Energiequelle?
Die einzige praktisch unerschöpfliche Energiequelle ist die Sonne. Die gesamte auf die Erde treffende Energiemenge (im Mittel 350 W/m2) ist etwa 10.000mal so groß wie der derzeitige Weltenergiebedarf. Stünde ein Solarenergiesystem mit einem Wirkungsgrad von 5% bei der Umwandlung von Lichtenergie in technisch nutzbare Energie zur Verfügung, so würde eine Fläche von rund einem Zehntel der Sahara ausreichen, um den Weltenergiebedarf durch Sonnenenergie zu decken. Für die Nutzung der Sonneneinstrahlung ist allerdings das grundsätzliche Problem der tages- und jahreszeitlichen Fluktuation zu lösen. Hierzu sind die Speicherung und der Transport von Wasserstoff in besonderer Weise geeignet, da er mit 142 MJ/kg den höchsten spezifischen Energiegehalt aller Energieträger besitzt. Außerdem wird bei der Energiefreisetzung durch eine technisch leicht zu kontrollierende Knallgasreaktion, zum Beispiel in Brennstoffzellen (ein Bauelement, in welchem unter Zusammenführung der Gase Sauerstoff und Wasserstoff Elektrizität gewonnen wird) oder Verbrennungsmotoren, nur Wasser als Endprodukt frei. Die derzeit dominierende und bereits praktizierte 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 spalten. Aus energetischer Sicht wäre es jedoch sinnvoller, den von Solarzellen produzierten Strom unmittelbar elektrischen Verbrauchern zuzuführen.
Photowasserstoffgewinnung mit Algen...
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 (Abbildung 6, 7).
Abb. 6: Hypothetisches Schema der Photowasserstoff-Produktion zur Energiegewinnung mit Hilfe von Algen oder Cyanobakterien.
Abb. 7: Ein in unserem Labor entworfener Modell-Bioreaktor. Bei Belichtung bilden die Algen in einem Voratsgefäß Wasserstoffgas. Der parallel gebildete Sauerstoff wird chemisch gebunden. Über eine Schlauchverbindung wird das Gas einer Brennstoffzelle zugeführt. Hier reagiert der Wasserstoff mit Luftsauerstoff unter Freisetzung von elektrischer Energie, die einen Elektromotor antreibt.
Die Frage, ob sich der Prozeß der Photowasserstoffbildung durch Grünalgen wirtschaftlich nutzen lassen wird, ist derzeit schwer zu beantworten. Zum Erreichen des Fernziels der technischen Anwendung der biologischen Wasserstoffgewinnung im industriellen Maßstab ist noch das Kernproblem der Sauerstoffhemmung der Hydrogenasen zu lösen. Das Ziel unserer Arbeitsgrupe ist, nach Aufklärung des Mechanismus der Hemmung durch Sauerstoff, die Enzymreaktion in Algen durch gentechnologische Methoden unempfindlicher gegenüber diesem Gas zu machen.
...noch ein langer Weg!
Noch ist es schwierig, mit Algen wie Scenedesmus obliquus gentechnologisch zu arbeiten, da hierzu derzeit noch die notwendigen Methoden und Erfahrungen fehlen. Mit Cyanobakterien hingegen ist gentechnologisches Arbeiten bereits seit Jahren in der Forschung etabliert. Sie besitzen jedoch keine Hydrogenase, die wie bei den Algen unmittelbar an die Photosynthese gekoppelt ist. Ein Weg aus diesem Dilemma könnte folgender sein: (1) DNA-Fragmente, welche die genetische Sequenzinformation der an das Photosystem I gekoppelten Hydrogenase aus Algen tragen, werden isoliert; (2) die DNA-Sequenz wird dahingehend verändert, daß die Hydrogenase gegenüber Sauerstoff unempfindlicher wird; (3) diese veränderte DNA wird in Cyanobakterien eingebracht, die wie Grünalgen oxygene Photosynthese betreiben, jedoch gentechnologisch leichter handhabbar sind. Gelingt dies, so sollten diese Cyanobakterienmutanten in der Lage sein, wie Algen Wasserstoffgas aus Wasser zu bilden. Bis zum Erreichen des Ziels, biologisch produzierten Wasserstoff in größeren Mengen in Bioreaktoren zu gewinnen, ist es aber noch ein langer Weg.
