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Wasserstoffproduktion mit Algen

Energieexperten träumen den Traum vom unerschöpflichen Energieträger Wasserstoff schon lange. Doch in der Wirklichkeit ist diese Vision bisher nicht angekommen. Die Suche nach intelligenten, bezahlbaren Verfahren, mit denen sich Sonnenenergie, Wind- oder Wasserkraft in Wasserstoff umwandeln lassen, endete bisher mehr oder weniger im Nichts. Eine winzige Alge könnte nun aber doch den Weg ins Wasserstoffzeitalter weisen.

Hat das Zeug zum leistungsstarken Wasserstoffproduzenten: Chlamydomonas reinhardtii. © Universität Karlsruhe / AG Bioverfahrenstechnik
Chlamydomonas reinhardtii heißt der kleine, grüne Hoffnungsträger. Die einzellige Alge kann völlig selbstständig Wasserstoff produzieren, wenn man ihr das Leben nur recht ungemütlich macht. Was sich die Natur als Notfallmechanismus ausgedacht hat, will Diplom-Ingenieur Florian Lehr aus der Arbeitsgruppe für Bioverfahrenstechnik an der Universität Karlsruhe zu einem wirtschaftlich interessanten Wasserstoffproduktionsverfahren weiterentwickeln.

Schwefeldiät wirft Wasserstoffproduktion an

Lehr spielt deshalb mit der Grünalge Chlamydomonas ein doppeltes Spiel. Er hegt und pflegt sie, bis sie sich kräftig vermehrt hat. Anschließend muss sie darben. Lehr entzieht ihr Schwefel. Denn ohne diesen kommt die Photosynthese, mit der auch Chlamydomonas Zucker aus Kohlendioxid, Sonnenlicht und Wasser gewinnt, ins Stocken. „Das Schlüsselenzym, das die Photosynthese steuert, kann nicht mehr repariert werden“, erklärt Lehr. Irgendwohin aber muss die Alge die Energie schaffen, die weiterhin auf sie einwirkt. Schließlich kann sie trotz ihrer misslichen Lage das Sonnenlicht, das sie bescheint, nicht einfach ausschalten. In dieser Notlage aktiviert sie pflanzeneigene Hydrogenasen, und diese speziellen Enzyme bilden dann Wasserstoff. Unendlich lange kann die Alge dies kärgliche Dasein aber nicht fristen. Nach zwölf Tagen braucht sie spätestens eine Regenerationsphase.
Theoretisch deckt die Sonnenenergie, die auf die Erde trifft, mit
178.000 Terrawatt (TW) den globalen Energiebedarf von 13 TW (1TW = 1.000.000.000.000 Watt) um ein Vielfaches, doch sowohl die Umwandlung wie die Speicherung der Sonnenenergie gelingt bisher nur unzureichend. Das Interesse der Energiewirtschaft an der Umwandlung von Sonnenlicht in den Energieträger Wasserstoff ist daher groß. Die in dem simplen Molekül gespeicherte Energie kann in Brennstoffzellen wieder verfüg- und nutzbar gemacht werden.
Lehr arbeitet mit einer speziellen Mutante von Chlamydomonas reinhardtii, die zehnmal mehr Wasserstoff produziert als der natürliche Stamm. Prof. Dr. Olaf Kruse, Algenbiotechnologe an der Universität Bielefeld, hat diese leistungsfähige Variante (stm6) durch gezielte Selektion auf Wasserstoffproduktion hergestellt. Sie erreicht einen Wirkungsgrad von zwei bis drei Prozent. Doch das reicht Lehr und seinem Chef, Prof. Clemens Posten, auf Dauer aber nicht aus. Sie wünschen sich eine Alge, die zehn Prozent der Energie aus dem Sonnenlicht nutzen und in Wasserstoff umwandeln kann.

Erste wichtige Aufgabe gelöst - Konstruktion eines Laborreaktors

In diesem neu entwickelten Photobioreaktor können Ingenieure alles messen, was wichtig ist für den Bau größerer Anlagen. Die Lichtintensität ist dank einer ausgeklügelten Konstruktion überall im Reaktor gleich. © Universität Karlsruhe / AG Bioverfahrenstechnik
Limitierender Faktor bisher sind die äußerst sauerstoffempfindlichen Hydrogenasen. Da bei der Photosynthese große Mengen an Sauerstoff entstehen, muss dieser Prozess, wie geschildert, durch Schwefelentzug gedrosselt werden. Unter den gegenwärtig möglichen Bedingungen ist irgendwann dann der Sauerstoffbedarf größer als die Menge, die noch gebildet wird, und die Wasserstoffproduktion kann beginnen. Könnte Chlamydomonas die Photosynthese auf voller Leistung laufen lassen, würden mehr Elektronen gebildet und die Energieausbeute könnte steigen. Voraussetzung dafür wäre allerdings, dass entweder der Sauerstoff im System abgefangen werden könnte, bevor er die Hydrogenasen hemmt, oder aber die empfindlichen Enzyme würden durch molekularbiologische Kniffe ihre Sensitivität gegenüber Sauerstoff verlieren. Doch diese Aufgabe müssen die Biologen lösen, die am Projekt beteiligt sind.

Die Karlsruher Bioverfahrenstechniker, die auch am Europäischen Studiengang Biotechnologie der Oberrheinischen Universitäten beteiligt sind, konzentrieren sich auf ihre Stärken: die Entwicklung von Bioreaktoren und die Optimierung der Prozessführung. Sie prüfen die Bedingungen für eine ökonomische Wasserstoffproduktion mit stm6 und entwickeln Konzepte für den Bau einer kommerziellen Anlage. Lehr hat mit der Arbeit an dem Projekt vor etwa eineinhalb Jahren begonnen. Als erstes konstruierte er einen Drei-Liter-Laborreaktor. Den brauchte er, um überhaupt messen zu können, unter welchen Bedingungen Chlamydomonas welche Wasserstoffmengen produziert. „Da gab es keinerlei vernünftige Daten“, erzählt der Ingenieur. Der kleine Forschungsreaktor ist nicht aus Glas oder Kunststoff, sondern aus Edelstahl, und das Licht stammt nicht von der Sonne, sondern von einem speziellen LED-Beleuchtungsapparat. Diese Laboranlage bietet den Wissenschaftlern ideale Messbedingungen, wenn auch eine Anlage im Freiland später sicher anders aussehen wird.

Was einfach klingt, ist harte wissenschaftliche Arbeit

Inzwischen überprüft Lehr in dem Versuchsreaktor verschiedenste Kinetiken: Bei welcher Lichtintensität produziert die Alge wie viel Wasserstoff? Wann wird die Lichtintensität so groß, dass photooxidative Prozesse beginnen und Stm6 Schaden nimmt? Welchen Einfluss hat die Temperatur auf die Energiespeicherung? Welche Dynamik lösen Hell- und Dunkelphasen aus? Da ein kontinuierlicher Wasserstofffluss Voraussetzung für eine sichere Energieversorgung ist, muss der Ingenieur prüfen, ob für eine Produktionsanlage eventuell ein Zwischenspeicher notwenig ist? Das würde sich allerdings auf den Anlagenpreis auswirken.
Mehrere, teils verbundene Röhren, die eine grüne Flüssigkeit enthalten.
Auch in diesen Röhrenreaktoren kann die Mikroalge kultiviert werden. Sie eignen sich gut, um Material für die Biomasseproduktion anzuziehen. Als Bioreaktoren für die Produktion von Wasserstoff sind sie aber nur bedingt geeignet. (Foto: AG Bioverfahrenstechnik)
„Eine Messreihe dauert mit Vor- und Nachbereitung etwa vier Wochen und auch von der technischen Seite her ist so ein Zyklus sehr aufwändig“, berichtet der Bioverfahrenstechniker. Doch nur mit Hilfe seiner Ergebnisse können die Ingenieure schon bald alle für die Wasserstoffproduktion wichtigen Parameter definiert einstellen und größere Anlagen planen. Noch in diesem Jahr soll ein 30-Liter-Bioreaktor gebaut werden. „Der wird dann schon deutliche Aspekte einer Produktionsanlage zeigen“, sagt Lehr. Spätestens 2010 soll dann im Freiland ein 250-Liter-Reaktor, als Prototyp einer großtechnischen Anlage, in Betrieb gehen. Und vielleicht ist dann ein großer Schritt gelungen hin zur Wasserstoffwirtschaft und weg von den immer knapper werdenden fossilen Brennstoffen. Die abgestorbenen Algen können übrigens auch zur Energiegewinnung genutzt werden. Durch eine Vergärung der Biomasse entsteht Methan.

kb - 25.03.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH








Weitere Informationen zum Beitrag:
Dipl.-Ing. Florian Lehr
Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik
Universität Karlsruhe (TH)
Straße am Forum 8
D-76131 Karlsruhe
Tel.: 0721/608-8312
Fax: 0721/608-7553
E-Mail: florian.lehr@mvm.uka.de































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