Advanced reactor design to improve production rate and energy efficiency of the bioelectrochemical power-to-methane concept

The bioelectrochemical power-to-gas concept implies the production of carbon-neutral biomethane with renewable energy in a one-step process. By applying electricity to bioelectrochemical systems, microorganisms located on biocathodes are able to catalyze the conversion of carbon dioxide into methane without the need to produce hydrogen previously in a separate electrolyzer. To date, the performance of methane-producing bioelectrochemical systems is still rather low in comparison to other further developed methane-producing technologies. Therefore, the aim of this thesis was to improve the applicability of methane-producing bioelectrochemical systems by focusing on the main bottlenecks limiting the performance. To realize this task, transfer limitations within the reactors were focused on. In order to do so, the reduction of the energy input for bioelectrochemical systems and the development of a dense biofilms were examined under galvanostatic conditions.

Das bioelektrochemische Power-to-Gas-Konzept impliziert die kohlenstoffneutrale Produktion von Biomethan mittels erneuerbarer Energie in einem einzigen Prozessschritt. Durch das Anlegen von Elektrizität an bioelektrochemische Systeme können auf Biokathoden anhaftende Mikroorganismen die Umwandlung von Kohlendioxid in Methan katalysieren, ohne dass zuvor Wasserstoff in einem separaten Elektrolyseur produziert werden muss. Da die Leistung solcher Systeme noch recht niedrig im Vergleich zu anderen methanproduzierenden Technologien ist, war das Ziel dieser Arbeit, die Anwendbarkeit von methanproduzierenden, bioelektrochemischen Systemen mittels des Studiums von leistungsbegrenzenden Faktoren zu verbessern. Die Realisierung dieser Aufgabe erfolgte durch die Untersuchung des Stoffübergangs innerhalb der Reaktoren. Dazu wurden Experimente zur Reduktion des Energieeintrags und der Entwicklung eines dichten Biofilms unter galvanostatischen Bedingungen erfolgreich durchgeführt.