Biowasserstoff

Als Biowasserstoff wird Wasserstoff (H₂) bezeichnet, der aus Biomasse oder mittels lebender Biomasse hergestellt wird. Per Kværner-Verfahren produzierter Wasserstoff aus Erdgas, die übliche Form der technischen Produktion von Wasserstoff, wird nicht als Biowasserstoff bezeichnet, auch wenn die dafür nötige Energie aus Biomasse stammt.

Wasserstoff ist ein energiereiches Gas, das z. B. in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung, in Verbrennungsmotoren als Treibstoff oder in der chemischen Industrie genutzt werden kann. Derzeit spielt die energetische Nutzung noch keine wirtschaftlich relevante Rolle. Im Rahmen der Energiewende wird Wasserstoff als Speicher- und Transportform von Energie in einer sogenannten Wasserstoffwirtschaft diskutiert.

Herstellung

Die Herstellung von Wasserstoff benötigt Energie, die bei Biowasserstoff entweder aus der als Rohstoff verwendeten Biomasse oder aus Sonnenenergie stammt, die von lebender Biomasse bei der Photosynthese absorbiert wird. Zum anderen wird das Element Wasserstoff benötigt. Dieses stammt aus der als Rohstoff verwendeten Biomasse oder wird als Bestandteil von Wasser dem Herstellungs- bzw. Erzeugungsprozess zugeführt.

Herstellung aus Biomasse

Die Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse kann durch biologische und chemische Prozesse erfolgen:

Gärung

Im Labor-Maßstab kann aus energiereichen organischen Verbindungen in der Biomasse (z. B. Kohlenhydrate, Fette, Proteine) durch vergärende Bakterien neben CO₂ und oxidierten organischen Verbindungen auch H₂ gebildet werden.^[1] Bei diesem anaeroben Prozess kann von den Bakterien nur ein Teil der in der Biomasse enthaltenen Energie erschlossen werden, da Sauerstoff als Oxidationsmittel nicht zur Verfügung steht. Der gebildete Biowasserstoff kann somit einen großen Anteil der verbliebenen Energie enthalten.

Thermochemische Verarbeitung

In industriellem Maßstab kann Biowasserstoff aus Biomasse (Holz, Stroh, Grasschnitt, etc.) aber auch aus sonstigen Bioenergieträgern (Biogas, Bioethanol, etc.) durch thermochemische Verarbeitung (Vergasung oder Pyrolyse) und anschließende oder direkte Dampfreformierung („steam reforming“) hergestellt werden. Das bei der Vergasung gebildete Synthesegas besteht, je nach verwendetem Rohstoff, aus unterschiedlichen Anteilen Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH₄), Wasserstoff und anderen Komponenten. Bei der Dampfreformierung finden chemische Reaktion zwischen dem Wasserdampf und Synthesegasanteilen statt, wodurch die Wasserstoff-Ausbeute erhöht werden kann.^[2]

$\mathrm{ CH_4 + H_2O \;\overrightarrow{\leftarrow}\; CO + 3\ H_2, \ \Delta H = +206,2 kJ/mol}$

(Methan + Wasserdampf → Kohlenstoffmonoxid + Wasserstoff; endotherm; andere Gleichungen ebenfalls denkbar)

$\mathrm{ CO + H_2O \;\overrightarrow{\leftarrow}\; CO_2 + H_2, \ \ \ \Delta H = -41,2 kJ/mol}$

(Shiftreaktion; leicht exotherm)

Dieses Verfahren der Wasserstoffherstellung kommt in großem Maßstab bei der Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas zum Einsatz, z. B. zur Herstellung von Ammoniak für Stickstoffdünger (Haber-Bosch-Verfahren).

Als Endprodukte entsteht so im Wesentlichen Wasserstoff (mit einem Umwandlungs-Wirkungsgrad von ungefähr 78 %), Kohlendioxid und mineralische Asche. Zum Anfahren der Anlage kann das energiereiche Synthesegas verwendet werden. Anschließend soll sich der Prozess durch exotherme Reaktionen energetisch selbst tragen. Bisher gibt es noch keine betriebsfähige Großanlage, da Wasserstoff in großen Mengen noch nicht nachgefragt wird.

Vor- und Nachteile von Biowasserstoff aus Biomasse

Die Nutzung von Biowasserstoff bietet verschiedene Vor- und Nachteile. Die Bewertung hängt dabei im Einzelnen von den verwendeten Rohstoffen, den Herstellungsverfahren und der Art der Nutzung ab.^[2] Erschwert wird die Bewertung durch die fehlende praktische Erfahrung und bisher fehlende Relevanz der Biowasserstofferzeugung.

Vorteile

Der größte Vorteil der Energie-Versorgung mit Wasserstoff besteht darin, dass mit diesem Gas Strom und Wärme mittels potenziell sehr preiswerter Niedertemperatur-Brennstoffzellen-basierter Mikro-Blockheizkraftwerke ("BHKW") im Heizungskeller ("HyO-Box") ohne klimaschädliche Abgase erzeugt werden können. Schornsteinkamine und die entsprechenden Dienstleistungen sind nicht mehr erforderlich.

Bei der Erzeugung von Wasserstoff durch thermochemische Biomasseverarbeitung ("Vergasung") kann der Prozess so gesteuert werden, dass Holzkohle-ähnliches Biokohle-Granulat anfällt, welches, zusammen mit der angefallenen Mineral-Asche in Biomasse-Felder eingebracht, die Bodenfruchtbarkeit und insbesondere das Wasserhalte-Vermögen verbessert.

Gleichzeitig wird durch diese Verfahrensweise der Kohlendioxid-Anteil der Atmosphäre verringert. Ohne die Biokohle-Nutzung wird bei der Verarbeitung von Biomasse nur soviel CO₂ freigesetzt, wie zuvor bei der Bildung der Biomasse aufgenommen wurde. Der Kohlenstoffkreislauf ist somit geschlossen und diese Energieart daher als Klima-neutral zu klassifizieren. Klima-positiv jedoch ist diese Energie zu nennen, wenn der zuvor der Atmosphäre durch das Pflanzenwachstum entzogenen Kohlenstoff durch Boden-Einbringung der Atmosphäre über viele Jahre vorenthalten wird. Allerdings sind bei der Erstellung einer korrekten Klimabilanz sämtliche energetische Aufwendungen und Emissionen des Gesamtprozesses (Pflanzenanbau, Düngung, Verarbeitung, Transport, etc.) zu berücksichtigen.

Die Abhängigkeit von Energie-Importen wird verringert, wenn Biomasse und Bio-Wasserstoff regional erzeugt wird.

Es wird kontrovers diskutiert, welcher Modifikationsaufwand erforderlich ist, um das Gasversorgungsnetz für den Transport von Wasserstoff zu ertüchtigen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das früher von Kokereien durch Kohle-Vergasung erzeugte Stadtgas schon zu rund 60 % aus Wasserstoff bestanden hat. Ein Grund für die Kontroverse ist der Umstand, dass der überwiegende Anteil von technisch produziertem Wasserstoff aus Methan, beispielsweise aus Erdgas, gewonnen wird.

Nachteile

Blauer Turm in Herten in einer frühen Variante des Jahres 2003

Die Aufbereitung von Biomasse, Zwischenprodukten in der Herstellung und des Endprodukts ist unter ungünstigen Umständen aufwendig. Allerdings arbeitet zumindest das Logistik-System der Biomasse-Zuführung zur Erzeugung von Bio-Kraftstoffen der Firma Choren bei Freiberg weitgehend problemlos. Bei Gewinnung und Rückführung von Nährstoffen aus der verarbeiteten Biomasse in Form von Mineral-Asche auf die Anbauflächen können bestimmte Elemente wie zum Beispiel Stickstoff und Schwefel verloren gehen. Diese müssen dann durch entsprechende Kunstdünger-Zugaben ersetzt werden. Die meisten Verfahren zur Biowasserstoff-Erzeugung sind bisher erst in Pilotanlagen erfolgreich erprobt worden. Der Grundstein für eine Demonstrationsanlage (Blauer Turm) in Herten wurde 2009 gelegt. Die geplante Anlage soll 150 m³ Wasserstoff in der Stunde produzieren.^[3] Trotz erheblicher Verzögerungen hat die Haupteignerin Solar Millennium bekräftigt, das Projekt fertig zu stellen.^[4]

Herstellung mittels Biomasse

Wasserstoffherstellung mittels Algen im Labormaßstab

Zur Biowasserstoff-Herstellung kann auch lebende Biomasse (z. B. Cyanobakterien, Algen) verwendet werden. Bei einigen Stoffwechselprozessen (z. B. Photosynthese, Stickstofffixierung) durch bestimmte Enzyme (z. B. Nitrogenasen, Hydrogenasen) kann Wasserstoff entstehen. Unterschieden werden kann zwischen oxygener und anoxygener Photosynthese.

Oxygene Photosynthese

Die typische Photosynthese, z. B. von Landpflanzen und Algen, wird als oxygen (sauerstoffbildendend, siehe oxygene Photosynthese) bezeichnet, da als Produkt der Wasserspaltung Sauerstoff freigesetzt wird:

$\begin{matrix}\mathrm{6\; CO_2 + 12\; H_2O \quad \xrightarrow{h \nu} \;C_6H_{12}O_6 + 6\; O_2 + 6\; H_2O} \qquad \Delta H^0 = + 2 870\ \frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\end{matrix}$

Brutto-Reaktionsgleichung für die oxygene Photosynthese

Zweck der Photosynthese ist die Energiebereitstellung. Die Freisetzung von energiereichem Biowasserstoff bedeutet jedoch einen Verlust von Energie. Diese Prozesse treten daher nur unter bestimmten Umständen auf:

• Cyanobakterien sind in der Lage, durch Nitrogenasen den wichtigen Nährstoff Stickstoff aus der schwer zugänglichen Form N₂ (z. B. in der Luft vorliegend oder in Wasser gelöst) in biologisch zugängliche Verbindungen umzuwandeln. Basis ist diese Reaktion der Stickstofffixierung:

$\mathrm{N_2 + 8 \ H^+ + 8 \ e^- \longrightarrow 2 \ NH_3 + H_2 \!}$

Die Elektronen (e^-) und Protonen (H⁺) können aus der photosynthetischen Wasserspaltung der parallel betriebenen, sauerstoffbildenden Photosynthese stammen. Das Produkt bzw. Produktgas enthält somit sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff.

• Grünalgen betreiben ebenfalls die oxygene Photosynthese. Unter bestimmten Umständen werden die bei der photosynthetischen Wasserspaltung bereitgestellten energiereichen Elektronen nicht zur Reduktion von Kohlendioxid verwendet, sondern in einer Art Leerlaufreaktion mit Protonen (aus der umgebenden wässrigen Phase) zu Wasserstoffmolekülen umgesetzt. Diese von Hydrogenasen katalysierte Reaktion wird beispielsweise in Abwesenheit von Sauerstoff induziert. ^[1][5]

Die aufgenommene Sonnenenergie wird also nicht zunächst in Biomasse gespeichert, sondern kann direkt in Wasserstoff umgewandelt werden. Es wird versucht, in Wasserstoffbioreaktoren diesen Prozess nutzbar zu machen.^[6]

Anoxygene Photosynthese

Bei der anoxygenen Photosynthese können aus organischen Substraten oder reduzierten Schwefelverbindungen durch phototrophe Bakterien unter Verwendung der Sonnenenergie H₂ und CO₂ oder oxidierte Schwefelverbindungen gebildet werden.^[7]

Vor- und Nachteile von Biowasserstoff aus Sonnenenergie

Die Herstellung von Biowasserstoff aus Sonnenenergie mittels Stoffwechselprozessen unterscheiden sich deutlich bzw. vollständig von der Herstellung aus Biomasse. Somit sind auch andere Vor- und Nachteile gegeben.

In Algenreaktoren bzw. Photobioreaktoren kultivierte, photosynthese betreibende Algen können eine deutlich höhere energetische Produktivität pro Fläche haben als Pflanzen. Bei der photosynthetischen Erzeugung von Wasserstoff wird die Sonnenenergie direkt in einen Endenergieträger umgewandelt. Umwandlungsverluste gegenüber der Erzeugung und Nutzung von kohlenstoffbasierter Biomasse (Holz, Bioethanol, Biodiesel, Biogas etc.) könnten theoretisch verringert werden.

Die Kultivierung von Algen und Bakterien ist mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden. Eine kommerzielle Erzeugung von Wasserstoff mittels Biomasse ist derzeit nicht gegeben.^[8] Die Stoffwechselprozesse, bei denen Wasserstoff erzeugt wird, treten in der Natur nur in geringem Maße oder unter besonderen Bedingungen (Stresssituationen) auf. Eine Übertragung von Labor- auf Produktionsbedingungen ist bisher nicht absehbar.

Perspektive

Die Verfahren zur Erzeugung von Biowasserstoff befinden sich meist noch in der Entwicklung oder im Prototypeneinsatz. Praktische Erfahrungen im großtechnischen Einsatz fehlen noch. Eine abschließende Beurteilung ist daher z. Zt. nicht möglich.

Siehe auch

• Erneuerbare Energien
• Wasserstoffbioreaktor
• Wasserstoffherstellung
• Wasserstoffwirtschaft
• Liste der Wasserstofftechnologien

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Biowasserstoff.de, private Informationsseite von Prof. Dr. Röbbe Wünschiers (Hochschule Mittweida), aufgerufen am 30. November 2009
2. ↑ ^{a b} Wasserstoff aus Biomasse, Gülzower Fachgespräche, Band 25, herausgegeben von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, 2006
3. ↑ Der Blaue Turm (Quelle: Wasserstoff-Kompetenz-Zentrum Herten)
4. ↑ Blauer Turm sucht Investor (Quelle: Hertener Allgemeine Stand: 18. Mai 2011)
5. ↑ - "Lichtgetriebene Wasserstoffproduktion mit "lebendem" Katalysator", Artikel zu einem BMBF-Projekt auf www.innovations-report.de
6. ↑ - www.biotechnologie.de, Informationsseite des BMBF, abgerufen am 30. November 2009
7. ↑ Universität Köln, Originaltext vom Autor PD Dr. Röbbe Wünschiers zur Verfügung gestellt (Version vom 18. Juli 2007 21:27:32, abgerufen 15. Juli 2008 11:13)
8. ↑ - Bericht des Bundesumweltamts zur Nutzung von Mikroalgen, letzte Aktualisierung am 16. März 2009, aufgerufen am 4. Dezember 2009

Weblinks

• Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory (englisch)
• FAO - Hydrogen production (englisch)
• Maximizing Light Utilization Efficiency and Hydrogen Production in Microalgal Cultures (englisch, 384 kB, PDF-Datei)