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„Zwei Prozent der Sahara“: Können Algen den Energiebedarf der Welt decken?

© SNA / Natalia SeliwerstowaSahara-Wüste in Tunesien (Archivbild)
Sahara-Wüste in Tunesien (Archivbild) - SNA, 1920, 06.02.2021
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Uralte Algenarten können noch heute Wasserstoff erzeugen. Diesen Mechanismus wollen sich Forscher zunutze machen und wollen damit die Energieversorgung der Welt gewährleisten: CO2-neutral und mit nur zwei Prozent der Sahara-Fläche.
Im Zuge der Klimawende geht es zunehmend nicht nur um die Gewinnung von Wasser-, Wind- und Sonnenenergie. Denn der Strom eines sonnenreichen Tags etwa verpufft größtenteils ungenutzt, wenn der Bedarf gerade nicht besteht. Deswegen arbeiten Forscher weltweit an Systemen zur Speicherung, angefangen bei Batteriespeichern über Wärmespeichern bis hin zu chemischen Speichern wie Wasserstoff oder synthetischen Kohlenwasserstoffe.
Auch Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) machen sich für den Wasserstoff als Energiespeicher stark, allerdings wollen sie diesen nicht mit Power-to-X-Verfahren erzeugen, bei denen Wasser unter Stromzufuhr in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Diese Arbeit sollen für sie kleine lebende Organismen, Cyanobakterien, übernehmen. Es sind die einfachsten und ältesten Algen der Erde und sie haben als erste durch Photosynthese den für die Tierwelt und uns alle so wichtigen Sauerstoff hergestellt.

Mit der Hydrogenase zum Bio-Wasserstoff

„Der Stamm, mit dem wir arbeiten ist ein Süßwasserstamm. Er wurde aus einem See isoliert und ist der am besten charakterisierte Stamm, den es gibt“, erläutert der Pflanzen-Biochemiker und Biotechnologe Matthias Rögner sein Forschungsobjekt im Gespräch mit SNA-News. Die Fähigkeit der Alge, Wasserstoff herzustellen, verdankt sie einem besonderen Enzym namens Hydrogenase. Dieses funktioniere in beide Richtungen: Es stelle den Energieträger her und spalte ihn auch wieder für die Energieversorgung der Alge.
CC BY-SA 3.0 / Jaminkoo.82 / Wikimedia CommonsKristallstruktur der Hydrogenase (Symbolbild)
Kristallstruktur der Hydrogenase (Symbolbild) - SNA, 1920, 28.01.2021
Kristallstruktur der Hydrogenase (Symbolbild)
„Das war wohl am Anfang der Evolution ganz wichtig, weil es noch keinen Sauerstoff in der Atmosphäre gab“, erklärt Rögner den Grund für diesen Mechanismus. Später wurde dieser Mechanismus dann durch die Herstellung von weit energiereicheren Trägern wie Zucker und Stärke unter Nutzung von Kohlenstoffdioxid ersetzt – die Photosynthese, wie sie die gesamte Pflanzenwelt heute durchführt.
Das alte Enzym wurde von der Evolution jedoch nicht über Bord geworfen, sondern wird weiterhin von der Alge synthetisiert: „Sie verwenden das Enzym nur noch unter anaeroben Bedingungen als eine Art ‚Notventil‘“, so der Biotechnologe. Das Vorhaben der RUB-Forscher ist es, diese Reaktion wieder zur „Hauptreaktion“ werden zu lassen, allerdings unter Sauerstoffbedingungen.

Eingriff in die Photosynthese und Optimierung des Enzyms

Hierfür gelte es, das Enzym zu genetisch zu verändern, damit es nicht mehr von Sauerstoff angegriffen wird. Das optimierte Enzym soll dann direkt an die Lichtreaktionen der Photosynthese gekoppelt werden, um eine wesentlich höhere Effizienz zu gewährleisten. „Die Kunst besteht darin, die Elektronen von der CO2-Fixierung auf die Wasserstoffproduktion umzuleiten, aber nur zu so einem Anteil, dass die Algen noch überleben können“, skizziert der Forscher den Drahtseilakt. Will heißen: Die Alge produziert weiter genug Zucker oder Stärke, um sich zu erhalten und zu vermehren, aber alles, was sie über das Überleben hinaus produzieren oder in Form von Wärmeverlusten einbüßen würde, wird in die Wasserstoffproduktion abgezweigt.
Am Mechanismus, der die Elektronenübertragung regeln soll, arbeitet die Gruppe um Rögner weiterhin. Durch die Abzweigung wollen die Wissenschaftler auf eine Effizienz von zehn bis zwölf Prozent der einfallenden Sonnenenergie kommen. Das fällt zwar etwas geringer als neue Solarmodule aus, dafür hätte die Technologie entscheidende Vorteile: Sie würde chemisch gespeicherte Energie erzeugen, die bei Bedarf freigesetzt werden kann und dabei nur Licht, Luft und Wasser und keine seltenen Ressourcen benötigt. Außerdem würden sich diese Systeme selbst vervielfältigen und die dabei erzeugte Biomasse könnte zusätzlich auch noch nutzbringend als Brennstoff verwendet werden.

Wasserstoff aus Bioreaktoren: Günstig und vollautomatisch

Denn die Algen sollen sich in sogenannten Flachbettreaktoren reproduzieren. Es handelt sich um zwei parallele Glas- oder Polymerplatten mit einem Abstand von mehreren Zentimetern, die von beiden Seiten belichtet werden können. „Die haben wir für einen Labormaßstab von circa fünf Litern mit einem Industriepartner entwickelt und inzwischen im Rahmen eines Pilotprojekts auf einen 100 Liter fassenden Flachbettreaktor erweitert“, so Rögner. Solche Reaktoren können heute bereits zur Erzeugung von Biomasse an Gebäudewänden mit dem Nebeneffekt des Sonnenschutzes bei Hitze genutzt werden. Attraktiv wären sie vor allem für südlichere Gebiete – allen voran in der Wüste, in der ein Betrieb das ganze Jahr möglich wäre.
© Foto : KSD / Biochemie der Pflanzen RUBEin Photobioreaktor aus dem Labor mit einem Fassvermögen von 100 Litern
Ein Photobioreaktor aus dem Labor mit einem Fassvermögen von 100 Litern - SNA, 1920, 28.01.2021
Ein Photobioreaktor aus dem Labor mit einem Fassvermögen von 100 Litern
Der Betrieb sei einfach und vollautomatisierbar. „Wir haben einen kontinuierlichen Reaktor: Die Algen wachsen ständig und wir führen immer so viel Nährmedium zu, dass die Dichte immer dieselbe bleibt. Damit ist auch eine gleichmäßige Belichtung der Algen garantiert. Es werden also ständig Algen rausgespült und ständig neues Medium nachgefüllt“, erklärt der Forscher. „Das Medium muss natürlich ständig ausgetauscht werden, damit sich die Nährstoffe darin nicht erschöpfen.“
Je nach Region würden sich unterschiedliche Algenarten empfehlen. Bei einer Wüstengegend mit angrenzender Küste etwa wären Meerwasseralgen sinnvoll. Für eine kontinuierliche Wasserversorgung könnten Pumpen kostengünstig sorgen. In seinem Labor sei ein Flachbrettreaktor bereits neun Monate am Stück vollautomatisch gelaufen, merkt Rögner an. Und: „Es gibt Firmen in Florida oder Mexiko, die solche Algen schon anziehen auf Wüstenboden am Meer.“

Zwei Prozent Sahara für Energiebedarf der Welt

Die Wissenschaftler haben auch bereits eine grobe Rechnung durchgeführt, wie viele solcher Reaktoren es bräuchte, um den Weltenergiebedarf zu decken. Rögner bezeichnet diese allerdings als „Milchmädchenrechnung“, da hier einige Annahmen gemacht werden, die noch überprüft werden müssen. Nach der Rechnung bräuchte die Welt zwei Prozent der Fläche der Sahara, die mit Reaktoren à 200 Liter ausgestattet würde. Voraussetzung ist vor allem, dass die Algen es auch wirklich schaffen, 200 Milliliter Wasserstoff pro Liter Algenflüssigkeit je Stunde herzustellen. Das ließe sich durchführen, wenn die Alge nur 25-30 Prozent der Energie zum Überleben und Reproduzieren braucht, die in die Photosynthese einfließt und man ihr den Rest für die Wasserstoffproduktion abzweigen kann.
Der Wüstenboden biete auch den Vorteil, dass er in keiner Konkurrenz zu Ackerland stehe, das für die Nahrungsmittelproduktion genutzt werden kann. Es gebe auch bereits Firmen in Florida und Mexiko, die Algen auf ähnliche Weise in der Wüste einsetzten. Dort gehe es allerdings um Versuche, Ethanol herzustellen. Auch den RUB-Forschern geht es nicht um den Wasserstoff allein, denn wenn gezeigt wird, dass die Photosynthese auf solche Weise genutzt werden kann, dann könnten unterschiedlichste Enzyme die entnommene Energie auch für die Synthese diverser Produkte verwenden.
Das Interview mit Matthias Rögner zum Nachhören:
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