Wenn es gelingen soll, die menschengemachte Erderwärmung entsprechend dem Pariser Abkommen bis Ende des Jahrhunderts auf 1,5 °C zu begrenzen, muss die auf fossilen Kohlenstoffquellen basierte Wirtschaft nachhaltig transformiert und die Bilanz der globalen Treibhausgasemissionen - vor allem Kohlenstoffdioxid (CO₂) – auf null abgesenkt werden. Für diese fundamentale Transformation der Weltwirtschaft gilt Wasserstoff (H₂) - neben erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung - als der Energieträger der Zukunft. Wie die Europäische Kommission erklärte, ist „Wasserstoff das fehlende Teil des Puzzles auf dem Weg zu einer vollständig decarbonisierten Wirtschaft“. Dazu hat die Bundesregierung im Juni 2020 ihre Nationale Wasserstoffstrategie vorgestellt, die eine Milliardenförderung für den Einstieg in die nachhaltige Wasserstoffwirtschaft der Zukunft bereitstellt.

Die Industrie verwendet H₂ schon seit langem als vielseitig einsetzbaren Grundstoff und sauberen Energieträger (der bei der Energiefreisetzung nur Sauerstoff benötigt und Wasser erzeugt), beispielsweise bei der Ammoniaksynthese für Düngemittel, der Herstellung von Methanol, der Stahlproduktion und der Ölraffination. Die Crux ist, dass das ökonomischste und meist verwendete Herstellungsverfahren von H₂ auf Erdgas (Methan) beruht und dabei je Tonne H₂ elf Tonnen CO₂ erzeugt werden, die entweder in die Atmosphäre emittiert oder aufwendig und teuer abgefangen und gespeichert werden müssen (Carbon Capture and Storage, CCS). Es ist gängig, das eigentlich farblose H₂-Gas abhängig vom Herstellungsverfahren mit einer Farbe zu kennzeichnen; aus Erdgas erzeugter H₂ wird als „grauer Wasserstoff“ bezeichnet.¹⁾

Für das Erreichen der Klimaziele ist entscheidend, dass die Bilanz bei der Wasserstoffherstellung, -speicherung und -verwendung CO₂-neutral ist. Man spricht dann von „grünem Wasserstoff“, den man zum Beispiel erhält, wenn die Energie zur elektrolytischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff von Wind oder Sonne geliefert wird. Bisher sind diese Verfahren noch relativ ineffizient und teuer. Dass auch Mikroorganismen Wasserstoff herstellen können, hatte Felix Hoppe-Seyler, einer der Pioniere der Molekularbiologie, bereits Ende des 19. Jahrhunderts beschrieben. Inzwischen hat man die Fähigkeit zur Erzeugung von Biowasserstoff in zahlreichen Bakterien, Pilzen und sogar grünen Algen nachgewiesen. Dabei werden unterschiedliche Stoffwechselwege beschritten, die in jüngerer Zeit auch deshalb intensiv erforscht werden, weil sie möglicherweise einen alternativen, klimaneutralen und kostengünstigen Weg zur Erzeugung von „grünem Wasserstoff" als Energieträger der Zukunft eröffnen.

Das vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Verfahrenstechnik IGB koordinierte Projekt SmartBioH₂-BW verfolgt für die Produktion von Biowasserstoff einen vielversprechenden Ansatz in Hinblick auf die Energiewende und zukünftige Wasserstoffwirtschaft in Deutschland. Im Zentrum steht ein Bioreaktor mit Purpurbakterien, die aus organischem Material Bio-H₂ herstellen können. Im Projekt wird Rhodospirillum rubrum verwendet, ein so genanntes photoheterotrophes Nichtschwefel-Purpurbakterium, das bei Licht und in Abwesenheit von Sauerstoff aus einer Vielzahl von Substanzen, wie sie auch in Abfällen und Abwässern enthalten sind, Wasserstoffgas erzeugen kann. Der Photosyntheseapparat dieser Purpurbakterien (der sich wesentlich von dem der grünen Pflanzen unterscheidet) enthält Carotinoide, die als begehrtes Nebenprodukt für die Kosmetik- und Nahrungsmittelindustrie aus den Bakterien gewonnen werden können.

Bei der bakteriellen Photosynthese wird neben H₂ auch CO₂ freigesetzt, das in einen angekoppelten zweiten Bioreaktor geleitet wird, der grüne Mikroalgen der Art Chlorella vulgaris enthält. Diese binden das CO₂ durch Photosynthese und bauen den Kohlenstoff in ihre Biomasse ein. Zusätzlich wird ihnen als Stickstoffquelle Ammoniumchlorid (NH₄Cl) zugeführt, damit sie gut wachsen und Proteine synthetisieren können. Seit langem schon werden Chlorella-Algen für die sehr ertragreiche, zur Hälfte aus Protein bestehende Produktion von Biomasse zur Verwendung in Industrie und Landwirtschaft kultiviert. Man gewinnt aus ihnen auch spezielle Moleküle wie zum Beispiel Lutein, ein sauerstoffhaltiges Carotinoid (Xanthophyll), das als Futtermittelzusatz und Nahrungsergänzungsmittel genutzt wird. Diese einzelligen Grünalgen haben außerdem die Fähigkeit, mithilfe des Sonnenlichts unter bestimmten Umständen aus Wasser H₂ zu produzieren. Dadurch kann die Ausbeute an Wasserstoff im SmartBioH₂-BW-Projekt weiter gesteigert werden.

Der vollständige Titel des Projektes lautet: „SmartBioH2-BW – Biowasserstoff aus industriellen Abwasser- und Reststoffströmen als Plattform für vielseitige Biosynthesewege“. Das Verbundprojekt ist eines von fünf Pilotprojekten der Fachinitiative urbane und industrielle Bioraffinerien der baden-württembergischen Landesagentur für Umwelttechnik und Ressourceneffizienz im Rahmen des EFRE-Förderprogramms „Bioökonomie – Bioraffinerien zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall und Abwasser – Bio-Ab-Cycling“.

SmartBioH2-BW verknüpft nicht nur auf intelligente Weise die im Labor erforschten Fähigkeiten von Purpurbakterien und Mikroalgen zur klimaneutralen Biosynthese von Wasserstoff und organischen Spezialmolekülen, sondern erprobt diesen Ansatz auch in Hinblick auf Effizienz und Wirtschaftlichkeit in einem industriellen Umfeld. Dazu wurde Evonik Industries, ein weltweit führendes Unternehmen der Spezialchemie, als assoziierter Partner für das Projekt gewonnen und die Bioraffinerie mit den gekoppelten Bioreaktoren für Purpurbakterien und Mikroalgen in den großen Industriestandort der Evonik Operations GmbH in Rheinfelden integriert. Die Purpurbakterien werden dort mit Abwasser- und Reststoffströmen aus industriellen Prozessen gefüttert. Seit vielen Jahrzehnten bereits produziert Evonik am Standort Rheinfelden „grauen Wasserstoff“ aus Erdgas, um beispielsweise Wasserstoffperoxid für die Raumfahrt- und Lebensmittelindustrie herzustellen.²⁾ Wenn das von der Europäischen Union und dem Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg geförderte Pilotprojekt SmartBioH₂-BW erfolgreich verläuft, wird zukünftig mindestens ein Teil dieses „grauen Wasserstoffs" durch „grünen Bio-Wasserstoff" ersetzt werden können.