Biotreibstoff der Zukunft?
Grüner Wasserstoff aus Algen
Sie sind winzig, haben aber bereits Großes geschaffen.
Vor rund 2,5 Milliarden Jahren brachten Mikroalgen mit der oxygenen Photosynthese Sauerstoff in die Atmosphäre und schufen damit die fundamentale Grundlage für das heutige Leben auf der Erde. Seit einigen Jahren rücken die Einzeller nun wieder verstärkt in den Fokus der Forschung. Bestimmte Grünalgen gelten als zukunftsträchtige Energielieferanten – eine harte Währung in Zeiten von Klimawandel und Energiewende. Denn die Multitalente sind unter bestimmten Umständen in der Lage, ihren Stoffwechsel so anzupassen, dass sie selbstständig Wasserstoff (H2) produzieren.
Herstellung: Aktueller Stand
Die Suche nach klimaneutralen Energieträgern gehört zu den zentralen technologischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Wasserstoff gilt dabei als Baustein mit großem Potenzial, insbesondere weil er speicherbar ist, emissionsfrei genutzt werden kann und sich für Industrie, Verkehr sowie Stromversorgung eignet. Die Krux: Der heute produzierte Wasserstoff stammt überwiegend aus fossilen Quellen, vornehmlich aus der Dampfreformierung von Methan unter Zugabe von Heißdampf von 700 bis 1.000 °C [1]. Das ist nicht CO2-neutral, obendrein energieaufwändig, und damit alles andere als optimal. Hinzu kommt, dass der so produzierte Wasserstoff schlicht nicht reichen würde, um beispielsweise im Mobilitätssektor in größerem Stil eingesetzt zu werden.
Grüner Wasserstoff, der sich mithilfe erneuerbarer Quellen erzeugen lässt, ist daher gefragter denn je und gilt als einer der Hoffnungsträger für die Energiewende. Der einfachste Weg dorthin führt über einfaches Wasser. Denn unter Zuführung von Energie kann Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden [2]. Auch dazu braucht es eine Energiequelle, die in diesem Fall elektrischer, thermischer oder (bio-)photonischer Natur sein kann [3].
Das bisher mit Abstand gebräuchlichste und am häufigsten eingesetzte Verfahren, grünen Wasserstoff zu erzeugen ist die Elektrolyse. Dabei spaltet Strom aus erneuerbaren Energiequellen das Wasser in seine Bestandteile. Dieser Prozess ist zwar CO2-neutral, aber bisher immer noch sehr energieintensiv und teuer [4].
Ein weiteres Verfahren ist die thermochemische Wasserspaltung oder Thermolyse, die Abwärme von nuklearen oder chemischen Reaktionen nutzt [5,6]. Der Zersetzungsprozess benötigt Temperaturen oberhalb von 2.000 °C, um eine Spaltung in die Elemente zu gewährleisten [2], und ist damit ebenfalls enorm energieintensiv. Die Photoelektrolyse oder photoelektrochemische Wasserspaltung wiederum nutzt Sonnenenergie und Photokatalysatoren, um Wasser in seine Elemente zu zerlegen [7]. Nicht zuletzt die langsame Reaktionskinetik begrenzt jedoch die Effizienz dieses Prozesses erheblich [8].
Bleibt die Biophotolyse. Dabei vollführen Mikroorganismen wie Mikroalgen die Wasserspaltung unter Zuhilfenahme der Energie des Sonnenlichts. Diese Technologie befindet sich noch im Entwicklungsstadium [2]. Doch könnten die Mikroalgen nicht wieder Großes schaffen? Vielleicht sogar die Welt retten? „Ja“ sagen die einen, „möglicherweise“ die anderen. Wieder andere sagen „nein“.
Herausforderungen: Empfindliches Enzym, großer Maßstab
Potenzial, dem es wissenschaftlich nachzugehen gilt, hat die Technologie allemal. Sie wurde und wird daher intensiv erforscht. Als Naturtalent im Sinne der Biowasserstoffproduktion gilt vor allem die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Bereits vor über 80 Jahren entdeckten Forscher, dass diese einzellige Alge unter Nährstoff-, genauer Schwefelmangel, und anaeroben Bedingungen ihre Photosynthese von Sauerstoff- auf Wasserstoffproduktion umschalten kann. 1993 gelang Professor Thomas Happe von der Ruhr-Universität Bochum, der bis heute zu den weltweit führenden Algenforschern gehört, das für die Wasserstoffproduktion verantwortliche Enzym, die sogenannte Hydrogenase, zu isolieren [9].
So weit, so theoretisch einfach also? Könnten riesige Wassertanks voller Mikroalgen unser Energieproblem lösen, indem sie regenerativen Treibstoff aus Sonnenlicht und Wasser erzeugen? Theoretisch ist dieses Konzept denkbar, praktisch ist es bisher jedoch nicht umsetzbar. Das liegt an dem enormen Platzbedarf für solche Tanks ebenso wie an der noch zu geringen Wasserstoffausbeute, den Wachstumsansprüchen der Alge sowie Kontaminationsrisiken [4]. Insbesondere liegt es aber an einem Grundproblem enzymatischer Natur: Die meisten Hydrogenasen sind äußerst empfindlich gegenüber Sauerstoff. Durch den theoretisch äußerst eleganten und nachhaltigen Weg der direkten Biophotolyse:
2H2O + Licht → 2H2 + O2
entsteht praktisch sofort das erwähnte Sauerstoffproblem. Die freigesetzten Sauerstoffmoleküle deaktivieren die Hydrogenasen innerhalb kurzer Zeit, weshalb die Wasserstoffausbeuten bisher deutlich unter wirtschaftlich nutzbaren Werten liegen. Ein Großteil der Forschung setzt daher genau hier an: Sie will die Hydrogenasen widerstandsfähiger und langlebiger machen.
Hydrogenasen: Optimierung gefragt
Die Evolution hat verschiedene Klassen an Hydrogenasen hervorgebracht, die sich anhand ihrer aktiven Zentren unterscheiden. Die Arbeitsgruppe Photobiotechnologie an der Fakultät für Biologie der Ruhr-Universität Bochum erforscht beispielsweise die besonders effizienten sogenannten [FeFe]-Hydrogenasen, die ein in der Natur einzigartiges aktives Zentrum enthalten: das H-Cluster. Ziel der Forschenden ist es unter anderem, O2-stabile [FeFe]-Hydrogenasen zu identifizieren und zu untersuchen. Auf diese Weise wollen sie Enzyme entwickeln, die sich stabil in angewandte Prozesse integrieren lassen. Weil es für industrielle Prozesse zudem nicht nur relevant ist, dass die Hydrogenasen unempfindlich gegenüber Sauerstoff sind, sondern sie ihre Arbeit auch möglichst lange mit hoher Effizienz verrichten, arbeiten die Bochumer Forschenden an kleinen, robusten Minimal-Hydrogenasen.
Wirtschaftlich interessanter, aber ineffizienter Umweg
Einige Cyanobakterien und Grünalgen betreiben in Abwesenheit von Sauerstoff einen alternativen Stoffwechselweg, der indirekte Biophotolyse genannt wird. Dabei wird die Photosynthese zeitlich von der Wasserstoffproduktion getrennt. Die Mikroorganismen produzieren in einem ersten Schritt Kohlenhydrate und speichern diese. Bei erneutem Sauerstoffmangel oder Einwirken anderer Stressoren schaltet der Stoffwechselweg auf die Produktion von Wasserstoff um. Die Mikroalge Chlorella beherrscht diesen Prozess besonders effektiv. Weil als Nebenprodukt Lipide entstehen, die industriell interessant sind, könnte dieser Weg langfristig wirtschaftlich werden [10]. CO2-neutral ist der Prozess jedoch nicht. Im Gegenteil: Er erzeugt sogar Kohlendioxid und die Wasserstoffausbeute ist bislang gering [10].
Herausforderung Skalierbarkeit
Ob direkt oder indirekt – in jedem Fall muss die entwickelte Biophotolyse perspektivisch in industriellen Größenmaßstäben einsetzbar sein. In den notwendigen riesigen Tanks muss beispielsweise gewährleistet sein, dass bei hohen Kulturdichten auch diejenigen Zellen, die sich ganz unten oder ganz innen befinden, genügend Sonnenlicht abbekommen, um effiziente Syntheseleistungen zu erbringen. Verfahrenstechnisch kein einfach zu lösendes Problem. Viele Fachleute sind daher der Ansicht, dass eine großtechnische grüne Wasserstoffherstellung erst durch die biotechnologische Veränderung der eingesetzten Mikroorganismen möglich ist [10].
Energiegewinnung aus Wasserstoff
Eine Tonne Wasserstoff enthält 33.330 Kilowattstunden Energie. Er kann direkt als Brennstoff verwendet werden, nach Weiterverarbeitung zu Methan oder als Beimischung zum Erdgas. Um die Energie in Strom zu verwandeln, kommen Brennstoffzellen zum Einsatz. Darin reagieren Wasserstoff und Sauerstoff miteinander; es entsteht Wasser und Strom. Wird die entstehende Prozesswärme genutzt, spricht man von Kraft-Wärme-Kopplung. Bislang ist grüner Wasserstoff nicht in ausreichender Menge verfügbar, um einen signifikanten Beitrag zur Energiewende zu leisten. Das soll sich nach den Plänen der Bundesregierung ändern, die dazu im Jahr 2020 die Nationale Wasserstoffstrategie beschlossen hat. Jülicher Forschende haben für das Jahr 2045 eine Wasserstoff-Nachfrage in Deutschland von rund 414 Terawattstunden berechnet, davon muss fast die Hälfte importiert werden [10,11].
Schematische Funktionsweise einer Wasserstoff-Brennstoffzelle. Zur Verdeutlichung wurden Elektroden und Elektrolytmembran optisch voneinander getrennt. Wasserstoff wird in der Anode durch einen Katalysator in H+ und e– aufgespalten. Während die Elektronen über einen externen Stromkreis Richtung Kathode fließen, wandern die Protonen durch die Elektrolytmembran (Polymer oder Keramik). In der Kathode entstehen aus Protonen, Elektronen und Luftsauerstoff Wassermoleküle. Die Endprodukte des Prozesses sind reines Wasser, Strom und Wärme [11].
Zur nächsten Chance für Wasserstoff als Energielieferant der Zukunft findet sich in unserem carl 04/2026 ab Seite 14 ein spannender Artikel [11].
Im Jahr 2025 wurde der Zukunftspreis des deutschen Bundespräsidenten verliehen für das Fuel Cell Power Module und damit einen neuen Brennstoffzellen-Antrieb, der schwere Lastkraftwagen emissionsfrei bis zu tausend Kilometer weit tragen kann. Wir berichten darüber im Blog Grüne Kraft für schwere Last: Brennstoffzellen im Lkw.
Ob Biowasserstoff aus Algen oder künstlichen Hydrogenase-Systemen irgendwann tatsächlich unsere Privat-Autos antreiben wird, bleibt also vermutlich zumindest in näherer Zukunft fraglich. Wünschenswert wäre es jedoch, dass die kleinen Synthesekünstler ihre frühe Erfolgsstory fortsetzen.
Quellen:
[1] K. Delgado et al., Catalysts 2015, 5, 871–904. DOI: https://doi.org/10.3390/catal5020871
[3] S. A. Grigoriev et al., Int. J. Hydrogen Energy 2020, 45, 26036–26058. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.109
[4] Biowasserstoff aus Algen: Chancen und Herausforderungen | BDEW
[5] H. Wendt, G. H. Bauer, in Hydrogen as an Energy Carrier: Technologies, Systems, Economy, Ed.: C.-J. Winter, J. Nitsch, Springer, Heidelberg 1988.
[6] H. Miyaoka et al., Int. J. Hydrogen Energy 2012, 37, 17709–17714. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.09.085
[7] M. A. Marwat et al., ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 12007–12031. DOI: https://doi.org/10.1021/acsaem.1c02548
[8] F. Safari, I. Dincer, Energy Convers. Manage. 2020, 205, 112182. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.1121
[9] T. Happe, JD Naber, European Journal of Biochemistry. 1993, 214, 475-481 DOI: 10.1111/j.1432-1033.1993.tb17944.x
[10] Bioökonomie.de. Biowasserstoff: Quellen und Forschungsansätze
[Internet]. Potsdam, Blattmacher Kommunikation und Wissenschaft GmbH 2026 [zitiert am 29. Mai 2026]. https://biooekonomie.de/themen/dossiers/biowasserstoff-quellen-und-forschungsansaetze#dossier-page-1
[11] F. Frick, Die nächste Chance für den Stoff der Zukunft. carl, 2026. Ed.: Carl Roth GmbH + Co. KG, 4, 14 https://blaetterkatalog.carlroth.com/CARL_2604_DE/
