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12:21 19 Oktober 2019
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    Sahara-Wüste in Tunesien (Archivbild)

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

    © Sputnik / Natalia Seliwerstowa
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    Uralte Algenarten können noch heute Wasserstoff erzeugen. Diesen Mechanismus wollen sich Forscher zunutze machen und damit die Energieversorgung der Welt absichern: 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 Tages etwa verpufft größtenteils ungenutzt, wenn der Bedarf gerade nicht besteht. Deswegen arbeiten Forscher weltweit an Systemen zur Strom-Speicherung, angefangen bei Batteriespeichern, über Wärmespeicher, bis hin zu chemischen Speichern wie Wasserstoff oder synthetische Kohlenwasserstoffen.

    Auch Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) machen sich für Wasserstoff als Energiespeicher stark, allerdings wollen sie diesen nicht mit sogenannten Power-to-X-Verfahren erzeugen, bei denen Wasser unter Stromzufuhr in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Diese Arbeit sollen kleine lebende Organismen, sogenannte Cyanobakterien für sie übernehmen. Es sind die einfachsten und ältesten Algen der Erde und sie haben als erste durch Photosynthese den für die Tierwelt so wichtigen Sauerstoff hergestellt.

    Mit 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 Matthias Rögner sein Forschungsobjekt im Sputnik-Gespräch. Die Fähigkeit der Alge, Wasserstoff herzustellen, verdankt sie einem besonderen Enzym namens Hydrogenase. Dieses funktioniere in beide Richtungen: Es stellt den Energieträger her und spalte ihn auch wieder für die Energieversorgung der Alge.

    Kristallstruktur der Hydrogenase (Symbolbild)
    Kristallstruktur der Hydrogenase (Symbolbild)

    „Das war wohl am Anfang der Evolution ganz wichtig, weil es noch keinen Sauerstoff in der Atmosphäre gab und Wasserstoff als Energiequelle mittels der Hydrogenase diente“, erklärt Rögner den Grund für diesen Mechanismus. Später wurden ausschließlich durch die Fixierung von Kohlenstoffdioxid weit energiereichere Träger wie Zucker und Stärke erzeugt – die Photosynthese, wie sie auch die höheren Pflanzen durchführen.

    Das alte Enzym wurde von der Evolution jedoch nicht über Bord geworfen, sondern wird weiterhin von der Alge unter bestimmten Bedingungen synthetisiert: „Sie verwenden das Enzym nur noch unter anaeroben Bedingungen als eine Art „Notventil““, so der Biochemiker. Das Vorhaben der RUB-Forscher ist es, diese Reaktion wieder zur „Hauptreaktion“ werden zu lassen, damit sie auch unter Sauerstoffbedingungen ablaufen kann.

    Ein Photobioreaktor aus dem Labor mit einem Fassvermögen von 100 Litern
    © Foto : KSD / Biochemie der Pflanzen RUB
    Ein Photobioreaktor aus dem Labor mit einem Fassvermögen von 100 Litern

    Eingriff in die Photosynthese und Optimierung des Enzyms

    Hierfür gelte es, das Enzym zu genetisch so zu verändern, dass es nicht mehr durch Sauerstoff deaktiviert und zusätzlich an den photosynthetischen Elektronentransport gekoppelt wird. „Die Kunst besteht darin, dass man die Elektronen von der CO2-Fixierung auf die Wasserstoffproduktion umleitet, 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 produziert 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 10-12 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 fällt Biomasse als verwertbares Produkt an – der Brennwert getrockneter Cyanobakterien liegt zwischen dem von Braun- und Steinkohle.

    Wasserstoff aus Bioreaktoren: Günstig und vollautomatisch

    Die Algen sollen in sogenannten Flachbettreaktoren angezogen werden, bei denen zwei parallele Glas- oder Polyamidplatten mit einem Abstand von wenigen Zentimetern von beiden Seiten belichtet werden können. „Die haben wir im Labormaßstab von bis zu 100 Litern hergestellt“, 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 der Wüste, in der ein Betrieb das ganze Jahr möglich wäre.

    Der Betrieb sei einfach und vollautomatisierbar. „Wir haben einen kontinuierlichen Reaktor entwickelt, in dem die Algen ständig wachsen, mit neuem Nährmedium versorgt und kontinuierlich verdünnt werden, damit die Dichte immer konstant bleibt. Damit ist auch eine optimale Belichtung der Algen unter Vermeidung von Beschattungseffekten garantiert. Es werden also ständig Algen rausgespült und ständig neues Medium nachgefüllt, um konstante Bedingungen und optimales Wachstum zu gewährleisten“, erklärt der Forscher.

    Je nach Region würden sich unterschiedliche Algenarten empfehlen. Besonders effizient wäre eine Wüstengegend mit angrenzender Küste, an der Meeresalgen in Photobioreaktoren angezogen werden. Die kontinuierliche Wasserversorgung wäre auf diese Weise sehr billig. Im Labor sei ein Flachbrettreaktor bereits problemlos 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 mit Hilfe von Ingenieuren 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 Voraussetzungen gemacht werden. Nach dieser Rechnung wären für die Deckung des Weltenergiebedarfs ca. zwei Prozent der Fläche der Sahara notwendig, wenn diese mit Reaktoren à 200 Liter bestückt  würde. Voraussetzung ist allerdings, dass die gentechnisch veränderten Algen 200 Milliliter Wasserstoff pro Liter Algenkultur und pro Stunde erzeugen. Dies wäre realisierbar, wenn es gelingt, die Alge so zu verändern, dass sie nur 25-30 Prozent der Energie für ihr Überleben benötigt und bis zu Dreiviertel der Energie für die Wasserstoffproduktion übrig bliebe.

    ​Auf dem Bild: Matthias Rögner (links) und Marc Nowaczyk untersuchen die besonderen Eigenschaften von Proteinen, die in Cyanobakterien für die Fotosynthese entscheidend sind

    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 zu erzeugen. Auch den RUB-Forschern geht es nicht um den Wasserstoff allein, denn wenn plausibel gemacht werden könnte, dass Photosynthese für die Wasserstoffproduktion verwertet werden kann, dann könnte diese Energie auch für die Erzeugung anderer energiereicher Produkte verwendet werden.

    Das Interview mit Matthias Rögner zum Nachhören:

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    Tags:
    CO2, Forschung, Klimawandel, Wüste, Algen, Sahara