Dieses Verfahren hat nur begrenzt mit einer traditionellen Biogasanlage zu tun. Trotzdem soll dieser Verfahrensansatz kurz vorgestellt werden, weil er ebenfalls auf Mikroorganismen zur Erzeugung von Wasserstoff setzt. Bei diesem Verfahren zur Herstellung von Biowasserstoff werden Algen in einem Bioreaktor kultiviert. Dieses Verfahren hat Ähnlichkeiten mit der vorgestellten Dunkelfermentation, wobei Algen neben den Bakterien und Archaeen zur dritten, eigenständigen Domäne des Lebens gehören. Lange wurden Cyanobakterien für Blaualgen gehalten und es gab eine parallele Verwendung beider Begriffe. Seit 1990 trennen Biologen Mikroalgen und Bakterien voneinander. Der Aufbau von Algen ist deutlich komplexer und sie werden im Gegensatz zu den prokaryotischen Bakterien (ohne echten Zellkern), zu den Eukaryoten gezählt. Einer der funktionalen Unterschiede der Mikroorganismen ist, dass Bakterien und Archaeen den Wasserstoff, wie bereits in 2.1. vorgestellt, über Nitrogenasen (Enzym) herstellen, während Grünalgen Hydrogenasen einsetzen. Was sich nach mikrobiologischer Fachsimpelei anhört, führt zu zwei grundverschiedenen Energiestoffwechseln. Es wäre spannend zu hören, was ein Mikrobiologe zu diesem Unterschied berichten kann.
Die Entdeckung, dass Algen statt Sauerstoff auch Wasserstoff abgeben können, hat als erster der Biochemiker Hans Gaffron entdeckt. Der Wasserstoff-Pionier Gaffron hat in Berlin studiert und ist Ende der 1930er zufällig darauf gestoßen, dass neben den Prokaryoten auch einzellige Eukaryoten, in dem Fall Grünalgen, Biowasserstoff bilden können. Ein halbes Jahrhundert später, in den 1990ern, hat Anastasios Melis von der University of California in Berkeley herausgefunden, dass die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii beginnt Wasserstoff zu erzeugen, sobald sie nicht genügend Schwefel zur Verfügung hat. Der Schwefel ist notwendig, um die Hydrogenase zusammenzusetzen, welche als Katalysator die enzymatische Aufspaltung des molekularen Wasserstoffs in Wasserstoffionen vornimmt.
Vorteil der Herstellung von Biowasserstoff über Algen ist, dass für die Spaltung des Wassers hauptsächlich das Sonnenlicht als Energiequelle benötigt wird. Die Mikroorganismen wirken als Biokatalysator und bewerkstelligen die Photolyse.
3 Kommentare zu „Die biogenen Herstellung von Wasserstoff“
Wasserstoff als „Energieträger“? Jetzt müssen wir Steuerzahler zum wiederholten Mal an Forschungs-Einrichtungen und Industrie Milliarden zahlen, nur um schon wieder prüfen zu lassen, wie sich Wasserstoff als „Energie“ nutzen lässt.
Dabei hat Deutschland doch schon am 5. Mai 1999 um 12 Uhr das Wasserstoff-Zeitalter eingeläutet.
Damals ging auf dem Münchner Flughafen die „weltweit erste öffentliche“ Wasserstofftankstelle in Betrieb. Mit ihr war der erste Schritt in die viel beschworene Wasserstoffwirtschaft gemacht worden. 2006 entstand dann die nächste deutsche Superlativ in Sachen Wasserstoff. Mitten in Berlin eröffnete die „weltweit größte“ Wasserstofftankstelle.
Auch in Hamburg und Stuttgart hatte die Zukunft begonnen. Beide Städte betrieben bis Ende 2006 je drei Brennstoffzellen-Busse im Rahmen des europäischen CUTE-Projekts (Clean Urban Transport for Europe); Anfang 2007 lief das Anschlussprojekt HyFLEET:CUTE an. Hamburg hatte seine Flotte von 3 Brennstoffzellen-Busse auf insgesamt 9 aufgestockt. Berlin hatte 14 Linienbusse mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor angeschafft. Anfang 2007 ist ein weiteres europäisches Projekt an den Start gegangen: Im Rahmen von „HyChain Minitrans“ sollten bis 2010 mehr als 150 Kleinfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb auf die Straßen kommen.
Bei solchen Nachrichten könnte man meinen, das Zeitalter der sauberen Fortbewegung mittels schadstofffreiem Wasserstoff sei nun endlich greifbar nahe. Doch der Eindruck könnte falscher nicht sein: Während allerorten öffentlich geförderte Projekte ihren gefeierten Fortgang nehmen, kommen einige Experten nach einer Kalkulation zunehmend zu dem Schluss, dass die Reise in die Wasserstoffwirtschaft in Wirklichkeit ein Holzweg ist.
Als BMW 2006 seinen Hydrogen 7, einen wasserstoffbetrieben 7er, mit dem definierten Ziel vorstellte, dass Prominente aus Politik und Wirtschaft das Modell fahren sollten, lehnte die damalige Bundestagsvizepräsidentin Katrin Göring-Eckhardt (Grüne) den 7er-BMW wegen seiner schlechte Energie-Bilanz ab. Fraktionskollege Toni Hofreiter schlug eine Präsentations-Einladung mit der Begründung aus: „Ein PKW, der zu Beginn des dritten Jahrtausend im Wasserstoffmodus auf 100 km 50 Liter schluckt, kann nicht den Anspruch auf Nachhaltigkeit erheben.“
Es macht den Anschein, dass unsere Politiker davon ausgehen, dass Wasserstoff eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle und damit eine verlockende Alternative der Energieversorgung ist. Sie lassen sich damit überreden, dass mit einem Schlag alle Klimaprobleme gelöst sind. Die Energieversorgung mit Wasserstoff und Brennstoffzelle ist faszinierend sauber, weil sich Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft verbindet, und nur noch etwas Strom und Wasser benötigt wird.
Alles richtig, und angesichts solch einleuchtender Fakten ist es kein Wunder, dass die Wasserstoffidee Öffentlichkeit, Wirtschaft und Politik gleichermaßen fasziniert. Noch werden die Stimmen der Kritiker unterdrückt, zumal Enthusiasten ihren Posaunentönen eine weltbefreiende Note aufdrücken.
Der ehemalige Präsident der Europäischen Kommission rief Anfang 2004 die „Europäische Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie-Partnerschaft“ aus. Bis zum Jahr 2030 soll demnach die Transformation unserer auf fossilen Energien basierenden Wirtschaft in eine „wasserstofforientierte Wirtschaft“ abgeschlossen sein. Mit weit verbreiteten Wasserstoffpipelines, die ausschließlich regenerativ erzeugten Wasserstoff transportieren, mit allgegenwärtigen Brennstoffzellen im Verkehr, in der dezentralen Stromerzeugung bei jedermann zu Hause und in abertausenden von Kleingeräten.
Zur Verwirklichung dieser Vision wurden im 6. Forschungsrahmenprogramm der EU rund 300 Millionen Euro ausgegeben. Allein in Deutschland flossen 2004 rund 85 Millionen Euro von Bund, Ländern und der EU in die Wasserstoff- und Brennstoffzellenforschung, und auch die Merkel-Regierung hat 2005 ein „nationales Innovationsprogramm zu Wasserstofftechnologien“ auf die Fahnen und in den Koalitionsvertrag geschrieben. Der damalige Bundesverkehrsminister Wolfgang Tiefensee stellte zusätzliche 500 Millionen Euro Fördermittel für die Entwicklung von Wasserstoffautos bereit. BMW, Mercedes nahmen dankbar das Geschenk an.
Doch was beim Propagieren einer Wasserstoff-Revolution nicht beantwortet wird, ist, wo die Unmengen an Wasserstoff für dieses Paradies auf Erden eigentlich herkommen sollen: Wasserstoff ist keine Energieträger wie Erdöl oder Erdgas.
Wasserstoff kommt in der Natur in freier Form so gut wie gar nicht vor. Stattdessen ist er in Wasser, Biomasse oder fossilen Kohlenwasserstoffen wie Kohle und Erdgas gebunden. Bevor sich das Gas als Energielieferant einsetzen lässt, muss es aus seinen bestehenden Verbindungen gelöst werden. Das kostet jede Menge Energie – von der im frei werdenden Wasserstoff anschließend nur ein kleiner Teil gespeichert werden kann.
Wer einmal das Ganze von vorn bis hinten durchgerechnet, wird zu dem Ergebnis kommen: Die Wasserstoffwirtschaft kann gar nicht kommen. Als künstlicher Energieträger, der erst verlustträchtig unter Einsatz anderer Energien hergestellt werden muss, könne Wasserstoff niemals konkurrenzfähig werden.
Der gesamte Energieverbrauch von Diesel und Benzin im Verkehrsbereich (710 TWh) entspricht etwa der Energie des gesamten Stromverbrauchs Deutschlands (650 TWh). Mit Umwandlungsverlusten bräuchte man die dreifache Kapazität der heutigen Stromerzeugung, um max. 50 Prozent des Verkehrsbedarfs mit Wasserstoff abzudecken.
Ein weiteres Problem ist die Speicherung. Denn das Wasserstoffatom ist das kleinste aller Atome. „Wasserstoff enthält, bezogen auf sein Gewicht, zwar dreimal mehr Energie als Benzin, aber viel entscheidender ist die Energiedichte pro Volumen. Und da schneidet Wasserstoff sehr, sehr schlecht ab.“ sagte Martin Wietschel vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) in Karlsruhe.
Tiefgekühlt oder unter Druck
Um Wasserstoff als Antriebsenergie im Autos mit akzepable Reichweiten zu nutzen, muss das Gas an Bord entweder bei sehr hohen Drücken von bis zu 700 bar oder flüssig bei minus 253 Grad gespeichert werden.
Ein weiterer Nachteil ist, dass sich der Tankinhalt eines Wasserstoffautos schon nach kurzer Zeit in Luft auflöst. Denn das Wasserstoffatom ist so klein, dass es kaum gelingt, alle Bauteile gegen ein Austreten in Dampfform abzudichten. Flüssiger Wasserstoff erwärmt sich mit der Zeit und verdampft dann einfach. Eine Zeit lang ruhte die Hoffnung für bessere Tanks auch auf Metallhydridspeichern, die gasförmigen Wasserstoff absorbieren und bei Erwärmung wieder abgeben. Sie erwiesen sich aber als zu teuer und schwer, dass sie nur in U-Booten, und Schiffen verwendet werden, wo beide Faktoren kaum eine Rolle spielen.
Bleibt einstweilen nur die Speicherung unter hohem Druck oder bei tiefen Temperaturen. Doch beide Verfahren tragen weiter zur schlechten Energiebilanz von Wasserstoff bei. Schon die Komprimierung von gasförmigem Wasserstoff auf 700 bar verschlingt nach Berechnungen 13 Prozent der in ihm enthaltenen Energie- und selbst unter diesem hohen Druck hat er nur etwa ein Drittel der Energiedichte von Benzin. Alles in allem landet im Drucktank nur nicht einmal die Hälfte der hochsubventionierten elektrischen Wind- Photovalaik Energie, die zur Erzeugung des Wasserstoffs eingesetzt wurde. Noch schlimmer sieht es bei der Verflüssigung aus. Die frisst zwischen 30 und 50 Prozent der Energie im Wasserstoff. Der Transport ist bei diesen Zahlen noch gar nicht mitgerechnet.
Insgesamt kommen bei einem mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen-Auto an den Rädern nicht mehr als 20 bis 25 Prozent der ursprünglich „Primär-Energie“ an. Beim Wasserstoffverbrennungsmotor ist es wegen seines schlechteren Wirkungsgrades noch wesentlich weniger.
All das haben Wissenschaftler und Ingenieure in „The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak?“ schon Anfang des Jahres 2003 detailliert vorgerechnet. Wasserstoffwirtschaft ist nichts anderes als eine Energie Verschwendung. Das sind doch ganz einfache Ingenieurrechnungen! Ich werfe den Wasserstoffpropheten vor, dass sie diese Rechnungen nicht mal nachvollziehen. Dass die Berechnungen stimmen, bestreitet man bei der Linde AG nicht, einem der größten Wasserstoffhersteller der Welt.
Zweifelsfrei ist, dass Deutschland zu 98 Prozent vom Öl abhängig sind, die Wirtschaft muss strategisch denken und handeln, dann muss man sich Gedanken machen, was man tun kann, denn wir haben ein Energie- und ein CO2-Problem.
Daran besteht kein Zweifel – aber warum sich die deutsche Wirtschaft ausgerechnet auf Wasserstoff als Gegenmittel gestürzt hat, will mir nicht einleuchten. Auch 2020, 20 Jahre nach dem Beginn des Wasserstoffzeitalters in Deutschland, wird es in absehbarer Zeit weder Brennstoffzellen Autos zu wettbewerbsfähigen Preisen geben, noch bezahlbaren Wasserstoff dafür.
Die Wind- und Photovoltaik- Lobby machen heute aber eine andere Rechnung auf. Der Ausbau ist ins Stocken geraten, weil bei Starkwind und hoher Sonneneinstrahlung die Strom-Netze beim weiteren Ausbau der Windparks kollabieren. Die Unternehmen der Windparkindustrie wollen aber auf die ständig sprudelnden Milliarden vom Steuerzahler nicht verzichten. Daher schlagen sie vor, den Ausbau von Windanlagen auch gegen Bürgerprotesten voranzutreiben. Die „Überproduktionen“ kann dann in Wasserstoff umgewandelt und gespeichert werden, die dann bei Wind-Flaute und Nachts wieder in Strom umgewandelt wird. Eines ist jetzt schon ohne Rechenkünste ersichtlich; das wird ganz schön teurer Strom!
Das bei jeder Umwandlung von einer Energiequelle in eine andere Verluste entstehen, wird gerne von den Wasserstoffpropheten verschwiegen. Schon heute zahlt der deutsche Privat-Verbraucher den höchsten Strompreis in Europa. Tendenz steigend!
Lassen Sie mich mit den Worten eines großen deutschen Physikers abschließen.
Albert Einstein hat einmal auf die Frage, welches das häufigsten Element im Universum sei, geantwortet: „Wasserstoff und die Dummheit der Menschen. Nur beim Wasserstoff bin ich mir nicht ganz so sicher“.
Hier die Datentabellen:
Vielen Dank für den informativen Artikel! Der Kommentar und die Argumente von Herr Ahlers ist valide. Daher sehe ich das Einsatzgebiet von Wasserstoff primär im Industriesektor und nicht im Verkehrssektor, insb. beim PKW. Die NWS sehe ich daher als eine Möglichkeit die industrielle Nachfrage nach grauem Wasserstoff durch grünen Wasserstoff zu ersetzen. Die abgeriegelte erneuerbaren Energieleistung betrug letztes Jahr 5,5 GWh. Dieser Strom sollte aber verwertet werden! Ob die wirtschaftliche und nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff in Elektrolyse-Anlagen mit Hilfe dieses Stroms möglich ist, sollte untersucht werden.
Die starke Limitierung an verfügbarem Wasserstoff in den erstem Jahren macht ihn im Markt zu einer sehr wertvollen Ressource/Ware. Ich stimme zu, dass es viel Sinn ergibt, den begrenzten, CO2-neutralen Wasserstoff in der Industrie einzusetzen. In einer Industrienation wie Deutschland bietet der Einsatz von Grünem Wasserstoff in der Industrie den größten Hebel. Die Reduktion von C02 in den Industrieprozessen ist nicht nur am schwersten (hohe Temperaturen, 24/7 EE-Energiebedarf), sondern spart zusätzliche Kosten (CO2-Preis für Zertifikate des EU-ETS), macht die deutsche/europäische Industrie im internationalen Preiskampf der Märkte noch konkurrenzfähiger und sichert somit Arbeitsplätze und Wohlstand. Und produzierten EE-Strom nicht zu verwenden, ist tatsächlich so ziemlich das sinnloseste was sich eine Energiewirtschaft „gönnen“ kann.