Innovative Bio-Batterie: Bakterien produzieren Wasserstoff
Einem Frankfurter Forschungsteam ist es gelungen, einen neuen Bio-Reaktor zu entwickeln, der bereits über gewisse Zeiträume stabil läuft und Wasserstoff zunächst umwandelt und später wieder kontrolliert abgibt. Kann das die Lösung für die Speicherung erneuerbarer Energien sein?
Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger für die Speicherung erneuerbarer Energien.
Foto: panthermedia.net/vinkfan (YAYMicro)
An Energie mangelt es nicht. Windkraft und Solarenergie sind nur zwei Beispiele für erneuerbare Energien, die in einem ausreichenden Maß zur Verfügung stehen, um weltweit den gesamten Energiebedarf zu decken. Allerdings weichen Stromproduktion und -verbrauch zeitlich und örtlich voneinander ab. Anders gesagt: Was nützt es beispielsweise einem deutschen Automobilhersteller, wenn in südlichen Gefilden die Sonne auf Solarkollektoren brennt? Nachhaltige Lösungen für Energiespeicher werden daher wahrscheinlich der Schlüssel zum Gelingen der Energiewende sein.
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Einer der größten Hoffnungsträger ist dabei momentan Wasserstoff. Bekanntermaßen sind Transport und Lagerung aber aufwendig und nicht sehr effizient. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler prüfen daher verschiedene Ansätze, um grünen Wasserstoff – der also mithilfe erneuerbarer Energien gewonnen wird – zu produzieren und zu transportieren. Frankfurter Forschende sind dabei bereits vor Jahren durch ein Patent mit Bakterien aufgefallen. Jetzt ist es ihnen gelungen, aus diesem Prinzip eine Bio-Batterie zu entwickeln.
Bakterien wandeln Wasserstoff für die Bio-Batterie um
Grundlage sind sogenannte acetogene Bakterien. Sie leben unter anderem in der Tiefsee und ernähren sich von Kohlendioxid. Das Interessante ist eine Besonderheit ihres Stoffwechsels: Sie stellen aus Kohlendioxid und Wasserstoff zunächst Ameisensäure her. Dabei handelt es sich aber nur um ein Zwischenprodukt ihres Stoffwechsels. Normalerweise würden sie ihren Verdauungsvorgang fortsetzen, bis aus der Ameisensäure Essig und Ethanol geworden ist.
Doch Volker Müller, Leiter der Abteilung Molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik an der Uni Frankfurt, hat gemeinsam mit seinem Team die Bakterien genetisch so verändert, dass es nicht zu einem vollständigen Stoffwechsel kommt. Stattdessen bleibt dieser auf Stufe der Ameisensäure stehen und kann rückabgewickelt werden, sodass die Bakterien den Wasserstoff aus der Ameisensäure wieder freisetzen. Dieses Prinzip ist bereits seit einigen Jahren patentiert, aber damit allein lässt sich noch keine Sonnenenergie nutzen. Das soll mit der neuen Bio-Batterie möglich werden.
Doktorand entwickelt Bio-Reaktor für Wasserstoff
Für eine lokale Wasserstoffspeicherung sind Vorgänge im Labor natürlich nicht relevant. Wer beispielsweise den Strom aus einer PV-Anlage auf dem Dach speichern will, braucht ein System, das bei ihm auf dem Grundstück autark funktioniert. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben daher einen Bioreaktor entworfen, in dem die Bakterien zunächst Wasserstoff verstoffwechseln und später wieder freisetzen. Er kann also als Energiespeicher dienen – als eine Art Bio-Batterie.
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Den Durchbruch hat der Doktorand Fabian Schwarz vorgestellt, der in Müllers Labor an einer Doktorarbeit zu diesem Thema geschrieben hat. Zunächst hat er den Bakterien acht Stunden lang Wasserstoff zugeführt, den sie in Ameisensäure umwandeln konnten. Anschließend hat er sie quasi auf Diät gesetzt. Sie bekamen keinen Wasserstoff mehr – und setzten daraufhin die Wasserstoffmengen, die sie zuvor erhalten hatten, vollständig wieder frei. „Das System lief für mindestens zwei Wochen ausgesprochen stabil“, sagt Fabian Schwarz. Seine Arbeit wurde sogar von „Joule“ angenommen, einem Journal für chemische und physikalische Verfahrenstechnik.
Modell einer möglichen bakteriellen Wasserstoffspeicherung.
Foto: Universität Frankfurt
Vorgänge in der der Bio-Batterie laufen äußerst effizient ab
Für Volker Müller ist klar, dass so eine Bio-Batterie großes Potenzial haben könnte. „Die gemessenen Raten der CO2-Reduktion zu Ameisensäure und zurück sind die höchsten, die je gemessen wurden, und sie sind um ein Vielfaches größer als bei anderen biologischen oder chemischen Katalysatoren; die Bakterien benötigen für die Reaktion auch nicht wie die chemischen Katalysatoren seltene Metalle und keine extremen Bedingungen wie hohe Temperaturen und hohe Drücke, sondern erledigen den Job bei 30 °C und Normaldruck.“
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