Wasserstofftechnologie: Einfache Wasserstoff-Synthese aus Pflanzenzucker?
Wasserstoff als Treibstoff der Zukunft könnte in größeren Mengen klimaneutral, kostengünstig und effizient aus Stärke gewonnen werden. Dies hoffen US-amerikanische Wissenschaftler nach Versuchen, in denen sie mit einem Gemisch aus bakteriellen Enzymen, Zuckerketten und Wasser H2 produzierten.
Das Team um Percival Zhang von der Virginia-Tech-Universität in Blacksburg perfektionierte dazu frühere Versuche, mit natürlichen Bakterien-Enzymen Zucker zu Wasserstoff und Kohlendioxid abzubauen. Um die bescheidene Ausbeute des Endproduktes dieser Reaktion zu erhöhen, kombinierte Zhang nun 13 ausgewählte Proteine verschiedener Bakterien und Archaeen, die in Zellen typische Reaktionsketten beim Zuckerabbau und der Wasserstoffproduktion bilden. Zudem diente den Wissenschaftlern als H-haltige Ausgangssubstanz Stärke, der verbreitete Speicherstoff von Pflanzen.
In einer ersten von drei Reaktionsketten in Zhangs Bioreaktor spaltet ein Enzym Stärke mit Wasser und Phosphat zu energiereichem Glukosephosphat. Dieses wird dann mit Proteinen des so genannten Pentosephosphatweges abgebaut, wobei der typische Wasserstoffträger NADP+ die Wasserstoffe des Zuckers übernimmt und Kohlendioxid entsteht. Im letzten Schritt übergibt das reduzierte NADPH den Wasserstoff auf Protonen, wodurch H2 gebildet wird. Da dieses sich gasförmig dem Reaktionsgemisch entzieht und die Gesamtreaktionen insgesamt Energie erzeugen statt sie zu verbrauchen, laufen sie in der Summe spontan in eine Richtung.
Stärke als Ausgangsmaterial sei anders als elementarer Wasserstoff selbst gefahrlos zu speichern. Zudem habe sie eine höhere Wasserstoffdichte als andere potenzielle H2-Quellen, so Zhang. Mit seinem Ansatz seien kleine transportable Bioreaktoren denkbar, die vor Ort bei Bedarf Wasserstoff produzieren, der dann in einem Nachfolgeschritt direkt in Elektrizität umgewandelt wird.
"Über den Daumen", so die Forscher, sei die Methode mit Produktionskosten von etwa zwei US-Dollar pro Kilogramm Wasserstoff auch kosteneffizient, wenn die üblichen Preise zur Agrarproduktion der stärkeliefernden Nutzpflanzen eingerechnet werden. Im Vergleich kam etwa die Wasserstoffproduktion aus Erdgas 2005 etwas teurer. Preise von unter zwei bis drei US-Dollar unterschreiten Zielvorgaben des US-amerikanischen Energieministeriums für eine sich rechnende Wasserstoffwirtschaft. Das Forscherteam hält es zudem für möglich, die Preise für die verwendeten Enzyme und Ausgangsmaterialien weiter zu senken.
Besonders aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnener Wasserstoff gilt als klimaneutraler Energieträger der Zukunft. H2 zu gewinnen ist derzeit jedoch sehr kostspielig, sein Transport verlangt nach großen Speichertanks und ist nicht ungefährlich. (jo)
Das Team um Percival Zhang von der Virginia-Tech-Universität in Blacksburg perfektionierte dazu frühere Versuche, mit natürlichen Bakterien-Enzymen Zucker zu Wasserstoff und Kohlendioxid abzubauen. Um die bescheidene Ausbeute des Endproduktes dieser Reaktion zu erhöhen, kombinierte Zhang nun 13 ausgewählte Proteine verschiedener Bakterien und Archaeen, die in Zellen typische Reaktionsketten beim Zuckerabbau und der Wasserstoffproduktion bilden. Zudem diente den Wissenschaftlern als H-haltige Ausgangssubstanz Stärke, der verbreitete Speicherstoff von Pflanzen.
In einer ersten von drei Reaktionsketten in Zhangs Bioreaktor spaltet ein Enzym Stärke mit Wasser und Phosphat zu energiereichem Glukosephosphat. Dieses wird dann mit Proteinen des so genannten Pentosephosphatweges abgebaut, wobei der typische Wasserstoffträger NADP+ die Wasserstoffe des Zuckers übernimmt und Kohlendioxid entsteht. Im letzten Schritt übergibt das reduzierte NADPH den Wasserstoff auf Protonen, wodurch H2 gebildet wird. Da dieses sich gasförmig dem Reaktionsgemisch entzieht und die Gesamtreaktionen insgesamt Energie erzeugen statt sie zu verbrauchen, laufen sie in der Summe spontan in eine Richtung.
Stärke als Ausgangsmaterial sei anders als elementarer Wasserstoff selbst gefahrlos zu speichern. Zudem habe sie eine höhere Wasserstoffdichte als andere potenzielle H2-Quellen, so Zhang. Mit seinem Ansatz seien kleine transportable Bioreaktoren denkbar, die vor Ort bei Bedarf Wasserstoff produzieren, der dann in einem Nachfolgeschritt direkt in Elektrizität umgewandelt wird.
"Über den Daumen", so die Forscher, sei die Methode mit Produktionskosten von etwa zwei US-Dollar pro Kilogramm Wasserstoff auch kosteneffizient, wenn die üblichen Preise zur Agrarproduktion der stärkeliefernden Nutzpflanzen eingerechnet werden. Im Vergleich kam etwa die Wasserstoffproduktion aus Erdgas 2005 etwas teurer. Preise von unter zwei bis drei US-Dollar unterschreiten Zielvorgaben des US-amerikanischen Energieministeriums für eine sich rechnende Wasserstoffwirtschaft. Das Forscherteam hält es zudem für möglich, die Preise für die verwendeten Enzyme und Ausgangsmaterialien weiter zu senken.
Besonders aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnener Wasserstoff gilt als klimaneutraler Energieträger der Zukunft. H2 zu gewinnen ist derzeit jedoch sehr kostspielig, sein Transport verlangt nach großen Speichertanks und ist nicht ungefährlich. (jo)
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