Wasserstoff als Energieträger der Zukunft?

Bakterien bereiten Weg zu einer biologischen Speicherung des Gases

  • Abb1.PNGAbb. 1: Wasserstoffspeicherung durch Bakterien. Ein Ganzzellsystem von Acetobacterium woodii erlaubt es, Wasserstoff mit CO2 als Ameisensäure zu speichern. Als alternatives Substrat kann Synthesegas aus Verbrennungsprozessen zur Produktion von Ameisensäure verwendet werden. Abbildung aus [8] mit freundlicher Genehmigung des Science Magazine.Abb1.PNGAbb. 1: Wasserstoffspeicherung durch Bakterien. Ein Ganzzellsystem von Acetobacterium woodii erlaubt es, Wasserstoff mit CO2 als Ameisensäure zu speichern. Als alternatives Substrat kann Synthesegas aus Verbrennungsprozessen zur Produktion von Ameisensäure verwendet werden. Abbildung aus [8] mit freundlicher Genehmigung des Science Magazine.
  • Abb1.PNGAbb. 1: Wasserstoffspeicherung durch Bakterien. Ein Ganzzellsystem von Acetobacterium woodii erlaubt es, Wasserstoff mit CO2 als Ameisensäure zu speichern. Als alternatives Substrat kann Synthesegas aus Verbrennungsprozessen zur Produktion von Ameisensäure verwendet werden. Abbildung aus [8] mit freundlicher Genehmigung des Science Magazine.
  • Abb. 2: Modell der Wassertoff-abhängigen CO2-Reduktase aus Acetobacterium woodii. Das gereinigte Enzym katalysiert die reversible Hydrogenierung von CO2. Durch eine alternative Eintrittpforte ist auch die Nutzung von Kohlenmonoxid als Substrat zur Reduktion von CO2 möglich [6].

Nachhaltige Alternativen zur Nutzung fossiler Brennstoffen sind eines der größten Probleme für die jetzigen und kommenden Generationen. Vorhersagen sehen die Spitze der weltweiten Ölförderung innerhalb der nächsten Dekaden. Erdgas, Kohle oder neuartige Fördermethoden wie das vieldiskutierte „Fracking“ können das verfügbare Zeitfenster nur verlängern, aber keine nachhaltige Lösung liefern. In Anbetracht der Klimaerwärmung durch den antrophogenen CO2-Ausstoß stellt sich die Frage, ob wir dieses Zeitfenster denn tatsächlich vollständig nutzen wollen. Wie könnte eine Alternative aussehen?

Neben der bisher unbegrenzten Verfügbarkeit liegt ein Hauptvorteil bei der Nutzung von fossilen Brennstoffen in dem einfachen Transport und der leichten Speicherung von großen Energiemengen. Dies spiegelt sich seit mehr als einem Jahrhundert in dem durchschlagenden Erfolg als Energielieferant für Transportmittel aller Art wieder. Die alternative Speicherung von Energie in Form eines elektrischen Feldes, in Batterien und Akkus ist ein nicht wegzudenkender Begleiter in Geräten des Alltags und auch die ersten Serienfahrzeuge mit Elektroantrieb begegnen uns auf den Straßen. Im Vergleich zu Erdöl überwiegen aber die Nachteile. Lange Ladezeiten, ein großer Platzbedarf und eine vergleichsweise geringe Haltbarkeit der Akkumulatoren trüben die Alltagstauglichkeit und verlangen nach Weiterentwicklung. Darum lohnt sich der Blick auf eine zweite Alternative: Wasserstoff.

Wasserstoff: ein flüchtiger Bekannter
Das chemische Element mit nur einem Proton und einem Elektron ist das häufigste auf der Erde, aber nur ein verschwindend geringer Teil kommt natürlicherweise als molekularer, gasförmiger Wasserstoff vor. Ein Großteil des Wasserstoffs ist als H2O in Wasser gespeichert. Das Gas kann durch Elektrolyse hieraus freigesetzt werden. Eine anschließende Verbrennung mit Sauerstoff setzt die Energie wieder frei. Dies geschieht entweder direkt in einem Verbrennungsmotor oder kann über den elektrochemischen Weg in einer Brennstoffzelle vollführt werden.

Letzterer Prozess liefert Energie in Form von Strom und hat im Vergleich zur Verbrennung eine annähernd doppelt so hohe Effizienz. Bei beiden Prozessen entsteht als einziges Endprodukt Wasserdampf. Unter der Voraussetzung, dass der Strom zur Elektrolyse aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wird, ist der gesamte Prozess CO2 neutral. Heutzutage wird Wasserstoff noch zum überwiegenden Teil aus Erdgas gewonnen und große Anstrengungen sind zukünftig nötig, um eine nachhaltige und kostengünstige „grüne“ Wasserstoffproduktion zu etablieren. Eine große Herausforderung ist auch die Lösung eines anderen Hauptproblems zur Nutzung von Wasserstoff als Energieträger: Der sichere und effiziente Transport sowie die Speicherung des Gases.

Die geringe Molekülmasse bedingt, dass Wasserstoff das höchste Diffusionsvermögen aller Gase besitzt und sich nur in Behältern aus absolut porenfreien Materialien speichern lässt. Darüber hinaus ist die Energiedichte von gasförmigem Wasserstoff wenig zufriedenstellend. Um einen durchschnittlichen PKW mit genügend Energie für eine Reichweite von 400 km zu versorgen sind ca. 4 kg Wasserstoff nötig (unter Verwendung einer Brennstoffzelle als Antrieb). Bei Atmosphärendruck entspricht dies 45.000 l explosiven Gases. Verschiedene Ansätze werden diskutiert um das Volumenproblem zu lösen. Dazu gehören Hochdruck- Tanksysteme, die Speicherung von flüssigem Wasserstoff, die Verwendung von Metallhydriden, Kohlenstoff-Nanoröhren oder poröse metallorganische Materialien. Die beiden erstgenannten Methoden haben den Nachteil der Notwendigkeit von speziellen Vorrichtungen zum Umgang mit hohen Drücken und damit einhergehendem zusätzlichem Gewicht sowie des großen Energieaufwands im Fall der Verflüssigung von Wasserstoff bei -252 °C. Die letztgenannten Methoden leiden unter geringen Speicherkapazitäten oder ungünstigen energetischen Verhältnisse zur Bindung und Freisetzung des gespeicherten Gases [1].

Fixierung in Ameisensäure
Eine weitere Alternative stellt die Speicherung von Wasserstoff in einer chemischen Bindung dar. Ein in den letzten Jahren zunehmend diskutierter Trägerstoff ist CO2 dar [2]. Reagiert Wasserstoff mit CO2, entsteht Ameisensäure. Im Unterschied zu beiden gasförmigen Ausgangsstoffen ist das Produkt bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit. Ameisensäure bzw. seine Salze (Formiate) sind nicht giftig, weniger explosiv und flüssige Ameisensäure hat einen Wasserstoffanteil von 4,4%. Damit lässt sich die diskutierte Menge von 45.000 l gasförmigen Wasserstoffs theoretisch in nur 75 l Flüssigkeit speichern. Die Ameisensäure könnte zur direkten Energieversorgung von elektrischen Geräten mit Hilfe einer Ameisensäure-Brennstoffzelle eingesetzt werden. Alternativ kann der Wasserstoff am Verbrauchsort zur Umsetzung in einer klassischen Brennstoffzelle wieder freigesetzt werden. Bei neutralem pH läuft die Reaktion ohne großen Energieaufwand in beide Richtungen, eine essentielle Vorraussetzung für ein Speichermedium.

Enzyme statt Übergangsmetall
Chemische Katalysatoren zur Bindung von Wasserstoff an CO2 (Hydrogenierung) sind seit langem im Fokus der Forschung. Beste Ergebnisse ließen sich bisher mit Katalysatoren erzielen, welche Übergangsmetalle wie Iridium oder Ruthenium enthalten [3]. Für hohe Umsatzraten sind aber hohe Drücke der Gase und/ oder hohe Temperaturen notwendig. Dies bedeutet einen zusätzlichen Energieverlust auf dem Weg der Wasserstoff-Versorgung.

Bei der Katalyse chemisch anspruchsvoller Reaktionen lohnt sich oft ein Blick in die Biologie. Die Fixierung von anorganischem CO2 zu organischem Material ist ein Milliarden- Jahre altes Problem autotropher Lebewesen. Bisher konnten sechs Wege zur Lösung dieses Problems aufgeklärt werden, wobei unterschiedlichste Strategien zur Aktivierung und Umsetzung von CO2 zu beobachten sind [4]. Obwohl auch Wasserstoff eine große Rolle im Stoffwechsel zahlreicher Organismen spielt, war bisher kein Enzym bekannt, das die direkte Hydrierung von CO2 zu Ameisensäure katalysiert. Zwei Gruppen von Organismen, die auf der Suche nach einer biologischen Lösung zu diesem Problem besonders hervorstechen, sind sogenannte methanogene Archaeen und acetogene Bakterien. Mitglieder beider Gruppen sind in der Lage, alleine durch die Umsetzung von Wasserstoff und CO2 ihre Energie zum Leben zu gewinnen. Dabei sind die Endprodukte Methan bzw. Essigsäure. Der erste Schritt auf dem Weg zur Essigsäure in acetogenen Bakterien ist dabei die Reduktion von CO2 zu Ameisensäure. In einem der Modellorganismen dieser Gruppe, Acetobacterium woodii [5], konnte im vergangenen Jahr nun erstmals ein Enzym identifiziert werden, das diese Reaktion durch direkte Reaktion von Wasserstoff mit CO2 katalysiert [6].

Enzyme, die CO2 zu Ameisensäure umsetzen, sogenannte Formiat-Dehydrogenasen, sind seit vielen Jahren bekannt. Diese verwenden aber externe Überträger für die zur Reduktion nötigen Elektronen. Das jetzt entdeckte Enzym, getauft auf den Namen Wasserstoff-abhängige CO2-Reduktase, katalysiert die direkte Hydrierung von CO2 und eröffnet somit eine biologische Alternative zur Wasserstoff- Speicherung in der Form von Ameisensäure. Im Vergleich zu bisher bekannten chemischen Katalysatoren läuft die Reaktion bei Raumtemperatur und atmosphärischen Drücken mit ca. 1000-fach schnellerer Geschwindigkeit ab. Das Enzym erlaubt dabei mit annähernd gleichen Geschwindigkeiten die Speicherung und Freisetzung von Wasserstoff.

Bekterium auf Natrium-Diät
Die Isolierung eines Enzyms für biotechnologische Anwendungen ist immer mit Kosten und zusätzlichem Arbeitsaufwand verbunden. Aus diesem Grund wurde versucht, nicht nur das isolierte Enzym, sondern die ganze Bakterienzelle als Katalysator zu verwenden. Dies gelang bei Acetobacterium woodii durch das Entfernen von Natriumchlorid aus dem Wachstumsmedium. Natrium-Ionen sind essentiell für die Energieionisierung des Bakteriums [7]. Durch die Natrium-Diät kommt der normale Stoffwechsel zum Erliegen und statt Essigsäure entsteht als Endprodukt nun Ameisensäure. Ohne genetische Modifikation ist man damit in der Lage, ein Ganzzell-System zur Wasserstoffspeicherung einzusetzen bzw. die produzierte Ameisensäure für andere Prozesse zu verwenden. Sie ist Ausgangsmaterial für Synthesen in der chemischen Industrie und wird als Insektizid, Konservierungsstoff und Enteisungsmittel eingesetzt.

Fazit
Ein weiter Weg ist noch zu gehen, bis wir vollständig unabhängig von fossilen Brennstoffen sein werden. Wasserstoff stellt auf diesem Weg eine vielversprechende Alternative als Energieüberträger dar. Trotz vieler Hürden und Probleme machen die zunehmenden Fortschritte aus der Chemie, Physik und Biologie Hoffnung auf eine nachhaltige Lösung der Probleme der Produktion und Speicherung von Wasserstoff sowie der nachfolgenden Energiefreisetzung.

Literatur
[1] Schlapbach L. und Zuttel A.: Nature 414, 353-358 (2001)
[2] Enthaler S. et al.: Energy Environm. Sci. 3, 1207-1217 (2010)
[3] Hull J. F. et al.: Nat. Chem. 4, 383-388 (2012)
[4] Fuchs G. et al.: Ann. Rev. Microbiol. 65, 631-658 (2011)
 [5] Poehlein A. et al.: PLoS One 7, e33439 (2012)
[6] Schuchmann K. und Müller V.: Science 342, 1382-1385 (2013)
[7] Heise R. et al.: J. Bacteriol. 171, 5473-5478 (1989)
[8] Pereira I.: Science 342, 1329- 1330 (2013)

 

Weitere Beiträge zum Thema Wasserstoff: http://bit.ly/Wasserstoff
Stand der Forschung zur elektrochemischen Energiespeicherung: http://bit.ly/GIT-Akku

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