Wasserstoff: der grüne Energieträger der Zukunft?

Wasserstoff gilt als 'Energieträger der Zukunft' – weil er in Brennstoffzellen unter Erzeugung von Elektrizität oxidiert werden kann, z.B. für Elektrofahrzeuge, ohne dabei Kohlendioxid (CO₂), zu entwickeln, und weil er in entfernten Gebieten ohne eine Elektrizitäts-Infrastruktur produziert werden kann. Im Gegensatz zu verfügbaren Quellen wie Naturgas und Benzin, muss Wasserstoff hergestellt werden. Das bedeutet, dass Wasserstoff ein Energieträger ist und nicht ein Treibstoff.

Ein Energiesystem, in dem Wasserstoff zur Lieferung von Energie eingesetzt wird – eine Wasserstoff-Wirtschaft – wurde von John Bockris im Jahre 1970 vorgeschlagen; im Jahre 1977 wurde ein internationales Übereinkommen erzielt, um in diese Richtung zu arbeiten^w1.

Wasserstoff wird heutzutage mehr als chemisches Reagens und weniger als Energieträger genutzt, aber es besteht kein Zweifel, dass Wasserstoff unser Transport- und Energiesystem umwandeln kann. Aber es ist nicht einfach, dieses Potenzial zu realisieren. Die meisten Brennstoffe, die zur Zeit eingesetzt werden, sind Flüssigkeiten, Feststoffe oder Gase mit einer hohen Energie pro Volumen (Energiedichte). Im Gegensatz dazu hat Wasserstoff eine niedrige Energiedichte; bei gegebenem Druck erzeugt die Verbrennung von einem Liter Wasserstoff ein Drittel der Energie, die bei der Verbrennung von einem Liter Methan entsteht. Dies führt zu Problemen bei der Lagerung, Verteilung und Verwendung, die von Wissenschaftlern angesprochen werden s (Schlapbach & Züttel, 2001)^w2. Eine noch größere Herausforderung ist die nachhaltige Produktion von Wasserstoff. Darauf wird im Folgenden der Schwerpunkt liegen.

Möglichkeiten zur Produktion von Wasserstoff

Wasserstoff ist auf der Erdoberfläche reichlich vorhanden, normalerweise gebunden an Kohlenstoff in Kohlehydraten (in Pflanzen) oder an Sauerstoff in Wasser (H₂O). Gasförmiger Wasserstoff (H₂) existiert dagegen nur in kleinen Mengen auf der Erde. Eine der Herausforderungen für die nachhaltige Produktion von Wasserstoff ist die Freisetzung von H₂ aus seinen Bindungen mit Kohlenstoff und Sauerstoff.

Zur Zeit wird H₂ überwiegend aus fossilen Brennstoffen (z.B. Naturgas) durch Dampfreformierung gewonnen: Dazu werden die Brennstoffe mit Wasser auf hohe Temperaturen erhitzt^w2:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂                                              (1)

CO + H₂O → CO₂ + H₂                                                (2)

Diese Methode beruht jedoch auf fossilen Brennstoffen und führt zur Freisetzung von Kohlendioxid, was zu den gleichen Emissionsproblemen wie die Verbrennung von fossilen Brennstoffen führt. Die Dampfreformierung ist nur nachhaltig, wenn erneuerbare Kohlenwasserstoffe wie Biogas verwendet werden, weil das freigesetzte Kohlendioxid vorher bei der Produktion der Kohlenwasserstoffe absorbiert wurde.

H₂ kann auch durch Elektrolyse^w2, hergestellt werden, wobei Elektrizität verwendet wird, um H₂O in H₂ und Sauerstoff zu spalten:

2H₂O → 2H₂ + O₂                                                       (3)

Diese Methode kann nachhaltig sein, wenn die Elektrizität aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Wellen oder Sonnenenergie erzeugt wird. H₂ kann so an windigen Tagen zur Speicherung von Energie genutzt werden, wenn die Windmühlen mehr Elektrizität produzieren, als verbraucht werden kann.

Interessanterweise verläuft die natürliche Spaltung von Wasser in Ozeanen, weil mikroskopische Algen und Cyanobakterien die Sonnenenergie nutzen, um Wasser zu spalten. Diesen Prozess nennt man Biophotolyse (Gleichung 3). Die Geschwindigkeit der H₂-Produktion ist jedoch extrem gering.

Es wurden Anstrengungen unternommen, die Produktionsgeschwindigkeit unter kontrollierten Bedingungen zu steigern, indem man modifizierte Mikroorganismen einsetzte, aber die Prozesse sind noch zu langsam und teuer, um in absehbarer Zeit eine realistische Quelle für H₂ zu sein (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

Schließlich kann man Biowasserstoff aus Pflanzen sowie aus Abfall aus der Industrie, Forstwirtschaft und Landwirtschaft unter Einsatz von Bakterien herstellen. Die Oxidation von pflanzlichem Material dient – wie bei uns – den Bakterien als Energiequelle, aber im Gegensatz zu uns leben die Bakterien unter anaeroben Bedingungen (Ausschluss von Sauerstoff). Bei der aeroben Atmung nutzen wir Sauerstoff, um Zucker zu oxidieren, z.B.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6 H₂O                            (4)

Im Gegensatz dazu, um das Substrat so weit wie möglich zu oxidieren und damit den Energiegewinn zu optimieren, reduzieren diese anaeroben Bakterien Protonen, die während der Oxidation des Substrats freigesetzt werden, zu H₂ (s. Gleichung 6, unten).

Heiße Bazillen

Während meiner Doktorarbeit habe ich die Fähigkeit eines Bakteriums zur Produktion von Wasserstoff Caldicellulosiruptor saccharolyticus (Abb. 1) untersucht. Dieses lebt in heißen Quellen: anaerobe Bedingungen bei 70°C mit nur geringem Anteil an verfügbaren Kohlehydraten. Dieses Bakterium ist von besonderem Interesse, weil es doppelt so wirksam für die Produktion von Wasserstoff ist wie die meisten Bakterien.

Im Gegensatz zu Menschen gewinnt C. saccharolyticus die Energie aus einem breiten Spektrum von pflanzlichen Bausteinen: nicht nur Glukose, sondern auch z.B. Xylose (Willquist et al., 2010).

Das erlaubt den Bakterien, H₂ aus Abfall herzustellen, z.B. Abfall, der bei der Verarbeitung von Kartoffeln, Zucker und Möhren entsteht, aber auch aus industriellem Abfall der Pulpe- und Papier-Produktion oder Abfall aus der Landwirtschaft wie Stroh.

Das ist ein vielversprechender Start, aber sogar C. saccharolyticus entwickelt nur 33% des möglichen Wasserstoffs, der aus dem Substrat entwickelt werden könnte. Gleichung 5 zeigt die mögliche vollständige Oxidation von Glukose, bei der 12H₂ pro Molekül entstehen. Gleichung 6 zeigt die dunkle Fermentation, die von C. saccharolyticus durchgeführt wird. Dabei werden nur 4H₂ (33%) pro Molekül Glukose freigesetzt. Der Rest der Energie wird als Acetat (CH₃COOH) freigesetzt.

Vollständige Umsetzung von Glucose zu H₂: C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 12H₂ + 6CO₂       (5)

Dunkle Fermentation: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 4H₂ + 2CO₂ + 2CH₃COOH                     (6)

Um den restlichen Wasserstoff aus dem Acetat freizusetzen, benötigt man externe Energie. Alternativ kann Methan (CH₄) – das bei Dampfreformierung H₂ entwickelt (s. Gleichung 1 und 2) – aus Acetat erzeugt werden. Zum Glück gibt es dazu drei vielversprechende Möglichkeiten (s. Abb. 2).

1. Unter Verwendung von Sonnenlicht wird mit photofermentativen Bakterien Acetat in H₂ umgewandelt (Gleichung 7)^w3. Ebenso wie die Wasserstoff-Produktion durch Algen ist dieser Prozess zur Zeit zu langsam und teuer, um in näherer Zukunft kommerziell nutzbar zu sein (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

   2CH₃COOH + 4H₂O → 8H₂ + 4CO₂                                 (7)
    

2. Unter Verwendung von Elektrizität lässt sich die Reaktion von Acetat zu Wasserstoff in einer mikrobiellen Brennstoffzelle mit einer Mischung von Bakterien durchführen (s. Gleichung 7)^w4. Das ist ein eleganter Ansatz, aber dessen Anwendung ist im Augenblick durch die niedrigen Produktionsgeschwindigkeiten begrenzt (Hallenbeck & Gush, 2009). Wie Du eine eigene mikrobielle Brennstoffzelle baust, s. Madden, 2010.)
    
3. Unter Verwendung von Methan-Produzenten (Archaeen), die Acetat unter Bildung von Methan abbauen (s. Gleichung 8). Die Kombination der dunklen Fermentation (Gleichung 6) und Methan-Produktion wird als Hythane-Prozess (hydrogen + methane) bezeichnet. Dabei werden ca. 90% des ursprünglichen Substrates in Wasserstoff und Methan umgewandelt.

   CH₃COOH → CH₄ + CO₂                                                (8)

   Das Methan kann der Dampfreformierung unter Freisetzung von Wasserstoff unterworfen werden.

Um den Hythane-Prozess in den richtigen Maßstab zu setzen: Wenn in einem Vier-Personen-Haushalt jeder monatlich 10 kg Kartoffelprodukte isst, könnte der Abfall 0,5% der monatlich benötigten Energie für den Haushalt (3500 kWh) decken, vorausgesetzt, dass der produzierte Wasserstoff direkt eingesetzt wird (um Energieverluste zu vermeiden) und das Haus mit einer Brennstoffzelle^w5 für Wärme und Strom ausgestattet ist. Weiterer Wasserstoff könnte natürlich aus anderem Abfall erzeugt werden – 0,5% nur aus Kartoffeln.

Das ist eine grobe Abschätzung des Potenzials des Hythane-Prozesses, basierend auf a) 30% Energieverlust bei der Produktion von H₂ und CH₄ (Hythane) und b) 30% bei der Dampfreformierung von CH₄ zu H₂. Die Dampfreformierung (b) wird für die Produktion von Wasserstoff aus Naturgas eingesetzt und ist technisch gut ausgereift. Die Produktion von Hythane (a) ist jedoch noch nicht so effizient, jedoch geht die Forschung weiter, um die Effizienz auf 70% (wie im Beispiel) zu verbessern und so die Produktion von Biowasserstoff konkurrenzfähig mit der Dampfreformierung von fossilen Brennstoffen zur Produktion von Wasserstoff zu machen.

Wenn es auch Fortschritte^w6 in jüngster Zeit gegeben hat, so ist es doch noch zu früh, um eine verlässliche zeitliche Abschätzung zu geben, wann eine nachhaltige Wasserstoff-Produktion einen signifikanten Anteil bei unserer Energieversorgung ausmachen könnte. Aber wie der Dichter Mark Strand einmal sagte, "Die Zukunft beginnt immer jetzt."

Forschung zur Speicherung und Produktion von Wasserstoff

Die sichere und wirksame Speicherung von Wasserstoff ist eine der wichtigsten technologischen Herausforderungen, um Wasserstoff als Energieträger zu gewinnen. Das Institut Laue-Langevin (ILL)^w7 hat sich in vorderster Front etabliert bei der Forschung zur Wasserstoff-Wirtschaft, wobei die Neutronenstreuung eingesetzt wird, um die Hydrierungs- und Dehydrierungsreaktionen in potenziellen Wasserstoff-Speichermaterialien zu verfolgen. Mehr dazu findet man auf der ILL website^w7.

Die starken Röntgenstrahlen des European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)^w8 sind kürzlich zur Aufklärung des komplexen Mechanismus bei der Wasserstoff-Produktion durch Enzyme (Dehydrogenasen) eingesetzt worden. Die meisten Enzyme arbeiten unter anaeroben Bedingungen und werden durch die Anwesenheit von Sauerstoff inhibiert. Hydrogenasen, die unter aeroben Bedingungen aktiv bleiben, sind deshalb von großem Interesse für Technologien wie enzymatische Brennstoffzellen und die lichtgetriebene Produktion von Wasserstoff. Ein deutsche Team von Wissenschaftlern hat neulich die Kristallstruktur eines dieser Enzyme aufgeklärt (Fritsch et al., 2011) vielleicht ein erster Schritt zur Wasserstoff-Wirtschaft?

ILL und ESRF sind beide Mitglieder des EIROforum^w9, dem Herausgeber von Science in School.