Energieträger der Zukunft
Windräder, Algen und Frittenbuden erzeugen Wasserstoff

Wasserstoff ist einer der Energieträger der Zukunft. Durch den Einsatz von Wasserstoff kann der Ausstoß des Klimagases CO2 reduziert werden. Unklar ist bislang nur, wie der Energieträger im großen Stil industriell hergestellt werden soll. Forscher setzen vor allem auf umweltverträgliche saubere Produktionsverfahren.

Das Rezept klingt höchst simpel: Man nehme eine Brennstoffzelle, verbrenne molekularen Wasserstoff mit Luftsauerstoff und erhalte Energie und als Abgas reines Wasser - eine saubere Angelegenheit. Das Problem: Für Wasserstoff gibt es keine Lagerstätten. Er muss mit relativ aufwendigen Verfahren aus chemischen Verbindungen herausgetrennt werden.

Dazu verwenden die Ingenieure bislang zwei Grundtechniken. Zum einen die elektrolytische Aufspaltung des Wassermoleküls durch Anlegen eines elektrischen Stroms, wobei der Wirkungsgrad 60 bis 70 % beträgt; maximal 70 % der eingesetzten Energie lassen sich in Wasserstoff umwandeln und auf diese Weise speichern. Zum anderen gibt es das chemische Zerlegen ("Cracken") von Kohlenwasserstoffen wie Erdgas oder Alkohol in so genannten "Reformern". Bei der Wasserstoffgewinnung aus Erdgas lassen sich heute Wirkungsgrade bis zu 79 % erzielen.

Umweltverträglich sind beide Verfahren allerdings nur, wenn der zur Wasserstoffgewinnung verwendete Energieträger regenerativ ist. Nutzt man etwa den Strom aus einem Kohlekraftwerk, entsteht bei der Kohleverbrennung das Treibhausgas CO2, und nichts wäre gewonnen. Bereits heute werden beträchtliche Mengen an Wasserstoff produziert, pro Jahr sind es weltweit rund 500 Milliarden Kubikmeter.

Chemiekonzerne benötigen viel Wasserstoff

Hauptnutzer sind Chemiekonzerne, sie verwenden Wasserstoff zur Produktion von Düngemitteln, Farb- und Kunststoffen, sowie die Mineralölindustrie. Sie benötigt das Gas, um ihre Kraftstoffe zu verbessern. Der Anteil des regenerativ gewonnenen Wasserstoffs liegt bislang bei gerade mal einem Prozent.

"In den nächsten fünf bis zehn Jahren dürfte sich vor allem die Wasserstoffgewinnung aus Biogas als umweltfreundliche Methode am Markt durchsetzen", glaubt Uwe Wurdel vom Innovationsforum Wasserstoff-Technologie in Mecklenburg-Vorpommern. "Langfristig setzen wir auf Windkraft und Solarenergie."

Die Windenergie etwa könnte über zahlreiche Offshore-Windparks im großen Maßstab zur Wasserstoffproduktion beitragen. "Um 50 % des heutigen Mineralölverbrauchs im Verkehrssektor mit Wasserstoff zu ersetzen, braucht man 33 000 Windräder mit je 4,5 Megawatt Leistung", rechnet man bei Branchenführer Enercon vor. "Bei einem 100-Jahre-Szenario entspricht dies lediglich 330 Anlagen pro Jahr."

Japaner entwickeln neuen Katalysator

Doch die Forscher basteln auch an ganz neuen Konzepten zur umweltfreundlichen Wasserstofferzeugung. So haben japanische Wissenschaftler einen neuen, pulverförmigen Katalysator entwickelt. Er ermöglicht es, Wasser allein mit Lichtenergie zu spalten und damit die Sonnenenergie direkt zu nutzen. Vorbild ist die Photosynthese der Pflanzen, die das Licht nutzen, um Zuckermoleküle aufzubauen.

Die Basis des Photokatalysators ist ein Halbleiter namens Indium- tantalat. Die Forscher tauschten bis zu 20 % des Indiums durch Nickel aus. Damit kann der Katalysator besser Licht absorbieren und das Wasser spalten.

Zwar sind Photokatalysatoren nichts Neues, man kennt sie seit 30 Jahren. Allerdings arbeiten die bisher bekannten Verbindungen nur mit UV-Licht und eignen sich damit nicht für den praktischen Gebrauch. Der neue Photokatalysator hingegen verwertet sichtbares blaues Licht. In absoluten Zahlen nimmt sich seine Leistung allerdings noch bescheiden aus: Lediglich 0,66 % Lichtausbeute schlagen zu Buche. Den Wirkungsgrad wollen die Forscher nun steigern, indem sie die innere Oberfläche des Materials vergrößern.

Wasserstoff von Algen könnte Laptops antreiben

Eine zweite Idee kommt aus Deutschland: Demnach könnten Algen den Wasserstoff produzieren, der künftig Autos antreiben und Laptops mit Strom versorgen soll. Wissenschaftler der Universität Bonn haben aus Grünalgen das Gen für die Wasserstoffproduktion isoliert und einen Algenstamm gentechnisch so verändert, dass er mehr als doppelt so viel Wasserstoff erzeugen kann wie zuvor.

Seit sechzig Jahren ist bekannt, dass Grünalgen aus Wasser Sauerstoff und Wasserstoff produzieren können. Dabei hilft ihnen ein Zelleiweiß, das Enzym Hydrogenase; die nötige Energie liefert die Photosynthese. Den Bonner Forschern ist es gelungen, das Gen mit dem Bauplan der Hydrogenase aus verschiedenen Grünalgen zu isolieren.

In einem internationalem Projekt versuchen die Forscher nun, die Hydrogenase an künstlichen Membranen zu befestigen. Bei Sonneneinstrahlung, so ihr Kalkül, könnte eine solche wartungsarme biochemische Batterie Wasserstoff herstellen. Die zweite Variante ist, gentechnisch manipulierte Grünalgen direkt als einzellige "Galeerensklaven" für die Energieproduktion einzuspannen.

An der Fachhochschule Gelsenkirchen hat Wolfgang Stürzebecher untersucht, ob sich das verbrauchte Fett aus Frittenbuden zur Wasserstoffgewinnung nutzen lässt. Rund 350 000 Tonnen Altfette fallen jährlich in Deutschland an. Von Wasser und Feststoffen befreit wurde der größte Teil bisher in der Tiermast verfüttert. Da tierische Altöle und-fette aber im Verdacht stehen, Giftstoffe zu enthalten und seit kurzem nicht mehr verfüttert werden dürfen, suchte Stürzebecher nach Alternativen und fand heraus, wie man aus diesen Abfallstoffen Energie gewinnt. Das Ergebnis: Indem man sie reinigt und chemisch sowie biologisch behandelt, entstehen nicht nur Biodiesel und Biogas, sondern auch Wasserstoff.

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