Backhefe schlägt Platin: Japans neuer Weg zum Wasserstoff-Träger LOHC

In Bäckereien lockert sie Teig, in Brauereien vergärt sie Zucker zu Alkohol: Backhefe gehört zu den ältesten Nutzorganismen der Menschheit. Forschende aus Japan haben dem Pilz nun einen neuen Job gegeben.

In ihrem Labor hilft er, Wasserstoff zu speichern. Der Hoffnungsträger für eine klimaneutrale Industrie ist als leichtestes Element im Periodensystem schwer zu transportieren. Als Alternative zum etablierten Hochdruck- oder Flüssigtransport gelten seit einigen Jahren Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC). Die ölartigen Flüssigkeiten können Wasserstoff binden und bei Bedarf wieder abgeben. Doch die Industrialisierung läuft schleppend; der Sprung in den kommerziellen Maßstab steht aus. Im Februar musste der 2013 gegründete LOHC-Pionier Hydrogenious aus Erlangen rund die Hälfte seiner Belegschaft entlassen.

Eine aktuelle Studie im Fachjournal Journal of Materials Chemistry A zeigt nun, wie sich die Technik radikal vereinfachen ließe. Eine Arbeitsgruppe der japanischen Universitäten Tohoku, Hokkaido und Kyushu speichert Wasserstoff mithilfe von Backhefe in mehrwertigen Alkoholen und setzt ihn mit Eisenionen und Licht wieder frei. Teure Edelmetalle braucht der Kreislauf laut den Forschern nicht.

Wie LOHC funktioniert

Die klassische Metapher für LOHC ist die Pfandflasche. Denn bei dem Prozess wird ein Trägeröl befüllt, geleert und wieder befüllt, und das theoretisch Hunderte Male.

• Bei der Beladung, der Hydrierung, bindet ein Katalysator den Wasserstoff chemisch an das Trägermolekül. Ein Liter des verbreiteten Trägeröls Dibenzyltoluol fasst so rund 660 l Wasserstoff.
• Der beladene Stoff lässt sich ähnlich wie Diesel bei Umgebungsbedingungen lagern und transportieren.
• Am Ziel wird der Wasserstoff durch Dehydrierung wieder freigesetzt, das Öl bleibt erhalten und kann von Neuem beladen werden. Diese Grundidee verfolgt Hydrogenious seit über zehn Jahren.

Woran es noch hakt

Für die Freisetzung/Dehydrierung sind hohe Temperaturen nötig, im Fall von Dibenzyltoluol etwa zwischen 250 und 300 °C. Das dient auch der Sicherheit – bleibt die Wärme aus, stoppt die Freisetzung –, treibt aber die Prozesskosten in die Höhe.

Das Verfahren braucht in der Regel auch Katalysatoren aus knappen Edelmetallen wie Platin, Palladium oder Ruthenium. Weil der Wärmebedarf so hoch ausfällt, übersteigen die laufenden Betriebskosten (OPEX) einer Dehydrieranlage laut einer Übersichtsstudie der RWTH Aachen und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg (HI-ERN) typischerweise sogar deren Investitionskosten (CAPEX).

Japans neuer Ansatz

Alkohole werden schon länger als LOHC diskutiert. Sie lassen sich aus Biomasse herstellen und geben Wasserstoff schon unter 200 °C wieder ab.

Nur speichern einfache Alkohole wenig. 1 kg des Trägerpaars Isopropanol/Aceton fasst laut der Universität Tohoku 33 g Wasserstoff. Beim klassischen Paar Methylcyclohexan/Toluol sind es knapp 62 g.

Das Team um Kouki Oka wählte deshalb mehrwertige Alkohole. Diese Moleküle besitzen mehrere Andockstellen für Wasserstoff und speichern entsprechend dichter. Ihre entladene Form heißt Polyketon.

Hefe belädt, Eisen entlädt

Wichtiger als das Molekül ist der Kreislauf, den die Forschenden darum herum bauen:

• Beladen: Das Polyketon wird mit Backhefe in Wasser gerührt, bei Raumtemperatur und Normaldruck. Die Hefe vergärt Zucker und produziert dabei das Coenzym NADH. Zusammen mit dem Wasser liefert es den Wasserstoff, der das Keton in den beladenen Alkohol verwandelt.
• Entladen: Eisen(II)-Ionen wirken unter Lichteinstrahlung als Photokatalysator. Sie setzen den Wasserstoff wieder frei, übrig bleibt das Keton für die nächste Runde.

Zum Vergleich: Bei der üblichen Route muss grüner Wasserstoff erst per Elektrolyse erzeugt, gereinigt und verdichtet werden, bevor ein Edelmetall-Katalysator ihn ans Trägeröl bindet. Bei der „Hefe-Route“ entsteht der Wasserstoff direkt im Träger. Auch bei der Entladung kommt der Ansatz ohne Edelmetalle aus; unter Lichteinwirken übernehmen Eisenionen die Katalyse. Und Eisen ist in der Erdkruste reichlich vorhanden.

Wie viel Wasserstoff die neuen Träger genau fassen, beziffert die Mitteilung nicht. Als Nächstes will das Team noch besser geeignete Alkohole testen. Klappt das, könnte der neue Hefe-LOHC-Kreislauf den Wasserstofftransport nach Einschätzung der Forschenden deutlich günstiger machen.

Was die Natur besser kann

Auch die eingangs erwähnte Übersichtsstudie der RWTH Aachen und des HI-ERN nimmt sich die Natur zum Vorbild. Denn Mikroorganismen setzen Wasserstoff mithilfe von Enzymen um, den Hydrogenasen, und zwar bei Umgebungstemperatur und mit häufigen Metallen wie Eisen und Nickel statt Platin. „Biologische Katalysatoren zeigen uns, wie Wasserstoff unter milden Bedingungen hochselektiv umgewandelt werden kann“, so Lars Lauterbach vom Institut für Angewandte Mikrobiologie der RWTH Aachen. Solche Designprinzipien könnten aus seiner Sicht den Weg für eine neue Generation von LOHC-Systemen ebnen.

Zusammengeführt werden beide Welten im WSS Research Centre catalaix: auf der einen Seite Lauterbachs Expertise in biologischen Wasserstoff-Katalysatoren, auf der anderen das Team um Peter Wasserscheid am HI-ERN, das die LOHC-Technologie einst miterfand. Wasserscheid ist übrigens zugleich Mitgründer von Hydrogenious.

Ihre Studie, ein Übersichtsartikel in der Fachzeitschrift Renewable and Sustainable Energy Reviews, stellt einen konzeptionellen Rahmen für eine neue LOHC-Generation vor. Als Modell diente das intensiv erforschte LOHC-Molekül N-Ethylcarbazol, dessen Stickstoffatom den biologischen Vorbildern strukturell ähnelt. Anders als die industriell genutzten Trägeröle ist der wasserstoffarme Stoff bei Raumtemperatur allerdings fest und damit selbst kein idealer Träger für den kommerziellen Gebrauch.

Konkurrenz aus Salz und Ammoniak

Ob Hefe-Gärung oder Enzym-Nachbau, noch ist all das Grundlagenforschung, deren Umsetzung Jahre dauern dürfte. Und selbst dann muss sich LOHC gegen andere Trägerstoffe behaupten.

Für den Seetransport über weite Strecken führt bislang kaum ein Weg an Ammoniak vorbei. Rund 20 Mio. t werden laut dem Chemieanlagenbauer Thyssenkrupp Uhde jährlich verschifft, etwa 130 Häfen sind darauf eingerichtet. Methanol gilt ebenfalls als Kandidat, ist aber umstritten, weil beim Rückgewinnen des Wasserstoffs erneut CO2 anfällt. Und in Rostock bindet das Start-up Akros Energy Wasserstoff an ein Pendant zu Backpulver. Auch dieses Verfahren nutzt einen Ruthenium-Katalysator.

Der Vorteil von LOHC liegt ohnehin eher auf kürzeren bis mittellangen Strecken, etwa vom Hafen ins Hinterland. Doch auch dort muss man LOHC-Projekte heute mit der Lupe suchen; als größte Hürde gelten die Kosten. Sollten künftig Hefe die Beladung und Eisen die Entladung übernehmen, bliebe die Pfandflasche dieselbe. Nur das Befüllen und Leeren könnte deutlich billiger werden.

Die Studie aus Japan lesen Sie hier, die Übersichtsstudie aus Aachen und Erlangenhier.