Als Thomas Edison 1879 die Glühbirne erfand, konnte er kaum ahnen, dass sie eines Tages durch Harnflüssigkeit leuchten würde. Was skurril klingt, erforschte die Nasa bereits in den 1950er-Jahren. In der Stromerzeugung durch Urin sah sie großes Potenzial für eine autarke Versorgung ihrer Raumschiffe. Mittlerweile werden mikrobielle elektrochemische Technologien erforscht, um Urin dafür auch auf der Erde zu nutzen.
Seit 2002 arbeitet Yannis Ieropoulos an der Universität von Westengland in Bristol mit seinem Team an der Stromgewinnung aus Urin. Er hat den Bedarf an autark funktionierenden Toiletten im Globalen Süden erkannt. Sein Projekt nennt sich „Pee Power“ und liefert Regionen Strom, die vom Elektrizitätsnetz abgeschnitten sind. Mit Unterstützung der internationalen Nichtregierungsorganisation Oxfam und der Bill and Melinda Gates Foundation kommt die Technologie seit 2017 in einem ersten Feldversuch in einem Mädcheninternat in Uganda zum Einsatz. „Die Kinder brauchen dringend Strom, vor allem nachts“, sagt Ieropoulos. Die Toilettennutzung im Dunkeln sei wegen sexueller Übergriffe, aber auch wegen Wildtieren gefährlich.
Bakterien, Urin und eine Brennstoffzelle
Auf Pee Power umzurüsten, ist laut Ieropoulos nicht schwer: Toiletten werden mit einer Urinableitung ausgestattet, dadurch wird Festes von Flüssigem getrennt und so der Rohstoff zur Stromerzeugung gewonnen. Damit aus dem Urin Strom entsteht, sind für das System des Internats je 24 mikrobielle Brennstoffzellen in 20 Modulen installiert. Darin leben spezielle Bakterienarten, die sich von organischen Bestandteilen des Urins ernähren. Bei ihren Stoffwechselreaktionen erzeugen sie Elektronen, die sie zur Außenseite der Zelle transportieren. Werden die Bakterien mit Elektroden verbunden, lässt sich die produzierte Energie abgreifen und mittels einer Brennstoffzelle in Strom umwandeln. Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch eine Membran oder einen Elektrolyten, also einen Stoff, der elektrische Ladung leitet, voneinander getrennt sind.
Die mikrobiellen Brennstoffzellen von Pee Power speisen den Strom mit zwei Kabeln in insgesamt fünf Lampen. Vier davon erhellen die Toilettenkabinen bei der Nutzung, eine fünfte beleuchtet die ganze Nacht den Weg dorthin. Der Aufbau einer Kabine kostet aktuell etwa 720 Euro. Eine Investition, die lange hält und letztlich zur Einhaltung eines Menschenrechts beiträgt. Der sichere Zugang zu sanitärer Versorgung ist nämlich genau das – so wurde es 2010 von der UN-Generalversammlung beschlossen. Ieropoulos’ Innovation bietet daher nicht nur regenerative Energie, sondern auch gesellschaftlichen Mehrwert.
Potenzial auch im industriellen Sektor
„Für die anvisierte dezentrale Nutzung in der Entwicklungszusammenarbeit ist der Ansatz von Pee Power hervorragend“, betont Falk Harnisch, der am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig zu Elektrobiotechnologie forscht. Die Toiletten können kostengünstig hergestellt werden. Der Preis einer einfachen Brennstoffzelle liegt bei etwa 1,20 Euro, der Rohstoff zur Energiegewinnung, sprich der Urin, ist gratis. „Das Projekt kann dadurch sehr gut in eine Umgebung integriert werden, die von der Infrastruktur abgeschnitten ist“, sagt Harnisch. Enormes Potenzial sieht er aber auch für den Globalen Norden.
Denn was im Kleinen funktioniert, kann auch im kommunalen und industriellen Sektor genutzt werden: Bakterien, die Strom erzeugen können, finden sich nämlich nicht nur im Urin. Sondern auch im industriellen und städtischen Abwasser. Auch für dortige Anwendungen sei die Technologie auf einem sehr guten Weg, so Harnisch. Um sie in großem Maßstab anzuwenden, werde es aber noch dauern. Das liege nicht an den technologischen Möglichkeiten: „Der Gesetzgeber könnte heute beschließen, städtische Abwassersysteme mit mikrobiellen Brennstoffzellen auszustatten und das entsprechend zu fördern. Wir wären in fünf bis zehn Jahren bereit, diese überall einzusetzen.“ Doch um den kommunalen Sektor davon zu überzeugen, vermutet er, brauche es funktionierende Projekte, die vor allem eines beweisen: Damit lässt sich langfristig Geld und Energie sparen.
Das 2016 gegründete US-amerikanische Unternehmen Aquacycl macht es vor. Industrielles Abwasser ist oft stark verunreinigt, bietet zugleich aber einen konsistenten Bakterienstamm. Was für die Industrie bisher teuer ist – eine Abwassergebühr muss bezahlt werden –, kann zukünftig zu einer Win-win-Situation werden. Aquacycl reinigt etwa für einen großen Getränkehersteller das Abwasser, nutzt für seinen Strom die Technik der mikrobiellen Brennstoffzelle und kann die überschüssige Energie, die dabei entsteht, noch anderweitig nutzen. Wissenschaftler Harnisch erklärt das Prinzip an einer einfachen Rechnung: Um einen Liter kommunales Abwasser von Verschmutzungen zu reinigen, werde bloß ein Zehntel der elektrischen Energie benötigt, die man daraus mit mikrobiellen Brennstoffzellen gewinnen könnte. Die verbleibenden neun Zehntel könne man darüber hinaus für etwas anderes einsetzen, etwa ins Stromnetz einspeisen – grüner Strom als positiver Nebeneffekt. Harnisch ist überzeugt: Attraktiv werde die Technik jedoch primär wegen der kostengünstigen Reinigung des Schmutzwassers.
Die eigene Energieversorgung übernehmen
Seit 2017 stellt Ieropoulos seine Pee-Power-Kabinen dem Glastonbury Festival zur Verfügung. Damit möchte er zeigen, dass Strom aus Urin auch kommerziell genutzt werden kann. Potenzial sieht er zudem auf individueller Ebene: Die Bewohner:innen entscheiden selbst. Seine Idealvorstellung der Zukunft: Autarke Haushalte, die ihre Abfälle selbst entsorgen, sich diese im besten Fall zunutze machen und so am Ende Geld sparen. „Haushalte müssten nicht ans Abwassersystem angeschlossen sein. Wenn sie einen schlechten Job machen, werden sie als erste darunter leiden und sich dadurch viel eher des Problems annehmen.“ Yannis Ieropoulos’ Toiletten sollen Menschen letztlich beibringen, auf ihre Umwelt zu achten, sich ihres CO2-Fußabdrucks bewusst zu werden und zu handeln. „Ich möchte Menschen die Möglichkeit geben, Verantwortung für ihre eigene Energieversorgung zu übernehmen.“
Ieropoulos ist zuversichtlich, dass seine Vision im nächsten Jahrzehnt Wirklichkeit werden könnte: „Die Solartechnologie durchlief einen sehr ähnlichen Prozess: Erst als Regierungen damit anfingen, Photovoltaikanlagen zu fördern, kam die Technik in Schwung. Es braucht staatliche Förderung, damit dezentrale Abwasserreinigung mit gleichzeitiger Stromerzeugung Standard werden kann.“ Ein Standard, den nicht zu nutzen Harnisch als „fast schon dumm“ bezeichnet. Es klingt absurd, viel Energie zu verwenden, um Kläranlagen zu betreiben, damit diese die Abwasserreinigung übernehmen, statt die darin enthaltenen Bakterien ihre Arbeit machen zu lassen und dabei Energie zu gewinnen. Dass der große Durchbruch der Technologie eher in Klärsystemen statt der primären Energiegewinnung liegen könnte, zeigt auch ein Blick ins Weltall: Bei der Nasa konnte sich der Astronaut:innen-Urin zur Energiegewinnung letztlich nicht gegen Photovoltaikanlagen und Strom aus Sonnenenergie durchsetzen.
Die organischen Bestandteile des Urins (hier in der Abbildung unterm Mikroskop) dienen speziellen Bakterienarten, die in mikrobiellen Brennstoffzellen leben, als Futter – und letztlich als Ausgangspunkt für die Stromerzeugung.
