Gärung

Im Labor-Maßstab kann aus energiereichen organischen Verbindungen in der Biomasse (z. B. Kohlenhydrate, Fette, Proteine) durch vergärende Bakterien neben CO₂ und oxidierten organischen Verbindungen auch H₂ gebildet werden. Bei diesem anaeroben Prozess kann von den Bakterien nur ein Teil der in der Biomasse enthaltenen Energie erschlossen werden, da Sauerstoff als Oxidationsmittel nicht zur Verfügung steht. Der gebildete Biowasserstoff kann somit einen großen Anteil der verbliebenen Energie enthalten.

Thermochemische Verarbeitung

In industriellem Maßstab kann Biowasserstoff aus Biomasse (Holz, Stroh, Grasschnitt etc.) aber auch aus sonstigen Bioenergieträgern (Biogas, Bioethanol etc.) durch thermochemische Verarbeitung (Vergasung oder Pyrolyse) und anschließende oder direkte Dampfreformierung hergestellt werden. Das bei der Vergasung gebildete Synthesegas besteht, je nach verwendetem Rohstoff, aus unterschiedlichen Anteilen Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH₄), Wasserstoff und anderen Komponenten. Bei der Dampfreformierung finden chemische Reaktionen zwischen dem Wasserdampf und Synthesegasanteilen statt, wodurch die Wasserstoff-Ausbeute erhöht werden kann.

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+H_{2}O\;{\overrightarrow {\leftarrow }}\;CO+3\ H_{2},\ \Delta H=+201,4kJ/mol} }$

(Methan + Wasserdampf → Kohlenstoffmonoxid + Wasserstoff; endotherm; andere Gleichungen ebenfalls denkbar)

${\displaystyle \mathrm {CO+H_{2}O\;{\overrightarrow {\leftarrow }}\;CO_{2}+H_{2},\ \ \ \Delta H=-41,2kJ/mol} }$

(Shiftreaktion; leicht exotherm)

Dieses Verfahren der Wasserstoffherstellung kommt in großem Maßstab bei der Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas zum Einsatz, z. B. zur Herstellung von Ammoniak für Stickstoffdünger (Haber-Bosch-Verfahren).

Als Endprodukte entstehen so im Wesentlichen Wasserstoff (mit einem Umwandlungs-Wirkungsgrad von ungefähr 78 %), Kohlendioxid und mineralische Asche. Zum Anfahren der Anlage kann das energiereiche Synthesegas verwendet werden. Anschließend soll sich der Prozess durch exotherme Reaktionen energetisch selbst tragen. Die Wasserstoffherstellung auf Basis der thermochemischen Biomassevergasung befindet sich im Versuchsstadium.

Vor- und Nachteile von Biowasserstoff aus Biomasse

Die Nutzung von Biowasserstoff bietet verschiedene Vor- und Nachteile. Die Bewertung hängt dabei im Einzelnen von den verwendeten Rohstoffen, den Herstellungsverfahren und der Art der Nutzung ab. Erschwert wird die Bewertung durch die fehlende praktische Erfahrung und bisher fehlende Relevanz der Biowasserstofferzeugung.

Oxygene Photosynthese

Die typische Photosynthese, z. B. von Landpflanzen und Algen, wird als oxygen (sauerstoffbildend, siehe oxygene Photosynthese) bezeichnet, da als Produkt der Wasserspaltung Sauerstoff freigesetzt wird:

${\displaystyle {\begin{matrix}\mathrm {6\;CO_{2}+12\;H_{2}O\quad {\xrightarrow {h\nu }}\;C_{6}H_{12}O_{6}+6\;O_{2}+6\;H_{2}O} \qquad \Delta H^{0}=+2870\ {\frac {\mathrm {kJ} }{\mathrm {mol} }}\end{matrix}}}$

Brutto-Reaktionsgleichung für die oxygene Photosynthese

Zweck der Photosynthese ist die Energiebereitstellung. Die Freisetzung von energiereichem Biowasserstoff bedeutet jedoch einen Verlust von Energie. Diese Prozesse treten daher nur unter bestimmten Umständen auf:

• Cyanobakterien sind in der Lage, durch Nitrogenasen den wichtigen Nährstoff Stickstoff aus der schwer zugänglichen Form N₂ (z. B. in der Luft vorliegend oder in Wasser gelöst) in biologisch zugängliche Verbindungen umzuwandeln. Basis ist diese Reaktion der Stickstofffixierung:

${\displaystyle \mathrm {N_{2}+8\ H^{+}+8\ e^{-}\longrightarrow 2\ NH_{3}+H_{2}\!} }$

Die Elektronen (e⁻) und Protonen (H⁺) können aus der photosynthetischen Wasserspaltung der parallel betriebenen, sauerstoffbildenden Photosynthese stammen. Das Produkt bzw. Produktgas enthält somit sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff.

• Grünalgen betreiben ebenfalls die oxygene Photosynthese. Unter bestimmten Umständen werden die bei der photosynthetischen Wasserspaltung bereitgestellten energiereichen Elektronen nicht zur Reduktion von Kohlendioxid verwendet, sondern in einer Art Leerlaufreaktion mit Protonen (aus der umgebenden wässrigen Phase) zu Wasserstoffmolekülen umgesetzt. Diese von Hydrogenasen katalysierte Reaktion wird beispielsweise in Abwesenheit von Sauerstoff induziert.

Die aufgenommene Sonnenenergie wird also nicht zunächst in Biomasse gespeichert, sondern kann direkt in Wasserstoff umgewandelt werden. Es wird versucht, in Wasserstoffbioreaktoren diesen Prozess nutzbar zu machen.

Anoxygene Photosynthese

Bei der anoxygenen Photosynthese können aus organischen Substraten oder reduzierten Schwefelverbindungen durch phototrophe Bakterien unter Verwendung der Sonnenenergie H₂ und CO₂ oder oxidierte Schwefelverbindungen gebildet werden.

Vor- und Nachteile von Biowasserstoff aus Sonnenenergie

Die Herstellung von Biowasserstoff aus Sonnenenergie mittels Stoffwechselprozessen unterscheiden sich deutlich bzw. vollständig von der Herstellung aus Biomasse. Somit sind auch andere Vor- und Nachteile gegeben.

In Algenreaktoren bzw. Photobioreaktoren kultivierte, Photosynthese betreibende Algen können eine deutlich höhere energetische Produktivität pro Fläche haben als Pflanzen. Bei der photosynthetischen Erzeugung von Wasserstoff wird die Sonnenenergie direkt in einen Endenergieträger umgewandelt. Umwandlungsverluste gegenüber der Erzeugung und Nutzung von kohlenstoffbasierter Biomasse (Holz, Bioethanol, Biodiesel, Biogas etc.) könnten theoretisch verringert werden.

Die Kultivierung von Algen und Bakterien ist mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden. Eine kommerzielle Erzeugung von Wasserstoff mittels Biomasse ist derzeit nicht gegeben. Die Stoffwechselprozesse, bei denen Wasserstoff erzeugt wird, treten in der Natur nur in geringem Maße oder unter besonderen Bedingungen (Stresssituationen) auf. Eine Übertragung von Labor- auf Produktionsbedingungen ist bisher nicht absehbar.