AK MODUL-BUS Computer GmbH unterstützt Wasserstoff-Bioreaktor-Projekt

von Dr. Röbbe Wünschiers

11.12.01

Die weltweiten zugänglichen Reserven an Energierohstoffen sind beschränkt. Die Vorräte an nicht erneuerbaren Energierohstoffen wie Kohle, Erdöl, Erdgas und Kernbrennstoffe wird auf rund 32400 Etajoule geschätzt. Diese Zahl klingt groß, wird aber erstaunlich klein, wenn ihr man den gegenwärtigen Weltenergieverbrauch von 390 Etajoule pro Jahr gegenüberstellt. Steinkohle wird voraussichtlich noch für 150 Jahre reichen, Erdöl, Erdgas und Uran dagegen werden schon in rund 50 Jahren verbraucht sein.
Diese Zahlen zeigen, dass die Zeit bei der Suche nach alternativen Energiequellen drängt. Modelle einer zukünftigen Energiewirtschaft beschreiben jedoch nicht nur neue Energiequellen, sondern auch neue Energieträger. Wasserstoff nimmt hier eine zentrale Stelle ein. Warum? Dazu weiter unten mehr. Was hat die
AK MODUL-BUS Computer GmbH damit zu tun? Die AK MODUL-BUS Computer GmbH unterstützt ein Projekt, in welchem die Produktion von Wasserstoff durch Mikroalgen im Schul- und Universitätsunterricht vorgeführt wird. Das sogenannte Wasserstoff-Bioreaktor-Projekt versucht die Brücke zu schlagen zwischen der Forschung auf der einen und der Bildung auf der anderen Seite. Wenn von einer neuen Energieära, der Wasserstoffära, gesprochen wird, so setzt dies die Beteiligung und somit die Informationsweitergabe an die Gesellschaft voraus. Im kleinen Maßstab versucht dies das Wasserstoff-Bioreaktor-Projekt, das von Dr. Röbbe Wünschiers initiiert wurde und begleitet wird.

Wasserstoff als Energieträger
In zunehmendem Maße wird Wasserstoff als ein ökologisch verträglicher und ökonomisch realisierbarer Energieträger diskutiert. Mit vielen Pilotprojekten zeigt die Industrie ihre Entschlossenheit, an der Etablierung eines neuen Energiezeitalters mitzuwirken: wasserstoffbetriebene Busse in Erlangen, ein Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk in Hamburg, wasserstoffbetriebene Pkws von Daimler-Chrysler, BMW u.a., z.B. auf dem neuen Münchener Flughafen u.v.m.
Die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger liegt vor allem in seinen physikalischen Eigenschaften begründet. Mit rund 120.000 kJ/kg hat Wasserstoff einen viel höheren gewichtsbezogenen Heizwert (Energiedichte) als fossile Energieträger wie Steinkohle (29.400 kJ/kg), Benzin (43.200 kJ/kg) oder Erdgas (49.700 kJ/kg). Bezogen auf das Volumen liegt flüssiger Wasserstoff jedoch mit 8.600 MJ/m3 nur bei 20% der Energiedichte von Steinkohle, 22% von Benzin und 41% von Erdgas. Die Energiedichte gasförmigen Wasserstoffs liegt, selbst unter Hochdruck von 100 bar, noch weit darunter. Dennoch macht die hohe Energiedichte die Verwendung von Wasserstoff als Energiespeicher und -transportmedium höchst effizient. Weiterhin entstehen bei seiner Verbrennung in luftgespeisten Motoren neben vergleichsweise sehr geringen Mengen Stickoxiden ausschließlich Wasserdampf. Bei der Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserstoff und Luft in Brennstoffzellen (katalytische Verbrennung) entsteht sogar nur Wasser als Endprodukt (siehe unten). Einzigartig ist außerdem, daß das Wasser zugleich wieder das Edukt für die zukunftsweisende Elektrolyse zur Produktion von Wasserstoff darstellt - es entsteht so ein geschlossener Kreislauf.
Ein wesentlicher Nachteil der Verwendung von Wasserstoff als Energieträger sind die weiten Zündgrenzen eines Wasserstoff-Luft-Gemisches (5-70 %-vol) sowie die sehr geringe Zündenergie. Dieser Nachteil ist aber zugleich ein Vorteil, da es hierdurch bspw. in Verbrennungsmotoren einen weiten Nutzungsspielraum gibt. Dennoch ist eine angemessene Erarbeitung von Sicherheitssystemen unerläßlich.
Eine lange Tradition hat die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger in der Raumfahrt. Aus diesem Bereich kommen entscheidende Entwicklungimpulse wie die Konstruktion effizienter Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie.

Stromerzeugung durch Brennstoffzellen
Brennstoffzellen sind gasbetriebene Batterien, die durch kalte, elektrochemische Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs, meist Wasserstoff, eine Gleichspannung erzeugen (siehe Abbildung weiter unten). Da Brennstoffzellen bei Versuchen zur Umkehr der Elektrolyse entstanden, bestehen sie auch aus den selben Komponenten. In zwei durch einen Elektrolyten getrennten Kammern befinden sich je eine Anode, die dem Wasserstoff Elektronen entzieht und eine Kathode, die den Sauerstoff negativ auflädt. Die Kathoden- und Anodenreaktionen beinhalten jeweils die Spaltung der Sauerstoff- bzw. Wasserstoffmoleküle, wobei die Elektrodenoberfläche (z.B. platinierte Aktivkohle) die elektrochemische Umsetzung katalysiert:
Anode: H2 -> 2 H+ + 2 e-
Kathode: 1/2 O2 + 2 e- -> O2-
Die abgreifbare Zellspannung liegt bei 500-700 mV. Der Elektrolyt, der nur Protonen durchläßt, ist das Kernstück aller Brennstoffzellen. Nach seiner Art und der daraus resultierenden Betriebstemperatur werden die Brennstoffzellen-Typen benannt. Von mehreren Typen hat sich die Membran-Brennstoffzelle, die bei niedrigen Temperaturen arbeitet, zum Renner entwickelt. Der Elektrolyt besteht hier aus einer dünnen Polymerfolie, die im feuchten Zustand eine hohe Durchlässigkeit für Protonen aufweist. Sie findet in mobilen Einheiten wie Fahrzeugen Anwendung. Brennstoffzellen mit flüssiger Phosphorsäure als Elektrolyten sind kommerziell am weitesten entwickelt. Sie werden hauptsächlich in Blockheizkraftwerken eingesetzt, da sich ihre große Abwärme gut zur Kraft-Wärme-Kopplung nutzen läßt.

Konventionelle Wasserstofferzeugung
Wasserstoff ist nur ein Energieträger: zu seiner Gewinnung wird Energie verbraucht. Aufgrund seiner großen Reaktionsfreudigkeit kommt Wasserstoff auf der Erde kaum ungebunden vor und es gibt somit keine natürlichen Lagerstätten, die erschlossen werden könnten. Daher muss der Wasserstoff über energieaufwendige Zerlegungsverfahren aus seinen Verbindungen gewonnen werden. Klassischer Weise wird die Erzeugung unter Einsatz von Primär- oder von Sekundärenergieträgern unterscheiden. Die primärenergetische Wasserstofferzeugung erfolgt vor allem aus Kohlenwasserstoffen, vorwiegend Erdgas, Erdöl und Kohle. Die für die Zerlegung notwendige Energie wird in der Regel autotherm durch die Verbrennung eines Teils des Einsatzenergieträgers bereitgestellt. Über 96% der gegenwärtigen weltweiten Wasserstoffproduktion von rund 500 Mrd. qm geht von fossilen Primärenergieträgern aus, was rund 2% des Weltenergiebedarfs entspricht. Die sekundärenergetische Erzeugung von Wasserstoff erfolgt überwiegend aus Elektrizität mittels der Elektrolyse. Die Elektrolyse ist von der Art des eingesetzten Primärenergieträgers unabhängig und stellt somit das Standbein einer zukünftigen regenerativen Wasserstoffenergiewirtschaft dar. So kann der Strom aus Wasser-, Gezeiten- oder Windkraftwerken zur Wasserstofferzeugung genutzt werden.

Regenerative Wasserstofferzeugung
Von besonderem Interesse ist die direkte Nutzung der Sonnenergie zur Wasserstoffproduktion. Die derzeit dominierende Technik zur solaren Wasserstoffgewinnung ist die Photovoltaik. Hierbei wird mit Hilfe von Solarzellen Strom erzeugt, der genutzt wird, um Wasser elektrolytisch in Wasserstoff- und Sauerstoffgas zu zerlegen. In Form von Wasserstoff ist die Energie des Sonnenlichtes gebunden und kann transportiert, gespeichert und mittels Brennstoffzellen in elektrische Energie rückverwandelt werden. Der Vorteil der Elektrolyse liegt auf der Hand: das Ausgangsmaterial Wasser bedeckt über 70% der Erdkugel und das Reaktionsprodukt der elektrokatalytischen (in Brennstoffzellen) oder direkten Oxidation (in Wasserstoffbrennern) von Wasserstoff ist wiederum Wasser. Doch hat die solar-elektrolytische Wasserspaltung auch Nachteile. Vor allem die hohen Produktionskosten und der energetische Aufwand für die Herstellung von Solarzellen führen dazu, dass diese Technik bislang überwiegendr in subventionierten Pilotanlagen Anwendung findet. Die Gestehungskosten für 1 kWh gasförmige Wasserstoffenergie betragen rund 3 Cent bei der Reformierung von Wasserstoff, 20 Cent bei der Elektrolyse unter Verwendung des derzeitig vorherrschenden Strommixes und voraussichtlich rund 25 Cent beim Einsatz von Solarstrom.

Photobiologische Wasserstofferzeugung
Aber auch einige Mikroorganismen sind in der Lage die Energie des Sonnenlichtes zur Produktion von Wasserstoff zu verwenden und Wasser als Edukt zu verwenden: Algen und Cyanobakterien. Die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie und die Spaltung von Wasser in Protonen und Elektronen erfolgt während der Lichtreaktionen der Photosynthese. Die während der Photosynthese gebildete Reduktionskraft kann dann, unter bestimmten physiologischen Bedingungen, zur Reduktion von Protonen zu Wasserstoff verwendet werden.

 


Viele Mikroorganismen (z.B. Bakterien) produzieren Wasserstoff (H2) während der Gärung. Einige Mikroalgen (z.B. Grünalgen) sind unter bestimmten Bedingungen in der Lage Wasserstoff (H2) während der Photosynthese zu bilden. Dabei oxidieren sie Wasser (H2O) in einer lichtabhängigen Reaktion zu Sauerstoff (O2) und reduzieren Protonen (H+) zu Wasserstoff. Normalerweise würden sie Kohlendioxid (CO2) zu Zucker (C6H12O6) reduzieren.

 

Photobiologischer Wasserstoff als Energiequelle von morgen?
Für die umweltschonende Gewinnung von Wasserstoff sollten Algen, die mit Hilfe der Sonnenenergie Wasserstoffgas bilden können, am besten geeignet sein. Denn nur ihre an die photosynthetische Wasserspaltung gekoppelte Wasserstoffbildung stellt ein zyklisches System dar, bei dem die Nutzung des Produktes (Wasserstoff) als Energieträger alleine wieder das Substrat der Reaktion (Wasser) freisetzt. Die Frage, ob sich der Prozess der Photowasserstoffbildung durch Mikroalgen wirtschaftlich nutzen lassen wird, ist derzeit schwer zu beantworten. Das gegenwärtige Hauptziel ist, die zugrunde liegenden zellularen Mechanismen zu verstehen und die Wasserstoffausbeute zu erhöhen. Z.B. ist es vorstellbar, dass durch gentechnologische Manipulationen die Wasserstoffproduktionsrate erhöht werden kann, indem bspw. konkurrierende Reaktionen, wie die Kohlendioxid-Reduktion, ausgeschaltet werden.
Man kann sicherlich nicht erwarten, dass wir in Zukunft Wasserstoff ausschließlich mit Mikroalgen produzieren. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass sie einen Beitrag leisten werden, so wie heute die Wasserkraft einen Beitrag zu unserer Stromversorgung leistet.

 


Die Wasserstoffproduktion mit Mikroalgen (Algen und Cyanobakterien) bildet einen regenerativen Kreislauf. Wasser wird in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) gespalten. Der Wasserstoff steht als Energieträger zur Verfügung. Bei seiner Verbrennung mit Luftsauerstoff (O2) wird wiederum nur Wasser gebildet. Die Mikroalgen fixieren zudem das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) und bilden Biomasse. Die Biomasse kann z.B. verheizt oder verfüttert werden.
Die Brennstoffzelle bietet die Möglichkeit der Elektrizitätserzeugung aus Wasserstoff. Das Herzstück der dargestellten Brennstoffzelle ist eine Polyelektrolytmembran, die für Protonen (H+) durchläßig ist. Es findet eine "leise" Verbrennung des Wasserstoffs (H2) mit Luftsauerstoff (O2) statt, die einen Elektronenstrom erzeugt. Als Endprodukt ensteht Wasser (H2O). Eine einzelne Brennstoffzelle liefert eine Spannung von rund 1 Volt. 

 

Das Wasserstoff-Bioreaktor-Projekt
Das Wasserstoff-Bioreaktor-Projekt verwendet einen einfachen Bioreaktor um mit Mikroalgen lichtabhängig Wasserstoff zu produzieren. Die Ausbeute des Bioreaktors ist weit ab von jeder Effizienz - viel mehr wird das System dahingehend optimiert einfach anwendbar zu sein. Nur so ist es möglich, den Bioreaktor z.B. im Schulunterricht praktisch vorzustellen. Das Projekt befindet sich noch am Anfang und bedarf noch weiterer Entwicklungsarbeit. Von großer Bedeutung ist die Veranschaulichung des produzierten Wasserstoffs und die Kontrolle von Experimentalparametern wie der Temperatur, Lichtstärke usw. Hierbei leistet der "Umwelt-Spion" von AK MODUL-BUS Computer GmbH seinen Beitrag. Durch die feste Integration eines Licht- und Temperatursensors können diese Parameter unmittelbar verfolgt werden. Über den analogen Eingang können die Werte von Wasserstoffsensoren oder die Leistung der Brennstoffzelle gemessen werden. Nach der Aufzeichnung der Daten am PC, können die Schüler oder Studenten mit der Datenanlyse beginnen. Der Einsatz des "Umwelt-Spions" ist noch am Anfang. Erste Versuche zeigen jedoch bereits, dass die einfache Handhabung gut für Anwendungen im Klassenraum geeignet ist.

 


Der Bioreaktor dient der Veranschaulichung der photobiologischen Wasserstoffproduktion im Unterricht. Der Prototyp (Version 1) bestand aus einer zylinderförmigen Flasche (750 ml) in denen sich die Algen befanden. Die Algensuspension mußte ständig gerührt werden. Über eine Elektrode und ein Volumeter konnte die Wasserstoffproduktion verfolgt werden. Die Messwerterfassung erfolgte manuell.
In der aktuellen Version befinden sich die Algen in einem flachen Gefäß (250 ml) mit goßer Oberfläche. Dadurch wird eine große Beleuchtungsfläche geschaffen und das Rühren der Algensuspension entfällt. Der akkumulierte Wasserstoff kann mittels einer Brennstoffzelle (BS-Zelle) zum Antrieb eines Elektromotors verwendet werden.
Die Menge Wasserstoff, die von den Algen produziert wird, hängt von verschiedenen Parametern wie z.B. Temperatur, Lichtstärke, Algenmenge usw. ab. Die Graphik zeigt einen typischen Verlauf, wobei in 3 Stunden rund 8 ml Wasserstoff erhalten werden.

 

Mehr Informationen
Falls Sie an weiteren Informationen interessiert sind, dann werfen Sie doch einen Blick auf folgende Internetseiten:

Alternativ sei folgende Literatur empfohlen, die verschiedene Aspekte des Wasserstoff-Bioreaktor-Projektes zum Thema hat:

Natürlich können Sie Ihre Fragen auch direkt an Dr. Röbbe Wünschiers stellen: rw@biowasserstoff.de

 

Weitere Unterstützung
Möchten auch Sie das Projekt unterstützen? Setzen Sie sich in Verbindung mit Dr. Röbbe Wünschiers, rw@biowasserstoff.de Jede Form von Hilfe ist willkommen: Sachmittel, Informationen, Erfahrungen...

 

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