Im Zuge der Klimawende geht es zunehmend nicht nur um die Gewinnung von Wasser-, Wind- und Sonnenenergie. Denn der Strom eines sonnenreichen Tages etwa verpufft größtenteils ungenutzt, wenn der Bedarf gerade nicht besteht. Deswegen arbeiten Forscher weltweit an Systemen zur Strom-Speicherung, angefangen bei Batteriespeichern, über Wärmespeicher, bis hin zu chemischen Speichern wie Wasserstoff oder synthetische Kohlenwasserstoffe.
Auch Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) machen sich für Wasserstoff als Energiespeicher stark, allerdings wollen sie diesen nicht mit sogenannten Power-to-X-Verfahren erzeugen, bei denen Wasser unter Stromzufuhr in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Diese Arbeit sollen kleine lebende Organismen, sogenannte Cyanobakterien für sie übernehmen. Es sind die einfachsten und ältesten Algen der Erde und sie haben als erste durch Photosynthese den für die Tierwelt so wichtigen Sauerstoff hergestellt.
Mit Hydrogenase zum Bio-Wasserstoff
„Der Stamm, mit dem wir arbeiten ist ein Süßwasserstamm. Er wurde aus einem See isoliert und ist der am besten charakterisierte Stamm, den es gibt“, erläutert der Pflanzen-Biochemiker und Bioingenieur Matthias Rögner sein Forschungsobjekt im Sputnik-Gespräch. Die Fähigkeit der Alge, Wasserstoff herzustellen, verdankt sie einem besonderen Enzym namens Hydrogenase. Dieses funktioniere in beide Richtungen: Es stellt den Energieträger her und spalte ihn auch wieder für die Energieversorgung der Alge.
„Das war wohl am Anfang der Evolution ganz wichtig, weil es noch keinen Sauerstoff in der Atmosphäre gab“, erklärt Rögner den wahrscheinlichen Grund für diesen Mechanismus. Später wurde dieser Mechanismus dann durch die Herstellung von weit energiereicheren Trägern wie Zucker und Stärke unter Spaltung von Kohlenstoffdioxid ersetzt – die Photosynthese, wie sie auch die Pflanzenwelt durchführt.
Das alte Enzym wurde von der Evolution jedoch nicht über Bord geworfen, sondern wird weiterhin von der Alge gebildet: „Sie verwenden das Enzym nur noch unter anaeroben Bedingungen als eine Art „Notventil““, so der Bioingenieur. Das Ziel der RUB-Forscher ist es, diese Reaktion wieder zur „Hauptreaktion“ werden zu lassen, damit sie auch unter Sauerstoffbedingungen laufen kann.
Eingriff in die Photosynthese und Optimierung des Enzyms
Hierfür gelte es, das Enzym genetisch zu verändern, damit es nicht mehr von Sauerstoff angegriffen wird. Das optimierte Enzym soll dann an die Photosynthese auf Kohlenstoffdioxidbasis gekoppelt werden. „Die Kunst besteht darin, dass man die Elektronen von der CO2-Fixierung auf die Wasserstoffproduktion umleitet, aber nur zu so einem Anteil, dass die Algen noch überleben können“, skizziert der Forscher den experimentellen Drahtseilakt. Will heißen: Die Alge produziert weiter genug Zucker oder Stärke um sich zu erhalten und zu vermehren, aber alles, was sie über das Überleben hinaus produzieren oder in Form von Wärmeverlusten einbüßen würde, wird in die Wasserstoffproduktion abgezweigt.
Am Mechanismus, der die Elektronenübertragung regeln soll, arbeitet die Gruppe um Rögner weiter. Durch die Abzweigung wollen die Wissenschaftler auf eine Effizienz von 10-12 Prozent der einfallenden Sonnenenergie kommen. Das fällt zwar etwas geringer als bei neuen Solarmodulen aus, dafür hätte die Technologie entscheidende Vorteile: Sie würde chemisch gespeicherte Energie erzeugen, die bei Bedarf freigesetzt werden kann und dabei nur Licht, Luft und Wasser und keine seltenen Ressourcen benötigt.
Wasserstoff aus Bioreaktoren: Günstig und vollautomatisch
Denn die Algen sollen sich in sogenannten Flachbettreaktoren befinden. Es handelt sich um zwei parallele Glas- oder Polymerplatten mit einem Abstand von mehreren Zentimetern, die von beiden Seiten beschienen werden können. „Die haben wir im Labormaßstab von circa fünf Litern hergestellt“, so Rögner. Solche Reaktoren können heute bereits zur Erzeugung von Biomasse an Gebäudewänden genutzt werden. Mit dem angenehmen Nebeneffekt des Sonnenschutzes bei Hitze. Attraktiv wären sie vor allem für südlichere Gebiete – allen voran Wüsten, in denen ein Betrieb das ganze Jahr möglich wäre.
Der Betrieb sei einfach und vollautomatisierbar. „Wir haben einen kontinuierlichen Reaktor: Die Algen wachsen ständig und wir führen immer so viel Nährmedium zu, dass die Dichte immer dieselbe bleibt. Damit ist auch die Belichtung der Algen garantiert. Es werden also ständig Algen rausgespült und ständig neues Medium nachgefüllt“, erklärt der Forscher. „Das Wasser muss natürlich immer frisch sein, denn die Nährstoffe, die im Wasser natürlicherweise sind, die brauchen die Algen für das CO2.“
Je nach Region würden sich unterschiedliche Algenarten empfehlen. Bei einer Wüstengegend mit angrenzender Küste etwa wären Meeresalgen sinnvoll. So wäre für eine kontinuierliche Wasserversorgung durch eine Infrastruktur an Pumpen bereits gesorgt. Im Labor sei ein Flachbrettreaktor bereits neun Monate am Stück vollautomatisch gelaufen, merkt Rögner an. Und: „Es gibt Firmen in Florida oder Mexiko, die solche Algen schon anziehen auf Wüstenboden am Meer.“
Zwei Prozent Sahara für Energiebedarf der Welt
Die Wissenschaftler haben auch bereits eine grobe Rechnung durchgeführt, wie viele solcher Reaktoren es bräuchte, um den Weltenergiebedarf zu decken. Rögner bezeichnet diese allerdings als „Milchmädchenrechnung“, da hier einige Voraussetzungen gemacht werden. Nach der Rechnung bräuchte die Welt zwei Prozent der Fläche der Sahara, die mit Reaktoren à 200 Liter ausgestattet würde. Voraussetzung ist vor allem, dass die Algen es auch wirklich schaffen, 200 Milliliter Wasserstoff, pro Liter Algenflüssigkeit, je Stunde herzustellen. Das ließe sich durchführen, wenn die Alge nur 25-30 Prozent der Energie braucht, die in die Photosynthese einfließt und man ihr bis zu Dreiviertel für die Wasserstoffproduktion „wegnehmen“ kann.
Auf dem Bild: Matthias Rögner (links) und Marc Nowaczyk untersuchen die besonderen Eigenschaften von Proteinen, die in Cyanobakterien für die Fotosynthese entscheidend sind
Der Wüstenboden biete auch den Vorteil, dass er in keiner Konkurrenz zu Ackerland stehe, das für die Nahrungsmittelproduktion genutzt werden kann. Es gebe auch bereits Firmen im US-Bundesstaat Florida und in Mexiko, die Algen auf ähnliche Weise in der Wüste einsetzten. Dort gehe es allerdings um Versuche, Ethanol herzustellen. Auch den RUB-Forschern geht es nicht um den Wasserstoff allein, denn wenn gezeigt wird, dass die Photosynthese auf solche Weise aufgebrochen werden kann, dann könnten unterschiedlichste Enzyme die entnommene Energie für diverse Stoffe verwenden.
sputniknews
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