Ein Bakterium, das ein Forscherteam der University of California Mitte der 1980er Jahre im Golf von Neapel gefunden hat, hat eine besondere Eigenschaft. „Thermogata neapolitana ist ein richtiger Vielfraß, und er erzeugt dabei Wasserstoff mit hohem Reinheitsgrad“, sagt Prof. Nils Tippkötter, der als Bioverfahrenstechnologe am Jülicher Campus der Fachhochschule Aachen daran arbeitet, diese Eigenschaft zu nutzen.
Das Rezept zur Wasserstoff-Produktion à la Thermogata klingt einfach: Man nehme einen Rührkessel, erhitze die Nährlösung, in der sich das stäbchenförmige Bakterium befindet, auf 77 Grad Celsius – und füge irgendetwas hinzu, das aus Zucker oder verwandten Molekülen besteht. „Thermogata neapolitana isst nahezu alles Organische. Es freut sich über Gräser, Heckenschnitt, Biotonnenabfälle, Rübenreste – und besonders über Papier oder organische Textilreste“, erklärt Nils Tippkötter.
Was passiert, wenn sich das Bakterium in einer Umgebung mit seiner Wohlfühltemperatur von 77 Grad Celsius befindet und gefüttert wird, erklärt der Verfahrenstechniker folgendermaßen: Aus jedem Molekül Glukose löst es vier Wasserstoff-Moleküle heraus. „Mehr ist nicht möglich. Deswegen ist Thermogata neapolitana ein Höchstausbeuter.“ Besonders gut sichtbar wird das bei Papierabfällen. Papier besteht aus Zellulose – einer Kette von Zuckerbausteinen.
Aus einer Tonne Papierabfällen gewinnt das Bakterium mehr als 600 Kilowattstunden (kWh) Energie, gespeichert in Wasserstoff, und rund 1.400 kWh in Biogas. Dazu entsteht ein pasteurisierter, nährstoffreicher Kompost. Auch Kartoffelschalen und Stroh beutet das Bakterium fast zu 100 Prozent aus.
Die Handhabung ist also einfach, was auch an der Wärmeaffinität des Bakteriums liegt, die es aus seinem ursprünglichen Lebensraum mitbringt: Im Golf von Neapel verursacht der Vesuv in geringer Tiefe mit seiner vulkanischen Aktivität heiße Quellen. „Im Rührkessel lässt sich der Prozess deswegen leicht steril halten. Denn bei 77 Grad Celsius überleben kaum heimische Keime“, beschreibt Nils Tippkötter.
Manche mögen’s heiß
Ein entfernter Verwandter des neapolitanischen Bakteriums hinterlässt in der Region Spuren. Nämlich den Geruch an den heißen Quellen in Aachen, der an faule Eier erinnert. Die bekannte Duftmarke entsteht, weil Wasser durch unterirdische Gesteinsschichten mit hohem Schwefelgehalt fließt. Ein Bakterium reduziert die Schwefelverbindungen zu Schwefelwasserstoff (H₂S), der besagten Geruch im Thermalwasser mit an die Oberfläche nimmt. Ein Bakterium, das bei extremen Temperaturen Energie gewinnt, indem es Schwefel reduziert – genau danach hatten die Forscher im Golf von Neapel gesucht.
„Die mikrobielle Wasserstoff-Produktion ist vielversprechend, aber kein Allheilmittel“, erklärt Nils Tippkötter. „Ihr Potenzial sehe ich vor allem in dezentralen Anwendungen, bei denen sowieso größere Mengen an organischen Reststoffen anfallen.“ Das Bakterium ist also ein Fall für eine Nische. Das sei keinesfalls schlecht. Denn auch das heutige Energiesystem funktioniert, weil es Lösungen für viele Nischen gibt.
Die Nische, in die Thermogata neapolitana und andere Bakterien passen, die hohe Temperaturen mögen und mit ihrer Aktivität Energie produzieren, sieht in etwa so aus: In einer Region, in der beispielsweise die Landwirtschaft sowie die Papierindustrie stark sind, ist das, was die Vielfraße und Höchstverwerter produzieren, höherwertig als der bisherige Umgang mit den Abfällen.
„Die Landwirtschaft kann in Zukunft wachsende Bedarfe an Wasserstoff haben, weil Batterien für ihre schweren Fahrzeuge nicht immer geeignet sind“, erklärt Nils Tippkötter. Die Landwirtschaft ist dezentral. Felder liegen auch in Zukunft nicht neben Wasserstoff-Produktionen oder Pipelines. „Wenn mich der notwendige Rohstoff in Form von Bioabfällen nichts kostet oder ich sogar Geld spare, weil ich ihn nicht entsorgen muss, dann könnte ein Preis von unter drei Euro pro Kilogramm Wasserstoff, den ich mit bakterieller Zersetzung herstelle, schnell erreicht werden“, sagt der Jülicher Professor. Auch der Kompost und das Biogas verbessern die Bilanz.
„Es braucht Zwischenschritte, die jemand finanzieren muss.“
Prof. Nils Tippkötter, Professor für Bioverfahrenstechnologe und Downstream Processing an der Fachhochschule Aachen, Campus Jülich
Bessere Energieeffizienz als die Elektrolyse
Die Technik basiert auf bereits verfügbaren Komponenten, bestehende Infrastrukturen wie Biogasanlagen könnten größtenteils weitergenutzt werden. Energetisch lohnt sich das Verfahren: Für ein Kilogramm Wasserstoff mit 33 kWh Energiegehalt werden nur 15 kWh eingesetzt. Zum Vergleich: Eine Veröffentlichung des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme (IWES) gibt an, dass theoretisch 42 kWh benötigt werden, praktisch jedoch etwa 55 kWh, um 1 Kilogramm Wasserstoff mit einem PEM-Elektrolyseur (PEM = Protonenaustauschmembran) herzustellen. Ein weiterer Pluspunkt der Wasserstoff-Produktion mit Bakterien ist, dass keine klimawirksamen Emissionen frei werden.
Noch werden hyperthermophile Bakterien kaum genutzt – der Druck zum Umstieg auf klimafreundliche Energie ist noch nicht groß genug. Daher gibt es bisher keine Anstrengungen, Laborsysteme zu skalieren. „Von einem Liter auf 100.000 Liter hochzuskalieren, geht nicht direkt. Es braucht Zwischenschritte, die jemand finanzieren muss“, sagt Nils Tippkötter.
Der nächste Fortschritt folgt im kommenden Jahr: Dann startet das auf vier Jahre ausgelegte Projekt SynelGas. Dabei wird eine mobile, containerbasierte Wasserstoff-Anlage mit einem Reaktorvolumen von 800 Litern aufgebaut. Mit Partnern aus Land- und Energiewirtschaft betreiben und verbessern Nils Tippkötter und sein Team die Anlage unter Realbedingungen. Sie wollen zeigen, dass das kleine Bakterium Thermogata neapolitana auch in großen industriellen Anlagen funktioniert.
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