Strom aus Zuckerwasser

Wissenschaftler an der University of Minnesota wollen Wasserstoff künftig direkt aus Biomasse herstellen. Sollte das gelingen, ließe sich Strom künftig deutlich kostengünstiger aus verschiedenen Billig-Brennstoffen produzieren, die heute weggeworfen werden.

Die neue Methode, die in der aktuellen Ausgabe von "Science" veröffentlicht wurde, setzt auf einen verbesserten Katalyse-Prozess, mit dem sich Wasserstoff aus Sojaöl und sogar Zuckerwasser herstellen lässt. Der Wasserstoff könnte dann in Hochtemperatur-Brennstoffzellen der SOFC-Bauart verwendet werden, die derzeit noch mit fossilen Brennstoffen wie Erdgas befeuert werden. Passt man die Menge an eingelassenem Sauerstoff an, soll sich mit dem neuen Prozess aus Sojaöl oder Zuckerwasser sogar so genanntes Syngas erzeugen lassen, eine Mixtur aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Dieses lässt sich entweder als Brennstoff direkt verwenden oder in synthetisches Benzin umwandeln. Mit der Methode lassen sich außerdem Alkene erzeugen, aus denen Kunststoff hergestellt werden kann.

Obwohl die Forschungsergebnisse derzeit noch vorläufig sind, stellt der Katalyse-Prozess der University of Minnesota-Forscher bereits jetzt einen völlig neuen Weg dar, billige Biomasse als Treibstoff zu nutzen. Diese muss heute noch in Biodiesel oder Ethanol umgewandelt werden, um eingesetzt werden zu können. "Bislang haben die Leute die Finger von nicht flüchtigen Ausgangsmaterialien gelassen, also Stoffen, die sich nicht verdampfen lassen", erklärt Ted Krause, Leiter der Abteilung für Grundlagen- und angewandte Forschung am Argonne National Laboratory in Illinois. Der Grund sei gewesen, dass es dabei immer zu Kohlenstoffverklebungen bei der Wasserstoffproduktion gekommen sei. Müsse man Stoffe wie Sojaöl oder Zuckerwasser nicht mehr bearbeiten, um flüchtige Brennstoffe wie Ethanol zu erzeugen, ließen sich ganz neue Biomasse-Quellen anzapfen, meint Krause.

Der Katalyse-Prozess der University of Minnesota-Forscher beginnt mit dem Einspritzen feiner Tröpfchen Sojaöl oder Zuckerwasser in einen enorm heißen Katalysator, der aus kleinen Mengen an Cer und Rhodium besteht. Die schnelle Erhitzung sorgt in Verbindung mit Katalyse-unterstützten Reaktionen dafür, dass es nicht zu einer Kohlenstoffanreicherung kommt, die den Prozess ausbremsen würde. Die dabei ablaufenden Reaktionen produzieren Hitze, was den Katalysator wiederum heiß genug hält, sie weiter in Gang zu halten. Zwar müssen fossile Brennstoffe verwendet werden, um die Katalyse auf Arbeitstemperatur (800 Grad Celsius) zu bringen. Doch danach werden die CO2-Sünder nicht mehr benötigt. "Einer der Vorzüge unserer Entwicklung ist, dass man keine Hitze von außen braucht - der Prozess läuft aus sich heraus ab", erklärt Lanny Schmidt, Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften an der University of Minnesota, der die Forschungsarbeit leitet.

Der Schlüssel zu einer besonders schnellen Reaktion sind die kleinen Tröpfchen. Bereits existierende Prozesse zur Umwandlung flüchtiger Brennstoffe wie Ethanol oder Biodiesel zu Wasserstoff sind eher langsamer, weil sich die Brennstoffe in Röhren befinden und es bis zu eine Sekunde dauert, sie zu transportieren. Bei Schmidts Erfindung heizen sich die Tröpfchen hingegen sofort auf - in wenigen Millisekunden. Das macht das ganze System schneller, billiger und kleiner, wie er sagt. Durch die erhöhte Geschwindigkeit lasse sich zudem mehr Wasserstoff in einem kleineren Reaktor erzeugen, was Investitionskosten senke. So werde es sogar praktikabel, dass ein Bauer ein kleines System auf seinem Hof betreibe.

Schmidt glaubt, dass sich der Katalyse-Prozess auch an andere Biomasse-Treibstoffe anpassen lassen könnte - etwa Pulver oder Maische aus Grass oder Holz, die sich derzeit noch schwer zu praktikablen Brennstoffen zur Stromerzeugung umwandeln lassen. Auch lässt sich solche Biomasse aufgrund des hohen Zellulosegehalts nur umständlich transportieren. Ließe sich Syngas und Wasserstoff auf diesem Ausgangsstoff produzieren, würde dies die Menge an direkt erzeugbarem Treibstoff aus Biomasse-Abfällen dramatisch erhöhen. Ganze Maisstängel ließen sich verwenden, anstatt nur den aus Körnern gewonnenen Zucker in Treibstoff zu verwandeln. Andere Wissenschaftler arbeiten derzeit an der genetischen Herstellung von Organismen, die Grass und Maisstängel zu flüssigen Treibstoffen wie Ethanol umwandeln sollen.

All diese Verfahren könnten die Abhängigkeit von Ölimporten reduzieren. Auch ergäbe sich so eine erneuerbare Energiequelle, die rein rechnerisch kein zusätzliches CO2 in die Atmosphäre entlässt - wird Biomasse verbrannt, wird nur das CO2 frei, das die Pflanzen während ihres Wachstums aufgenommen haben.

Krause vom Argonne National Laboratory glaubt, dass die ersten Anwendungen von Schmidts Verfahren in der verteilten Stromerzeugung liegen. Noch sei unklar, ob es sich im industriellen Maßstab verwenden lasse. So sei es schwer, die Tröpfchengröße und Temperatur des Systems zu kontrollieren, wenn es größer sei. Doch genau diese Kontrolle wird benötigt, um die Reaktion gleichförmig ablaufen zu lassen und den Katalysator nicht zu beschädigen.

Schmidt selbst will seine Technik derzeit noch nicht kommerzialisieren. Sein nächstes Ziel ist es, das System an andere Biomasse-Quellen anzupassen. Es gäbe noch viele Ideen, sagt er: Eines Tages könne es sogar möglich sein, Strom aus Rasenschnitt zu produzieren - ganz einfach, nach dem man ihn gemäht hat.

Übersetzung: Ben Schwan. (wst)