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 Bearbeiten
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 Bearbeiten
Die Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse kann durch biologische und chemische Prozesse, sowie Dampfreformierung erfolgen:
Gärung Bearbeiten
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. 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 Bearbeiten
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 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 Reaktionen zwischen dem Wasserdampf und Synthesegasanteilen statt, wodurch die Wasserstoff-Ausbeute erhöht werden kann.
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 entstehen 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. Die Wasserstoffherstellung auf Basis der thermochemischen Biomassevergasung befindet sich im Versuchsstadium.
Vor- und Nachteile von Biowasserstoff aus Biomasse Bearbeiten
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. Erschwert wird die Bewertung durch die fehlende praktische Erfahrung und bisher fehlende Relevanz der Biowasserstofferzeugung.
Vorteile Bearbeiten
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-Ackerflächen eingebracht, die Bodenfruchtbarkeit und das Wasserhalte-Vermögen insbesondere von sandigen Böden verbessert.
Gleichzeitig wird durch diese Verfahrensweise der Kohlendioxid-Anteil der Atmosphäre verringert. Ohne die Biokohle-Bodeneinbringung würde nur soviel CO2 freigesetzt, wie zuvor bei der Bildung der Biomasse aufgenommen wurde. Der Kohlenstoffkreislauf wäre geschlossen und diese Energieart daher als nahezu Klima-neutral zu klassifizieren. Für die Erstellung einer korrekten Klimabilanz sind allerdings sämtliche Vorketten-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 werden.
Es wird kontrovers diskutiert, welcher Modifikationsaufwand erforderlich ist, um das Gasversorgungsnetz für den Transport von Wasserstoff zu den Endverbrauchs-Stellen zu ertüchtigen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das früher von Kokereien durch Kohle-Vergasung erzeugte Stadtgas schon zu rund 60 % aus Wasserstoff bestanden hat.
Nachteile Bearbeiten
Die Aufbereitung von Biomasse, Zwischenprodukten in der Herstellung und des Endprodukts ist aufwendig. 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 größere Demonstrationsanlage Blauer Turm Herten wurde 2009 gelegt. Die geplante Anlage sollte 150 m³ Wasserstoff in der Stunde produzieren. Allerdings ging der Hauptinvestor Solar Millennium Ende 2011 in Insolvenz, das Projekt wurde aufgegeben.
Herstellung mittels Biomasse Bearbeiten
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 Bearbeiten
Die typische Photosynthese, z. B. von Landpflanzen und Algen, wird als oxygen (sauerstoffbildend, siehe oxygene Photosynthese) bezeichnet, da als Produkt der Wasserspaltung Sauerstoff freigesetzt wird:
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:
- 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.
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.
Anoxygene Photosynthese Bearbeiten
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.
Vor- und Nachteile von Biowasserstoff aus Sonnenenergie Bearbeiten
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. 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.
Kosten Bearbeiten
Nach einer Studie des Fraunhofer-Institut für System und Innovationsforschung liegen die spezifischen Kosten ("Fabrikationskosten ohne Transport") für mit allothermer Wirbelschichtvergasung erzeugtem Bio-Wasserstoff bei ca. 59,0 EUR/GJ H2 (bzw. 7,1 EUR/kg H2); die bei der Erzeugung mit vergärungsbasierten Anlagen entstehenden spezifischen Kosten liegen zwischen 76,1EUR/GJ H2 (bzw. 9,1 EUR/kg H2) und 54,2EUR/GJ H2 (bzw. 6,5 EUR/kg H2).
Vergleich mit Benzin auf Masse-Basis Bearbeiten
Vergleicht man dies mit dem "Zapfsäulenpreis" von Benzin (Stand Januar 2015) von ca. 1,20 EUR pro Liter (1,6 EUR/kg Benzin), so ist Bio-Wasserstoff mindestens 4 bis 5,6-mal teurer als Benzin.
Vergleich mit Benzin auf Brennwert-Basis Bearbeiten
Wasserstoff hat einen Brennwert von ca. 142 MJ/kg. Brennwertbezogen lägen die Fabrikationskosten von Bio-Wasserstoff damit zwischen 4,5 ct/MJ und 6,4 ct/MJ. Benzin hat einen Brennwert von 43 MJ/kg was Kosten von 2,7 ct/MJ (Stand Januar 2015) entspricht. Brennwertbezogen wäre Wasserstoff somit mindestens 1,6 bis 2,37-mal teurer als Benzin.
Vergleich mit Benzin auf km-Basis Bearbeiten
Für 100 km Fahrleistung mit einer Benzin-Großraumlimousine fallen (Stand Januar 2015) ca. 7,44 EUR Kosten an. Ein vergleichbares Brennstoffzellenfahrzeug verbraucht gegenwärtig ca. 0,970 kg H2/100 km, was Bio-Wasserstoffkosten von 6,30 EUR bis 8,82 EUR pro 100 km Wegeleistung entspräche.
Perspektive Bearbeiten
Die Verfahren zur Erzeugung von Biowasserstoff befinden sich noch in der Entwicklung oder im Prototypeneinsatz. Praktische Erfahrungen im großtechnischen Einsatz fehlen noch. Die Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse steht in Konkurrenz zur Biomasseverflüssigung. Die so gewonnenen Kraftstoffe haben als Energieträger eine höhere Energiedichte und sind einfacher handhabbar. Eine abschließende Beurteilung ist z. Zt. nicht möglich.
Siehe auch Bearbeiten
Literatur Bearbeiten
- Volker Hartmann: Die Photosynthese als erneuerbare Energie: Zukünftige Produktion von Biowasserstoff aus Sonnenlicht. Springer Spektrum, Berlin 2015, ISBN 978-3-658-09186-6.
Weblinks Bearbeiten
- Hy-NOW Evaluierung der Verfahren und Technologien für die Bereitstellung von Wasserstoff auf Basis von Biomasse
- Thermochemische Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse unter besonderer Berücksichtigung der Rohgasreformierung
- Biowasserstoff Wirtschaft
- 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)
Einzelnachweise Bearbeiten
- ↑ Biowasserstoff.de, private Informationsseite von Röbbe Wünschiers (Hochschule Mittweida), aufgerufen am 30. November 2009.
- ↑ Wasserstoff aus Biomasse, Gülzower Fachgespräche, Band 25, (PDF; 6,3 MB) herausgegeben von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, 2006.
- TU Wien, 30. September 2013: Energie aus Holz - Endlich umweltfreundliche Wasserstoffproduktion, aufgerufen 8. Oktober 2013.
- M. Kamaraj, K. K. Ramachandran, J. Aravind: Biohydrogen production from waste materials: benefits and challenges. In: International Journal of Environmental Science and Technology, Band 17, Nr. 1, 2020, S. 559–576 (PDF).
- Volker Hartmann: Die Photosynthese als erneuerbare Energie. Zukünftige Produktion von Biowasserstoff aus Sonnenlicht. Springer Spektrum, Berlin 2015, ISBN 978-3-658-09186-6.
- wasserstoffstadt-herten.de: (Memento vom 2. November 2013 im Internet Archive)
- Zhijun Xu, Shengliang Wang, Chunyu Zhao, Shangsong Li, Xiaoman Liu, Lei Wang, Mei Li, Xin Huang, Stephen Mann: Photosynthetic hydrogen production by droplet-based microbial micro-reactors under aerobic conditions. In: Nature Communications. 11. Jahrgang, Nr. 1, 25. November 2020, ISSN 2041-1723, S. 5985, doi:10.1038/s41467-020-19823-5, PMID 33239636, PMC 7689460 (freier Volltext) – (englisch, nature.com).
- (Memento vom 4. November 2013 im Internet Archive), Artikel zu einem BMBF-Projekt auf www.innovations-report.de.
- biotechnologie.de: (Memento vom 4. April 2009 im Internet Archive)
- hs-mittweida.de: (Memento vom 4. März 2016 im Internet Archive), private Informationsseite von Röbbe Wünschiers (Hochschule Mittweida), Version vom 15. Januar 2010.
- (Memento vom 21. Juli 2009 im Internet Archive), letzte Aktualisierung am 16. März 2009, aufgerufen am 4. Dezember 2009.
- Roman Büttner, Christoph Stockburger: Die Wasserstoff-Offensive des Peter Ramsauer. SPIEGEL ONLINE, 19. Juni 2012, abgerufen am 28. Januar 2019.
- Ulf Bossel, Theorie und Praxis, April 2006: Wasserstoff löst keine Energieprobleme, aufgerufen 24. September 2014