher liegt. Gleichzeitig ist auffällig, dass die Spannung der Kontrollgruppe am zweiten und dritten Messtag zu Beginn der Messung ihren höchsten Tageswert erreicht, wohingegen die Spannung am ersten Messtag beinah konstant bleibt und am vierten Messtag kontinuierlich steigt.

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Abbildung 11 Messergebnisse der Zelle Silber – Graphit

Auch bei der Zelle Nickel – Graphit (vgl. Abb. 12) erkennt man einen klaren Trend: Zu Beginn jedes Messtages hat die Versuchsgruppe ihr Tagesminimum und steigt von dort aus. Dennoch nimmt der Spannungsanstieg von Tag zu Tag ab. Am vierten Messtag liegt die Spannung jeweils unterhalb der an den vorherigen Messtagen gemessene Spannungen. Die Maximalspannung kann zum Ende des dritten Messtages mit ausgemacht werden. Aufgrund von Gerätefehlern konnten für die Kontrollgruppe nur die Messtage eins und drei aufgezeichnet werden. Am ersten Messtag kann keine besondere Spannungsveränderung ausgemacht werden, da diese sich im zweistelligen mV-Bereich befindet. Am dritten Tag ist nach einem Spannungsanstieg ein stärkerer Spannungsabfall zu verzeichnen. Trotz des Spannungsabfalls kann die Maximalspannung mit hier lokalisiert werden. Insgesamt ist es überraschend, dass generell eine so hohe Spannung gemessen werden konnte, da Silber laut Kim (2007) mit steigender Konzentration stark antibakteriell wirkt und der Aufbau eines Biofilm theoretisch unmöglich ist.

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Abbildung 12 Messergebnisse der Zelle Nickel - Graphit

In Abb. 13 ist klar zu erkennen, dass die Versuchsgruppe der Zelle Kupfer – Graphit über den gesamten Messzeitraum hinweg eine höhere Momentanspannung als die der Kontrollgruppe aufweist.

Auch hier ist eine Steigung zum Messbeginn eines jeden Tages erkennbar, wobei die Spannung am ersten Messtag fast konstant ist. Am zweiten und dritten Messtag erkennt man fast dasselbe Muster: Anstieg der Spannung mit folgendem Abfall. Der vierte Messtag weicht von den andere Messtagen ab, so dass hier die höchste Änderungsrate zu verzeichnen ist.

Die Maximalspannung wird im Laufe des zweiten Messtages erreicht und ist gleichzeitig der höchste Maximalwert, der im Messzeitraum erfasst wurde.

Interessant ist der Wert insofern, als dass Kupfer ansonsten eine antibakterielle Eigenschaft zugeschrieben wird (Konieczny et. al. 2012) und ein Biofilm sich nicht hätte entwickeln können.

Die Kontrollgruppe weist in den ersten drei Messtagen einen beinah gleichen Kurvenverlauf auf wie die Versuchsgruppe. Nur am vierten Messtag ist ein ungewöhnlich niedriger Wert vorhanden, der bis auf ca. 0 mV absinkt. Der Maximalwert ist mit am dritten Messtag zu finden.

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Abbildung 13 Messergebnisse der Zelle Kupfer - Graphit

4.2 Messung mit integriertem Widerstand

Eine Messung mit integriertem Widerstand ist insofern erforderlich, als dass ein Verbraucher in der praktischen Anwendung ebenfalls einen Widerstand aufweist. Daneben hat er eine im weiteren Verlauf beschriebene Wirkung auf die Mikroorganismen.

Insgesamt ist die Spannung der Zelle Graphit – Graphit (vgl. Abb. 14) mit integriertem Widerstand moderat. Sie schwankt zwischen 8,5 mV und 21 mV. In der Kontrollgruppe war es bis auf Messtag drei nicht möglich, eine größere Spannung zu messen. Man kann hier auf elektrobiochemische Prozesse schließen, die einer starken Fluktuation unterliegen, wodurch die Spannung der Kontrollgruppe am nächsten Messtag gegen Null konvergiert. Durch die gemessene Spannung wird die Vermutung, dass die Mikroorganismen aktiv sind, nochmals unterstrichen.

Durch diese Aktivität wird angenommen, dass es auch zu einer Selektion kommt, bei der koexistente Mikroorganismen inaktiviert oder abgetötet werden. Im Leerlauf wäre diese Aktivität nicht möglich, weil die Mikroorganismen nicht „gezwungen“ sind, mehr Elektronen freizugeben – durch den Widerstand sind sie es.

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Abbildung 14 Messergebnisse der Zelle Graphit - Graphit mit integriertem Widerstand

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Abbildung 15 Ergebnis des Mann-Whitney-U-Tests für Graphit als Anode

Der Mann-Whitney-U-Test (vgl. Abb. 15) zeigt für die in Abb. 14 dargestellten Messwerte für die Zelle Graphit – Graphit einen höchst signifikanten Effekt, da für die Irrtums-wahrscheinlichkeit[JS3] ⁹ gilt (Untersteiner 2007). Für die Effektstärke gilt darüber hinaus: – die Effektstärke ist stark und damit die Wahrscheinlichkeit, dass keine Signifikanz vorliegt, gering. Aufgrund dieser Ergebnisse kann davon ausgegangen werden, dass der Kompost einen sehr großen Einfluss auf die Zelle Graphit – Graphit mit integriertem Widerstand hat.

Die Spannung der Versuchsgruppe der Zelle Silber – Graphit (vgl. Abb. 16) liegt jeweils zur Hälfte unter und über der Spannung der Kontrollgruppe, was sich ebenfalls durch biologische Fluktuationen im System erklären lässt, die aber bei dieser Zelle am stärksten vertreten sind.

Obwohl es starke Fluktuationen gibt, zeigt der Mann-Whitney-U-Test (vgl. Abb. 17) ein höchst signifikantes Ergebnis hinsichtlich der Unterschiede zwischen Versuchs- und Kontrollgruppe, da für die Irrtumswahrscheinlichkeit gilt (Untersteiner 2007). Die Effektstärke beträgt 0,44.

Dennoch erkennt man im Verlauf der Messung, dass die Spannung der Versuchsgruppe trotz einiger geringerer Abfälle insgesamt weiter ansteigt, wohingegen die Spannung der Kontrollgruppe bis auf den Messtag drei kontinuierlich fällt. Die geringste Spannung der Kontrollgruppe ist zu Beginn von Messtag vier zu beobachten.

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Abbildung 16 Messergebnisse der Zelle Silber - Graphit mit integriertem Widerstand

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Abbildung 17 Ergebnis des Mann-Whitney-U-Tests für Silber als Anode

In Abb. 18 ist der Verlauf der Messung der Zelle Nickel – Graphit zu sehen. Die Spannung der Versuchsgruppe weist zunächst leichte Schwankungen auf. Vergleicht man die ersten und die letzten beiden Spannungsverläufe, ist klar zu erkennen, dass sich die Spannung im Vergleich zum vorherigen Messtag tendenziell erhöht hat.

Die Spannung, die am vierten Messtag gemessen worden ist, kann mit als globale Maximalspannung betrachtet werden. Auch ist zu erkennen, dass die Spannung der Versuchsgruppe immer oberhalb der Spannung der Kontrollgruppe liegt. Das bedingt auch den höchst signifikanten Effekt des Komposts auf diese Zelle (vgl. Abb. 19), da gilt (ebd.). Für die Effektstärke gilt: . Daher liegt auch hier ein deutlicher Effekt vor.

Die Spannung der Vergleichsgruppe bewegt sich in einem Bereich zwischen 0 und 9 mV, wobei eine Spannung lediglich am ersten und – größtenteils – vierten Messtag zu verzeichnen ist. Dass die Spannung der Versuchsgruppe am zweiten und dritten Messtag ungleich 0 Volt beträgt, rührt auch wieder von Fluktuationen im System, deren Ursachen noch nicht näher charakterisiert werden können.

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Abbildung 18 Messergebnisse der Zelle Nickel - Graphit mit integriertem Widerstand

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Abbildung 19 Ergebnis des Mann-Whitney-U-Tests für Nickel als Anode

Der in Abb. 20 gezeigte Spannungsverlauf der Zelle Kupfer – Graphit unterscheidet sich grundliegend von den anderen Messwerten, bei denen ein integrierter Widerstand vorhanden ist.

Während die Spannung der Versuchsgruppe am ersten Messtag konstant bei 0,3 mV liegt, fluktuiert die Spannung der Kontrollgruppe zwischen 0,5 und 0,7 mV. Im Verlauf des gesamten Messzeitraums nimmt die Schwankung sowohl bei der Versuchs- als auch bei der Kontrollgruppe stark zu, wobei zu erkennen ist, dass die Spannung der Versuchsgruppe an zwei von vier Messtagen beinah konstant über der Spannung der Kontrollgruppe liegt. Aufgrund der Schwankungen ist sowohl rein optisch als auch durch statistische Tests klar, dass es sich eher um zufällige Fluktuationen handelt und nicht um eine Signifikanz oder den Kompost betreffenden Effekt. Der Mann-Whitney-U-Test (vgl. Abb. 21) gibt eine Irrtumswahrscheinlichkeit an, eine Effektstärke muss aufgrund der fehlenden Signifikanz nicht berechnet werden.

Die Erkenntnis über die Fluktuation ist besonders überraschend, da die Leerlaufspannung der Versuchsgruppe konstant über der Leerlaufspannung der Kontrollgruppe liegt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 20 Messergebnis der Zelle Kupfer - Graphit mit integriertem Widerstand

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Abbildung 21 Ergebnis des Mann-Whitney-U-Tests für Nickel als Anode

Insgesamt konnte in 50% der Versuchsgruppen gezeigt werden, dass der Kompost einen sofortigen Effekt auf die Spannung hat. Bei den anderen 50% ist zumindest zeitweise ein sofortiger Effekt durch den Kompost auf die Spannung zu erkennen, der aber weiter untersucht werden muss, um die Fluktuationen zu erklären.

Die statistische Analyse ergab, dass der Kompost in 75% der Fälle einen höchst signifikanten Effekt auf die Spannung der Zelle hat, wobei sich die Effekte im Sinne der Spannung voneinander unterscheiden. Im Sachkontext bedeutet das, dass der Kompost einen positiven Einfluss auf verschiedene Messgrößen wie Spannung, Stromdichte und Leistung¹⁰ hat.

4.4 Messung des Redoxpotentials

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Abbildung 22 Messergebnisse zu den Redoxpotentialen in den Anoden

Die in Abb. 22 dargestellten Messwerte geben die Redoxpotentiale, die in den Anoden der Versuchs- und Kontrollgruppe gemessen worden sind, an. Auffällig ist, dass alle Halbzellen der Kontrollgruppe deutlich niedrigere Redoxpotentiale als die eigentliche Versuchsgruppe aufweisen. Die Redoxpotentiale schwanken bei der Kontrollgruppe zwischen -0,40 V (Silber) und -0,56 V (Graphit), wohingegen die Redoxpotentiale in der Kontrollgruppe weniger schwanken und zwischen -0,13 V (Kupfer) und -0,15 V (Graphit) liegen. Diese Beobachtung lässt sich mithilfe der Bedeutung des Redoxpotentials eines Stoffes beschreiben:

Je negativer ein Redoxpotential ist, desto mehr relative Einheiten eines Stoffes liegen in reduzierter Form vor, welcher im Laufe der Redoxreaktion oxidiert wird (Kurzweil 2020).

Dadurch, dass die Redoxpotentiale der Anoden der Kontrollgruppe deutlich negativer sind als die der Versuchsgruppe, kann man vermuten, dass in der Kontrollgruppe mehr relative Einheiten eines Stoffs in seiner reduzierten Form vorliegen. Hier wäre zu untersuchen, um welchen Stoff es sich handelt, da in der Kontrollgruppe das Vorhandensein von zugegebener Glucose ausgeschlossen werden kann und daher ein Vergleich der Versuchs- und Kontrollgruppe schwierig ist, solange nicht bekannt ist, welcher Stoff tatsächlich oxidiert wird – in den Anoden der Versuchsgruppe könnten sowohl Glucose als auch das hinzugegebene Acetat oxidiert werden.

Auch könnte das niedrige Redoxpotential bzw. die höhere relative Anzahl an Stoffen in ihrer reduzierten Form auf eine niedrigere Aktivität des Metabolismus der elektrogenen Bakterien zurückgeführt werden, da eine geringere Aktivität jener Bakterien logischerweise auch eine langsamere Reaktionskinetik zur Folge hat, wodurch in 75% der Fälle das Potential, das in den Anoden der Kontrollgruppe gemessen worden ist, höher liegt als in der Versuchsgruppe. Es wäre denkbar, dass durch die langsamere Reaktionskinetik weniger Elektronen pro Zeiteinheit zur Kathode fließen als in der Versuchsgruppe, weshalb die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser in der Kontrollgruppe mehr Zeit in Anspruch nimmt, sodass zum Messzeitpunkt mehr relative Einheiten eines Stoffes in seiner oxidierten Form in der Kathode vorliegen als in der Versuchsgruppe – das Potential wird höher als in der Versuchsgruppe. Einen wesentlichen Einfluss können auch die Anoden haben, die unterschiedlich katalytisch wirksam sind (Nickel wird in der chemischen Industrie als Katalysator verwendet), wodurch die Reaktionskinetik ebenfalls beeinflusst wird, da Teilreaktionen in der Anode ggf. einen Katalysator benötigen, um schneller oder überhaupt ablaufen zu können.

Bereits 1998 beobachteten Hunter et. al in unterirdischen Bodenlagen einen Zusammenhang zwischen der Aktivität dort angesiedelter Mikroorganismen und der Anwesenheit von reduzierten organischen Verbindungen. Diese organischen Verbindungen konnten in unterschiedlichen Redoxreaktionen oxidiert werden, wobei hier anzumerken ist, dass das vorherrschende Redoxpotential dafür verantwortlich ist, welche Redoxreaktion stattfindet. Da in den hier vorgestellten Experimenten ebenfalls reduzierte organische Verbindungen oxidiert werden, ist ein Vergleich mit den Beobachtungen von Hunter et. al plausibel und denkbar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 23 Messergebnisse zu den Redoxpotentialen in den Kathoden

In Abb. 23 sind die Messergebnisse zu den gemessenen Redoxpotentialen in den Kathoden dargestellt. Das Redoxpotential der Kathoden der Versuchsgruppen schwankt zwischen 0,11 V (Graphit) und 0,149 V (Kupfer), wohingegen das Redoxpotential der Kathoden der Kontroll-gruppe zwischen 0,13 V (Graphit) und 0,15 V (Silber) liegt.

Hier fällt die Differenz zwischen den Redoxpotentialen der Versuchs- und der Kontrollgruppe geringer aus, wobei hier die Kontrollgruppe in drei von vier Fällen ein höheres Redoxpotential aufweist als die Versuchsgruppe. Es kann vermutet werden, dass es sich – aufgrund der geringen Differenz zwischen der Versuch- und Kontrollgruppe und der höheren Standardabweichung in der Silber- und Graphitzelle der Kontrollgruppe – um Ungenauigkeiten im Messgerät handelt, da die Kathodenreaktion im Gegensatz zur Anodenreaktion nicht abhängig von mikrobiellen Aktivitäten ist und somit keinen biologischen Fluktuationen unterliegt. Dennoch muss man – wie in der Interpretation der Redoxpotentiale in den Anoden dargestellt – die Reaktionskinetik zumindest in Betracht ziehen, die den Unterschied zwischen den Potentialen der Halbzellen erklären könnte. Denkbar wären Verunreinigungen, die durch den Bau des Moduls entstanden sind und trotz der aufwändigen Reinigung zurückgeblieben sind.

5 Ergebnisdiskussion

Dieses hier dargestellte Modul als MFC ist in seinem Aufbau und seiner Variante neuartig. Daher ist ein Abgleich mit bereits existierender Literatur nicht möglich. Aber grundsätzlich konnte – im Einklang mit aktueller Literatur – nachgewiesen werden, dass der Schlamm, wie er hier vorliegt, und Kompost eine Auswirkung auf die Spannung haben, welche statistisch mit dem Mann-Whitney-U-Test nachgewiesen worden sind.

Eine Konkretisierung, inwiefern das Elektrodenpotential noch verändert werden kann und auch ob der pH-Wert einen Einfluss auf die Höhe des Elektrodenpotentials hat (hierfür sollte ein Pourbaix-Diagramm erstellt werden), muss in der Zukunft überprüft werden und ist nicht mehr Teil dieser Arbeit.

Daneben sind die Messung und Erhöhung der Stromstärke ein weiteres Ziel, um abschließend den Nutzen des Moduls zu bewerten. Hierfür stehe ich aktuell in Kontakt mit Herrn Dr. Ebling (HS Niederrhein), mit dem über Optimierungsmöglichkeiten diskutiert wird.

Es ist sehr positiv, dass der Bau des Moduls schnell und einfach geklappt hat und dass trotz der aktuellen Situation Messungen durchgeführt werden konnten.

Durch die zusätzliche Zeit, die nun zur Verfügung stand, wurde noch an einer Möglichkeit gearbeitet, wie das Modul in der Praxis – also durch einen Privathaushalt betrieben – aussehen könnte. Dabei handelt es sich um einen Kasten, der ähnlich aufgebaut ist wie das für die Versuche genutzte Modul.

Auch eine Vergrößerung des Setups wird sinnvoll sein, obwohl Dewan et. al (2008) herausfanden, dass die Leistung in Abhängigkeit zur Elektrodengröße nicht linear ist und mit steigender Elektrodenfläche verringert wird. Dennoch ist es wahrscheinlich, dass ein vergrößerter Reaktionsraum, in den mehr Schlamm passt, die Anzahl der elektrochemisch aktiven Bakterien erhöht, was sich wiederum positiv auf die Spannung auswirkt.

Nachdem die Redoxpotentiale in den Anoden und Kathoden gemessen worden sind, kann das Potential, das aufgebracht werden muss, um im Fall der Anode ein Substrat zu oxidieren und im Fall der Kathode zu reduzieren, mit Literaturwerten verglichen werden. Im Falle einer Weiteroxidation von CO2 zu Acetat würde ein Potential aufgebracht werden müssen (Drake 2006); handelt es sich um die Weiteroxidation von CO2 zu Methan, müsste ein Potential aufgebracht werden (ebd.). Da die Potentiale in der Anode deutlich niedriger sind als für die Weiteroxidation von CO2 zu Acetat bzw. Methan benötigt wird, ist eine abschließende Charakterisierung, welche Reaktion nun wirklich an der Anode stattfindet, nicht möglich. Hierfür müssten weiterführende Messungen wie die Cyclovoltammetrie in der Zukunft erfolgen, um die Frage nach der Anodenreaktion zu beantworten.

Die statistische Analyse spiegelt insgesamt jene Signifikanzen wider, die auch durch den Kurvenverlauf der Graphen erkennbar sind. Dennoch ist es zweifelhaft, weshalb bei der Analyse der Zelle Silber – Graphit-ein höchst signifikanter Effekt vorliegen soll, obwohl es des Öfteren Überschneidungen der Spannungen von Versuchs- und Kontrollgruppe gibt. Hier ist es eher unwahrscheinlich, dass die Irrtumswahrscheinlichkeit gegen Null konvergiert. Daher wären weitere Analysen mit erhöhter Gesamtstichprobenanzahl nötig, um den Sachverhalt aufzuklären.

Am Positivsten ist allerdings die Erfolgsquote, die im Gesamten mehr als 50% der Versuchsgruppen beträgt. Die Chancen stehen sehr gut, dass das System nach einigen Verbesserungen ein großes Potential für die autarke Stromproduktion im kleinen Maßstab aufweist. Möglicherweise können damit kleine Akkumulatoren von Kleingeräten aufgeladen werden. Hinzu kommt die Erfahrung, die beim Bau des Moduls gesammelt worden ist, und die das Bauen weiterer Module stark vereinfacht.

5.1 Fehlerquellen

Während der Messung sind mögliche Fehlerquellen, die die Effizienz des Systems bein-trächtigen, gesucht und analysiert worden:

1. Die elektrochemisch aktiven Mikroorganismen, die in dem genutzten Schlamm vorhanden sind, müssen sich erst etablieren, bevor eine konstante Spannung kontinuierlich erfasst werden kann. Neben den elektrochemisch aktiven Mikroorganismen werden vermutlich auch weitere Mikroorganismen, die die Effizienz des Systems senken könnten, in dem Schlamm gefunden werden können – daher würde es zu einer Konkurrenzsituation kommen, in der sich die „wichtigen“ elektrochemisch aktiven Mikroorganismen durchsetzen müssen. Da das Zeit benötigt, ist eine Langzeitbeobachtung der Spannung mit einem integrierten Widerstand erforderlich, um weitere Schlüsse ziehen zu können.
2. Durch mangelnde Stromversorgung und Einstellungen des MOBILE-CASSY 2 ist es zu Lücken innerhalb der Messreihen gekommen, die einen genauen Vergleich zwischen Versuchsgruppe und Kontrollgruppe erschweren. Hier muss für die Zukunft drauf geachtet werden, jene Fehler zu beheben.
3. Die Größe der Elektroden hätte anders skaliert werden können, um ggf. eine höhere Ausbeute zu bekommen. Hier war die Anzahl der Halbzellen bedeutender als ihre Größe. Ein entsprechendes Upscaling könnte hilfreich sein

6 Zusammenfassung

Das Hauptziel der Arbeit war es, einen Nachweis zu erlangen, dass das hier vorgestellte Modul eine klimafreundliche und kostengünstige Methode ist, um selber Strom zu produzieren, und dass der Kompost einen Effekt auf die Spannung hat. In den Versuchen konnte gezeigt werden, dass eine Spannung vorhanden ist, die, wenn man die Zellen der Versuchsgruppe und der Kontrollgruppe jeweils in Reihe geschaltet hätte, rechnerisch einen Wert von über 2 V erreicht. Es konnten mithilfe von theoretischen Erkenntnissen aus der Literatur, Zeit und Kreativität in kurzer Zeit ein funktionsfähiges Modul gebaut werden, das den Nachweis der vorgestellten Hypothese sichern sollte. Da dieser Nachweis gelungen ist, wird nun an Optimierungsmöglichkeiten gearbeitet, damit FEOS-XR rentabel wird und sich für den Privatmann zur Stromproduktion lohnt.

Die Zelle Nickel – Graphit, die die höchste Spannung mit ca. 46 mV und eine Leistung erreichte, zeigte ein sehr positives Ergebnis, weshalb hier am ehesten nach Optimierungsmöglichkeiten geschaut werden sollte, um die Leistung für die praktische Anwendung zu erhöhen. Auch die Zelle Graphit – Graphit zeigt entsprechende Tendenzen für eine erfolgsversprechende Nutzung als Anode. Die Zellen Silber – Graphit und Kupfer – Graphit hingegen scheinen aufgrund ihrer geringen Spannung, aber hohen Anschaffungskosten keinesfalls rentabel zu sein.

Hinsichtlich der Analyse der Potentiale in den Anoden und Kathoden konnte zweifelsohne festgestellt werden, wo Oxidationen und wo Reduktionen stattfinden, indem man die Form eines Stoffes (reduziert oder oxidiert) bestimmt hat.

7 Danksagung

Mein besonderer Dank geht an meinen Betreuer, Herrn Dr. Stephan Bloßfeld, der mich in die wissenschaftliche Arbeitsweise einführte und mich immer beriet und unterstützte, wo er nur konnte.

Auch bei meiner Chemie-Lehrerin und Zweitprüferin, Frau Helga Kivilip, möchte ich mich bedanken, da sie diese Arbeit organisatorisch und fachlich unterstützte. Zu ihr konnte ich immer bei Problem jeglicher Art kommen, für die sie immer eine Lösung parat hatte.

Ich danke der Covestro Deutschland AG (Leverkusen) für die Spende in Höhe von 5000 Euro, die es mir ermöglicht hat, diese Arbeit zu realisieren.

Auch der Universität zu Köln möchte ich für die Bereitstellung eines Studierenden-Accounts, der mir die Nutzung von wissenschaftlichen Datenbanken und Papern ermöglichte, danken.

Die Fa. J. Spicher (Kürten) hat mir entsprechendes Holz für die Realisierung des Holzmoduls, das später im Garten genutzt werden soll, bereitgestellt. Dafür möchte ich meinen Dank aussprechen.

Frau Jutta Lentz danke ich herzlich für die sprachliche Korrektur dieser Arbeit.

Herrn Dr. Dirk Ebling (HS Niederrhein) möchte ich für das Coaching für den Jugend forscht-Landeswettbewerb NRW danken – er erklärte mir ausführlich, wie die elektrochemischen Prozesse in FEOS-XR ablaufen könnten und wie das Modul optimiert werden kann

Meinem Vater, Tobias Steinstraßen, habe ich es zu verdanken, dass ich die Experimente überhaupt durchführen konnte, weil er mit mir zusammen das Modul entworfen und gebaut hat. Außerdem stand er mir immer mit Rat und Tat zur Seite.

Ich möchte mich auch bei meiner Familie und meiner geliebten Freundin bedanken, die mich in den kritischen „Auf- und ab-Phasen“ dieser Arbeit aushielten und unterstützten

Zum Schluss gilt mein Dank all denjenigen, die mich bei dieser Arbeit unterstützt haben.

8 Literaturverzeichnis

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9 Selbstständigkeitserklärung

Hiermit erkläre ich, Jan Steinstraßen, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst und keine anderen als die im Literaturverzeichnis angegebenen Hilfsmittel verwendet habe.

Insbesondere versichere ich, dass ich alle wörtlichen und sinngemäßen Übernahmen aus anderen Werken als solche kenntlich gemacht habe.

Kürten, den 22.04.2021

Jan Steinstraßen

[...]

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¹ Plant Microbial Fuel Cell

² Eine Brennstoffzelle, die mithilfe von elektrochemisch aktiven Mikroorganismen Strom produziert.

³ In einer Voruntersuchung werden vier verschiedene Materialen als Anode hinsichtlich ihrer Spannung untersucht – daher wurden nicht nur zwei größere Reaktionsräume benutzt

⁴ Handelsübliches acetatvernetzendes Silikon hätte einen Einfluss auf den Metabolismus der Bakterien haben können

⁵ Microbial fuel cell

⁶ Auf den Ausgleich der Ladungen und Protonen wurde in dieser Darstellung verzichtet.

⁷ Hier ist nur die Betrachtung der Spalte Kolmogorov-Smirnov von Bedeutung.

⁸ Auch Pearson-Korrelationskoeffizient genannt

⁹ In Abb. 15 als Asymp. Sig. (2-seitig) dargestellt. Sie bildet jedoch nur einen Grenzwert gegen Null und kann daher nicht Null werden

¹⁰ Auch wenn nur die Spannung gemessen worden ist, fließt aufgrund des Widerstands ein Strom, weshalb sich die Stromdichte und die Leistung berechnen lassen