Wasserstoff aus Bier und Schokolade

Juliana Rolf und Elmar Brügging haben derweil viele verschiedene Abwässer in ihr Labor geholt und getestet. Man könnte es fast als eine Art Casting für Abwasser sehen. Zwar funktioniert die Vergärung zu Wasserstoff bei fast allen Abwässern, aber der Ertrag an dem Gas ist nicht in jedem Fall gleich groß. Für eine industrielle Anwendung muss er ein bestimmtes Maß überschreiten. Als besonders ertragreich haben sich stärke- und zuckerhaltige Abwässer erwiesen – also solche, die in der Lebensmittelindustrie anfallen. Inzwischen haben die Forscher der FH Münster 15 Industrieunternehmen insgesamt rund 30 verschiedene Reststoffe anliefern lassen. Sie stammen etwa von einem örtlichen Süßwarenproduzenten und einer regionalen Brauerei. Auch Reste aus der Produktion von Kartoffelchips, der Textilindustrie, Molkereien sowie Schweinedung und Gülle aus der Landwirtschaft sind bereits für einen Test im Labor des Teams gelandet.

Bakterien schlemmen im Dunkeln

Vor dem Technikum der FH Münster zeigt Juliana Rolf auf zwei große Behälter, die mit Abwasser aus der regionalen Brauerei gefüllt sind. Sie warten noch auf den Einsatz im Labortank. Zunächst werden sie gekühlt und mit Stickstoff überdeckt, damit nicht zu früh unerwünschte biochemische Prozesse starten. Bevor die Versuchsreihen mit dem Bierabwasser starten, muss Rolf zudem noch die selektierten Bakterienstämme vorbereiten und anfüttern. Zwei bis drei Wochen lang vermehren sich die Mikroben in einer Nährflüssigkeit aus Glukose und Spurenelementen. „Danach läuft das System“, sagt Juliana Rolf. Erst dann kommt das Abwasser aus der Brauerei hinzu. Brügging nennt den Prozess, der nun beginnt, „dunkle Fermentation“, denn er braucht kein Licht. Das Erzeugen von Biowasserstoff mit dunkler Fermentation ist eine anaerobe – also nicht auf Sauerstoff angewiesene – Umwandlung einer organischen Substanz, bei der unterschiedliche Gruppen von Bakterien den Wasserstoff erzeugen. Davon getrennt produzieren andere Mikroben Methan.

Der Trick besteht darin, die Laboranlage für die Vergärung zweistufig zu gestalten. In einem ersten Tank zerlegen anaerobe Mikroorganismen die langkettigen organischen Verbindungen in kürzere. Dabei entstehen organische Säuren wie Milchsäure, zudem Acetat, Kohlendioxid – sowie der begehrte Wasserstoff. Würde das Gas nicht aus dem ersten Behälter abgefangen, würde es sofort weiterreagieren und zu Methan verwandelt werden. Die in der ersten Stufe der Anlage entstandenen organischen Säuren werden dann in einen zweiten Tank geleitet und dort von methanbildenden Mikroben, den sogenannten Archaeen, abgebaut.

Ein Pluspunkt dieser Technologie: Durch die Vorbehandlung aus dem ersten Tank lässt sich eine rund sechs Prozent höhere Ausbeute an Methan erreichen als in üblichen Biogasanlagen. Und die räumliche Trennung hat noch einen Vorteil: Parameter wie Temperatur, pH-Wert und Verweilzeiten können optimal auf die jeweiligen Mikroorganismen eingestellt werden. Elektrischen Strom verbraucht die Anlage nur für den Betrieb der Pumpen und um die Reaktoren auf 65 Grad Celsius aufzuheizen. „Wenn der Reaktor einmal in der Industrie stehen wird, lässt sich dafür die dort vorhandene Abwärme nutzen“, sagt Brügging.

Der Dung wird verschmäht

Am Tank für Wasserstoff und an dem für Methan sind große, metallisch glänzende Gasbeutel aufgehängt, mit denen Juliana Rolf die Erträge und die Zusammensetzung der Gase analysiert. Noch suchen sie und ihre Teamkollegen nach der besten Zusammensetzung. Wie gut einige Sorten oder Mischungen funktionieren, haben die Forscher bereits herausgefunden. „Wir haben aber auch festgestellt, was nicht so recht klappt“, berichtet Teamleiter Brügging. So hat sich der Dung nicht als idealer Leckerbissen für die Bakterien erwiesen. Dennoch ist er eine wertvolle Zugabe, denn er stabilisiert den pH-Wert und reduziert die Menge an zugesetzter Natronlauge als Gegengewicht zu den entstehenden Säuren. Sehr fetthaltige Stoffe dagegen funktionieren schlechter.

Doch wie groß ist die Menge an bislang ungenutzter Biomasse in Deutschland? Bevor die Forscher in Münster das Potenzial an Biowasserstoff erschließen wollten, hat Elmar Brügging das vorhandene Rohstoffpotenzial abgeschätzt. Gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern stellte er seine Ergebnisse Ende 2021 im Fachmagazin International Journal of Hydrogen Energy vor. So kommen laut Umweltbundesamt pro Jahr 15 Millionen Tonnen aus privaten Biotonnen, dem Grünschnitt in Parks, Abfällen von Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion, aus Kantinen und Kläranlagen zusammen. Doch weiter genutzt werden davon bisher nur rund 10 Prozent. „Wir waren überrascht, wie viel Bioabfall nicht verwertet wird“, sagt Brügging.

Viel Potenzial zur Energiegewinnung

In ihrer Studie kommen die Wissenschaftler bei einem angenommenen Ausbeutungsgrad von 90 bis 180 Liter Wasserstoff pro Kilogramm organischer Trockensubstanz auf rund 10 bis 20 Terawattstunden Energie pro Jahr, die sich über Biowasserstoff produzieren ließen. Das ist rund ein Drittel der heutigen – fast rein fossilen – Produktion von jährlich 55 bis 60 Terawattstunden mit Wasserstoff in Deutschland. Doch selbst, wenn die Nachfrage nach Wasserstoff bis 2050, wie geschätzt, auf 250 Terawattstunden gestiegen sein sollte, könnte Bio-Wasserstoff immer noch bis zu acht Prozent dazu beitragen.

Auch Johannes Full, Forscher am Stuttgarter Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, arbeitet aktuell an einer Abschätzung des für Wasserstoff nutzbaren Biomasseaufkommens. Das Gesamtpotenzial für Bio-Wasserstoff hält er sogar für noch größer, als in der Studie von 2021 festgestellt worden sei, sagt er. Denn es gebe noch viele andere Verfahren und auch andere Ausgangsstoffe, die noch gar nicht umfassend untersucht worden sind. Allerdings sei noch zu klären, welche Biomasse tatsächlich verfügbar ist und ob man sie auch ohne aufwendige Aufbereitung nutzen kann. Hinzu kommt die noch offene Frage, ob der Schritt in eine großtechnische Anwendung gelingt.

Die Stuttgarter Biologin Caroline Autenrieth betont, dass es nicht nur darum gehe, ob genug Biomassepotenzial vorhanden ist – sondern auch um die Wirtschaftlichkeit der Nutzung. Häufig sei die Entsorgung von Biomasse als Abfall billiger als ihre Weiterverwertung. Autenrieth forscht an einem anderen Verfahren zur Herstellung von Bio-Wasserstoff, als es die Münsteraner Forscher einsetzen. Bei ihr ist es ein anderer Inhalt, der in ihrem Laborglas schwappt. Die Flüssigkeit mit Wasserstoff produzierenden Mikroben ist purpurrot. Denn Autenrieth verwendet keine Mixtur verschiedener Bakterienstämme, sondern arbeitet ausschließlich mit Organismen aus der Gruppe der Purpurbakterien, die ihren Namen ihrer Farbe verdanken.

Die Wissenschaftlerin leitet an der Universität Stuttgart eine Arbeitsgruppe am Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme von Robin Ghosh. Der hatte 1994 im Fachmagazin Applied Environmental Microbiology als erster den „Dunkel-Photosynthese“-Effekt vorgestellt, bei dem Purpurbakterien ein spezielles Menü aus Fruktose und Succinat erhalten und Wasserstoff ohne Licht erzeugen. Seine Mitarbeiterin Autenrieth koordiniert das aktuelle Projekt RhoTech. Sie hat sich auf Fruchtabfälle spezialisiert, wie sie in Saftfabriken anfallen, aber auch Abwässer aus Molkereien funktionieren damit.

Ertragreiche Fruchtabfälle

Purpurbakterien sind schon lange bekannt dafür, mit guten Erträgen Wasserstoff aus Frucht- und Molkereiabfällen zu erzeugen – doch bislang brauchten sie dafür Energie aus Licht. Das ist ein limitierender Faktor in einem großen Tank, denn gleichmäßig Licht zu verteilen, ist schwierig und verbraucht Energie. Inzwischen ist es den Stuttgarter Forschern jedoch gelungen, den photosynthetischen Stoffwechsel der Purpurmikroben von Licht unabhängig zu machen. Bei der „Dunkel-Photosynthese“ beziehen die Purpurbakterien die benötigte Energie aus Fruktose statt aus Licht. Dabei genügen ihnen Temperaturen unter 30 Grad Celsius. Caroline Autenrieth testet zwar wie Juliana Rolf auch andere Abwasserarten. Doch im Fokus steht bei ihr das Ziel, die Ausbeute dieser speziellen Mikroorganismen, die sie zum Teil gentechnisch verbessert, zu erhöhen – und dadurch eine ergiebigere Produktion von Wasserstoff und ein stabileres Wachstum zu erreichen.

Neben der Gentechnik nutzt die Forscherin dazu noch einen anderen Hebel: den Einsatz eines weiteren Enzyms. Bislang produzieren die Purpurbakterien den Wasserstoff durch zwei chemische Reaktionen. Das Wirken eines zugesetzten Enzyms soll die Ausbeute an dem Gas noch erhöhen. Derzeit seien 48 Kilogramm Wasserstoff aus 100 Tonnen Fruchtabfällen herstellbar, sagt Autenrieth. Künftig will sie mit ihren Teamkollegen eine Ausbeute von 500 Kilogramm schaffen. Gelingen soll das, indem die im Saft enthaltene Fruktose vollständig verwertet wird. Ließen sich überdies auch die anderen Bestandteile wie Zellulose und Saccharose von den Mikroben nutzen, könnten es sogar 3000 Kilogramm Wasserstoff je 100 Tonnen Fruchtabfällen sein.

Pilotbetrieb im Saftladen

Die Bakterien von Autenrieth werden Mitte 2023 den Weg aus dem Labor in die Industrie antreten. Ein regionaler Safthersteller, die Firma Bayer Gemüse- und Fruchtsaft in Ditzingen, stellt Säfte aus Karotten, Roter Beete und Äpfeln her. Jedes Jahr muss das Unternehmen bislang rund 700 Tonnen Trester entsorgen, den der Betrieb künftig für eine eigene Wasserstoff-Produktion nutzen will. Noch ist es eine erste kleine Probeanlage mit einem 100 Liter fassenden Reaktor, der mit Apfeltrester befüllt wird. Der soll dann so viel Wasserstoff erzeugen, dass die Firma damit gerade einmal ihren Getränkeshop beleuchten kann, sagt Autenrieth. Später könnten auch die Gabelstapler des Saftherstellers mit Energie aus Bio-Wasserstoff fahren. Die Forscherin betont, dass in dem Lebensmittelbetrieb keine gentechnisch veränderten Bakterien eingesetzt werden.

Doch Purpurbakterien funktionieren nicht nur in der Lebensmittelbranche. Im Projekt SmartBioH2-BW des Stuttgarter Institutes für Biomaterialien und biomolekulare Systeme unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB ist es kein Abwasser aus der Lebensmittelproduktion, das die Bakterien nutzen sollen. Im südbadischen Rheinfelden stellt der Chemiekonzern Evonik unter anderem Silane her. Wenn die dafür genutzten Kessel gespült und gereinigt werden, gilt das ethanolhaltige Wasser als Abfall, das entsorgt werden muss. Doch die „Dunkel-Photosynthese“ funktioniere auch mit Ethanol, betont Caroline Autenrieth. Der auf diese Weise erzeugte Bio-Wasserstoff lässt sich direkt in der Produktion von Spezialchemikalien einsetzen.

Reststoffe, die Fruktose oder Laktat enthalten, gelangen in einen Reaktor, wo Purpurbakterien daraus unter anderem Wasserstoff erzeugen.

©bdw-Grafik/Oliver Roth

Zunächst will Evonik das in einer kleinen Anlage mit 100 Liter Fassungsvermögen testen. Wenn der Einsatz klappt, soll der biotechnologische Prozess später größer skaliert werden, sodass er auch an anderen Chemieindustrie-Standorten in Deutschland eingesetzt werden kann.

Allerdings: Eines entsteht bei der Herstellung von Bio-Wasserstoff immer – Kohlendioxid. Das stammt zwar aus der Biomasse und wäre auch bei der Behandlung der Abfälle entstanden. Dennoch wollen die Forscher das klimaschädliche Gas nicht in die Atmosphäre entweichen lassen. Während Elmar Brügging an der FH Münster das Gas auffangen will, soll bei den Stuttgarter Forschern das CO2 in einem der Wasserstoff-Produktion folgenden Prozess von Algen zu hochwertigen Stoffen umgewandelt werden. Die organischen Säuren im ersten Reaktionsbehälter ließen sich außerdem als Grundchemikalien etwa für die pharmazeutische Industrie nutzen.

Auch wenn noch einige Hürden zu überwinden sind und der Weg zu einer Anwendung im größeren Stil erst begonnen hat: Rohstoffe wie Apfelsaft, Schokoladenabwasser und Ethanol bieten gemeinsam mit Bakterienkulturen die Chance, Wasserstoff auf biologischer Grundlage und dezentral zu produzieren – ohne Bedarf an Erdgas und fast ohne Transportverluste.

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