Wasserstoff hat viele Vorteile. Das einfach aufgebaute Molekül besitzt einen hohen Energiegehalt, ist speicher- und transportierbar.
Eine viel versprechende, kostengünstige und klimaneutrale Produktionsmethode für Wasserstoff stellt die photobiologische Wasserstoff-Produktion durch Mikroalgen dar. Diese mikroskopisch kleinen, pflanzlichen Organismen, die im Boden oder auch im Gartenteich vorkommen, können unter bestimmten Bedingungen die Energie des Sonnenlichts nutzen, um aus Wasser das energiereiche Gas Wasserstoff freizusetzen. In den Algen findet der Prozess der Photosynthese statt, in dem Lichtenergie in chemische Energie (Zucker) überführt wird. Genauer gesagt, wird Wasser oxidiert, und die frei werdenden Elektronen werden durch das am häufigsten vorkommende Protein der Erde, die Rubisco, genutzt, um CO2 in Zucker umzuwandeln. Unter bestimmten Bedingungen jedoch werden die Elektronen aus dem Wasser genutzt, um molekularen Wasserstoff (H2) durch spezielle Enzyme, die Hydrogenasen, zu produzieren. So können die Algen das Sonnenlicht nutzen, um aus zwei Molekülen Wasser zwei Moleküle H2 und ein Molekül Sauerstoff (O2) zu bilden.
Besonders geeignet für diesen Prozess ist die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Dieser einzellige Organismus besitzt hoch effiziente Enzyme zur Wasserstoff-Produktion, die bis zu 5000 Moleküle H2 pro Sekunde bilden können. Diese ungewöhnliche Aktivität wollen Forscher der Ruhr-Universität Bochum gezielt nutzen und noch weiter verstärken.
Der Ansatz der photobiologischen H2-Gewinnung bietet gegenüber den bisher üblichen Herstellungstechniken von Wasserstoff vielfältige Vorteile: Die Prozesse laufen bei Umgebungstemperatur und -druck ab, woraus eine einfache Apparatetechnik resultiert. Das Substrat (hauptsächlich Wasser) ist preiswert und kann regeneriert werden. Als Energiequelle steht Sonnenlicht zur Verfügung. Es wird Wasserstoffgas erzeugt, das gegenüber dem H2 aus Vergasungsverfahren keine Begleitstoffe enthält, die schädlich für Brennstoffzellen sind.
Um die Algen in einem Bioreaktor zur Wasserstoff-Produktion anzuregen, bedient man sich eines Tricks: Man entzieht den Organismen einen wichtigen Nährstoff, zum Beispiel Schwefel. Diese „Schwefeldiät” hemmt das Wachstum der Zellen, doch nach wie vor wandeln sie Sonnenlicht in Energie um. Um diese überschüssige Energie loszuwerden, wird sie zur Bildung von Wasserstoff genutzt. Dieser ist für die Algen also eine Art Abfallprodukt, während er für uns Menschen eine willkommene Energieform ist.
Im Gegensatz zur technischen Herstellung von H2 arbeiten die Mikroalgen in einem zyklischen System. Sie fangen die Energiequelle Sonnenlicht ein, verbrauchen das klimaschädliche CO2 Gas, betreiben damit ihren eigenen Stoffwechsel und bilden anschließend das energiereiche H2-Gas. Obwohl diese Technologie bislang noch nicht optimiert ist, liegt ihr Wirkungsgrad bereits bei zehn Prozent. Das entspricht bereits jetzt dem Wirkungsgrad, den man erzielt, wenn man Wasserstoff mit Strom aus Solarzellen gewinnt.
Dennoch sind die Bioreaktoren für eine technische Anwendung derzeit noch ungeeignet. Um etwa den Energiebedarf eines durchschnittlichen Dreipersonenhaushalts mit Wasserstoff aus Algen decken zu können, würde man rund 50 Kubikmeter Algenkultur benötigen. Um die Organismen mit ausreichend Licht zu versorgen, kann man die Algen nur in schmalen, höchstens 20 cm tiefen Gefäßen halten.
In Zukunft wird es also darauf ankommen, den Flächenverbrauch zu reduzieren. Natürliche Selektion und genetische Manipulationen haben bereits Algen hervorgebracht, die fünfmal mehr Wasserstoff produzieren. Auch könnte der Wirkungsgrad des Systems um den Faktor vier bis sechs gesteigert werden, wenn es gelänge Algen einzusetzen, die das Licht effizienter nutzen, was insbesondere die Entwicklung von neuen Bioreaktoren mit tieferen Gefäßen ermöglichen würde.
Große Fortschritte erhoffen sich die Bochumer Wissenschaftler auch von der sogenannten Biobatterie: Für diese kleine Wasserstofffabrik nutzen sie lediglich diejenigen Enzyme aus den Algenzellen, die für die Wasserstoffproduktion relevant sind, das heißt sie arbeiten unabhängig von den Rahmenbedingungen, die innerhalb einer Zelle gegeben sind. Diese Enzyme werden auf Goldelektroden immobilisiert, was sie stabilisiert und die Elektronenübertragung erleichtert. Durch die räumliche Trennung der Gesamtreaktion in zwei Kompartimente können sie außerdem elegant ein gravierendes Problem umgehen, welches sich zum Teil noch in den natürlichen Zellen stellt: Die hohe Empfindlichkeit des Enzyms Hydrogenase, welches Wasserstoff produziert, gegenüber Sauerstoff (der bei der Wasserspaltung der Photosynthese automatisch entsteht). Da beide Reaktionsräume der Biobatterie durch einen Draht miteinander verbunden sind, können die Elektronen von der Wasserspaltung bis zur Wasserstoffproduktion wandern.
Ein weiterer Vorteil des Systems besteht darin, dass auf den Elektroden jeweils diejenigen Proteine aus verschiedenen Organismen kombiniert werden können, die am besten geeignet sind. Dadurch kann mit diesem Modellsystem der Wirkungsgrad systematisch verbessert werden. Nach Optimierung der Komponenten des Modellsystems und der erfolgreichen Manipulation der Hydrogenase zur Sauerstoffunempfindlichkeit sollen diese Prozesse wieder zurück in natürliche Zellen verlagert werden – nicht zuletzt deshalb, weil sich diese selbstständig mittels Lichtenergie vermehren können und dadurch langlebiger und kostengünstiger sind. Die Bochumer Forscher basteln daher mittelfristig auch an einem maßgeschneiderten Cyanobakterium mit optimaler Energietransformation. ■
Prof. Dr. Matthias Rögner ist Inhaber des Lehrstuhls für Biochemie der Pflanzen an der Ruhr-Universität Bochum. Er arbeitet auf dem Gebiet der Bioenergetik der Photosynthese sowie der Biotechnologie der Wasserstofferzeugung. Prof. Dr. Thomas Happe leitet die Arbeitsgruppe Photobiotechnologie an diesem Lehrstuhl und beschäftigt sich mit der Wasserstofferzeugung von Mikroalgen. Dr. Anja Hemschemeier ist wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe Photobiotechnologie.
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